1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Для успешного управления ходом доменного процесса и достижения высокопроизводительной работы доменных печей необходимо организовать тщательный контроль производства, обеспечивающий возможность прогнозирования конечных результатов плавки.

К числу важнейших расчетных показателей относятся расходные коэффициенты шихтовых материалов, состав шлака, состав колошникового газа, материальный и тепловой балансы доменной плавки, а также показатели восстановительной и тепловой работы печи.

Применение вычислительной техники позволяет быстро и с большой точностью определить технико-экономические показатели доменной плавки для нескольких вариантов составов сырья и условий плавки и выбрать наиболее экономичный из них.

Цель доменного производства состоит в получении чугуна. Чугун - многокомпонентный сплав железа с углеродом (> 2.14%С), содержащий некоторое количество постоянных примесей, таких как кремний, марганец, фосфор, сера, и в зависимости от назначения чугуна и от состава проплавляемых шихтовых материалов в нем могут содержаться хром, ванадий, никель, титан, медь.

Состав чугуна, получаемый в ходе доменной плавки, определяется требованиями потребителей и возможностями доменной плавки.

Все доменные чугуны по своему назначению подразделяют на три основных вида:

· передельный;

· литейный;

· доменные ферросплавы.

Передельный чугун является преобладающим видом продукции доменного производства. На его долю приходится около 90% общего производства чугуна. Он предназначен для дальнейшего передела в сталь или переплавки в чугунолитейных цехах при производстве отливок.

В зависимости от массовой доли кремния и назначения изготовляется:

· передельный чугун для сталеплавильного производства (П1 и П2);

· передельный чугун для литейного производства (ПЛ1 и ПЛ2);

· передельный фосфористый чугун (ПФ1, ПФ2, ПФ3);

· передельный высококачественный чугун (ПВК1, ПВК2, ПВК3).



1. Определение расхода шихтовых материалов

Расчет расхода шихтовых материалов производят при проектировании доменных цехов и печей, при изменении условий плавки и в других необходимых случаях.

Для выполнения расчета необходимо иметь данные о химическом составе сырых материалов, составе чугуна, сведения о температуре и составе дутья и некоторые другие данные.

1.1 Исходные данные для расчета

Состав чугуна.

В доменных печах выплавляют преимущественно передельный, реже литейный чугун и ферросплавы. В зависимости от содержания основных компонентов (кремний, марганец, фосфор, сера и т. д.) доменные чугуны подразделяются на марки, группы, классы, категории и степени. В данной работе производится расчет шихты для выплавки коксового передельного чугуна марки П1 гр. 2 кл. А кат. 2

Таблица 1 - Состав чугуна.

Компонент	Si	Mn	P	S
%(масс.)	1,07	0,78	0,11	0,016

Содержание углерода в чугуне можно определить расчетом по содержанию в нем других элементов. Для этого используют формулу А.Д. Готлиба:

Сырые материалы.

а) Железорудная часть шихты состоит из смеси 70% агломерата и окатышей.

б) Марганцевая руда.

в) Флюс. Основными видами доменного флюса являются известняк и доломитизированный известняк

г) Кокс.

Таблица 2 - Технический анализ кокса.

Компонент	Ас	Sc	Vc	Wp
%(масс.)	13,84	1,02	0,54	2,6

Здесь Ac, Sc, Vc - содержание в коксе нелетучего углерода, золы, серы и летучих, определенное на сухую массу, причем С_нел=100-(A_C+S_C+V_C)

W_p- содержание влаги (сверх 100%)

д) Дополнительные виды топлива. В данном расчете использован природный газ Саратовского месторождения следующего химического состава:

Таблица 3 - Состав природного газа.

Компонент	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	N2	CO2
%(объем.)	97,140	0,660	0,520	0,250	0,000	1,430

Условия доменной плавки.

а) Основность шлака, В_шл

0,97

где: - содержание соответствующих компонентов в шлаке, %

б) Температура горячего дутья 1200 °С

в) Состав сухого дутья. Содержание кислорода в дутье 22% , тогда содержание будет равно (или )

г) Влажность дутья (f). Естественная влажность атмосферного воздуха в большинстве металлургических районов находится в пределах 0,6-1,1% (объемн.)

В расчете принято, что в дутье содержится 1,0%(объемн.) влаги (или f=0,01 долей ед.)

g=(18,0*0,01)/22,4*103=8,03 г/нм3,

где 22,4-объем моля H2O, л;

18,0- масса г-молекулы H2O, г.

д) степень развития непрямого и прямого восстановления.

В данном расчёте принято0,75

е) Степень использования восстановительной способности водорода.

где: - количество водяного пара в колошниковом газе, образующегося в печи при восстановлении, ;

- количество водорода, внесенного в печь влагой дутья;

- количество водорода, внесенного в печь восстановительным газом;

- количество водорода внесенного в печь летучими кокса.

может находиться в пределах . В расчете

ж) Температура отходящих газов на колошнике может колебаться в пределах . В расчете температура колошникового газа 190 ⁰С.

з) Теплосодержание чугуна можно ориентировочно определить по следующей формуле:

для передельного чугуна:

Здесь - температура чугуна, составляющая в расчете 1427°С

1427=291,86 =1220 кДж/кг

и) Теплосодержание шлака

Теплосодержание шлака (Wшл) ориентировочно определяется следующим образом:

при tшл>1450С

Wшл=422,5+0,4(t-1450) ккал/кг шлака

В расчете принята температура шлака 1475С

к) Тепловые потери включают: тепло, унесенное охлаждающей водой, наружные тепловые потери через стены доменной печи лучеиспусканием и конвекцией и через фундамент теплопроводностью.

В расчете 1402кка/кг С(1680 кДж/кг)углерода.



2. Определение расхода шихтовых материалов кроме кокса

2.1 Выход чугуна из компонентов шихты

Расчет расхода железорудной части шихты, флюса, марганцевой руды, выполняется на 100 кг выплавляемого чугуна. При несоответствии суммы содержаний окислов 100% следует так изменить значения содержания окислов, имеющихся в больших количествах (SiO2, Al2O3, CaO), чтобы в сумме получилось 100% без изменения основности компонентов.

Химсостав компонентов рассчитываемой шихты приведен в таблице №8.

Таблица 4 - Хим. состав компонентов рассчитываемой шихты

Компонент Шихты
Агломерат Северсталь	52,890	0,188	0,09	0,0392	54,29	19,200	-
Окатыши Оленегорские	58,700	1,124	0,069	0,2	76,62	2,900	-
Железорудная cмесь	54,63	0,57	0,089	0,033	60,99	14,31	-
Марганцевая руда	3,500	38,04	0,22	-	5,00	19,00	60,200
Флюс	0,210	-	0,004	0,052	0,3	-	-
Зола кокса	7,910	-	0,68	-	11,30	-	-
Кокс	1,095	-	0,09	1,02	1,56	-	-

Таблица 5

Компонент шихты
Агломерат Северсталь	0,243	10,450	2,700	12,028	0,850	0,207	0,098	100,0	-	-
Окатыши Оленегорские	1,450	4,120	3,280	4,855	2,550	0,160	0,050	100,0	-	-
Железорудная cмесь	0,61	8,55	2,87	9,88	0,051	0,19	0,084	100,0	-	-
Марганцевая руда	-	20,000	6,000	2,000	0,300	0,500	0,000	100,0	19,00	-

Таблица 6

Компонент шихты
Флюс	-	1,500	0,500	53,000	1,500	-	0,130	100,0	-	-
Зола кокса	-	50,800	25,800	5,200	2,200	1,560	3,140	100,0	-	-
Кокс	-	7,03	3,57	0,72	0,30	0,22	0,43	100,0	-	84,6

- Содержание Fe2O3 в компонентах шихты определяют следующим образом:

;

- Содержание соединений и элементов в железорудной смеси определяют сложением произведений содержаний соединений в компоненте смеси на долю этого компонента в смеси:

- Содержание компонентов золы в коксе определяют умножением содержания соединения в золе на долю золы в коксе.

Отсюда:

=0,775

=0,775

Аналогично для марганцевой руды, флюса и золы кокса.

Железорудная смесь состоит из 70% Aгломерата и 30% окатышей.

2.2 Определение расхода шихтовых материалов кроме кокса

Выход чугуна из компонентов шихты.

Расчет расхода железорудной части шихты, флюса, марганцевой руды, кокса выполняется на выплавляемого чугуна.

Для определения значений расхода компонентов шихты необходимо составить балансовые уравнения, в которых:

- расход рудной смеси,

- расход марганцевой руды,

- расход известняка.

Количество чугуна образующегося в доменной печи при проплавлении данного шихтового материала называется выходам чугуна.

Выход чугуна определяют по элементам, содержание которых в чугуне зависит главным образом от количества их в шихте ; содержание же ряда других элементов определяется условиями плавки .

Различные элементы, находящиеся в шихтовых материалах, в ходе доменной плавки распределяются между чугуном, шлаком и газом.

Таблица 7 - Коэффициенты распределения элементов.

Элемент	Чугун	Шлак	Газ
Fe	0,999	0,001
Mn	0,55	0,45
P	1,0
S	0,05	0,85	0,1

Выход чугуна определяют по следующей формуле:

где: - содержание соответствующих элементов в данном материале, %;

- коэффициенты перехода элементов в чугун, доли ед.;

- содержание соответствующих элементов в чугуне, %;

Уравнение по выходу чугуна из компонентов шихты имеет вид:

где: - выход чугуна соответственно из рудной смеси, марганцевой руды и известняка.

Найдем выход чугуна:

В=[Si]+ [C]+ [S]=1,07+3,911+0,016=4,997кг

100-В=100-4,997=95,003кг



Подставляем значения выхода чугуна в уравнение по выходу чугуна:

0,58(РС)+0,259(МР)+0,002(Фл)=100

2.3 Баланс марганца в компонентах шихты и чугуна

Каждый компонент шихты может внести в чугун количество марганца, равное Mn•зMn кг (где Mn-количество марганца в данном компоненте, кг/100 кг компонента). Для поддержания в чугуне заданного количества марганца его требуется [Mn]•Ч кг. Избыток или недостаток по каждому компоненту равен разности его фактического и требуемого взноса

± Mn= Mn?зMn-[Mn]?Ч, кг

Недостаток марганца в чугуне от одних компонентов шихты должен быть покрыт избытком марганца в других компонентах, т.е. алгебраическая сумма избытков и недостатков марганца в составляющих шихты должна быть равна нулю, т.е уравнение по балансу марганца будет иметь вид:

(± Mnр.с.)•(РС) +(± Mnм.р.)•(МР) + (± Mnизв.)•(И)=0

В рассматриваемом примере баланс марганца по каждому компоненту составляет:

± Mnр.см.=0,57*0,55-0,78*0,58=-0,195

± Mnм.р.=38,04*0,55-0,78*0,259=20,72

Подставим в уравнение полученные значения ± Mn

-0,195(РС)+20,72 (МР)=0

В связи с тем, что основность каждого компонента шихты, выраженная отношением суммы, основных к сумме кислотных окислов, будет отличной от заданной основности шлака, то в компонентах шихты имеет место избыток или недостаток основных окислов по сравнению с требуемым их количеством в конечном шлаке. Поэтому, для получения шлака заданной основности необходимо, чтобы:

или

где: - заданная основность шлака;

- содержание соответствующих окислов в компонентах шихты, %;

- избыток или недостаток основных окислов в компонентах шихты;

- отношение молекулярных масс к (равно );

- содержание кремния в чугуне. %;

- количество кремния, переходящего из данного компонента шихты в чугун для поддержания в нем требуемого содержания кремния;

- количество (кремнезема), которое будет израсходовано на восстановление требуемого количества кремния в чугун;

Недостаток основных окислов в одних компонентах шихты должен быть компенсирован избытком основных окислов в других компонентах, т. е. алгебраическая сумма избытков и недостатков основных окислов в составляющих шихты должна быть равна нулю. Таким образом, уравнение по балансу основности будет иметь вид:

Подставим в уравнение баланса условностей полученные значения

Таким образом, имеем систему из трех уравнений:

Решение системы уравнений

171,651,61-4,03

2.4 Определение удельного расхода кокса

Определение расхода кокса основано на расчете тепловых эквивалентов материалов. Общее балансовое уравнение для определения удельного расхода кокса имеет вид:



где: - удельный расход кокса, ;

- удельный расход дополнительного топлива, ;

- расход железорудной смеси, ;

- расход марганцевой руды, ;

- расход известняка на ошлакование пустой породы шихты без учета кокса;

- расход известняка на ошлакование золы кокса, ;

- тепловые эквиваленты соответственно кокса, дополнительного топлива, железорудной смеси, марганцевой руды и известняка;

Преобразование уравнения дает:

Поскольку уже определены, то задача отыскания удельного расхода кокса сводится к определению тепловых эквивалентов материалов доменной плавки. Понятие тепловых эквивалентов впервые введено А. Н. Раммом.

Тепловой эквивалент того или иного материала представляет собой количество тепла, которое надо затратить в доменной печи для выплавки чугуна при использовании единицы ( или) этого материала.

Принято считать, что тепловые эквиваленты горючих материалов доменной плавки (кокс, мазут, природный газ и др.) имеют отрицательный знак (т.к. они не потребляют тепло в доменной печи, а сами выделяют его), а тепловые эквиваленты прочих материалов - положительный знак.

Математически тепловой эквивалент каждого шихтового материала представляет собой сумму произведений содержаний элементов или окислов на тепловые эквиваленты этих элементов и окислов.

В общем виде тепловой эквивалент любого шихтового материала можно представить в виде:

где: - тепловые эквиваленты отдельных элементов и окислов, ;

- содержание элементов и окислов в данном шихтовом материале, ;

- коэффициент перехода серы в шлак, ;

- тепловые потери, ;

Тепловые эквиваленты используют также для сравнения металлургической ценности железорудных материалов при данных конкретных условиях доменной плавки.

При окислении у фурм углерода кислородом дутья до окиси углерода по реакции выделяется тепло , здесь - атомная масса углерода. Кроме того, в печь вносится тепло с нагретым дутьем, количество которого зависит от объема дутья на единицу сгорающего углерода и температуры дутья. В общем виде тепловой эквивалент углерода, сгорающего у фурм можно представить следующим образом:



где: - расход дутья, углерода фурм;

- выход колошникового газа, дутья;

- теплосодержание горячего дутья и колошникового газа, ;

Если предположить, что в печь подается сухое дутье состоящее из азота и кислорода, тогда:

;

т.к. согласно уравнению реакции горения углерода в кислороде до для сгорания углерода требуется кислорода ( - обьемная доля кислорода в сухом дутье).

Поскольку дутье всегда содержит влагу (с учетом того, что в одном объеме водяного пара содержится половина объема кислорода), то содержание кислорода в единице влажного дутья составит:

В этом случае (с учетом кислорода влаги) количество дутья будет равно:

Теплосодержание горячего дутья

где: - теплосодержание сухого дутья, состоящего и азота и кислорода (двухатомный газ) при заданной температуре дутья,;

- теплосодержание водяного пара при заданной температуре дутья;

- количество тепла, которое поглощается при разложении в горне паров воды влажного дутья по реакции .

При определении количества газа, образующегося в горне из единицы дутья, следует учитывать, что при взаимодействии углерода с кислородом дутья и водяным паром из одного объема кислорода образуется соответственно по два объема окиси углерода.

;

Тогда выход газа составит

.

Подставив полученные величины в формулу теплового эквивалента углерода, сгорающего у фурм, получаем:

где: - содержание в сухом дутье, 0,22 доли ед.;

- объемная влажность дутья, 0,01 доли ед.;

- температура горячего дутья, 1200°С;

- температура колошникового газа, 190°С;

- энтальпия двухатомных газов при температуре дутья,373,5 ;

- энтальпия водяного пара при температуре дутья, 459,8;

- энтальпия колошникового газа при температуре колошника, 76,36;

Подставив соответствующие значения величин, получим:

Для окисления углерода прямого восстановления расходуется не нагретый воздух, а кислород шихты, например .

Образующаяся окись углерода в дальнейшем может участвовать в реакциях непрямого восстановления (например ) и без изменения уходит из печи с колошниковым газом, унося тепло в количестве . Поэтому:

может поступать в шихту в виде известняка , офлюсованного агломерата и окатышей (в этом случае она находится в виде силикатов и ферритов кальция). В доменной печи идет разложение известняка , на образование извести необходимо затратить тепла: . Образующаяся известь взаимодействует с кислотными окислами и переходит в шлак. При реакции извести и кремнезема выделяется тепла

При определении теплового эквивалента окиси кальция необходимо учесть тепло, необходимое для нагрева и расплавления , находящейся в шлаке, т. е. теплосодержание шлака . Тогда тепловой эквивалент образовавшейся в печи при разложении сырого известняка, будет равен:

Если имеем дело с офлюсованном агломератом, в котором известь находится в виде силикатов кальция, т. е. в виде «готового шлака», то имеет место экономия тепла, т.к. его нужно затратить лишь для расплавления . Тепловой эквивалент извести в офлюсованном агломерате

Тепловой эквивалент окиси кремния.

где: - основность шлака

Тепловой эквивалент окиси алюминия.

Теплота образования составляет 200ккал/кг . Здесь не учитываются , которые выделяются при взаимодействии и .

Тепловой эквивалент окиси магния.

Подобно извести может находиться в доменной шихте в виде , силикатов магния и свободном виде. По реакции: для разложения

требуется .При ошлаковании с образованием выделяется следовательно

Если присутствовал в аглошихте при спекании агломерата, то в нем будет в виде , и мы имеем экономию тепла которое не будет израсходовано в доменной печи на разложение

Тепловой эквивалент серы.

Принимаем, что сульфидная и органическая сера находится в свободном виде. Перевод серы в шлак идет по реакции

при этом затрачивается тепла: . При этом следует учесть расход тепла на разложение известняка , необходимое для получения дополнительного . Это тепло составит:

где: и - молекулярные массы и соответственно.

Необходимо также принять во внимание тепло, потребное для нагрева и расплавления находящегося в шлаке , которое равно (здесь - молекулярная масса ). Тогда тепловой эквивалент сульфидной и органической (свободной) серы будет равен:

В офлюсованном агломерате сера присутствует в виде (сульфатная сера).

Ее перевод в шлак может идти по реакции: на что

затрачивается тепла

Тепловой эквивалент сульфатной серы:

Тепловой эквивалент фосфора

в печи диссоциирует на элементарный фосфор и кислород, на что расходуется тепло в количестве 5968

Прямое восстановление фосфора, протекающее по реакции , расходует углерод, который не дойдет до фурм, не сгорит, т. е. недодаст тепла в количестве

где: и - молекулярные массы соответственно и , а отношение - расход углерода на реакцию восстановления фосфора.

Фосфор переходит в чугун в виде фосфида железа , при этом выделяется тепло в количестве . Образовавшийся фосфид железа нагревается за счет теплосодержания чугуна .

Тепловой эквивалент фосфора равен:

Тепловой эквивалент марганца.

Принимаем, что восстановление марганца из высших оксидов происходит посредством с выделением тепла.



Закись марганца диссоциирует по реакции с расходом тепла . На прямое восстановление марганца по реакции: расходуется углерод в количестве (здесь и - атомные массы соответственно углерода и марганца). При этом израсходованный на прямое восстановление углерод недодает тепла в количестве

Восстановленный марганец образует с углеродом карбид по реакции . При этом выделяется тепло в количестве , но расходуется углерода , в результате чего потеря тепла составит . Из переходящего в чугун марганца получается карбида, на нагрев и расплавление которого необходимо израсходовать тепла в количестве

Марганец переходит в чугун в количестве, соответствующем коэффициенту перехода , остальная его часть уходит в шлак с закисью марганца, которая образует с кремнеземом силикаты марганца с выделением тепла.

На нагрев и расплавление в шлаке затрачивается тепло, равное (здесь - молекулярная масса ).

Таким образом, тепловой эквивалент марганца в равен

(здесь - коэффициент перехода в шлак).

При восстановлении марганца из высших оксидов или других соединений тепловые эквивалента марганца в них определяются следующим образом:

При вычислении тепловых эквивалентов железа исходим из следующих

предпосылок:

установленная общая степень развития прямого и непрямого восстановления и распространяется и на окислы железа;

все железо переходит в чугун;

небольшим положительным эффектом при восстановлении окислов железа окисью углерода с отрицательным тепловым эффектом при восстановлении водородом пренебрегаем.

Тепловой эквивалент железа в закиси железа определяется на основе следующих рассуждений:

Расход тепла на диссоциацию по реакции

составляет: , ( - атомная масса железа)

Потеря тепла от неиспользования углерода, затраченного на прямое восстановление железа из закиси железа равна ,

При образовании карбидов железа расходуется углерод в количестве , , который не сгорает, вследствие чего потеря тепла составит ,

Из одного железа образуется карбидов железа, на нагрев и расплавление которых требуется тепла , . Таким образом

,

При восстановлении железа из окиси железа или других соединений, тепловые эквиваленты железа в них распределяются следующим образом

,

Здесь: - теплота диссоциации на и ;

- расход углерода на прямое восстановление ,

Принимаем, что кремний находится в чугуне в виде

где: 3464 - затраты тепла на диссоциацию ;

- потери тепла с углеродом прямого восстановления, (по реакции ;

- молекулярная масса ;

320 - кол-во тепла которое выделяется при образовании

- тепло требуемое для перевода в шлак;

-затраты тепла на нагрев кремния переходящего в чугун, ;

- количество , расходуемое данным материалом на восстановление требуемого количества кремния в чугун, ;

В отличие от других эквивалентов в данном случае величина рассчитывается на соответствующего материала.

2394,5*0,023*0,259=14,26

2394,5*0,023*0,002=0,11

2394,5*0,023*0,012=0,66

Часть гидратной воды , которая может присутствовать в материалах, может разлагаться по реакциям прямого и непрямого восстановления.

;

Условно принято, что средняя степень непрямого восстановления относиться и к разлагающейся гидратной воде, а общая степень разложения гидратной воды равна , тогда:

где: 4200 - теплота разложения гидратов и испарения гидратной воды;

- степень разложения гидратной воды;

- потери тепла с углеродом, затраченного на разложение воды;

- теплота окисления парами ;

- теплота диссоциации воды.

Тепловой эквивалент углекислоты, выделяющейся из карбонатов.

А.Н. Рамм предложил условно считать, что средняя степень прямого или непрямого восстановления относится и к выделяющейся углекислоте, причем та ее часть, которая остается неразложенной, как бы восстанавливается непрямым путем по уравнению:

Уравнение восстановления прямым путем:

где: - теплота диссоциации на и ;

- молекулярная масса ;

- потери тепла от неиспользования углерода, израсходованного на прямое восстановление:

Определение тепловых эквивалентов компонентов доменной шихты и дополнительного топлива.

Имея данные о тепловых эквивалентах отдельных элементов и их соединений, а также химический состав материалов, можно определить их тепловые эквиваленты, используя общую формулу , приведенную в параграфе 1.3.

Тепловой эквивалент железорудной смеси.



Тепловой эквивалент марганцевой руды.

Тепловой эквивалент известняка (флюса).

Тепловой эквивалент кокса.



Здесь неизвестен только тепловой эквивалент золы кокса :

кокса

(-9224 )

Тепловой эквивалент природного газа.

Окисление составляющих природного газа происходит с выделением тепла по реакциям:

Таблица 8 - Количество тепла от химических реакций.

Реакция	Кол-во тепла
	336
	723
	805
	824

где: , и т.д. - количество окиси углерода, образовавшейся из соответствующих горючих компонентов природного газа, ;

- количество дутья, необходимое для сжигания природного газа;

- теплосодержание влажного дутья при имеющейся температуре дутья;

- количество продуктов горения при, сжигания природного газа;

- теплосодержание продуктов горения при температуре колошника.

В приведенной формуле неизвестными величинами являются , , ,

расчет которых производится последовательно в следующем порядке:

В 3 нм³ природного газа, которые вдуваются в печь на 100 кг чугуна, содержится:

: 97,1% или 11,5*0,971=11,17 нм3 или 11,17

: 0,660% или 11,5*0,0066=0,076 нм3 или 0,076

: 0,520% или 11,5*0,0052=0,06 нм3 или 0,06

: 0,250% или 11,5*0,0025=0,029 нм3 или 0,0029

: 1,430% или 11,5*0,0143=0,16 нм3 или 0,16

На окисление природного газа требуется следующее количество кислорода:



Для обеспечения такого количества кислорода требуется влажного дутья:

Во влажном дутье содержится водяного пара:

Количество сухого дутья, необходимое для сжигания природного газа:

В сухом дутье содержится:

Азота

Кислорода

Масса сухого дутья для сжигания природного газа:



Масса влажного дутья для сжигания природного газа:

Количество и состав образующихся продуктов горения природного газа:

По реакции горения из объема образуется объем и объема , из объема - объема и объема и т. д. Кроме того, поступает из водяного пара дутья по реакции ( объем из объема . Следовательно, при горении природного газа образуется:

+,

где: - объем во вдуваемом природном газе,

Имеющаяся в природном газе двуокись углерода присоединяется к продуктам горения в количестве 0,0135 нм³.

Итого образуется продуктов горения:

или

Часть образовавшегося при горении природного газа водорода расходуется на восстановительные процессы:

Оставшийся водород переходит в колошниковый газ:

-24,16-9,42=17,74нм

Определим теперь теплосодержание горячего дутья:

Подставим полученные значения в формулу для определения теплового эквивалента природного газа:

Определение удельного расхода компонентов шихты и состава шлака, проверка состава чугуна и основности шлака.

Удельный расход кокса:

Расход известняка на ошлакование золы кокса:

Общий расход известняка:

Теперь необходимо скорректировать расходы ранее определенных компонентов шихты, т. к. с учетом кокса выход чугуна из шихты изменится:

Тогда:

Расход рудной смеси:

Расход марганцевой руды:

Расход известняка: (3,370/100,395)*100=3,35/100кгчуг

Расход кокса:

Составы чугуна и шлака приведены в таблицах №7 и №8.

Таблица 9 - Металлообразующие части шихты и состав чугуна.

Компоненты шихты	Расход, кг					, кг	, кг	, кг
		%	кг	%	кг	%	кг	%	кг
Рудная смесь	170,95	54,63	93,66	0,57	0,97	0,089	0,15	0,033	0,056
Марганцевая руда	1,6	3,5	0,056	38,04	0,6	0,22	0,0035		0,0008
Известняк	3,35	0,210	0,007			0,004	0,00004	0,052	0,39
Кокс	41,875	1,095	0,459			0,09	0,034	1,02	0,45
Сумма	217,78		94,182		1,87		0,188		0,367
Переходит в шлак			0,082		0,79				0,058
Переходит в газ									0,058
Остается в чугуне(состав чугуна, %)			94,1		0,78		0,110		0,016	1,07	3,911	100,0

Таблица 10 - Количество и состав доменного шлака, %.

Компонент шихты	Расход, кг					, кг	, кг	, кг	, кг
		%	кг	%	кг	%	кг	%	кг
Рудная смесь	170,95	9,88	16,89	0,74	1,26	9,25	15,81	2,24	3,83
Марганцевая руда	1,6	2,0	0,032	0,3	0,0048	20,0	0,32	6,000	0,096
Известняк	3,370	53,0	1,79	0,78	0,026	0,79	0,027	0,12	0,004
Кокс	41,875	0,72	0,302	0,3	0,126	7,03	2,94	3,57	1,50
Сумма	211,71		19,01		1,42		19,1		5,43
Затрачивается на восстанов.							2,29
Остается в шлаке			19,01		1,42		16,81		5,43	0,11	0,54	0,18	44,9
Состав шлака		45,26		3,36		37,8		12,2		0,25	1,28	0,43	100

Проверка основности шлака

.

Абсолютная ошибка выполненных расчетов находится в пределах допустимых значений (+/- 0,005).

Для оценки условий шлакового режима для шлака полученного состава необходимо определить температуру его кристаллизации, а также вязкость при данном температурном режиме плавки. Для этого используют тройные диаграммы температур плавления системы и вязкости.

Пересчет состава шлака на 3 компонента:

45,3+37,8+12,2=95,3%

Состав тройной системы:= 47,5%%, = 39,7% %, =12,8%

47,5+39,7+12,8=100,0%

Температура плавления шлака.

Рисунок №1 - Диаграмма состояния системы



Полученный шлак близок по составу к тройной эвтектике, имеющей 49% , 40% , 11% и температуру плавления 1355 С, т.е. по температуре плавления полученный шлак удовлетворяет условиям плавки.

Вязкость и устойчивость шлака.

Рисунок №2 - Совмещение участка диаграммы состояния системы с диаграммой изменения вязкости шлаков по Мак-Кефери, .

По диаграмме вязкости шлак полученного состава имеет вязкость 0,4 , т.е находится в пределах нормы.



3. Определение состава колошникового газа доменной плавки

Образующийся у фурм горновой газ проходит путь от горна до колошника, непрерывно меняя свой состав. На выходе из печи колошниковый газ содержит , , , и, возможно, . Содержание этих компонентов (в объемных процентах) определяют с помощью соответствующих газоанализаторов. Содержание влаги в колошниковом газе не анализируется, а при необходимости определяется расчетом по балансовым уравнениям.

3.1 Определение количества двуокиси углерода

Двуокись углерода является преимущественно продуктом непрямого восстановления окислов железа и марганца, т. е. содержит в себе кислород шихты за вычетом кислорода карбонатов ( главным образом, флюса) и летучих кокса, а так же кислорода, отнятого от окислов водородом.

,

где: - содержание в колошниковом газе, ;

- количество кислорода шихты, переходящего в газ, ;

- количество кислорода флюса и летучих кокса, ;

- количество кислорода шихты, отнятого водородом при восстановлении, .

Определение количества кислорода шихты, переходящего в газ.



а) Кислород оксидов железа

б) Кислород оксидов марганца

в) Кислород оксида фосфора

г) Кислород оксида кремния, из которого кремний восстанавливается и переходит в чугун.

д) Кислород флюсов и летучих кокса определяется из условия, что в летучих кокса содержится (в пересчете на кокс)

Определение количества кислорода шихты, отнятого водородом при восстановлении.

В процессе восстановления окислов каждый моль отнимает 0,5 моля кислорода , тогда:

Для определения количества кислорода, отнятого водородом, необходимо определить водород, израсходованный на восстановление. В расчете принято, что в восстановительных процессах участвует от всего поступающего в доменную печь водорода . Остальные водорода уходят в колошниковый газ, тогда



где: - количество водорода, переходящего в колошниковый газ,

Источниками в доменной плавке являются: дутье, кокс, гидратная вода и природный газ, тогда

где: - количество водорода, вносимого в печь влажным дутьем, расходуемым на сжигание углерода кокса, ;

- водород, вносимый в печь коксом, ;

- водород, вносимый в печь гидратной водой при ее частичном разложении, ;

- водород, вносимый в печь природным газом, .

а) определение количества водорода, вносимого в печь влажным дутьем, расходуемым на сжигание углерода кокса. Объем влажного дутья, потребного для сжигания доходящего до фурм углерода

;

где: - масса углерода кокса, ;

- масса углерода, затраченного на прямое восстановление, ;

- масса углерода в чугуне,

При прямом восстановлении на каждый атом кислорода расходуется один атом углерода, как например, по реакции , т. е.



где: - масса кислорода, отнимаемого у шихты прямым путем,

Для упрощения расчета принято, что соотношение величин и можно отнести и к кислороду, который находится в двуокиси углерода флюса и летучих, т. е. половина кислорода флюса не принимает участия в восстановительных процессах, тогда:

Подставим полученное значение в формулу для определения количества влажного дутья.

Во влажном дутье содержится влаги

Тогда масса водорода, образующегося при разложении влаги дутья, будет равна

Во влажном дутье содержится сухого дутья

В сухом дутье содержится:

Кислорода:

Азота:

Масса сухого дутья, потребного для сжигания кокса

Масса влажного дутья, потребного для сжигания кокса

б) Определение количества водорода, вносимого в печь коксом.

Задаемся определенным постоянным содержанием водорода в коксе , тогда: ,

в) Водород, вносимый в печь дополнительным топливом.

Водород влаги дутья, затраченного на сжигание природного газа, учтен при определении величины .

Подставляем значения полученных величин в формулу для определения количества водорода, переходящего в колошниковый газ, получим

Тогда масса водорода, который будет израсходован на восстановление, равна

Этот водород отнимет при восстановлении у шихты кислород в следующем количестве:

Подставим полученные значения , , в формулу для определения количества двуокиси углерода в колошниковом газе:

Определение количества окиси углерода.

где: - объем окиси углерода в колошниковом газе, ;

- объем окиси углерода, которая переходит в колошниковый газ без учета природного газа, ;

- объем окиси углерода в продуктах горения природного газа, .

а) Определение окиси углерода, переходящей в колошниковый газ без учета природного газа.

Значение определяем через углерод, находящийся в окиси углерода

где: - масса углерода, находящегося в , ;

- масса газифицированного углерода шихты, ;

- масса углерода, находящегося в , .

Газифицированный углерод шихты:

где: - масса углерода, находящегося в углекислоте флюса и летучих,;

- масса кислорода флюса и летучих,.

Массу углерода, входящего в состав , определяем через известное значение

массы углекислоты колошникового газа:

, тогда

б) Определение количества окиси углерода, переходящего в колошниковый газ в результате горения природного газа.

Подставим полученные значения в формулу:

Определение количества азота.

Количество азота в колошниковом газе складывается из азота сухого дутья, идущего на сжигание углерода кокса

3.2 Определение количества водорода

Значения этих величин определены при определении количества кислорода, которое отнимает водород от шихты в процессе восстановления.

3.3 Определение количества метана

Задаемся постоянным содержанием метана в коксе



Таблица 11 - Состав колошникового газа

Состав газа	Содержание в газе
	СО2	СО	N2	H2	CH4	?
Масса,	67,099	45,312	122,076	1,373	0,168	236,028
Объем,	34,159	36,250	97,661	15,373	0,235	183,678
	18,597	19,736	53,170	8,370	0,128	100,000

3.4 Показатели восстановительной работы газа

а) Степень использования восстановительной способности окиси углерода.

б) Отношение степеней использования водорода и окиси углерода.

в) Суммарная степень использования восстановительной способности газа.

(объем водяного пара, образующегося при восстановлении водородом).

г) Степень прямого восстановления

где: - масса железа, восстановленного прямым путем,

- общее количество окисленного железа, прошедшее при восстановлении через стадию ,

- количество металлического железа в шихте,

Проверка степени непрямого восстановления.

где

Абсолютная ошибка составляет 0,755-0,75 = 0,005, что находится в пределах допустимого ±0,005



4. Составление материального баланса доменной плавки

4.1 Материальный баланс

В предыдущих расчетах определены все компоненты приходной и расходной частей материального баланса за исключением количества водяного пара, образующегося в печи, который состоит из продукта восстановления шихты водородом и неразложившейся гидратной воды.

где: , а

Таблица 12 - Материальный баланс плавки.

Поступило в печь, кг	Получено в печи, кг
1. Железорудная смесь	170,95	1. Чугун	100,000
2. Марганцевая руда	1,6	2. Шлак	44,896
3. Известняк	3,370	3. Газ	236,028
4. Кокс	41,875	4. Водяной пар	8,236
5. Природный газ	8,48
6. Дутье для сжигания углерода кокса	128,683
7. Дутье для сжигания природного газа	33,28
Итого	387,927	Итого	389,159

Невязка (допускается 0,5%)



4.2 Тепловой баланс

Расчет теплового баланса ведется на чугуна по методу диссоциаций.

Расчет теплового баланса ведется на чугуна по методу диссоциаций.

Тепло от сгорания углерода у фурм:

Тепло окисления углерода прямого восстановления:

Тепло догорания монооксида углерода в диоксид углерода:

Тепло окисления водорода:

Тепло сгорания природного газа

Физическое тепло дутья:

Суммарный приход тепла равен:

Расход тепла

1) Тепло диссоциации оксидов.

а) Оксид железа диссоциирует по реакции

б) Закись железа диссоциирует по реакции

г) Диоксид марганца диссоциирует по реакции

д) Оксид фосфора диссоциирует по реакции

е) Часть оксида кремния диссоциирует по реакции

Общий расход тепла на диссоциацию оксидов:

2) Тепло на перевод серы в шлак.

Для сульфата кальция реакция имеет вид

3) Тепло на разложение карбонатов.

4) Расход тепла на разложение углекислоты флюса и летучих.

Часть флюса и летучих разлагается по реакции

кДж

5) Расход тепла на разложение влаги дутья

6) Расход тепла на выделение и испарение гидратной воды.

7) Затраты тепла на испарение гигроскопической влаги.

8) Унос тепла чугуном:

9) Унос тепла шлаком:

Унос тепла колошниковым газом



Таблица 13 - Теплосодержание компонентов колошникового газа

Газ	Температура 0С
	230
Двухатомный газ (СО, N2, H2, O2)	395,23
CO2	558,94
CH4	565,64
H2O	463,48

Для температуры на колошнике 230⁰С:

W_O,N^k=752,930

W_CO2^k=1054,478

W_H2O^k=887,993

W_CH4^k=1086,581

- значения теплосодержания компонентов колошникового газа при температуре колошника 230⁰С.

11) Суммарный расход тепла на выплавку, без учета тепловых потерь.

12) Тепловые потери.

К ним относится тепло, уносимое охлаждающей водой, а также наружные тепловые потери через стены излучением и конвекцией и через фундамент теплопроводностью.

Таблица 14 - Тепловой баланс доменной плавки

Статьи прихода	кДж	%	Статьи расхода	кДж	%
1.Окисление углерода фурм	2339,78	21,565	1.Диссоциация оксидов	6848,163	63,132
2.Окисление углерода прямого восстановления	699,447	6,448	2.Переход серы в шлак	137,333	1,266
3. Окисление монооксида углерода	4314,195	39,772	3. Разложение карбонатов	58,410	0,538
4. Окисление водорода	1105,635	10,193	4. Разложение флюсов	25,273	0,233
5. Окисление природного газа	199,498	1,839	5. Разложение влаги дутья	169,499	1,563
6. Физическое тепло горячего дутья	2189,383	20,183	6. Разложение гидратной воды	0,000	0,000
			7. Испарение гигроскопической влаги	36,786	0,339
			8. Унос тепла чугуном	1219,975	11,247
			9. Унос тепла шлаком	811,650	7,482
			10. Унос тепла с колошниковым газом	837,037	7,716
			11. Потери	703,310	6,484
Итого	10847,436	100,000	Итого	10847,436	100,000

доменный печь газ чугун

Показатели тепловой работы доменной печи.

1) Коэффициент полезного действия тепла:



2) Коэффициент использования тепловой энергии углерода:

3) Относительное количество сжигаемого на фурмах углерода.

4) Полный приход тепла на углерода

5) Используемое в доменной печи тепло:



Список использованной литературы

1. Юсфин Ю.С., Пашков Н.Ф. «Металлургия железа». Москва. 2007.

2. Вегман Е.Ф. «Металлургия чугуна». - Москва. 2004.

3. Похвиснев А.Н., Юсфин Ю.С. Учебное пособие №892, «Подготовка руд к плавке и производство чугуна».

Размещено на Allbest.ru

...