Курсовая работа (т): Расчет доменной шихты

Расчет доменной шихты

Курсовая работа

Расчет доменной шихты

Введение

Материальный баланс доменной плавки для работающей доменной печи составляется по результатам измерений и анализов, для чего по возможности точно учитывается за определенный отрезок времени (обычно за несколько суток) расход всех материалов, загружаемых в печь, и полученных продуктов плавки, на основе которого определяется расход каждого материала и выход шлака, колошникового газа и пыли на единицу чугуна.

При расчете материального баланса для проектируемых условий оказывается достаточно данных, полученных расчетами шихты, колошникового газа и дутья. Баланс должен сходиться с весьма малой (до 1%) невязкой. Увеличение ее является результатом неправильного анализа сырых материалов (сумма содержания компонентов не составляет 100%) или ошибок в расчетах.

Тепловой баланс характеризует экономичность работы доменной печи и учитывает соотношение количества тепла, образующегося в доменной печи в результате протекания тех или иных процессов, вносимого в доменную печь с шихтовыми материалами и дутьем с количеством тепла, расходуемого на эндотермические процессы, уносимого с продуктами плавки и теряющегося в окружающую среду и с охлаждающей водой. Но данным теплового баланса вычисляется одна из важнейших характеристик работы доменной печи тепловой коэффициент полезного действия, равный отношению используемого тепла к выделившемуся. При этом за неиспользуемое в доменной печи тепло принимают его потери с колошниковым газом, пылью, охлаждающей водой и во внешнее пространство. Обычно значение теплового коэффициента полезного действия при выплавке передельного чугуна составляет 78-87%.

Исходные данные

Таблица 1. Химический состав материалов, используемых в доменной печи в 2007 году, %

Наименование	FeO	Fe2O3	MnО	SiO2	CaO	V2О5	MgO	Al2 O3	TiO2	P2O5	S	С	Потери при прокаливании	Сумма
Агломерат КГОК	9,250	67,106	0,220	4,969	10,497	0,487	2,525	2,604	2,325	0,011	0,012	-	-	100,00
Окатыши КГОК	3,210	83,24	0,218	4,090	1,220	0,544	2,460	2,480	2,540	0,009	0,006	-	-	100,00
Кокс	-	1,010	-	6,281	0,850	0,038	0,246	3,575	-	0,120	0,630	86,250	1,000	100,00

Таблица 2. Распределение элементов шихты между продуктами плавки

Элемент	Чугун, з	Шлак, м	Газ, л
Fe	0,998	0,002	-
Mn	0,65	0,35	-
Ti	0,06	0,94	-
V	0,85	0,1	0,05
S	0,05	0,9	0,05
Сг	0,9	0,1	-
Р	0,97	0,025	0,005

Температура дутья - 1200⁰С

Основность шлака составляет В - 0,9 ед

Содержание кислорода в дутье составляет щ = 22% (0,22)

Расход природного газа на 1 тонну чугуна составляет V _CH4 = 110 м³/т чугуна.

= 4,75%

= 0,06%

Зола = 1,01%

Кокс =Зола + С + S + L,

где S - сера, L - летучие

1. Расчет доменной шихты

Таблица 3. Общее содержание компонентов в доменной шихте

Элемент	e кокс,%	Переходит в чугун	e аглом,%	Переходит в чугун	e окат,%	Переходит в чугун
Fe	0,707	0,706	54,169	54,06	60,747	60,626
Mn	-	-	0,17	0,111	0,0169	0,011
Ti	-	-	1,395	0,084	1,525	0,092
V	0,021	0,018	0,273	0,232	0,0305	0,2591
S	0,63	0,032	0,012	0,0006	0,006	0,0003
P	0,052	0,05	0,005	0,005	0,004	0,004
Сумма	-	0,806	-	54,493	-	61,091

Уравнение по выходу чугуна из шихты:

    

где еA, еO, еK - выход чугуна из компонента шихты;

еА - расход агломерата, кг/т чугуна;

еО - расход окатышей, кг/т чугуна;

еК - расход кокса, кг/т чугуна.

Выход чугуна из компонента шихты определяется по формуле (2.2):

 

где

Находим выход чугуна из единицы кокса пользуясь формулой:

Находим выход чугуна из единицы агломерата пользуясь формулой (2.2):

Находим выход чугуна из единицы окатышей пользуясь формулой:

Тогда уравнение по выходу чугуна из шихты примет вид:

Уравнение баланса основности

Основность- это отношение основных окислов к кислотным окислам

 

Определение основности агломерата

где - сумма компонентов шихты CaO или SiO₂

Если не учитывать MgO и Al₂O₃, то формула (2.3) примет следующий вид:

 или

Если через RO обозначим избыток или недостаток оснований (CaO) в каждом компоненте шихты в сравнении с заданной основностью, то получим вид:

 

Находим недостаток или избыток CaO в коксе, пользуясь формулой

 

где b = 1,05.

Отсюда следует:

Находим недостаток или избыток CaO в агломерате, пользуясь формулой (2.4)

Находим недостаток или избыток CaO в окатышах, пользуясь формулой (2.4)

тогда уравнение (2.3) примет вид:

 или

 

5. Уравнение теплового баланса

 

где q - тепловой эквивалент

ПГ- расход природного газа

Тепловой эквивалент представляет собой количество тепла, которое необходимо затратить в доменной печи для выплавки чугуна при использовании единицы (кг) этого материала.

Расход дутья на 1 кг углерода:

где - доля кислорода в дутье (=0,22)

 - влажность дутья (=0,01)

тогда расход дутья на 1 кг углерода равен:

(м³/кг).

Расход дутья на 1 м³природного газа составит:

 

то есть  (м³/кг).

Принимаем, что природный газ состоит из 100% CH₄ (метан):

V - расход дутья на 1 м³ природного газа

 

 

 (м³/м³ п.г).

Выход фурменного газа, вдуваемого в фурму природного газа

(м³/м³ п.г).

Определим энтальпию дутья 1 м³ дутья:

где t_Д = 1200⁰С - температура дутья

С_Д = 1,432 кДж/м^{3 0}С - теплоемкость дутья при t_Д = 1200⁰С;

С_пар = 1,776 кДж/м^{3 0}С - теплоемкость пара при t_Д = 1200⁰С;

Тогда энтальпия дутья 1 м³ составит:

 (кДж/м³ дутья)

Теплоотдача углерода кокса, сгорающего у фурм определяется по формуле:

где - внешние потери тепла в долях от общего прихода

тепла в область горения;

- теплота горения кокса в СО;

- температура колошникового газа;

 - кДж/м^{3 0}С теплоемкость колошникового газа;

тогда теплоотдача составит:

 кДж/м³

Фурменный газ состоит из CO,N₂,H₂,он реагирует с оксидами железа:

Расход на прямое восстановление, теплоотдача от углерода

Прямое восстановление - восстановление твердого углерода

,

 (кДж/кг).

Теплоотдача монооксида углерода, расходуемого на непрямое восстановление:

где - теплоемкость со₂ при t=200⁰C

(кДж/м³).

Теплоотдача водорода, расходуемого на непрямое восстановление:

 

где  - теплоемкость водорода при t=200⁰C

 (кДж/м³)

Теплоотдача от сгорания вдуваемого природного газа:

где  кДж/м³ -теплота сгорания природного газа

- энтальпия природного газа

тогда:  кДж/м³ природного газа

Теплоотдача от всего объема вдуваемого природного газа:

кДж

Тепловой эквивалент любого шихтового материала определяется по формуле:

где    доля углерода, содержащегося в материале, сгорающего у фурм;

- доля углерода содержащегося в материале и идущего на восстановление;

- СО в материале;

- полезный расход тепла;

 - энтальпия газов, выделяющихся из компонентов шихты

Находим :

Для определения удельных расходов углерода, СО,Н₂ на прямое и косвенное восстановление и количества углерода, сгорающего у фурм, необходимо рассчитать количество кислорода переходящего в газ из шихты. Результаты расчета заносим в таблицу 4.

Таблица 4

Наименование

Кокс

Агломерат

Окатыши

1.О₂ легковосстановимых оксидов: 1.1.

.2.

0,00101 0,00007  0,0671 0,0009  0,0832 0,0010
å п.1.1-1.2	0,0011	0,0680	0,0842
2. Кислород FeO	0,002	0,1545	0,1732

3. Кислород трудно восстановимых оксидов:

,0001

0,0006

-

,00001

,0003

,0011

0,00006

0,00056

,00039

,0003

,0012

0,00005

0,00061

0,00044
å п.3	0,0007	0,0024	0,0026
åО=0,00380,22480,0026
4. Кислород отнятый прямым путем 0,00150,06420,0719
5. Кислород отнятый косвенным путем: 0,00230,16060,1881
6.Количество углерода, затраченного на прямое восстановление 0,00110,04820,0539
7. Количество СО, пошедшие на косвенное восстановление: 0,00230,16190,1896
8. Количество водорода, пошедшее на косвенное восстановление0,0009	0,0630	0,0737
9.Количество углерода, перешедшее в чугун 0,00040,02720,0305
10. Количество углерода, сгорающего у фурм: 0,8610-0,0753-0,0844

Расчеты данных для таблицы:

1. Кислород легковосстановимых оксидов:

1.1. =

Кокс: ;       

Агломерат: ;    

Окатыши: ;

.2. =

Кокс: ;               

Агломерат: ;

Окатыши: ;

. Кислород FeO:

Кокс: ;

Агломерат: ;

Окатыши: ;

3. Кислород трудно восстановимых оксидов:

Кокс: ;

Окатыши: ;

Агломерат: ;

.2. V₂O₅:  

Кокс: ;

Агломерат: ;

Окатыши: ;

.3. P₂O₅:

Кокс: ;

Агломерат: ;

Окатыши: ;

.4. TiO₂:

Кокс:

Агломерат:

Окатыши:

.5. [Si]:

Кокс:

Агломерат

Окатыши:

4. Кислород отнятый прямым путем:

,

где

r - степень прямого восстановления

Кокс:

Агломерат:

Окатыши:

5. Кислород отнятый косвенным путем:

 

Кокс:

Агломерат:

Окатыши:

6.Количество углерода, затраченного на прямое восстановление:

Кокс:

Агломерат:

Окатыши:

. Количество СО, пошедшие на косвенное восстановление:

Кокс:

Агломерат:

Окатыши:

. Количество водорода, пошедшее на косвенное восстановление

Кокс:

Агломерат:

Окатыши:

9.Количество углерода, перешедшее в чугун

,

Где [С] = 4,75

Кокс

Агломерат:

Окатыши:

. Количество углерода, сгорающего у фурм:

Полезный расход тепла:

где  определяется по формуле, приведенной ниже для каждого компонента шихты:

Кокс:

Агломерат:

Окатыши:

Для кокса считаем  по формуле:

где W_к=2; l= 1 отсюда следует:

      

Для агломерата и для окатышей

Энтальпия - это количество тепла, которое необходимо для нагрева единицы массы материала (чугуна или шлака) в определенном интервале температур, включая теплоту химических реакций и температуру плавления.

Энтальпию чугуна определяем по формуле:

Где C_ЧУГ = 0,9 кДж/кг - теплоемкость чугуна;

T_ЧУГ=1400-1450⁰С - температура чугуна

Тогда энтальпия чугуна составит:

Кокс:

Агломерат:

Окатыши:

Энтальпию шлака определяем по формуле:

,

где ч1,28 кДж/кг - теплоемкость шлака

∆t= 30ч50 ⁰C - температура перегрева шлака относительно чугуна

выход шлака из компонента шихты, который определяем по формуле:

 

Тогда энтальпия шлака составит:

Для кокса:

Для агломерата:

Для окатышей:

Энтальпию шихтовых материалов определяем по формуле

где  кДж/кг ⁰С -теплоемкость шихты;

⁰С - средняя температура окружающей среды для агломерата;

⁰С - средняя температура окружающей среды для кокса;

⁰С - средняя температура окружающей среды для окатышей

Тогда энтальпия шихтовых материалов составит:

Для кокса: ⁰С

Для агломерата: ⁰С

Для окатышей: ⁰С

Пользуясь приведенными выше расчетами и формулами находим полезный расход тепла для кокса, агломерата и окатышей:

Пользуясь приведенными выше расчетами и формулами находим тепловой эквивалент для кокса, агломерата и окатышей по формуле:

Используя (2.6) и приведенные выше расчеты уравнение теплового баланса принимает вид:

 →

 (2.19)

Применяя уравнения составляем систему уравнений:

Решая систему из трех уравнений получаем:

расход агломерата составляет А = 673,652 кг/т чугуна;

расход кокса составляет К = 380,597 кг/т чугуна;

расход окатышей составляет О = 952,165 кг/т чугуна.

2. Определение состава жидких продуктов плавки (чугун, шлак)

Химический состав чугуна

Определим по формуле, приведенной ниже, содержание каждого компонента чугуна:%; =0,06%;

Выход шлака определяется по формуле приведенной ниже:

 

Шл =

Шл =  (кг).

Состав шлака

Наименование	CaO	MgO	AlOSiOTiOVOMnOSFeO
содержание	26,657	12,892	17,067	29,607	11,668	0,2681	0,387	0.69	0.757

3. Расчет материального баланса

Количество компонентов шихты с учетом колошниковой пыли

Количество агломерата с учетом колошниковой пыли:

Количество кокса с учетом колошниковой пыли:

Количество окатышей с учетом колошниковой пыли:

(кг)

 

Определяем расход природного газа, кг/т чугуна:

(м³/т чугуна)

(кг/м³)

отсюда получаем

(кг)

Определяем расход дутья по формуле:

 (м³).

Определяем расход атмосферного воздуха по формуле:

(м³).

Определяем расход технического кислорода по формуле:

(м³).

Определяем расход H₂O по формуле:

(м³).

Определяем массу H₂O по формуле,кг/т чугуна:

(кг/м³)

 (кг/т чугуна).

Определяем массу атмосферного воздуха, кг/т чугуна:

(кг/м³);

(кг/т чугуна).

Определяем массу атмосферного дутья:

(кг/т чугуна).

Определяем массу технического кислорода:

(кг/м³);

(кг/т чугуна).

Масса колошникового газа:

(кг);

(кг);

Масса колошникового газа составит:

Данные вычислений сводим в табл.5

Таблица 5. Материальный баланс плавки

Приход, кг/т		Расход, кг/т
Статья	Значение	Статья	Значение
1.Кокс	398,3225	1.Чугун	1000
2.Агломерат	690,9250	2.Шлак	321,02
3.Окатыши	976,5791	3.Колошниковый газ	2852,18
4.ПГ	78,5714	4.Пыль, шламы	59,413
5.Дутье, в т.ч.: 5.1.Атмосферное дутье	2049,9396
5.2.Технический кислород	30,3938
Итого	4224,7314	Итого	4232,6090

Невязка

Допускается невязка не более 0,5%.

4. Расчет теплового баланса

Приход:

. Горение углерода у фурм находим по формуле:

 

. Горение углерода газа у фурм находим по формуле:

(кДж/т чугуна)

. Энтальпию природного газа находим по формуле:

(кДж/т чугуна)

. Энтальпию дутья находим по формуле:

(кДж/т чугуна)

. Теплоотдачу углерода при прямом восстановлении находим по формуле:

 (кДж/т чугуна)

. Окисление углерода при косвенном восстановлении находим по формуле:

. Окисление водорода при косвенном восстановлении находим по формуле:

Расход:

.Диссоциация оксидов определяется по формуле:

.Разложение гидратов и карбонатов: не вычисляем

. Энтальпия чугуна определяется по формуле:

. Энтальпия шлака определяется по формуле:

 

. Теплоту шлакообразования на вычисляем

. Энтальпия шихты определяется по формуле:

 

Полезный расход тепла определяется по формуле:

 

. Энтальпия колошникового газа определяется по формуле:

(м³)

(кДж/т чугуна)

Внешние потери тепла составляют 10% от прихода тепла в область горения:

(кДж/т чугуна)

Таблица 6. Тепловой баланс доменной плавки

Приход, кДж/кг		Расход, кДж/кг
Статья	Значение	Статья	Значение
1.Горение углерода у фурм	1925,3790	1.Диссоциация оксидов	6956,0595
2.Горение углеродного газа у фурм	167,6950	2.Разложение гидратов и карбонатов	-
3.Энтальпия природного газа	2,2	3.Энтальпия чугуна	1260,00
4.Энтальпия дутья	2616,733	4.Энтальпия шлака	581,8486
4712,0075.Теплота шлакообразования-
5.Теплоотдача углерода при прямом восстановлении	825,3040	6.Энтальпия шихты	94,0204
6.Окисление CO→CO2	3134,7881	Полезный расход тепла	8703,8877
7. Окисление H2→H2O	1093,9320	7.Энтальпия колошниковых газов	578,6318
СУММА	4228,7201	8.Внешние потери тепла	471,2007
ИТОГО	9766,0311	ИТОГО	9753,7202

Невязка:

Допускается невязка не более 0,5%

Коэффициент полезного использования тепла:

%=

Вывод: в результате проведенных расчетов были определены удельные расходы агломерата, окатышей и кокса. Невязка попала в допустимый предел, делаем вывод, что расчет выполнили верно.

Библиографический список

доменный шихта чугун плавка

1.    Металлургия чугуна: Учебник для вузов. 3 - е изд., перераб. и доп. /Под редакцией Ю. С. Юсфина. - М.:ИКЦ «Академкнига»,2004. - 774 с.:ил.