Расчет доменной шихты

Курсовая работа

Расчет доменной шихты

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, %

Таблица 2. Распределение элементов шихты между продуктами плавки

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

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 Основностьэто 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

Расчеты данных для таблицы:

1. Кислород легковосстановимых оксидов:

1.1. =

Кокс: ;

Агломерат: ;

Окатыши: ;

1.2. =

Кокс: ;

Агломерат: ;

Окатыши: ;

2. Кислород FeO:

Кокс: ;

Агломерат: ;

Окатыши: ;

3. Кислород трудно восстановимых оксидов:

3.1.Mn:

Кокс: ;

Окатыши: ;

Агломерат: ;

3.2. V₂O₅:

Кокс: ;

Агломерат: ;

Окатыши: ;

3.3. P₂O₅:

Кокс: ;

Агломерат: ;

Окатыши: ;

3.4. TiO₂:

Кокс:

Агломерат:

Окатыши:

3.5. [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:

7. Количество СО, пошедшие на косвенное восстановление:

Кокс:

Агломерат:

Окатыши:

8. Количество водорода, пошедшее на косвенное восстановление

Кокс:

Агломерат:

Окатыши:

9.Количество углерода, перешедшее в чугун

Где [С] = 4,75

Кокс

Агломерат:

Окатыши:

10. 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 ⁰Степлоемкость 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

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

Невязка

Допускается невязка не более 0,5%.

4. Расчет теплового баланса

Приход:

1. Горение углерода у фурм находим по формуле:

2. Горение углерода газа у фурм находим по формуле:

(кДж/т чугуна)

3. Энтальпию природного газа находим по формуле:

(кДж/т чугуна)

4. Энтальпию дутья находим по формуле:

(кДж/т чугуна)

5. Теплоотдачу углерода при прямом восстановлении находим по формуле:

(кДж/т чугуна)

6. Окисление углерода при косвенном восстановлении находим по формуле:

7. Окисление водорода при косвенном восстановлении находим по формуле:

Расход:

1.Диссоциация оксидов определяется по формуле:

2.Разложение гидратов и карбонатов: не вычисляем

3. Энтальпия чугуна определяется по формуле:

4. Энтальпия шлака определяется по формуле:

5. Теплоту шлакообразования на вычисляем

6. Энтальпия шихты определяется по формуле:

Полезный расход тепла определяется по формуле:

7. 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

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.