Расчет общего теплового баланса доменной плавки

ЗАДАНИЕ на расчетно-графическую работу по дисциплине «Основы производства и обработки металла»

Тема: «Расчет общего теплового баланса доменной плавки»

Содержание: выполнить расчет общего теплового баланса доменной плавки.

Исходные данные:

Выполненный ранее расчет материального баланса доменной плавки показал, что в результате физико-химических процессов в доменной печи образовалось на 1 т (1000 кг) чугуна, м3: CO2=299.7; CO=895.3, в т. ч. — 127.0 — в процессах прямого восстановления; H2O (пар)=82.9.

При этом было использовано:

— агломерата с температурой 500 °C — 720,4 кг; окатышей с температурой 20 °C — 1070 кг; кокса с температурой 20 °C — 444 кг;

— нагретого до 1090 °C и обогащенного кислородом дутья 1490 м³, в т. ч. влаги — 19,4 м³,

— природного газа с температурой 40 °C — 105 м³,

— технического кислорода (96% О2) для обогащения дутья — 100 м³.

Состав природного газа, %: CH4=93,5; C2H6=4,0; C3H8=1,0; C4H10=0,5; C5H12=0,5; N2=0,4.

Шихтой внесено: окиси железа (Fe2O3) — 1067 кг; закиси железа (FeO) — 245,5 кг, влаги (с коксом) — 9,1 кг.

Выход шлака — 437,3 кг/т чугуна.

Основность шлака по отношению CaO + MgO/SiO2 + Al2O3 — 0,88

Перешло закиси железа в шлак — 1,25 кг Перешло серы в шлак — 2,21 кг Содержание серы, %: в шлаке — 0,6

в чугуне — 0,04

Восстановилось и перешло в чугун, кг: Si — 7; Mn — 6,09; P — 2,63.

Выход колошникового газа — 2142,2 м3/т чугуна.

Температура колошникового газа — 495 °C.

Содержание влаги в колошниковом газе — 89,5 кг/т чугуна.

Степень графитизации углерода кокса г — 0,6.Расчет.

Приход тепла.

Горение природного газа у фурм.

1 м³ природного газа вносит углерода:

(1*93,5+2*4,0+3*1,0+4*0,5+5*0,5)*12/(22,4*100)=0,584 кг.

Всего природный газ вносит углерода:

105*0,584=61,32 кг где 105 — расход природного газа, м3 (по заданию) При горении природного газа у фурм выделяется тепла:

105*1,99=208,95 мДж где (93,5*1,59+4,0*6,05+1,0*10,1+0,5*13,8+0,5*18,5)/100=1,99мДж — теплота горения природного газа.

И образуется оксида углерода:

61,32*22,4/12=114,46 м³

Горение углерода кокса у фурм.

Выделяется тепла при горении 1 кг углерода кокса 9,8 мДж или на 1 м³ образующегося CO 9,8*12/22,4=5,25 мДж.

При окислении углерода кокса у фурм образуется монооксида углерода:

895,3−114,46=780,7 м³

с выделением тепла в количестве

780,7*5,25=4098,68 мДж где 895,3 — образовалось CO на фурме, м3 (по заданию)

144,46 — оксид углерода при горении природного газа, м3.

Физическое тепло нагретого дутья.

В доменную печь вносится сухого дутья:

1490−100−19,4=1370,6 м³

1490 — общее количество нагретого дутья

100 — количество О2 на обогащение дутья

19,4 — влага, содержащаяся в дутье.

При снижении температуры дутья в воздухопроводах и фурменных приборах на 1% оно поступает в горн с температурой:

1090*(1−0,01)=1079°С Вносится тепла:

сухим дутьем: 1370,6*1079*1,4907*10^(-3)=2204,6 мДж влага дутья: 19,4*1079*1,7342*10^(-3)=36,3 мДж вносится тепла О2 для обогащения: 100*1079*1,4907*10^(-3)=160,8 мДж С (О2)1000°С = 1,4801 кДж/(м3*К) С (О2)1100°С = 1,4935 кДж/(м3*К) С (Н2О)1000°С = 1,7133 кДж/(м3*К) С (Н2О)1100°С = 1,7397 кДж/(м3*К) С (О2)1079°С = С (О2)1000°С+(С (О2)1100°СС (О2)1000°С)*(1079−1000)/100 = 1,4801+(1,4935−1,4801)*(1079−1000)/100 = 1,4907 кДж/м3*К С (Н2О)1079°С = С (Н2О)1000°С+(С (Н2О)1100°СС (Н2О)1000°С)*(1079−1000)/100 = 1,7133+(1,7397−1,7133)*(1079−1000)/100 = 1,7342 кДж/м3*К Расходуется на диссоциацию влаги дутья: 19,4*10,8=209,52 мДж где 10,8 — теплота диссоциации водяного пара, мДж Всего: 2204,6+36,3+160,8−209,52=2192,18 мДж Физическое тепло природного газа.

120*40*1,59*10^(-3)=7,63 мДж где 1,59*10^(-3) — теплоемкость природного газа при 40 °C, кДж/м3*град Всего выделяется тепла в области горения у фурм:

208,95+4098,68+2192,18+7,63=6507,44 мДж Окисление углерода в процессах прямого восстановления.

127,0*5,25=666,75 мДж где 127,0 — количество монооксида углерода, образовавшегося в процессе прямого восстановления железа и примесей, м3 (по заданию) Окисление СО в СО2 в процессе непрямого восстановления (восстановление газами).

299,7*12,64=3788,21 мДж где 299,7 — количество образующегося в печи СО2, м3 (по заданию)

12,64 — теплота окисления СО в СО2, мДж/м3

Окисление Н2 в Н2О в процессах непрямого восстановления.

82,9*10,8=895,32 мДж где 82,9 — количество образовавшегося водяного пара в печи, м3 (по заданию)

10,8 — теплота окисления Н2 в Н2О, мДж/м3

Всего выделяется тепла в области восстановления:

666,75+3788,21+895,32=5350,28 мДж Шлакообразование.

При наличии в шихте свободных оснований, тепло, выделяющееся при шлакообразовании, может быть вычислено:

G=4,187*10^(-3)*270*(CaO+MgO), мДж где CaO и MgO — количество не связанных в силикаты извести и магнезии, кг.

В нашем примере приход тепла по этой статье отсутствует, так как проплавляется подготовленное железорудное сырье.

Физическое тепло шихты.

Вносится тепла:

Агломератом при 500 °C = 720,4*500*0,91*10^(-3)=327,78 мДж Окатышами при 20 °C = 1070*20*0,88*10^(-3)=18,83 мДж Коксом при 20 °C = 444*20*1,0*10^(-3)= 8,88 мДж где 0,91;0,88;1,0 — теплоемкость агломерата и окатышей в интервале температур 0−400°С и кокса в интервале температур 0−200°С Расходуется тепла на выделение и испарение влаги шихты:

Н2Огигр*2,49+Н2Огидр*4,98 = 9,1*2,49 = 22,7 мДж где 2,49 и 4,98 — теплоты выделения (испарения) гигроскопической и гидратной влаги, мДж/кг

9,1 — количество влаги в кокса, кг (по заданию) Всего вносится тепла с шихтой:

327,78+18,83+8,88−22,7 = 332,79 мДж Всего вносится тепла в печь (итог теплового баланса):

6507,44+5350,28+332,79 = 12 190,51 мДж Расход тепла Диссоциация оксидов.

Fe2O3: 1067*7,36*(112/160) = 5497,2 мДж

FeO: 245,5*5,19*(56/72) = 991 мДж где 1067 и 245,5 — количество вносимых оксидов железа, кг (по заданию)

7,36 и 5,19 — теплота диссоциации, мДж/кг

SiO2: 7*31,8 = 222,6 мДж

MnO: 6,09*7,36 = 44,8 мДж Р2О5: 2,63*32,7 = 86 мДж где 7; 6,09; 2,63 — количество восстанавливаемых и переходящих в чугун Si, Mn и Р, кг 31,8; 7,36; 32,7 — теплота диссоциации SiO2, MnO и Р2О5, мДж/кг элемента Расходуется тепла на связывание:

2,21 кг S (по заданию) в шлак: 2,21*5,42 = 11,98 мДж где 5,42 — теплота перевода S в шлак по реакции:

FeS+CaO+C=Fe+CaS+CO, мДж/кг серы Всего в этой статье расходуется тепла:

5497,2+991+222,6+44,8+86+11,98 = 6853,58 мДж Диссоциация карбонатов В рассматриваемом примере расход тепла по этой статье отсутствует. Потребность в тепле на выделение 1 кг СО2 из карбонатов разных видов составляет, мДж:

CaCO3 = 4,04; MgCO3 = 2,67; MnCO3 = 2,65; FeCO3 = 1,99.

Тепло чугуна

tчугуна = 1521+30(S)-0.61B-1666[S] = 1521+30*0,6−0,61*0,88−1666*0,04 = 1471 °C где 0,6 и 0,04 — содержание серы в шлаке и в чугуне (по заданию)

0,88 — основность шлака, выраженная в отношении

CaO+MgO/SiO2+Al2O3 (по заданию) Теплосодержание чугуна по М.А.Павлову

iчугуна = 4,187*10^(-3)*(35+0,18*tчугуна) = 4,187*10^(-3)*(35+0,18*1471) = 1,25 мДж/кг Расход тепла на нагрев чугуна:

1000*1,25 = 1250 мДж где 1000 — расчетное количество чугуна (по заданию) Тепло шлака Температура шлака обычно на 40−60°С выше температуры чугуна. При превышении в 40 °C температура шлака составит:

tшлака = 1468+40 = 1508 °C Теплосодержание шлака по М. А. Павлову при температуре шлака больше 1450°С:

iшлака = 4,187*10^(-3)*(422,5+0,4*(1508−1450)) = 1,87 мДж/кг Расход тепла на нагрев шлака:

437,3*1,87 = 817,75 мДж Тепло колошникового газа При температуре колошникового газа 495 °C унос тепла 2142,2 м3/ т чугуна сухого газа (по заданию) составляет:

2142,2*495*1,3434*10^(-3) = 1424,5 мДж Водяной пар газа (по заданию) 89,5 кг/т чугуна уносит тепла:

89,5*495*1,5819*10^(-3) = 70,1 мДж Всего уносится тепла колошниковым газом:

1424,5+70,1 = 1494,6 мДж С (СО)400°С = 1,3315 кДж/м3*К С (СО)500°С = 1,3440 кДж/м3*К С (Н2О)400°С = 1,5592 кДж/м3*К С (Н2О)500°С = 1,5831 кДж/м3*К С (СО)495°С = С (СО)400°С+(С (СО)500°СС (СО)400°С)*(495−400)/100 = 1,3315+(1,3440−1,3315)*(495−400)/100 = 1,3434 кДж/м3*К С (Н2О)495°С = С (Н2О)400°С+(С (Н2О)500°СС (Н2О)400°С)*(495−400)/100 = 1,5592+(1,5831−1,5592)*(495−400)/100 = 1,5819 кДж/м3*К где 1,3434 и 1,5819 — теплоемкость двухатомных газов и водяного пара при температуре 495 °C Всего расход тепла без учета потерь во внешнее пространство:

6853,58+1250+817,75+1494,6 = 10 415,9 мДж Потери тепла Статья, включающая также и погрешность расчетов, определяется по разности между приходом и расходом тепла:

12 190,51−10 415,9 = 1774,61 мДж Что составляет 1774,61*100/12 190,51 = 14,5%

Потери тепла по разности обычно находятся в пределах 6−12%.

Процесс избыточно обеспечен теплом. Для приведения его в норму необходимо уменьшить количество природного газа или кокса.

Количество теплоты, достаточное для нормального обеспечения процесса теплом составляет:

Х — 12%

12 190,51 — 100%

Х = 12 190,51*12/100 = 1462,86 мДж Избыток теплоты: 1774,61−1462,86 = 311,75 мДж Уменьшить приход тепла на 311,75 мДж можно двумя способами:

При горении 1 кг кокса выделяется 9,8 мДж тепла, следовательно 311,75/9,8 = 31,81 кг. Можно сократить потребление кокса на 31,81 кг, т. е. вместо 444 кг кокса можем использовать 444−31,81 = 412,19 кг.

При горении 1 м³ природного газа выделяется 1,99 мДж тепла, следовательно 105*1,99 = 208,95 мДж. Можно отказаться от потребления природного газа полностью, а потребление кокса сократить на (311,75−208,95)/9,8 = 10,48 кг, т. е. вместо 444 кг можем использовать 444−10,48 = 433,52 кг.

чугун железо диссоциация По результатам расчета составим таблицу: