Расчет состава шихты, материального и теплового балансов доменного процесса

Уравнение по балансу  основности имеет вид

 

 

Тогда

 

 

1,167х –29,166у + 51,647z = 0.

 

Расход флюса на ошлакование  золы единицы кокса

 

 

На ошлакование золы всего кокса

 

 

Таким образом, получается систему следующих уравнений:

 

Решив систему уравнений можно получить

 

х = 1727,092 кг

у = 64,029 кг

z = 2,867 кг.

1.3 Расчет расхода кокса

 

Для определения расхода  кокса необходимо рассчитывать тепловые эквиваленты материалов доменной шихты.

1.3.1 Понятие о тепловых эквивалентах

 

Для сравнения металлургической ценности железорудных материалов используют понятие тепловых эквивалентов. Тепловой эквивалент того или иного материала представляет собой количество тепла, которое надо затратить в доменной печи для выплавки чугуна при использовании единицы (1 кг или 1 м³) этого материала.

Знаки тепловых эквивалентов горючих материалов доменной плавки (кокса, мазута, природного газа и др.) и других сырых материалов неодинаковы: отрицательны для горючих материалов, так как они не потребляют, а выделяют тепло в доменной печи, и положительны для остальных материалов шихты.

Кроме химического состава, тепловой эквивалент зависит также  от ряда факторов, связанных с получением того или иного сорта чугуна при  необходимых основности шлака, температуре и составе дутья и колошникового газа, с уносом тепла продуктами плавки (чугуном и шлаком) и др.

Математически тепловой эквивалент каждого шихтового материала  представляет собой сумму произведений содержаний элементов или оксидов на тепловые эквиваленты этих элементов и оксидов. В общем случае тепловой эквивалент любого шихтового материала можно представить в виде:

 

где – тепловые эквиваленты соответствующих оксидов и элементов, кДж/кг; SiO₂, Al₂O₃, S — содержание соответствующих оксидов и элементов в данном шихтовом материале; % — коэффициент перехода серы в шлак; Z_С – тепловые потери, кДж/кг С.

Материал, обладающий меньшим  тепловым эквивалентом, имеет большую металлургическую ценность, так как требует для переплава меньшее количество тепла.

1.3.2 Расчет тепловых  эквивалентов элементов и соединений

 

1. Тепловой эквивалент  углерода, сгорающего у фурм. При  сгорании углерода у фурм в кислороде дутья по реакции С + 0,5О₂ = СО выделяется 117940, или на 1 кг С 117940/12 кДж. В печь также вносится тепло с нагретым дутьем, количество которого зависит от объема дутья. Часть тепла, вносимого в печь, уносится с колошниковым газом, поэтому это количество тепла следует вычесть. В общем виде тепловой эквивалент углерода, сгорающего у фурм, имеет вид

 

 

где ω – содержание кислорода в сухом дутье, доли единиц; f – влажность дутья, доли единиц; t_д – температура горячего дутья, °С; - энтальпия двухатомных газов при температуре дутья, кДж/м³; - энтальпия колошникового газа,кДж/м³.

 

 

2. Тепловой эквивалент  углерода прямого восстановления. При прямом восстановлении для окисления углерода расходуется не нагретый воздух, а кислород шихты. В связи с этим

 

 

3. Тепловой эквивалент  оксида кальция.

Известь может поступать  в доменную шихту в виде сырого известняка CaCO₃, офлюсованных агломерата или окатышей (СаО будет находиться в виде силикатов или ферритов кальция) реже в свободном виде. При разложении известняка в доменной печи по реакции

СаСО₃ = СаО + СО₂ – 178500 кДж

необходимо затратить 178500/56 = 3192 кДж/кг СаО. Оксид кальция  переходит в шлак. При взаимодействии СаО и SiO₂ выделяется около 1260 кДж/кг.

 

,

 

где Q_шл – энтальпия шлака, кДж/кг.

Если известь связана  в силикаты кальция (офлюсованный агломерат), то экономия тепла по сравнению с  первым случаем составит

 

 

Если известь находится в свободном виде, расход тепла составит

 

 

При экономии в расходе  тепла

 

 

4. Тепловой эквивалент оксида  кремния.

 

 

5. Тепловой эквивалент глинозема.

Теплота образования 3СаО∙Al₂O₃ составляет примерно 840 кДж/кг Al₂O₃.

 

 

6. Тепловой эквивалент оксида  магния.

Подобно извести MgO может находиться в доменной шихте в виде MgCO₃, силикатов магния (Mg₂SiO₄) и свободном виде.

По реакции MgCO₃ = MgO + CO₂ – 109870 кДж для разложения необходимо затратить 109870/40 = 2747 кДж/кг MgO. При ошлаковании оксида магния с образованием Mg₂SiO₄ выделяется 794 кДж/кг MgO. Следовательно

 

 

Экономия в расходе  тепла, если оксид магния связан в  силикат или в находится в  свободном виде, соответственно составит

 

 

7. Тепловой эквивалент  серы.

Для упрощения расчета  принимается, что сульфидная и органическая сера находится в свободном виде. Перевод серы в шлак идет по реакции CaO + S = CaS + 0,5∙O₂ – 173630 кДж/кг, или 5426 кДж/кг S. При этом следует дополнительно учитывать расход тепла на разложение известняка, необходимого для получения оксида кальция. Этот расход составит 3292∙56/32 кДж/кг. Тогда тепловые эквиваленты сульфидной и органической серы

 

 

В случае сульфатной серы CaSO₄ = CaS + 2O₂ – 921190 кДж, или 28787 кДж/кг S.

 

 

8. Тепловой эквивалент фосфора.

Расход тепла на диссоциацию  оксида фосфора составляет 25066 кДж/кг Р, затрата углерода на восстановление Р₂О₅ – 5С = 2Р + 5СО равна:

 

.

 

При образовании Fe₃P выделяется 4767 кДж/кг Р. Потери тепла от прямого восстановления фосфора составит 1∙( ) кДж/кг Р.

Тепловой эквивалент фосфора

 

 

9. Тепловой эквивалент марганца.

Принимают, что восстановление марганца из высших оксидов до МnО происходит посредством СО с выделением тепла:

МnО₂ → МnО + 2902 кДж/кг Мn;

Мn₂О₃ → МnО + 832 кДж/кг Мn;

Мn₃О₄ → МnО + 315 кДж/кг Мn.

Марганец образует с  углеродом устойчивый карбид, теплота  образования которого составляет 584 кДж/кг Мn. Затрата углерода на образование карбида (Мn₃С) по реакции: ЗМn + С = Мn₂С составляет

 

 

Потеря тепла 0,073∙q_C. На прямое восстановление 1 кг Мn по реакции МnО + С = = Мn + СО расходуется углерода

 

 

Соответственно, потеря тепла составляет 0,218 ( ). Из 1 единицы марганца, переходящего в чугун, получим 1 + 0,073 единицы карбида марганца. Оксид МnО уносит со шлаком Q_шл∙(71/55) = 1,29∙Q_шл.

При образовании в шлаке силиката марганца выделяется 496 кДж/кг Мn. Общий расход тепла на 1 кг Мn в шлаке составляет 1,29∙Q_шл – 496; на разложение МnСО₃ 1751 кДж/кг Мn. На диссоциацию МnО расходуется 7388 кДж/кг Мn, тогда

 

;

;

;

;

;

 

10. Тепловой эквивалент  железа.

При расчете тепловых эквивалентов железа исходят из следующих  предпосылок:

а) установленная общая  степень развития прямого и непрямого восстановления (R_i и r_d) распространяется и на оксиды железа;

б) все железо переходит  в чугун;

в) отношение содержаний растворенного в чугуне углерода к железу принимаем равным 4 : 93 = 0,043;

г) положительный эффект при восстановлении оксидов железа оксидом углерода и отрицательный тепловой эффект при восстановлении водородом пренебрежимо малы.

Расход тепла на диссоциацию FeO = Fe + 0,5O₂ – 270610 кДж составит (270610/56)∙r_d (расход тепла необходим согласно условиям расчета лишь на прямое восстановление).

Потеря тепла, связанная  с образованием карбида железа Fe₃C, и потеря тепла от прямого восстановления составят . Из 1 единицы железа образуется 1,043 единицы чугуна, на нагрев и расплавление которого требуется 1,043 Q_Ч кДж. Тогда

 

;

;

 

где 2554 – теплота диссоциации Fe₂O₃ на FeO и О₂, кДж/кг Fe; 1571 – теплота разложения FeCO₃, кДж/кг Fe; 424 — теплота разложения Fe₃SiО₄ на FeO и SiO₂, кДж/кг Fe.

 

 

11. Тепловой эквивалент  кремния.

Принимается, что кремний  находится в чугуне в виде FeSi. На диссоциацию SiO₂ = Si + О₂ расходуется 14549 кДж/кг SiO₂, а при образовании FeSi выделяется (в пересчете на 1 кг SiO₂) 1344 кДж. Потеря тепла с углеродом прямого восстановления составит ( )∙(24/60), так как

 SiO₂ + 2С = Si + 2CO.

Из тепла, затраченного на восстановление кремния, надо вычесть тепло для перевода SiO₂ в шлак. Тогда

 

 

где Ч — выход чугуна из данного материала.

Следует обратить внимание на то, что в отличие от других эквивалентов в данном случае величину теплового эквивалента кремния  рассчитывают для 1 кг соответствующего шихтового материала.

 

 

12. Тепловой эквивалент гидратной воды.

В доменной печи вода, выделяющаяся при разложении гидратов, частично разлагается по реакциям: Н₂О + СО = Н₂ + СО₂;   Н₂О + С = Н₂ + СО.

Степень развития каждой реакции, как и общую степень  разложения гидратной воды, определить трудно. Поэтому условно принимают, что средняя степень непрямого восстановления относится и к разлагающейся гидратной воде, а общая степень разложения гидратной воды равна 30%. Тогда

 

где 284260 – теплота окисления СО до СО₂, кДж; 242800 – теплота диссоциации воды, кДж; 4200 – теплота разложения гидратов и испарения гидратной воды, кДж/кг.

 

 

13. Тепловой эквивалент диоксида углерода.

Принимают, что общая  степень прямого восстановления относится и к разложению СО₂ шихты по реакции СО₂ + С = 2СО. Тогда

где 284260 — теплота диссоциации СО₂, кДж.

 

1.3.3 Расчет тепловых  эквивалентов компонентов доменной  шихты и дополнительного топлива

 

Зная данные о тепловых эквивалентах о тепловых эквивалентах отдельных элементов и их соединений, а также химический состав материалов, можно определить их тепловые эквиваленты, используя общую формулу (q_м) приведенную в пункте 1.3.1.

 

1. Тепловой эквивалент  железорудной смеси.

 

 

 

2. Тепловой эквивалент  марганцевой руды.

 

 

3. Тепловой эквивалент флюса.

 

 

Затраты тепла на образование  и усвоение СаО и MgO учтены в тепловых эквивалентах SiO₂ и Аl₂О₃ шихты.

 

 

4. Тепловой эквивалент природного газа.

При неполном горении  составляющих природного газа (при нормальных условиях) выделяется тепло:

СН₄ + 0,5О₂ = СО + 2Н₂ + 1660 кДж/м³ СО;

С₂Н₆ + О₂ = 2СО + ЗН₂ + 3040 кДж/м³ СО;

C₃H₈ + 1,5О₂ = ЗСО + 4Н₂ + 3380 кДж/м³ СО;

С₄Н₁₀ + 2О₂ = 4СО + 5Н₂ + 3460 кДж/м³ СО;

С₅Н₁₂ + 2,5О₂ = 5CO + 6Н₂ + 3625 кДж/м³ СО,

 

 

где и т. д. – выход СО из соответствующих соединений природного газа, м³/м³; V_д – количество дутья, необходимое для сжигания 1 м³ природного газа, м³/м³; – энтальпия влажного дутья, кДж/м³; – количество продуктов сгорания природного газа, м³/м³; – энтальпия колошникового газа, образовавшегося при сжигании 1 м³ природного газа, кДж.

Расчет неизвестных величин  проводится последовательно.

1. Определяется масса природного газа вдуваемого на 1 т чугуна.

 

 

масса 120 м³ природного газа

 

= 0,735∙120 = 91,68 кг/т чугуна

2. На сжигание 1 м³ природного газа до оксида углерода требуется кислорода дутья

 

= 0,5∙0,92 + 0,046 + 1,5∙0,009 + 2,0∙0,008 + 2,5∙0,002 = 0,5405 м³.

 

где 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 и др. – стехиометрические коэффициенты реакций окисления компонентов природного газа до СО и Н₂ по реакциям:

На сжигание всего объема природного газа требуется кислорода дутья

 

= 120∙0,5405 = 64,86 м³.

3. Для обеспечения такого количества кислорода требуется влажного дутья

или в пересчете на 1 м³ природного газа

 

4. Во влажном дутье содержание водяного пара

 

 

или

5. Количество сухого дутья, необходимого для сжигания природного газа

 

 

В сухом дутье содержится

 

Азота 

 

или

Кислорода 

 

или

Масса сухого дутья для  сжигания природного газа

 

6. Масса влажного дутья для сжигания природного газа

 

7. Количество и состав продуктов горения природного газа

Образуется оксида углерода при горении 120 м³ природного газа

 

 

Количество азота в  продуктах горения природного газа

 

 

Так как в составе  природного газа в данном примере  азот отсутствует, то

Количество водорода в газе образующегося при разложении 120 м³ природного газа и влаги дутья, расходуемого на сжигание 120 м³ природного газа