Расчет состава шихты, материального и теплового балансов доменного процесса

Mn₃O₄ = 3Mn + 2O₂ – 1450840 кДж

 

д) оксид марганца MnO₂ диссоциирует по реакции

MnO₂ = Mn + O₂ – 530880 кДж

 

е) оксид фосфора Р₂О₅ диссоциирует по реакции

Р₂O₅ = 2Р + 2,5O₂ – 1554000 кДж

 

           ж) часть SiO₂ диссоциирует по реакции SiO₂ = Si + O₂ – 872970 кДж

 

           з)общий расход тепла на диссоциацию оксидов

 

2. Тепло на перевод серы в шлак.

Для сульфидной и органической серы реакция имеет вид

CaO + S = CaS + 0,5 О₂ – 174178.

Для сульфатной серы имеет место реакция

CaSO₄ = CaS + 2O₂ – 921178 кДж

 

 

Сульфатная сера в  составе шихтовых материалов отсутствует.

3. Тепло на разложение карбонатов.

Так как карбонаты  в доменной печи разлагаются полностью, то по их количеству в шихте можно определить затраты тепла на реакции разложения.

MgCO₃ = MgO + CO₂ – 101850 кДж

 

MnCO₃ = MnO + CO₂ – 125370 кДж

 

CaCO₃ = CaO + CO₂ – 178500 кДж

 

4. Расход тепла на разложение углекислоты флюса и летучих

В приходной части  баланса учтено тепло от реакций  прямого восстановления, поэтому здесь следует выделить расход тепла на диссоциацию части СО₂ флюса и летучих (пропорционально r_d).

Часть СО₂ флюса и летучих разлагается по реакции

СО₂ = СО + 0,5О₂ – 284260 кДж

5. Расход тепла на разложение влаги дутья.

Водяной пар полностью  диссоциирует в фурменной зоне печи

Н₂О = Н₂ + 0,5О₂ – 242800 кДж

 

,  

6. Расход тепла на выделение и испарение гидратной влаги.

На разложение гидратов и испарение воды расходуется 4200 кДж/кг.

 

7. Затраты тепла на испарение гигроскопической влаги.

Здесь учитывается нагрев гигроскопической влаги до 100 °С и её испарение, что требует 2474 кДж/кг.

 

Количество гигроскопической влаги

 

 

В данном примере гигроскопическая влага имеется в рудной смеси и коксе).

 

8. Тепло, уносимое чугуном.

Теплосодержание чугуна можно ориентировочно определять по следующим формулам

 

= М_ч∙Q_ч

= 1000∙1212,96 = 1212960 кДж.

9. Тепло, уносимое шлаком.

 

= М_ш∙Q_ш

 = 501,45∙1808,1 = 906671,74 кДж.

10. Унос тепла колошниковым газам.

 

 

где - теплосодержание компонентов колошникового газа при температуре 200 °С.

 

Таблица 12 – Тепловой баланс доменной плавки

 

 

К тепловым потерям относится  тепло, уносимое охлаждающей водой, а также наружные тепловые потери через стены излучением и конвекцией и через фундамент теплопроводностью. В практике расчетов величину тепловых потерь находят по разности прихода и известных статей расхода тепла. В число потерь входит и величина невязки баланса. Так как истинное значение невязки баланса неизвестно, неопределенными остаются и тепловые потери.

При расчетах полагают, что  величина тепловых потерь с невязкой должна составлять для передельного чугуна 4-12%, для литейного чугуна – 8-15%.

Тепловые потери данного  расчета находятся в пределах нормы.

3.2.3 Показатели тепловой  работы доменной печи

 

1. Коэффициент полезного действия тепла.

 

.

.

.

.

2. Коэффициент использования тепловой энергии углерода.

Это отношение количества тепла, полученного от горения углерода до СО и СО₂ к теплопроводной способности всего сгоревшего в печи углерода (если бы горение происходило до СО₂).

= (305,26 – 70,750∙0,4234∙22,4/44) ∙ 17955 = 5207127,9 кДж

= 612,27∙5266,8 = 3224703,6 кДж

 

 

1.2 Теплообмен в доменных печах

В доменной печи шихта двигается сверху вниз, а раскаленные газы двигаются снизу вверх. Таким образом, осуществляется противоток газа и шихты. Характер теплообмена между газом и кусками шихты зависит от соотношения из водяных эквивалентов. Водяным эквивалентом газа (шихты) называют произведение расхода газа (шихты) на его (ее) теплоёмкость, т.е.

; ,

где Wг и Wш – водяные  эквиваленты газа и шихты, Вт/К;

Gг и Gш – расход  газа и шихты, кг/с или м3/с;

сг и сш – теплоёмкость газа и шихты, Дж/(кг ∙ К) или Дж/(м3 ∙ К).

Соотношение между водяными числами газа и шихты оказывает  существенное влияние на теплообмен в шахтных печах. Характерными являются две противоточные схемы теплообмена, представленные на (рисунке 2).

Если водяной эквивалент газового потока больше водяного эквивалента  потока шихты, т.е. Wг > Wш, то температура  шихты достигает начальной температуры теплоносителя (газа) Т 'г, а теплоноситель выходит из теплообменника с температурой Т''г.

В этом случае при сохранении постоянным коэффициента теплопередачи  и соотношения водяных эквивалентов по высоте шахтной печи температуру  шихты на различных горизонтах шахты можно определять по приближенному уравнению Б.И. Китаева:

, (2)

где  - числовой коэффициент, зависящий от критерия Био; αv – коэффициент теплоотдачи на единицу объёма шихты, Вт/(м3 ∙ К); f – пористость слоя шихты (доли единицы), равная отношению объёма, незанятого кусками шихты, ко всему объёму; τ – время от начала загрузки, шихты, с; Н – высота положения шихтовых материалов, м.

Когда водяной эквивалент шихты больше водяного эквивалента  газа, т.е. Wг > Wш, газы отдают все свое тепло шихте и охлаждаются  до температуры поступающей шихты Тш. Однако этого тепла не хватает, чтобы нагреть шихту до начальной температуры газов. Шихта после теплообмена будет недогретой, ее температура Тш будет ниже температуры поступающих в шахту газов Тг.

Для определения температуры  газа на различных горизонтах шахты при этой схеме теплообмена можно использовать второе приближенное уравнение Б.И. Китаева:

, (3)

Для определения температуры  шихты используют уравнение теплового баланса:

(Тш – Т 'ш) Wш = (Т 'г – Тг) Wг

Определение коэффициентов  теплоотдачи в шахтных печах  представляет собой большую сложность, поскольку форма и размер кусков шихты являются крайне неопределенными.

Эта сложность углубляется  так же тем, что и расстояние между кусками является весьма неопределенным. Теплообмен от газов к кускам шихты осуществляется тремя видами теплопередачи: конвекцией, теплопроводностью и излучением, с переменным удельным значением каждого вида передачи тепла. Преобладающее значение имеет теплопередача конвекцией, так как расстояние между кусками весьма мало и тепловое излучение невелико.

Всё это вызвало необходимость  использовать в расчетах теплообмена  в шахтных печах коэффициенты теплоотдачи на единицу объема αv [Вт/(м3 ∙ К)] и на единицу поверхности αF [Вт/(м2 ∙ К)], связанные между собой следующим соотношением:

, (4)

где F – средняя удельная поверхность кусков шихты (м2/м3).

Для определения коэффициента теплоотдачи на единицу поверхности  кусков могут быть использованы эмпирические уравнения. Одно из таких уравнений, полученное А.Н. Чернятиным, имеет следующий вид

, (5)

где ψ – коэффициент  формы, учитывающий потери поверхности  в местах контактов между кусками. Для кусков руды ψ = 0,86.

Используя выражения (4) и (5), можно найти коэффициенты αF и  αv, необходимые для расчетов по уравнениям (2) и (3).

В реальных условиях работы доменной печи наблюдаются отклонения в постоянстве соотношения водяных  эквивалентов, вызванные влиянием физико-химических процессов, протекающих в объеме печи.

В условиях работы доменной печи по ее высоте разграничиваются три зоны теплообмена на (рисунке 3): 1) верхняя зона, в которой теплообмен происходит в условиях Wг > Wш и тепло газа используется не полностью; 2) средняя зона, в которой теплообмен происходит вследствие протекающих в ней экзотермических реакций, и 3) нижняя зона (при Wг < Wш), в которой наблюдается самый интенсивный теплообмен.

Эти положения объясняют  ряд известных положений, замеченных на практике. Например, тепло нагретого  дутья полностью используется в  нижней части печи, поскольку здесь Wг < Wш и происходит интенсивный теплообмен; введение кислорода в дутье или уменьшение удельного расхода кокса снижает температуру колошника благодаря тому, что уменьшаются количество газов и Wг.

Во всех случаях необходимо производить расчет шихты по методике, т. е. по формулам (1) и (2):

 (1)

 (2)

При расчете шихты  учитывают угар элементов, который зависит от применяемых материалов, а также от типа печи

 

1.3 Показатели  работы доменных печей

Основным продуктом  доменной плавки является передельный  чугун, который в дальнейшем используется для получения стали. Он имеет следующий состав: 3,7 – 4,3 % С, 0,3 – 1,0 % Si, до 2 % Mn, 0,02 – 0,06 % S, остальное железо.

Качественный уровень  работы доменной печи характеризуется  отношением ее полезного объема (м3) к суточной выплавке чугуна (т) и  называется коэффициентом использования полезного объема (к. и. п. о.), который обычно колеблется в пределах 0,43 – 0,75. Примерный материальный и тепловой балансы доменной плавки даны в (таблице 1 и 2).

Из теплового баланса  видно, что физическое тепло газов  используется в доменной печи очень хорошо, а этом отношении доменная печь является весьма совершенным агрегатом. Химически связанное тепло углерода используется не полностью, так как в печи необходимо поддерживать восстановительную атмосферу, поскольку основное назначение доменной печи заключается в восстановлении железа из его оксидов. В результате неполного окисления углерода и водорода влаги в колошниковом газе, кроме СО, содержаться также горючие газы Н2 и СН4. В данном случае сухой колошниковый газ характеризуется теплотой сгорания Qнр = 4477 кДж/м3. Следовательно, на 1 кг чугуна с колошниковым газом уходит химической энергии тепла 4477 ∙ 2,684 = 11810 кДж, что составляет приближенно 44 % тепла, получаемого при сгорании кокса и природного газа.