Балансовые расчёты доменного процесса

1. Министерство  образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Институт «Материаловедения  и металлургии»

Кафедра металлургии  железа и сплавов

 

Оценка работы   ________________

Члены комиссии ______________

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

«Балансовые расчёты доменного  процесса»

 

 

 

 

 

Руководитель

Доцент. к.т.н.                           __________________                  Гилева Л.Ю.

 

Н.контр.

Доцент, к.т.н.                          ___________________                  Лозовая Е.Ю.

 

Студент

Гр. Мт-300101                        ___________________                  Долгушев Н.А.

 

 

2012

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..3

1. Расчёт состава доменной шихты…………………………………………....….4
2. Оценка свойств доменного шлака……………………………………….…6
2. Расчёт расхода дутья……………………………………………………….....…8
3. Расчёт состава и выхода колошникового газа…………………………......….9
4. Составление материального баланса……………………………………....…11
5. Расчёт теплового баланса доменной плавки……………………………........12

Заключение………………………………………………………………………..16

Библиографический список………………………………………………...……17

Приложение 1……………………………………………………………………..18

Приложение 2……………………………………………………………………..20

Приложение 3……………………………………………………………………..22

Приложение 4……………………………………………………………………..23

Приложение 5………………………………………………………………….….24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Современная технология доменной плавки предполагает использование предварительно подготовленных железорудных материалов – агломерата и окатышей. Ведение, анализ и планирование процессов подготовки руд к плавке невозможно без расчета шихт и количественной оценки показателей процессов.

Целью выполнения курсовой работы является закрепление  теоретических знаний, полученных студентами при изучении курса «Теория и технология доменного процесса» и формирование умений и навыков выполнения расчетов основных явлений доменной плавки, необходимых специалисту в области металлургии черных металлов.

Для количественного  описания установившихся режимов доменной плавки используют балансовые методы расчета, в основе которых лежат  законы сохранения массы и энергии. Сравнение балансов, составленных применительно к действующему процессу, позволяет изучать его особенности и на основе этого прогнозировать характер его течения при изменении условий плавки. При составлении балансов проектируемой технологии (задача курсовой работы) основные параметры работы агрегата задаются, а результирующие характеристики определяются из системы балансовых уравнений.

Задачей курсовой работы является изучение балансовых методов расчета доменной плавки и приобретение навыков их использования для оценки степени  развития процессов при заданных условиях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет состава доменной шихты

Расчет доменной шихты состоит в определении  соотношения ее компонентов для получения чугуна заданной марки и шлака заданных свойств. В курсовой работе выполняется расчет удельных расходов шихтовых материалов для получения 1 тонны чугуна.

Исходные данные

Исходными данными для расчета состава доменной шихты являются:

1. Химический состав компонентов  доменной шихты 

 

Выбор состава  шихты является важной и сложной  инженерной задачей, требующей знания технологии процесса.

В качестве железорудного материала доменной плавки используют синтетические руды – продукты подготовки природных руд к плавке – агломераты, окатыши. В курсовой работе основной железорудный материал задан- это окатыши. Агломерат выбран исходя из следующего:

-доменная шихта, как правило, состоит из смеси агломератов и окатышей, доля окатышей не превышает 40 %;

-среднее содержание железа в шихте должно быть более 54 %;

средняя основность железорудных материалов не должна превышать 1,3;

-среднее содержание магнезии не должно быть более 2,5 %.

 

Указанные выше рекомендации обобщают производственный опыт и характеризуют наиболее общие случаи.

Балансовые методы расчета предполагают использование достоверной информации о химических составах материалов. Поэтому перед выполнением расчетов необходимо оценить достоверность информации, рассчитав полный химический состав шихтовых материалов. Признаком достоверности химического состава является равенство 100 % суммы всех оксидов и других соединений, входящих в состав материала.

Таблица 1

Химический  состав шихтовых материалов

	Fe	Mn	P	V	Ti	S	FeO	Fe2O3	CaO	SiO2	Al2O3	MgO	MnO	FeS
агломерат	65,38	0,18	0,01	0,00	0,00	0,00	16,35	75,24	2,44	4,88	0,53	0,24	0,23	0,09
окатыши	63,00		0,01			0,050	1,20	88,67	3,70	3,90	1,10	1,00

 

Выбранные и рассчитанные данные занести в таблицу шихтовых материалов, включив в нее химические составы компонентов железорудной части шихты, средневзвешенный химический состав железорудных материалов, химические составы флюсов, кокса.

2. Для определения состава доменной шихты необходимо решить следующую систему уравнений:

 

Уравнение по основности шлака:

R_ЖРМ*RO_ЖРМ+R_Фл*RO_Фл+R_K*RO_K=-2,14[Si]B,                                               (1)

 

Уравнение по выходу чугуна:

R_ЖРМ*e_ЖРМ+R_Фл*e_Фл+R_K*e_К=1,                                                                         (2)

 

Уравнение по расходу кокса:

R_K= R_К^зд,                                                                                                           (3)

 

где R_ЖРМ, R_Фл, R_K – расходы железорудных материалов, флюсов, кокса, соответственно, т/т чугуна; RO_ЖРМ, RO_Фл, RO_K – избыток (недостаток) оснований в железорудном материале, флюсах, коксе, соответственно, %;  e_ЖРМ, e_Фл, e_К – выход чугуна из железорудного материала, флюса, кокса, соответственно, т/т; R_К^зд – заданный расход кокса, т/т чугуна.

Неоднородная система линейных уравнений (1-3) решается относительно расходов ЖРМ, флюсов и кокса, используя матричный способ. Для этого система уравнений приводится к виду:

AX=B,                                                                                                         (4)

где A- основная матрица системы, B и X – столбцы свободных членов и решений системы соответственно:

 

 

Подставив соответствующие значения, получаем:

                         В=   X=

Решение системы X=A^-1B приводится в приложении 1.

 

1.2. Оценка свойств доменного шлака

Свойства  доменного шлака во многом зависят  от основности, но не определяются только этим параметром, поэтому важно оценить свойства доменного шлака полученного состава.

Важнейшими  физико-химическими свойствами доменного шлака, влияющими на ход и результаты доменной плавки, являются:

-температура плавления шлака;

-вязкость;

-сероулавливающая способность.

Температура плавления шлака определяет температурный интервал его плавления и тем самым высоту зоны вязкопластичного состояния шихтовых материалов. Вязкость шлака определяет характер его движения по коксовой насадке, степень заполнения коксовой насадки шлаком, газодинамическое сопротивление столба шихтовых материалов. От сероулавливающей способности шлака зависит качество получаемого чугуна.

Вязкость шлака зависит от его  состава и определяется температурой. Известно, что для гомогенных жидкостей зависимость вязкости от температуры описывается уравнением Ньютона

A=3,037; B= -002.

Ƞ=A*exp(E/RT),                                                                                      (5)

Вязкость определяется по диаграммам:

Ƞ₁₄₀₀=32;

Ƞ₁₅₀₀=28.

где E – энергия активации вязкого  течения, кДж/моль; Т – температура  шлака, К; А – постоянная (зависит  от состава шлака); R – газовая  постоянная, кДж/моль·К.

Сероулавливающая способность  шлака характеризуется коэффициентом  распределения серы между шлаком и чугуном (LS, доли единиц):

     L_S=(S)/[S],                                                                                           (6) 

При заданных условиях получаем L_S=22.      

Зная поступление серы с шихтовыми  материалами, состав и выход шлака, с помощью коэффициента несложно рассчитать возможное содержание серы в чугуне по формуле, полученной из уравнения материального баланса серы:

                                                                               (7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет расхода дутья

Удельный  расход дутья является важным технологическом

показателем доменной плавки, так  как позволяет оценить

производительность доменной печи при известном минутном расходе

дутья или выбрать дутьевой режим  доменной плавки при заданной

производительности  печи

Расчет основан  на балансе кислорода, подаваемого  в печь с дутьем для обеспечения  процессов горения кокса и  углеводородных добавок.

Удельный  расход дутья, позволяет оценить  производительность печи

V_уд=973,9  , тогда:

                                                           (8)

где P – производительность печи, т/мин;

V_Д^мин , V_Д –минутный и удельный расходы дутья соответственно, м3/мин и м3/т.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет состава и выхода колошникового газа

Расчет удобно выполнять в табличной  форме (прил. 6), в которой отражены балансы всех составляющих колошникового газа: азота, оксидов углерода, водорода, метана. По рассчитанному составу газа необходимо оценить степень использования восстановительного потенциала горнового газа.

Баланс азота

Азот в доменную печь поступает  с дутьем, природным газом и

летучими кокса. Количество азота определяется химическим

составом  материалов и их расходом

                                                               (9)

                                                              (10)

 

                                                              (11) 
где V_N2^д, V_N2^пг, V_N2^к - количество азота, поступившего с воздухом,

природным газом и летучими кокса соответственно, м3/т;

Таким образом:   V_N2^кг = V_N2^д+V_N2^пг+ V_N2^к

Баланс метана

Метан поступает  с летучими кокса в количестве

                                                               (12)

Таким образом: V_CH4^кг=V_CH4^к+V_CH4^c                                                              (13)

Баланс водорода

Водород в доменной печи образуется при разложении влаги дутья

по реакции

H₂O + C = CO + H                                                                                          (14)

Количество образовавшегося по этой реакции водорода составит:

                  

 Всего с колошниковым газом из печи уносится водорода:

 

V_H2^кг=V_H2^д+V_H2^к+V_H2^пг+V_H2^кв+V_H2^CH4                                                              (17)

Баланс диоксида углерода

Всего углекислого газа в доменной печи образуется

V_CO2^кг= V_CO2^кв+ V_CO2^к+ V_CO2^карб                                                                       (18)

Баланс монооксида углерода

Монооксид углерода образуется при горении углерода твердого топлива и конверсии природного газа у фурм

V_CO^Ф=2V_O2                                   (19)

Всего с колошниковым газом из печи CO уносится в количестве:

V_CO^кг= V_CO^ф+ V_CO^пв+ V_CO^s+ V_CO^H20+ V_CO^к+ V_CO^кВ                                           (20)

Расчет параметров колошникового  газа

Рассчитав количество газов, покидающих печь через колошник, можно определить выход сухого колошникового газа ( сух Vкг , м3/т). Он составит: