Определение технических показателей доменной плавки при проектировании нового металлургического предприятия

 

Оглавление

1 Расчет доменной  шихты 4

1.1 Оценка сырьевых  материалов 4

2 Выбор состава  чугуна и характеристик шлака 6

3 Определение расхода  материалов и состава подготовленного  железорудного сырья. 7

3.1 Расход материалов 7

3.2 Агломерат 8

3.3 Окатыши 9

4. Определение состава  продуктов плавки 11

4.1. Проверочная таблица  расчета шихты 11

4.2. Оценка свойств  шлака 13

5 Материальный баланс 14

5.1. Дополнительные  данные 14

5.2. Степень прямого  восстановления 14

5.3. Распределение нелетучего  углерода кокса и природного  газа 15

5.4. Расход дутья 16

5.5. Количество и состав фурменного газа 16

5.6. Изменение состава  газа в процессах восстановления 17

5.7. Количество и  состав колошникового газа 17

5.8. Материальный баланс 19

6. Общий тепловой  баланс 20

6.1. Приход тепла 21

6.2. Расход тепла 22

6.3. Тепловой баланс  по второму способу 23

6.4. Теоретическая температура  горения 25

6.5. Отношение теплоемкостей  потоков шихты и газа на  колошнике 25

6.6. Показатели тепловой  работы 25

7. Производительность  печей 26

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Расчет  доменной шихты

1.1 Оценка сырьевых материалов

1.1.1 Минералогический тип железных руд

Минералогический тип  железных руд устанавливается по соотношению содержаний железа, закиси железа и потерь при прокаливании (п.п.п) в чистых рудных минералах (таблица 1). Он может быть использован для ориентировочной характеристики физических и физико-химических свойств руд для определения вероятных соединений элементов в рудах и способов их обогащения.

Таблица 1- Содержание в рудных минералах железа, закиси железа и потерь при прокаливании

Минерал	Содержание, %			Fe/FeO
	Fe	FeO	п.п.п
Сидерит,FeCO3	48	62	38	0,77
Магнетит,Fe3O4	71	31	1÷3	2,29
Гематит,Fe2O3	70		3÷8
Бурый железняк, mFe2O3 nH2O	52,3÷66,3		12÷18

 

В заданной железной руде нет  закиси железа, величина п.п.п  относительно небольшая (2,80%). Следовательно, в ней основным минералом является гематит. В концентрате отношение Fe/FeO=64,20/14,40=3,69, т.е больше 3,5, , следовательно в нем основным минералом является полумартит.

1.1.2 Химический состав руд

Химический состав железной руды во многом определяет ее ценность. По содержанию железа руды делятся на богатые, нуждающиеся в сортировке и окусковании и бедные. В доменных печах целесообразно проплавлять  железорудное сырье с максимально возможным богатством.

Заданная железная руда и  концентрат, содержащие соответственно 55,34 и 64,20% Fe, а на прокаленную массу 66,19 % Fe, должны быть отнесены к богатым рудам.

Оценка пустой породы железорудных материалов производится для установление потребности во флюсах и возможности получения достаточно подвижных шлаков. Потребность во флюсах  устанавливается по индексу основности, возможность получения подвижных шлаков определяют по отношению SiO₂/Al₂O₃ и содержанию MgO

Пустая порода железной руды кислая, кремнеземистая, в ней отношение SiO₂/Al₂O₃=7,41, т.е больше чем в наиболее подвижных шлаках (3-5). Концентрат имеет основную, глиноземистую пустую породу. Для ошлакования пустой породы требуется основный флюс. Для снижения температуры плавления и увеличения вязкости шлака целесообразно плавку вести на смеси материалов. Кроме того, желательно введение магнезиального флюса. т.к содержание MgO в пустой породе невелико.

Примеси и возможные сорта  чугуна

Пригодность железорудных материалов для выплавки нужных сортов чугуна устанавливается путем вычисления допустимых отношений содержаний элементов  в них или возможного содержания элементов (марганец, фосфор и др.) в продуктах плавки с учетом количества этого элемента, вносимого другими минералами (главным образом коксом)

 

 

Содержание в чугуне этого  элемента [Э] можно определить по формуле:

,

где  [Э] и [Fe] – содержание в чугуне элемента и железа, %;

Э _м и Fe_м – содержание в железорудном материале элемента и железа, %;

n_э  и n_Fe – коэффициенты перехода в чугун элемента и железа;

Э_г – содержание элемента, вносимое горючим.

При выполнении ориентировочных  расчетов можно принимать, что железо и фосфор полностью переходят  в чугун, а в чугуне содержание железа 93-94%

Оценка рудных материалов обычно выполняется по содержанию в них фосфора и марганца. При выплавке передельных чугунов фосфор полностью переходит в чугун (n_p=1) и содержание фосфора в нем определяет вид передела чугуна в сталь. Коэффициент перехода марганца в чугун равен 0,5-0,7 ед. Оценка руд по марганцу позволяет установить возможное содержание его в чугуне и потребность в марганцевой руде.

При выплавки чугуна с содержанием 94% Fe только из железной руды, содержание фосфора в металле составляет  ,

а марганца % В чугуне выплавленном только из концентрата будет содержаться 0,16 % фосфора и 0,08 %марганца. При выплавке чугуна из рудной смеси содержащей 40% железной руды и 60% концентрата содержание фосфора в металле составит 0,32%, а марганца 0,25%

 

 

2 Выбор  состава чугуна и характеристик  шлака

Средневзвешенное содержание в рудной смеси (40% железной руды и 60% концентрата):

• Железа 54,34∙0,4+64,2∙0,6=60,66% ;
• Марганца 0,5∙0,4+0,1∙0,6=0,26%;
• Фосфора 0,34∙0,4+0,11∙0,6=0,2%;
• Кремнезема 12,23∙0,4+2,5∙0,6=1,10%;
• Извести 2,06∙0,4+4,6∙0,6=5,88%;
• Магнезии 0,06∙0,4+0,4∙0,6=1,9%.

Кокс вносит

450∙(1-0,302)∙11,6/100=50,57 кг золы,

включающей в себя:

50,57∙5,32/100=2,69 кг железа.

Ориентировочный расход рудной смеси составляет:

(940-2,69) ∙100/60,66=1545,29 кг

Рудная смесь и зола кокса вносят:

• Марганца (1545,29∙0,26+50,57∙0,09)/100=4,06, кг;
• Фосфора (1545,29∙0,2+50,57∙0,45)/100=3,34, кг.

При коэффициентах перехода в чугун марганца и фосфора  в равных соотношениях

1,0 и 0,6. в чугуне, выплавляемом из рудной смеси с заданным соотношением материалов, будет содержаться:

• Марганца 4,06∙0,6∙100/1000=0,24% ;
• Фосфора 3,34∙1,0∙100/1000=0,33%.

Оптимальным для конвертерного  передела в сталь в настоящее  время считается чугун, содержащий 0,6-0,8% кремния, 0,6-1,0% марганца и не более 0,020% серы.

Для обеспечения достаточно высокого нагрева чугуна содержание кремния принимается равным 0,6%. Содержание серы принимается относительно низким (≤0,02%) для уменьшения затрат на передел  чугуна в сталь. Содержание фосфора  в соответствии с выполненным  расчетом 0,33%, однако принимаем 0,2% . Содержание углерода принимается в пределах 4,3-4,9% для обычных передельных чугунов повышенного качества. Содержание чугуна приведено в таблице 2

Таблица 2 - Состав чугуна

Состав	Содержание, %							С (принимается)	Fe (по разности)
	Si	Mn	P(не более)	S (не более)
				категория
				1	2	3	4
по гост 805-80	0,5-0,9	0,5-1	0,2	0,01	0,02	0,03	0,04
принят для расчета	0,6	0,8	0,2		0,02			4,5	93,88

 

Основность шлака в  различных условиях плавки изменяется в широких интервалах, главным  образом, в зависимости от количества вносимой коксом серы и от желательной  обессеривающей способности шлака. Основность шлака, выраженная отношением CO/SiO₂ Приминаем основность шлака1,15 в соответствии с заданным содержанием серы в коксе (0,6%)

С целью улучшения обессеривающей способности шлака желательно повышенное содержание MgO в шлаке (9-11%) для обеспечения чего принимаем отношение CaO/MgO=4%

 

3 Определение  расхода материалов и состава  подготовленного железорудного  сырья.

3.1 Расход  материалов

Определение расхода материалов сводится к составлению и решению  уравнений материального баланса  по железу, марганцу, основности шлака и дополнительным характеристикам шлака. В данном случае при 4 неизвестных расходах материалов (железной руды, концентрата, известняка и доломита) необходимо решить совместно 3 уравнения, Для составления уравнения используются характеристики, предложенные А.Н Раммом. Расчет этих характеристик представлен в таблице 3

Таблица 3 - Расчет характеристик

Характеристики	Обозначение	Расчетная формула	Материалы и их обозначение
			Рудная смесь, Х	Марганцевая руда, Y	Известняк, И	Доломит, Д	Зола кокса
Содержание Fe в материале, %	Feм		60,66	1,5	0,8	0,41	5,32
Выход чугуна из материала, доли	eм	Feм∙ηFe/[Fe]	0,64	0,016	0,009	0,004	0,057
Содержание Mn в материале, %	Mnм		0,26	40,0	0,35	0	0,09
Требуемое содержание Mn в материале, %	Mnтр	em[Mn]	0,51	0,013	0,007	0,003	0,045
Переходит Mn  в чугун ,%	Mnч	ηMn/Mnм	0,16	24,00	0,21	0,00	0,05
Избыток/недостаток Mn, %	Mn	Mnч-Mnтр	-0,36	23,98	0,20	-0,003	0,009
Расходуется SiO2 на восста-новление Si	SiO2Si	eм[Si]∙60/28	0,83	0,02	0,011	0,006	0,073
Содержание SiO2 в материале, %	SiO2м		1,10	21,10	1,61	2,95	50,2
Переходит SiO2 в шлак, %	SiO2ш	SiO2М-SiO2Si	0,27	21,08	1,60	2,94	50,13
Требуется CaO в материале ,%	CaOтр	SiO2ш(CaO/SiO2)	0,31	24,24	1,84	3,39	57,65
Содержание CaO  в материале ,%	CaOм		5,88	3,00	52,02	35,23	5,32
Избыток(недостаток) CaO, %	CaO	CaOМ-CaOтр	5,58	-21,24	50,18	31,84	-52,3
Требуется MgO в материале, %	MgOтр	CaOМ/(CaO/MgO)	1,47	0,75	13,00	8,808	1,33
Содержание MgO в материале, %	MgOм	MgOм	1,89	2,00	3,450	15,230	1,6
Избыток(недостаток) MgO,%	MgO	MgOм-MgOтр	0,42	1,250	-9,555	6,423	0,270

 

η_Fe , η_{Mn -} коэффициенты перехода в чугун железа и марганца, равные соответственно 0,999 и 0,6

[Fe], [Si], [Mn] – содержание соответствующих элементов в чугуне

Вычисленные значения выхода чугуна, извести, магнезии используем в качестве коэффициентов в уравнениях баланса.

По выходу чугуна из материалов ∑М∙ e_м = 1000

0,646Х+0,016У+0,009И+0,004Д+0,057∙50,57=1000

По избытку(недостатку) марганца ∑М∙MnO=0

-0.361Х+23,98У+0,203И-0,003Д+0,009∙50,57=0

По избытку(недостатку) извести  ∑М∙CaO=0

50,58Х-21,24У+50,18И+31,84Д-52,33∙50,57=0

По избытку(недостатку) ∑M∙MgO=0

0,426Х+1,25У-9,55И+6,42Д+0,27∙50,57=0

где 49 -  количество золы, вносимой коксом, кг

Решение системы уравнений  дает расход материалов на 1 тонну чугуна

• Рудной смеси Х=1552 кг, в том числе железной руды Р=1552∙0,4=620,8 кг и концентрата К= 931,2 кг
• Марганцевой руды У=0,21 кг
• Известняка И=27 кг
• Доломита Д=145 кг

Принимаем, что железная и марганцевая руды агломерируются, а концентрат идет на производство окатышей. Флюсы распределяются между  этими материалами пропорционально  недостатку в них извести

P∙CaOp +Y∙CaOMn = 620.8∙5.58+0.21∙(-21.24) = 3457.1

K∙CaO = 9405.3

3457.1+9405.3 = 12862,4

Отсюда расход флюсов составляет:

- на агломерацию:

известняка 7,25 кг

доломита 38,9 кг

- на производство окатышей:

известняка 19,7 кг

доломита 106 кг

3.2 Агломерат

Для определения дополнительного  количества флюсов на офлюсование золы коксика, вводимого в аглошихту  в качестве топлива, принимаем расход последнего 8% от массы спекаемых  рудных материалов.

(620,8+931,2)∙8/100 = 49,69 кг

В этом количестве коксика  содержится золы:

49,69∙11,6 = 5,76 кг

Дополнительный расход флюсов Ид и ДД определяем из уравнения:

по CaO: 50,18Ид+31,84Дд-52,33∙5,76=0

по MgO: -9,55Ид+6,4Дд+0,27∙5,75=0

Решив систему уравнений  получили :

Ид = 5,05 кг Дд = 1,47 кг

Общий расход на агломерацию:

известняка 

7,25+5,05 = 12,3 кг

доломита 

8,9+1,47 = 40,4 кг

Состав агломерата приведен в таблице 4