Теоретические основы доменной плавки

2.1.4 Состав известняка 

Таблица 2.4 - Состав известняка, %

Fe	P	S	Fe2O3	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	SO3	P2O5	СО2	Прочие
0,50	0,01	0,03	0,72	3,35	0,09	52,7	1,25	0,08	0,023	41,42	0,58

2.1.5 Состав кокса

Таблица 2.5- Состав кокса, %

Fe	Mn	P	S	Fe2O3	Mn3O4	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	P2O5	Сн.л.
2,32	0,18	0,04	1,78	3,32	0,28	6,2	2,87	0,55	0,23	0,08	84,69

2.1.6 Состав золы кокса

Таблица 2.6 -  Состав золы кокса, %

Fe	Mn	P	Fe2O3	Mn3 O4	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	P2O5	Прочие
17,5	1,38	0,31	24,85	2,11	45,86	20,69	4,15	1,74	0,6	-

2.1.7 Состав чугуна, % : Si – 1,1; Mn – 0,65; S – 0,04; P – 0,14; C – 3,5;    Fe – 94,57.

2.1.8  Коэффициенты  распределения элементов между  чугуном, шлаком и газом:

Элемент Чугун Шлак Газ

Fe 0,995 0,005 0

Mn 0,55 0,45 0

P 1,0 0 0

S 0,05 0,85 0,15

2.1.9 Состав рудной смеси, %: агломерат  – 80; железная руда – 20.

2.1.10 Основность шлака

b =

= 1.

2.1.11 Состав  сухого дутья, % по объёму: кислород  – ω = 21, азот – (1 – ω) = 79,  влажность  f = 1,0.

2.1.12 Степень участия   водорода   в восстановительных          процессах ηН = 0,40.

2.1.13 Тепловые  потери:

zC = 1260

.

2.1.14  Расход природного газа на  100 кг чугуна – 10 м3.

2.1.15 Состав природного газа, %: CH4 – 96, C3H8 – 3,  N2 – 1.

2.1.16 Выход золы кокса – 13,0 %, в  летучих кокса содержится 0,3 % СО2, 0,4 % СН4 , 0,4 % Н2 в пересчёте на кокс.

2.1.17 Считаем, что прочие в рудной  смеси (0,36 %)  и марганцевой руды (6 %) представляют собой гидратную  влагу.  30 % гидратной влаги в  условиях плавки разлагается  с образованием водорода.

2.1.18 Степень использования водорода  в восстановительных процессах  плавки 40 %. В колошниковый газ  переходит 60 % поступающего в печь  водорода.

2.1.19 Степень прямого восстановления  Rd = 28%, степень косвенного восстановления Ri = 72%.

 

2.2 Расчёт состава рудной смеси

В нашем случае рудная смесь представляет собой шихту,   состоящую из  80 % агломерата и 20 % марганцевой руды. Содержание соединений и элементов в рудной смеси получают путём сложения произведений содержаний соединений в компоненте на долю этого компонента в смеси.

Содержание  оксидов и элементов   в рудной смеси из агломерата и железной руды составит:

железа 52,48·0,8 + 56,90·0,2 = 53,364 %,

марганца 0,14·0,8 + 0,09·0,2 = 0,13 %,

фосфора 0,05·0,8 + 0,02·0,2 = 0,044 %,

серы 0,02·0,8 + 0,41·0,2 = 0,098 %,

Fe2O3 46·0,8 + 80,4·0,2 = 52,88 %,

FeO 26,0·0,8 + 0,8·0,2 = 20,96 %,

MnO 0,18·0,8 + 0,12·0,2 = 0,168 %,

SiO2 8,0·0,8 + 8,48·0,2 = 8,096 %,

Al2O3 4,03·0,8 + 2,98 ·0,2 = 3,82 %,

CaO 12,64·0,8 + 4,1·0,2 = 10,932 %,

MgO 1,98·0,8 + 0,84·0,2 = 1,752 %,

SO3 0,06·0,8 + 1,03·0,2 = 0,254 %,

P2O5 0,11·0,8 + 0,05·0,2 = 0,098 %,

прочие 1,0·0,8 + 1,2·0,2 = 1,04 %.

Результаты расчётов заносим в таблицу.

Таблица 2.7 - Состав рудной смеси, %

Fe	Mn	P	S	Fe2O3	FeO	MnO	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	SO3	P2O5	Прочие
53,364	0,13	0,044	0,098	52,88	20,96	0,168	8,096	3,82	10,93	1,752	0,254	0,098	1,04

2.3 Расчёт состава доменной шихты 

2.3.1 Составление уравнения по  выходу чугуна из компонентов  шихты.

Расходы железорудной части шихты, флюса, марганцевой руды ведут на 100 кг чугуна. Расчёт расходных материалов ведут по балансовым уравнениям. Обозначим через x, y и z расходы рудной смеси, марганцевой руды и известняка на 100 кг чугуна.

Выход чугуна r – это величина, характеризующая количество чугуна (кг), образующегося при плавке 1 кг данного материала. Выход чугуна определяют по элементам, содержание которых в чугуне зависит лишь от их содержания в шихте (Fe, Mn, P, Cu, As и др.). Содержание других элементов (С,S, Si) определяется условиями плавки. Выход чугуна определится из уравнения:

r =

=

где Fe, Mn, P – содержание соответствующих элементов в данном материале,%; ηFe,ηMn,ηP – коэффициенты перехода соответствующего элемента в чугун, доля ед.; [Si], [C], [S] – содержание соответствующих элементов в чугуне, %.

Тогда   уравнение по выходу чугуна из компонентов шихты будет иметь вид:

rр. см.· x + rм. р.· y + rизв.· z = 100,

где  rр. см., rм. р., rизв. – выход чугуна соответственно из рудной смеси, марганцевой руды и известняка.

Расчёт величин r приведён таблице 2.8.

Таблица 2.8.-  Определение выхода чугуна из материалов шихты.

Параметры	Рудная смесь, %	Марганцевая руда, %	Известняк, %	Кокс, %
Fe,% Fe·ηFe	53,364 53,364·0,995 = 53,097	3,15 3,15·0,995 = 3,1343	0,5 0,5·0,995 = 0,4975	2,32 2,32·0,995 = 2,3084
Mn,% Mn·ηMn	0,13 0,13·0,55 = 0,0715	40,0 40,0·0,55 = 22,0	–	0,18 0,18·0,55 = 0,099
P,% P·ηP	0,044 0,044·1,0 = 0,044	0,09 0,09·1,0 = 0,09	0,01 0,01·1,0 = 0,01	0,04 0,04·1,0 = 0,04
A	53,2125	25,2243	0,5075	2,4474
B	1,1 + 3,5 + 0,04 = 4,64
r	0,5580	0,2645	0,0053	0,0257

Тогда уравнение для выхода чугуна примет вид:

0,5580·x + 0,2645·y + 0,0053·z = 100.

 

 

2.3.2. Составление  уравнения по балансу марганца.

Каждый компонент шихты вносит марганец (Mn·ηMn). Если из фактического количества марганца, внесённого каждым компонентом шихты вычесть его требуемое количество для поддержания нужного содержания марганца в чугуне (Mn·r), получим избыток или недостаток марганца, внесённого каждым компонентом шихты (±Mn). Уравнение по балансу марганца имеет вид:

(±Mnр.см.)·x + (±Mnм. р.)·y  + (±Mnизв.)·z = 0

Расчёт баланса марганца ведут по схеме:

Параметр	Рудная смесь	Марганцевая руда
Mn· ηMn	0,0715	22,0
[Mn]· r	0,3627	0,1719
(±Mn) = Mn·ηMn – [Mn]·r	-0,2912	21,8281

Тогда уравнение по балансу марганца будет иметь вид:

- 0,2912·x  + 21,8281·y = 0

2.3.3 Составление  уравнения по балансу основных  и кислых оксидов

Уравнение по балансу основных и кислых оксидов при  заданной основности шлака для каждoгo компонента шихты  будет иметь вид:

                  RO = CaO + MgO – b·(SiO2 – [Si]·r + Al2O3)

где RO – избыток или недостаток основных оксидов в данном компоненте шихты по сравнению с требуемым в конечном шлаке; [Si] – количество кремнезёма, расходуемое для восстановления требуемого количества кремния в чугун.

Уравнение по балансу основных и кислых оксидов имеет вид:

                          ROр.см.· х +ROм. р.· y + RO изв.· z =0.

Сделаем расчёт баланса основных и кислых окислов для компонентов шихты:

ROр.см. = 10,932 + 1,752 – 1·(8,096 – ·[1,1]·0,5580 + 3,82) = 2,0833

ROм. р = 2,1 + 0,2 – 1·(20,0 – ·[1,1]·0,2645 + 5,5) = -22,5765

RO изв. = 52,7 + 1,25 – 1·(3,35 – ·[1,1]·0,0053 + 0,09) = 50,5225

ROк = 0,55 + 0,23 – 1·(6,2 – ·[1,1]·0,0257 + 2,87) = -8,2294.

Тогда уравнение по балансу основных и кислых оксидов для шихты примет вид:

2,0833·x + (-22,5765·y) + 50,5225·z = 0

Таким образом, получаем систему  из трёх уравнений

0,5580·x + 0,2645·y + 0,0053·z = 100.

- 0,2912·x  + 21,8281·y = 0

2,0833·x + (-22,5765·y) + 50,5225·z = 0

Решая систему уравнений, получим

x = 178,145; y = 2,377; z = -6,284.

Таким образом,   в доменную шихту для получения 100 кг чугуна  без учёта кокса входит 178,145 кг рудной смеси, 2,377 кг марганцевой руды и 6,284 кг известняка.

           3.4 Расчёт расхода кокса

Для расчета расхода кокса необходимо рассчитать тепловые эквиваленты материалов доменной шихты. 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, природного газа, мазута) и других сырых материалов неодинаковы. Для горючих материалов они отрицательны, так как они не потребляют, а выделяют тепло. Для остальных материалов они положительны, так как они потребляют теплоту.

Математически тепловой эквивалент каждого шихтового материала представляет собой сумму произведений содержаний элементов или оксидов на тепловые эквиваленты этих элементов или оксидов.

Тепловой эквивалент рудной смеси составит:

qр.см. = 0,08096·q(SiO2) + 0,2096· ·qFe(FeO) + 0,00098·qS(сульф)·0,82 + 0,00044·qP + 0,0382·qAl O + 0,5288· ·q + 0,00168·qMn(MnO) + 0,0104·qпр.– (0,10932 + 0,01752)·qMgO + q[Si] = 0,08096·5460 + 0,2096· ·3482 + 0,00098·32756·0,82 + 0,00044·26431 + 0,0382·5880 + 0,5288· ·4347 + 0,00168·6392 + 0,0104·4935 – (0,10932 + 0,01752)·1932 + 176·0,5580 = 2796,55кДж/(кг рудной смеси).

Тепловой эквивалент марганцевой руды составит:

qм.р.= 0,2·qSiO2 + 0,0009·qP + 0,055·qAl O + 0,045· ·q + 0,635·qMn(MnO2) + 0,0499·qпр. – (0,021 + 0,002)·qMgO + q[Si] = 0,2·5460 + 0,0009·26431 + 0,055·5880 + 0,045· ·4347 + 0,635·3490 + 0,0499·4935 – (0,021 + 0,002)·1932 + 176·0,2645 = 4040,64 кДж/(кг марганцевой руды).

Тепловой эквивалент известняка составит:

qизв. = 0,0335·qSiO2 + 0,0001·qP + 0,0003·qS(сульф)·0,82 + 0,4142·qCO2 + 0,0050· ·q + 0,0009·qAl O + q[Si] = 182,91 + 2,6431 + 3,6853 + 906,2696 + 15,2145 + 5,292 + 176·0,0053 = 1116,95 кДж/(кг известняка).

Тепловой эквивалент золы кокса составит:

qз = 0,4586·qSiO2 + 0,0031·qP + 0,2069·qAl O + 0,2485· ·q + 0,0138·qMn(Mn3O4) – (0,0415 + 0,0174)·qMgO = 0,4584·5460 + 0,0031·26431 + 0,2069·5880 + 756,1607 + 0,0138·6077 – 0,0589·1932 = 4527,6 кДж/( кг золы)

Тепловой эквивалент кокса составит:

qк  = – Ск·(qC – zC) + A + S ·ηS·qS(орг) ,

где Ск – содержание углерода в коксе, доли ед.

qк = - 0,8469·(13994 – 1260) + 0,13·4527,6 + 0,0178·0,82·14981 =                         -9977,1738кДж/(кг·кокса)

Общее уравнение для определения расхода кокса на основе тепловых эквивалентов шихтового и расходного материалов имеет вид:

qк ·К + qп. г·Г = qр.см ·Р + qм.р·М + qизв.·U + qизв.·z´·К

Откуда получим:

К =

где  qк, , qр.см,qм.р, qизв. – тепловые эквиваленты кокса, рудной смеси, марганцевой руды, известняка,  кДж/кг; qп.г – тепловой эквивалент природного газа, кДж/м3; К – расход кокса, кг; Г – расход природного газа, м3; Р, М, U – расход рудной смеси, марганцевой руды, известняка, кг; z' – расход известняка на  единицу золы кокса.