Повышение эффективности вдувания природного газа в доменные печи

48

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение эффективности вдувания природного газа в доменные печи

Исходные данные к проекту массовая доля агломерата ММК им. Ильича - 50 %, массовая доля окатышей - 50 %, содержание железа в проектном агломерате - 56 %. Содержание мелочи в рудной смеси - 10 %. Температура дутья - 1200 ⁰С, температура чугуна - 1450⁰С, температура шлака - 1500⁰С.

ВВЕДЕНИЕ

доменный плавка природный газ

При изучении влияния расхода ПГ на показатели восстановительной и тепловой работы печей комбината “Криворожсталь” установлено, что увеличение расхода ПГ в диапазоне от 70 до 130 м³/т приводит к повышению степени восстановления оксидов железа в шахте печи. Это свидетельствует о том, что повышению расхода природного газа не сопутствовали ухудшению стабильности хода и газораспределения в печи, являющиеся возможными причинами низких коэффициентов замены кокса.

Уменьшение теплопотребности шихты за счет дополнительной ее обработки восстановительными газами при повышении расхода природного газа способствовало экономии тепла в горне в размерах, соответствующих коэффициентам замены кокса, близким к 0,92 кг/м³. Однако фактическая экономия тепла и кокса оказалась значительно меньше ожидаемой.

Причину этого явления следует искать в неполном окислении углеводородов в фурменных очагах, в результате чего часть их попадает в восстановительную область печи, где подвергается пиролизу с образованием водорода и сажистого угля.

В специальной части проекта рассмотрены вопросы использования природного газа в доменном производстве и его интенсифицирующее действие на процесс доменной плавки, снижение расхода основного вида топлива - кокса. Рассмотрены вопросы совершенствования технологии использования природного газа.

Выполнен расчет доменной шихты с предварительным изменением качества используемого сырья.

1. Повышение эффективности вдувания природного газа в доменные печи

доменный плавка природный газ

1.1 Теоретические предпосылки о возможностях повышения эффективности использования природного газа в доменной плавке

Использование природного газа в доменной плавке позволило значительно сократить удельный расход кокса и несколько повысить производительность печей. Установили ухудшение технико-экономических показателей плавки при чрезмерном повышении расхода природного газа, причем возможная оптимальная величина была неодинакова для различных условий плавки. При всем разнообразии существующих мероприятий по улучшению сжигания природного газа в доменной печи общим для них является диффузионный принцип горения природного газа в потоке дутья[2].

Время сгорания природного газа в канале воздушной фурмы и зоне циркуляции ограничивается наличием кислорода в газовой фазе. Собственно горение в доменной печи заканчивается уже на расстоянии одного метра от устья фурмы.

Природный газ в канале воздушной фурмы, даже при подводе его через фланец, находится около 3*10^-3 с и далее в зоне циркуляции, где еще имеется свободный кислород, около 3*10^-2 с. Метано-воздушная смесь будет поступать в зону циркуляции, не прореагировавшей и в самой зоне недостаточно времени для завершения горения природного газа. Контакт с коксом части метана оказывает существенное значение на ход и полноту его превращений в доменной печи.

При окислении углерода кокса до монооксида углерода выделяется 117,7 кДж/моль, неполное горение метана до монооксида углерода и водорода сопровождается, хотя и небольшим, положительным тепловым эффектом - 35,6 кДж/моль. Отсюда следует, что пиролиз метана с образованием продуктов уплотнения требует больших затрат тепла - 82,1 кДж/моль. Наличие в зоне циркуляции у воздушной фурмы диоксида углерода может приводить к некоторому сокращению выходов продуктов уплотнения за счет конверсии диоксидом углерода метана. Однако энергетические затраты и при этом остаются достаточно большими. Адсорбированные поверхностью кокса низко реакционные продукты уплотнения снижают уплотнения, снижают интенсивность его горения, а при переходе в шлак повышают его вязкость[3]. Экономия в данном случае получается за счет уменьшения его участия в процессах восстановления.

Таким образом, имеющимся способом введения природного газа в доменную печь присущи следующие недостатки:

- диффузионный принцип сжигания природного газа, что приводит к соизмеримости периода индукции, присущего метану, со временем пребывания метана в зоне, где имеется свободный кислород, из-за чего снижается уровень окислительного пиролиза природного газа;

- предпочтительное развитие на поверхности кокса реакции С+О₂ по сравнению с реакцией СН₄+О₂;

- образование значительных количеств продуктов уплотнения, отлагающихся в порах кокса и снижающих интенсивность его горения.

Лучшее, с энергетической точки зрения, использование природного газа в доменной печи может быть получено при неполном его сжигании в условиях предварительного перемешивания с кислородом до монооксида углерода и водорода, т.е. при организации диффузионно-кинетического принципа сжигания газа. При этом количество восстановительных компонентов в печи возрастает, а эффект охлаждения горна уменьшается до минимума. Для подготовленных метано-кислородных смесей продолжительность реакций окисления составляет около 3*10^-3 с, что позволяет рассчитывать на окончание горения природного газа непосредственно у устья фурмы. По условиям взрывобезопасности возможна концентрация кислорода в газокислородной смеси до 40 % при скоростях истечения 2,5-3 м/с и выше[4].

1.2 Практика использования природного газа и конструкции узлов ввода природного газа в доменную печь

Выполненные аналитические исследования [5] показали, что величина коэффициента замены кокса природным газом, составляет при расходе ПГ 90-100 м³/т и теоретической температуре горения 2100-2200 °С - около 1,0 кг/м³, а при расходе ПГ 180-200 м³/т и теоретической температуре горения 1900-2000 °С - снижается на 0,3 кг/м³.

Указанные значения коэффициента замены кокса являются предельными и обеспечиваются при ровной работе доменной печи с оптимальным распределением газов по сечению и полном окислении углеводородов в фурменных очагах. В реальных условиях, значения коэффициентов замены ниже предельных, что обусловлено отклонением газораспределения по сечению печи от оптимального и неполным окислением углеводородов в фурменных очагах.

Первостепенным условием эффективного использования ПГ является ритмичная работа доменных печей при минимальном количестве остановок и снижений давления горна. Обеспечение этого условия позволяет организовать стабильную работу газового потока в печи с получением устойчивого значения коэффициента замены кокса природным газом. При этом на печах с меньшим содержанием мелких фракций в шихте и большей прочностью ж. р. сырья и кокса возможна большая загрузка периферийной зоны железорудными материалами, что обеспечивает более высокую степень использования восстановительных газов и больший коэффициент замены кокса природным газом.

Другим важнейшим условием эффективного использования ПГ является полнота превращения углеводородов в фурменных очагах доменной печи. С целью изучения этого вопроса выполнили специальное исследование дна доменных печах комбината “Криворожсталь”. В течение 1980-1981 г.г. изменяя расход ПГ в различные периоды от 80 до 130 м³/т, проводили отработку технологии, наблюдение и анализ. Для анализа обработаны периоды длительностью по 10-30 суток каждый, отличающиеся расходом ПГ в единицу времени. Непременным условием отбора был ровный ход печи при величине простоев не более 2 часов в сутки. По каждой из печей получено от 15 до 20 таких периодов, для каждого из которых рассчитали основные характеристики процессов. Зависимость расхода кокса и основных характеристик плавки от расхода природного газа устанавливали с помощью регрессионного анализа. Кроме расхода природного газа, на расход кокса и степень использования газов влияли также температура и влажность дутья, выход шлака, расход сырого флюса, которые и были введены в уравнение множественной регрессии.

Важным условием получения надежных связей расхода кокса и других характеристик плавки с расходом природного газа является некоррелированность последнего с сопутствующими факторами (температурой дутья, выходом шлака и др.). В тех случаях, когда это условие соблюдается, искомые связи надежны и коэффициенты регрессии отражают “чистое” влияние природного газа. Когда же расход природного газа коррелирован, например, с температурой дутья, разделить влияние этих двух факторов на расход кокса и другие характеристики возможно лишь с помощью технологического анализа результатов. Связи параметров изучались в линейной формуле.

Для используемых условий работы доменных печей №1-7 комбината “Криворожсталь” при средней величине расхода природного газа 100 м³/т чугуна и теоретической температуре горения 2000-2150 °С теоретическое значение замены кокса природным газом составляет 0,92 кг/мі (для температуры газа 20 °С, при которой ведется технологический учет расхода).

Фактические значения коэффициентов замены кокса получили из уравнений множественной регрессии, в которые в качестве факториальных признаков включены, кроме расхода природного газа, температуры дутья, выхода шлака и расхода сырого флюса (табл. 1.1). Концентрация кислорода в дутье не включена в уравнение регрессии, так как предварительно установлена тесная корреляция этого параметра с расходом природного газа на всех доменных печах. Увеличение расхода природного газа сопровождалась добавкой кислорода 0,5-1,5 м³/м³. Таким образом, коэффициенты замены кокса природным газом получены при совместном синхронном варьировании расходов природного газа и кислорода. На всех доменных печах получены значимые коэффициенты множественной корреляции (коэффициенты являются статическими значимыми, если эмпирическое значение критерия оценки его значимости более теоретического). При этом коэффициенты регрессии для связи кокс - природный газ получились значимыми на печах № 1, 2, 5, 6, 7. Выборки по печам № 3 и 4, не позволяют сделать надежных выводов о связи расхода кокса и природного газа. Наиболее надежные связи получены на печах №1, 5 и 7 составили соответственно 0,25, 0,62 и 0,41 кг/м³. На печи №6 расход природного газа коррелирован со всеми сопутствующими факторами, причем влияние этих факторов на расход кокса взаимно уравновешиваются, незначительно искажая основную связь. Коэффициент замены кокса составляет 0,45 кг/м³.

Таблица 1.1 Показатели связи расходов кокса и природного газа на доменных печах

Показатели	Печи
	1	2	3	4	5	6	7
Коэффициент множественной корреляции	0,76	0,74	0,63	0,80	0,84	0,88	0,79
Критерий оценки значимости коэффициента корреляции: теоретический эмпирический	2,14 6,16	2,14 5,59	2,15 3,41	2,14 7,82	2,34 6,58	2,44 7,91	2,13 7,75
Диапазон изменения расхода природного газа, м3/т	79-125	83-129	95-132	69-114	92-115	94-130	96-119
Средний расход природного газа, м3/т	102	99,4	106,4	96,6	104,7	114,8	106
Коэффициент регрессии кокс - природный газ (коэффициент замены), кг/м3 (- экономия кокса, + перерасход кокса)	-0,25	-1,04	+0,15	-0,083	-0,62	-0,45	-0,41
Критерий значимости коэффициента регрессии: теоретический эмпирический	-2 -5,15	-2 -6,67	-2 +1,05	-2 -0,37	-2 -3,37	-2 -4,89	-2 -5,57
Изменение показателей работы газа при изменении на 1 м3 ПГ:
Степени прямого восстановления, %	-0,30	-0,38	-0,02	-0,30	-0,22		-0,36
использования окиси углерода, %	-0,01	+0,01	-0,03	+0,02	-0,03		+0,07
использования водорода, %	+0,35	+0,16	+0,42	+0,25	+0,05		+0,12
количества фурменного газа, %	+4,22	+1,0	+1,6	+6,37	+5,88		+6,42
колошникового газа, м3	+1,39	-1,40	+3,53	+4,43	+4,10		+4,19
дутья, м3	+1,29	-1,05	-0,51	+3,18	+2,95		+0,52
теоретической температуры горения, °С	-2,81	-1,05	+0,47	-0,36	-2,16		-1,59
температуры колошникового газа, °С	-0,06	-0,11	-0,21	+0,27	+0,76		+0,40
общего расхода углерода (кокса и ПГ), кг	+0,31	+0,18	+0,65	+0,45	0		+0,18

На доменной печи №2 расход природного газа коррелирован с температурой дутья и расходом сырого флюса таким образом, что с увеличением расхода газа на каждый 1 м³/т повышается температура дутья на 4,5 °С и снижается расход сырого флюса на 2 кг/т чугуна. За счет этой корреляции сильно завышается коэффициент замены кокса природным газом, величина которого составила 1,04 кг/м³. Элиминируя влияния на неё температуры дутья и расхода сырого флюса, получим оценку величины "чистого" коэффициента замены кокса природным газом - 0,2 - 0,4 кг/ м³, близкую к аналогичным величинам на остальных печах.

Таким образом, на доменных печах № 1, 2, 5, 6, 7 коэффициенты замены составили соответственно 0,25; 0,304 0,62; 0,45 и 0,41 кг/ м³ (в среднем 0,40кг/м³).

Снижение степени прямого восстановления при добавке природного газа теоретически должно составить 0,17-0,18 %/м³. С учетом повышения концентрации восстановителей от обогащения дутья кислородом эта величина может быть 0,20-0,22 %/м³, то есть выше теоретических. Степень использования водорода существенно увеличилась на всех доменных печах при незначительном изменении степени использования оксида углерода на печах №1-4,5 и повышении последней на печи №7. Эти изменения близки к теоретическим зависимостям. Количество фурменного, колошникового газа и дутья увеличилась на всех доменных печах, кроме печи №2. Величина снижения теоретической температуры горения при добавке каждого 1 м³ природного газа без сопутствующего увеличения расхода кислорода должна составить 3,5-4 °С.

Фактически добавка природного газа сопровождалась некоторым повышением расхода кислорода, так что снижение теоретической температуры было значительно меньшим. Температура колошникового газа могла увеличиться на 0,4-0,5 °С при добавке каждого 1 м³/т природного газа без сопутствующей добавке кислорода. При некотором увеличении расхода кислорода эта величина должна быть близка к нулю, что и наблюдалось на печах №1-4,7.

Из анализа показателей восстановительной и тепловой работы газов следует, что увеличение расхода природного газа в изученном диапазоне приводит к повышению степени восстановления оксидов железа в шахте печи, причем величины показателей не ниже теоретических значений. Это свидетельствует о том, что с повышением расхода природного газа не ухудшалась стабильность хода и газораспределение в печи, которые могли бы быть возможными причинами низких коэффициентов замены кокса.

Уменьшение теплопотребности шихты за счет дополнительной её обработки восстановительными газами способствовало экономии тепла в горне в размерах, соответствующих коэффициентам замены, близким к теоретическим для данных условий (0,92 кг/м³). Однако фактическая экономия тепла и кокса оказалась значительно меньше ожидаемой.

Причину этого явления следует искать в неполноте окисления углеводородов в фурменных очагах, в результате чего часть их попадает в восстановительную область печи, где подвергается пиролизу с образованием водорода и сажистого углерода. Сопоставим результаты двух процессов - окисления и пиролиза.

Окисление металла в фурменном очаге происходит по схеме, результат которой выражается уравнением:

СН₄ + 0,5О₂ = СО + 2Н₂ + 35,5 кДж

Начальное и конечное состояние процесса пиролиза метана выражается уравнением:

СН₄ = С + 2Н₂ - 75 кДж

При окислении в фурменном очаге 1 м³ метана в восстановительную зону попадает 2 м³ водорода и 1 м³ оксида углерода, а положительный тепловой эффект превращения (35,5/22,4 = 1,585 кДж/м³) реализуется в пределах фурменного очага.

В случае попадания 1 м³ метана в восстановительную зону околофурменного пространства образуется 2 м³ водорода и происходит поглащение тепла за пределом окислительной зоны (75/22,4 = 3, 35 кДж/м³).

При этом кислород дутья, не окисливший углерод метана, расходуется на окисление углерода кокса:

С + 0,5О₂ = СО + 110,5 кДж

Это позволяет получить в области восстановления материалов примерно одинаковый эффект и соответственно одинаковое снижение теплопотребности шихты. Однако ход процессов в горне существенно различен. В случае окисления метана, все продукты окисления выделяются в окислительном очаге, снижая его среднюю температуру и неравномерность температур в объеме очага, что способствует стабилизации хода процесса. Уменьшением теплопотребности шихты, приходящей в горн, приводит к экономии кокса, пропорциональной величине снижения теплопотребности.

В случае пиролиза метана, в окислительной зоне выделяется лишь 1/3 продуктов горения с большим выделением тепла по реакции 1.3, что приводит к повышению средней температуры и неравномерности температур в объеме очага горения. Одновременно в околофурменном пространстве поглощается большое количество тепла по реакции 1.2 и выделяется сажистый углерод. При этом перерасход углерода кокса, замещающий углерод метана в окислительной зоне по реакции 1.3, снижает экономию от уменьшения теплопотребности шихты на величину 12/22,4 кг/м³ СН₄, что в пересчете на кокс составляет не менее 0,6 кг/м³.

Таким образом, если коэффициент замены кокса природным газом при окислении углеводородов в очаге горения составляет 0,9 кг/м³, то в случае пиролиза он составит 0,9-0,6 = 0,3 кг/м³. Такой коэффициент замены должен быть получен при полном выносе сажистого углерода из печи и незначительном влиянии его на ход процессов. Это может иметь место при выносе сажи в колошник с периферийным газовым потоком или выносе с газом и продуктами плавки через леточные отверстия.

Наличие условий для пиролиза природного газа в фурменной зоне доменной печи установлено теоретически и доказано экспериментально сотрудниками ДонНИИЧермета. Основным фактором, определяющим эти условия, является характер ввода природного газа в поток дутья. За тысячные доли секунды, в течении которых газовоздушная смесь находится в фурме, воспламенение может произойти в смесях с температурой выше 1000 °С. Это означает, что при температуре дутья 1100-1200 °С в фурме могут воспламенятся смеси, содержащие до 5-6 % природного газа. Такие смеси образуются лишь на узкой границе струи природного газа и дутья. В ядре струи природного газа, которое всегда сохраняется и в котором содержится основная масса газа, температура недостаточна для воспламенения. Поскольку существенное увеличение поверхности контакта струи природного газа и потока дутья затруднительно, а с точки зрения стойкости фурмы и теплопотерь нецелесообразно, основной задачей, которую следует, решать при выборе способа ввода природного газа в поток дутья, является подготовка струи газа к взаимодействию с окислителями за пределами фурмы.

Существующие на предприятиях способы ввода ПГ в фурменный прибор при всем разнообразии конструкций принципиально не отличаются друг от друга и являются периферийными. Они неудовлетворительно решают эту задачу. При выходе их фурмы периферийные, наиболее холодные слои природного газа могут отделяться от потока окислителя раньше, чем прогреются до требуемой температуры. В результате этого часть газа подвергается пиролизу в околофурменном пространстве печи. Поскольку периферийный характер движения природного газа в фурме сохраняется при любых расходах, то очевидно, что, чем больше подается газа, тем толще непрогретый слой его у периферии выходящего из фурмы потока и тем вероятнее отслоение не окисленных углеводородов от потока с последующим их пиролизом, в результате которого в околофурменном пространстве выделяется сажа и поглощается тепло, а в окислительном очаге увеличиваются максимальные температуры. Радикальное решение проблемы предотвращения пиролиза углеводородов следует искать на основе использования осевого способа ввода струи природного газа в поток дутья. Ранее к этому выводу пришли авторы работы, разработавшие и испытавшие способ подачи ПГ по оси фурмы навстречу потоку дутья.

Для реализации способа ввода ПГ сопутно потоку дутья по оси разработаны конструкции фурменного прибора, предназначенные для различных эксплуатационных условий. Конструкциями предусматривается (рис. 1.1):

- ввод ПГ в фурму водоохлаждаемым патрубком (Ф1), патрубком из жаростойкого сплава (Ф2) и с помощью жаростойкой вставки с наконечником (Ф3);

- ввод ПГ в сопло водоохлаждаемым патрубком (С1), подвижным неохлаждаемым патрубком, отводимым из полости сопла к стенке при взятии печи "на тягу" (С2) и патрубком из жаростойкого материала (С3).

Рис. 1.1 Конструкция узла ввода природного газа в фурму (Ф1,2,3) и сопло (С1,2,3) доменной печи

Для улучшения взаимодействия ПГ с окислителем в одной из конструкций (С1) предусматривается подача горячего дутья к ядру струи ПГ. Разработана так же конструкция подвижного колена фурменного прибора со спиральными ребрами и подачей дутьевой добавки по горизонтальной оси вместо образования поперечного вихря дутья (рис. 1.2, а), а также конструкция фурмы с подачей ПГ в фурменный прибор сопутно потоку дутья по его оси провели на комбинате "Криворожсталь". На первом этапе изучили состав газа в фурме при двух способах ввода ПГ - периферийном через тело фурмы и сопутном через сопло фурменного прибора. Исследования показали, что при периферийном вводе ПГ углеводороды движутся у стенки фурмы вблизи места ввода (сверху). Концентрация их в дутьевом потоке в этой области в четыре раза больше, чем в средней для всего потока дутья.



Рис. 1.2 Подвижное колено фурменного прибора (а) и фурма с подачей ПГ "снизу" через клапанный механизм

Задачей второго этапа испытаний было установление принципиальной возможности экономии кокса за счет улучшения способа ввода ПГ в фурменным прибор. Для этого на доменной печи объемом 2000 м³ комбината "Криворожсталь" был установлен комплект фурменных приборов с подводом ПГ через сопла сопутно потоку дутья по его оси. В период работы с таким подводом ПГ показатели плавки улучшились, расход кокса был ниже, чем в лучшем смежных периодов, на 4 кг/т.[6]

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ ВЫБОР И РАСЧЕТ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1 Расчет химического состава железосодержащего компонента шихты

Таблица 2.1 - Химический состав используемого агломерата

Компоненты	Fe	S	Fe2O3	FeO	SiO2	Al2O3	CaS	CaO	MgO
Содержание, %	52,96	0,02	60,91	13,3	9,84	0,91	0,217	12,3	0,91

Общее содержание железа в агломерате определяется по зависимости:

(2.1)

где - содержание железа в агломерате в виде Fe₂O₃;

Fe_FeO - содержание железа в агломерате в виде FeO.

Так как по условию содержание FeO в базовом и проектном агломератах остается без изменения, то

(2.2)

где 13,3 - содержание FeO в агломерате, %;

56 - атомная масса железа;

72 - молярная масса FeO.

Содержание железа в проектном агломерате в виде Fe₂O₃ составит:

% (2.3)

где 56 - заданное содержание железа в агломерате.

Содержание Fe₂O₃ в проектном агломерате составит:

% (2.4)

Суммарное содержание SiO₂ + Al₂O₃ + CaO + MgO в базовом агломерате составляло: 9,84+ 0,91 + 12,3 + 0,91 = 23,96 %.

Суммарное содержание этих компонентов в проектном агломерате составит:

Содержание MnO, CaS и P₂O₅ в базовом и проектном агломератах остается без изменения, что объясняется неизменным содержанием в них серы, фосфора и марганца.

Чтобы сумма всех компонентов проектного агломерата равнялась 100% необходимо содержание в нем SiO₂, Al₂O₃, CaO и MgO уменьшить на величину отношения 21,253/23,96. В случае сохранения базовой основности агломерата получают:

Содержание SiO₂ - 8,73 % ; Al₂O₃ - 0,81 % ; CaO - 10,9 ; MgO - 0,81 %.

Таблица 2.2 - Химический состав проектного агломерата

Компоненты	Fe	Fe2O3	FeO	SiO2	Al2O3	CaS	CaO	MgO
Содержание, %	56	65,23	13,3	8,23	0,81	0,22	10,9	0,81

Сумма всех компонентов без первых четырех (они находятся в соединениях, учитываемых другими компонентами) должна быть равна 100 %.

2.2 Определение химического состава рудной смеси

Таблица 2.3. Компоненты железорудного сырья и их химический состав.

Наименование компонента	Массовая доля компонента, %	Химический состав, %
		Fe	P	S	Fe2O3	FeO	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	P2O5
Агломерат Азовсталь	50	56	-	-	65,23	13,3	8,23	0,81	10,9	0,81	-
Окатыши СевГОК	50	57,44	0,007	0,03	78,81	1,2	8,7	0,2	4,8	0,8	0,032
Рудная смесь	100	56,72	0,001	0,006	68,95	10,8	8,32	0,688	9,68	0,81	0,006

В рассматриваемом примере содержание железа в рудной смеси определится из выражения:

%

где 50, 50 - массовая доля соответственно агломерата комбината им. Ильича, окатышей СевГОК, %;

56, 57,44- содержание железа соответственно в агломерате комбината им. Ильича, окатышах СевГОК, % (см. табл.2.3).

Аналогично рассчитывается содержание в рудной смеси остальных компонентов, результаты расчетов вносятся в табл.2.3.

2.3 Определение удельного расхода кокса

Удельный расход кокса определяется по формуле, предложенной В.Г. Воскобойниковым. В связи с тем, что расчет расхода шихтовых материалов производится на выплавку 100 кг чугуна, формула примет следующее выражение:

(кг/100 кг чуг),

где Si, S - содержание кремния и серы в чугуне, %;

Sк, Aк - содержание серы и золы в коксе, %;

Вм - содержание фракции 0…5 мм в рудной смеси, %;

t_д - температура дутья, ⁰С;

Р_Г - расход природного газа, м³/100кг чуг;

Fe_конц. - содержание железа в концентрате, которое предлагается определять по зависимости:

(2.5)

Формулой (2.5) предполагается, что оксиды кальция и магния в рудную смесь вносятся исключительно флюсом.

Все используемые в расчете исходные данные представляются в виде таблиц.

Таблица 2.4 - Химический состав сырьевых материалов

Мат-лы	Fe	Mn	P	S	Fe2O3	FeO	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	P2O5	W	ППП
Рудная смесь	56,72	-	0,001	0,006	68,95	10,8	8,32	0,688	9,68	0,81	-	-	0,18
Марганц руда	7,3	20,0	0,44	0,2	10,4	-	33,0	6,0	4,0	3,0	-	11	12,1
Известняк	0,29	-	0,01	0,02	0,29	-	1,74	0,48	52,40	0,48	-	2	42,92
Зола кокса	14,05	0,24	0,17	1,33	20,09	-	42,86	22,92	4,63	1,57	0,389	0	0,8

где W - содержание влаги, %;

ППП - потери при прокаливании, %.

Таблица 2.5 - Технический анализ кокса и содержание в нем влаги, азота и водорода

Компоненты	Зола	Сера	Летучие вещества	Влага	Азот	Водород
Содержание,%	11,4	1,25	0,8	3,5	1	0,48

Таблица 2.6 - Химсостав летучих веществ кокса

Компоненты	СО2	СО	СН4	Н2	N2	СmНn	О2
Содержание,%	2,6	6,0	26	60	2,7	2,2	0,5

Содержание летучих веществ в коксе 0,8 %. Содержание водорода в летучих веществах кокса 60 %. Тогда содержание водорода в коксе может быть определено по выражению:

%

где V - содержание летучих веществ в коксе, %;

Нv - содержание водорода в летучих веществах кокса, %.

Таблица 2.7 - Химический состав природного газа

Компоненты	СН4 S	C2H6 S	C3H8 S	N2 S	CO2 S
Содержание,%	98,5	0,6	0,1	0,7	0,1

Таблица 2.8 - Химический состав чугуна

Компоненты	Feч	Cч	Siч	Mnч	Sч	Pч
Содержание,%	94,74	4,2	0,60	0,40	0,03	0,03

Таблица 2.9 - Коэффициенты распределения элементов между чугуном, шлаком и газом

Элемент	Вид выплавляемого чугуна	Распределение, %	У
		Металл,[к]	Шлак,(к)	Газ,{к}
Железо	Передельный	99,9	0,1	0	100
Сера	Передельный	4,88	92	3,12	100
Марганец	Передельный	60	40	0	100

Таблица 2.10 - Величина выноса компонентов шихты с колошниковым газом

Компонент	Величина выноса, % (ВП)
Агломерат	1…3
Окатыши	0,2…0,6
Известняк	0,8…1
Кокс	0,8…1,2
Марганцевая руда	3…5

2.4 Алгоритм расчета доменной шихты

2.4.1 Определение расхода железорудной смеси и марганцевой руды для выплавки чугуна заданного химического состава (табл. 2.8) производят решением двух балансовых уравнений (по железу и марганцу):

где m_р.с., m_м.р. - масса рудной смеси и марганцевой руды, кг/100 кг чугуна;

[K]_Fe, [K]_Mn - в соответствии с рекомендациями табл. 2.9;

Fe_р.с., Fe_м.р., Fe_з.к., Mn_р.с., Mn_м.р., Mn_з.к. - в соответствии с данными табл.2.4.

Решая систему уравнений и первой степени с двумя неизвестными (m_р.с. и m_м.р.) определяют расход рудной смеси и марганцевой руды, необходимый для выплавки 100 кг чугуна. Если расход марганцевой руды будет иметь отрицательное значение, то это значит, что заданное содержание марганца в чугуне (табл. 2.8) обеспечивается марганцем рудной смеси и загрузка марганцевой руды в доменную печь не должна предусматриваться. В дальнейшем расчете ее расход должен приниматься равным нулю.

m_р.с. = 166,26 (кг/100 кг чуг)

m_м.р. = -2,38 (кг/100 кг чуг)

2.4.2 Баланс серы

Вносится серы в доменную печь с шихтовыми материалами:

(кг)

Масса серы в шлаке:

где (К)_S - коэффициент перехода серы в шлак (табл. 2.9),%.

Масса серы, уносимой с колошниковым газом:

где {K}_S - коэффициент распределения серы в колошниковый газ (табл. 2.9)

Содержание серы в чугуне:

2.4.3 Определение массы дополнительного флюса

Вносится кремнезема в доменную печь с шихтовым материалом:

Расходуется кремнезема на восстановление кремния в чугун:

кг

где 60 и 28 - молярная масса SiO₂ и Si соответственно.

Масса кремнезема в шлаке:

кг

Вносится в доменную печь оксида кальция с шихтовыми материалами:

Расходуется CaO на ошлакование серы по реакции:

CaO + FeS > FeO + CaS

где - 56 и 32 - молярная масса CaO и S соответственно.

Масса CaO в шлаке:

Согласно принятой основности шлака, масса CaO в нем должна быть равной:

Основность доменных шлаков (Ошл) может быть принята в пределах 0,9…1,3 в зависимости от количества серы, поступающей в доменную печь. Для условий Украины, где металлургические предприятия используют местный высокосернистый кокс (содержание серы в коксе 1,5…1,8%), и в доменные печи вносится примерно 1 кг серы на 100 кг чугуна, основность шлака должна быть в пределах 1,2…1,3 для выплавки низкосернистого чугуна. Если предполагается внедоменная десульфурация чугуна, то основность шлака может быть снижена до 1,1…1,15, а содержание серы в выплавляемом чугуне увеличено до 0,035…0,045%.

Количество CaO, необходимое внести с дополнительным флюсом (известняком):



В случае отрицательного значения выражения (3.11) дополнительного флюса не требуется.

Флюсующая способность дополнительного флюса:

,%

где CaO_ф, SiO_2ф, Al₂O_3ф - содержание соответствующих оксидов в дополнительном флюсе.

Расход дополнительного флюса составит:

, кг

Данные о расходе сырьевых материалов на выплавку 100 кг чугуна представлены в таблице 2.11.

Таблица 2.11 - Расход сырьевых материалов на выплавку 100 кг чугуна с учетом влажности и выносах с колошниковой пылью.

	Расход (чистый), кг	Содержание влаги, %	Вынос колошниковой пыли, % (ВП)	Расход с учетом влажности и выноса, кг
Кокс	43,98	6	1	45,97
Рудная смесь	166,26	0	1,5	168,72
Известняк	7,57	2	0,9	7,79

2.5 Определение количества, состава и свойств шлака

Содержание кремнезема в шлаке определяется суммарным его количеством, вносимым в доменную печь сырьевыми материалами, в том числе и дополнительным флюсом за вычетом SiO₂, израсходованного на восстановление кремния в чугун:

Содержание СаО в шлаке определяется аналогично содержанию в нем кремнезема за вычетом оксида кальция, израсходованного на ошлакование серы:

Содержание Аl₂O₃ в шлаке определяется из условия, что весь глинозем, вносимый в доменную печь, переходит в шлак:

По такому же принципу определяется количество МgO в шлаке:

,(кг)

Количество FeO в шлаке определяется исходя из принятого коэффициента прехода железа в шлак (табл.2.9):

,(кг)

где 72 и 56 - молекулярная масса FeO и атомная масса железа соответственно.

Количество СаS в шлаке определяется по зависимости:

где 72 и 32 - молярная масса СаS и S соответственно.

Данные о количестве и составе шлака сводят в таблицу 2.12.

Таблица 2.12 - Количество и состав шлака

N п/п	Компоненты шлака	Количество, кг	Состав, %
1	СаО	19,32	47,48
2	SiO2	16,01	39,34
3	Al2О3	2,53	6,21
4	MgO	1,46	3,59
5	FeO	0,13	0,32
6	CaS	1,242	3,06
	Итого	40,692	100

Основными свойствами шлака являются температура его плавления и вязкость. Для определения этих свойств пользуются тройными диаграммами, которые требуют пересчета реального состава шлака на три компонента, имеющих наибольшее содержание в шлаке (для доменных шлаков это, как правило, СаО, SiO₂, и Al₂O₃).

Содержание СаО в трехкомпонентном шлаке:

Содержание SiO₂ в трехкомпонентном шлаке:

Содержание Al₂O₃ в трехкомпонентном шлаке:

При правильном пересчете шлака на три компонента:

По тройным диаграммам определяют температуру плавления шлака и его вязкость при определенной температуре.

Температура плавления шлака 1350 ⁰С.

Вязкость шлака 0,4 Пас.

2.6 Расчет количества дутья

Исходные данные для расчета дутья:

- расчет шихты;

- количество и химический состав заменителей кокса;

- влажность дутья;

- содержание кислорода в дутье;

- расход углерода на образование метана;

- степень прямого восстановления железа.

В качестве заменителей кокса в доменном производстве Украины в настоящее время используют природный газ. Его расход по металлургическим предприятиям Украины в 2007 г. Составлял 77…109 м³/т чугуна, что ниже оптимального (100-130 м³/т чуг.) в связи с дефицитом природного газа в Украине и довольно высокой его ценой.

Концентрация кислорода в дутье при одновременной подаче в доменные печи природного газа определяется из условия сохранения оптимальной теоретической температуры горения кокса (на уровне 2000 ⁰С). При расходе природного газа в пределах 100…130 м³/т чугуна концентрация кислорода в дутье может быть рекомендована в пределах 25…30 %.

Расход углерода на образование метана в доменной печи в примерных расчетах принимается на уровне 0,8 % от суммарного его количества, поступающего в доменную печь.

Степень прямого восстановления железа является функцией расхода природного газа и может быть определена по экспериментальной зависимости:

где S - расход природного газа, м³/т чуг

2.6.1 Алгоритм расчета количества дутья

Принцип расчета количества дутья основан на балансе углерода.

2.6.1.1 Баланс углерода

Содержание твердого (нелетучего) углерода в коксе:

Содержание углерода в 1 м³ природного газа:

(кг)

где СН₄, СО₂, С₂Н₆, С₃Н₈ - содержание перечисленных компонентов в природном газе, %.

Вносится в доменную печь углерода с коксом и природным газом:

, кг

где S - расход природного газа, м³/100 кг чугуна.

Количество углерода, окисляемое шихтой и дутьем определяется по разности между всем количеством углерода, вносимым в доменную печь и его расходом на науглероживание чугуна и образование метана:

где С_СН4 - расход углерода на образование метана, %.

Количество углерода, расходуемого на прямое восстановление кремния, марганца, фосфора и железа, а также на десульфурацию чугуна в соответствии с реакциями:

SiO₂ + 2C > Si + 2CO

FeO + C > Fe + CO

MnO + C > Mn + CO

FeS + CaO + C > Fe + CaS + CO

P₂O₅ + 5C> 2P + 5CO

где 12, 28, 55, 31, 56, 32, - атомные массы углерода, кремния, марганца, фосфора, железа, и серы соответственно.

Количество углерода, окисляемого кислородом дутья:

2.6.1.2 Определение количества дутья

Содержание во влажном дутье кислорода:



где О_д.с. - принятая концентрация кислорода в сухом дутье, %;

W_д - влажность дутья, %. Естественная влажность дутья в Приазовье колеблется от 0,6 % (в зимнее время) до 1,9 % (в летнее время)

Содержание во влажном дутье азота:

где

Количество влажного дутья для окисления углерода по реакции:

2С + О₂ > 2СО

Количество водяных паров, содержащихся в дутье:

Расход сухого дутья:

2.7 Расчет количества и состава колошникового газа

2.7.1 Исходные данные для расчета

- химический состав сырьевых материалов;

- расчет шихты;

- удельный расход кокса;

- расход дутья;

- степень участия водорода в реакциях восстановления оксидов железа;

- степень прямого восстановления железа.

Степень участия водорода в реакциях восстановления оксидов железа является функцией расхода природного газа и уменьшается с 0,65 при расходе природного газа 80 м³/т чугуна до 0,55 при расходе природного газа 130 м³/т чугуна.

2.7.2 Алгоритм расчета количества и состава колошникового газа

2.7.2.1 Баланс водорода

Поступает в печь водорода с коксом, влагой дутья и природным газом:

Расходуется водорода на восстановление оксидов железа:



где - степень участия водорода в восстановлении оксидов железа.

Расходуется водорода на образование метана по реакции:

С + 2Н₂ > СН₄

Переходит водорода в колошниковый газ:

2.7.2.2 Баланс диоксида углерода

Диоксид углерода образуется при восстановлении оксидов железа, при диссоциации карбонатов, вносится в доменную печь летучими веществами кокса. Определение количества СО₂, образовавшегося при восстановлении оксидов железа.

Количество Fe₂O₃ вносимое в доменную печь:

Количество кислорода, отнятого при восстановлении Fe₂O₃ до FeO по реакции Fe₂O₃ + CO > 2FeO + CO₂:

где 160 - молярная масса Fe₂O₃.

Количество кислорода, отнятого при восстановлении FeO косвенным путем:

, (м³)

Всего отнимается кислорода косвенным путем:

Количество кислорода отнятого водородом:

Количество кислорода отнятого оксидом углерода:

Количество диоксида углерода в колошниковом газе:

, (м³)

2.7.2.3 Баланс монооксида углерода (СО)

Количество СО, образованное при окислении углерода дутьем и шихтой:

, (м³)

Количество СО, вносимое летучими веществами кокса:

, (м³)

где СО_V - содержание СО в летучих веществах кокса, %;

28 - молярная масса СО.

Количество СО, израсходованное в реакциях косвенного восстановления оксидов железа:

Количество СО в колошниковом газе:

2.7.2.4 Количество метана в колошниковом газе

, (м³)

где V_CH4 - содержание СН₄ в летучих веществах кокса;

16 - молярная масса метана.

2.7.2.5 Количество азота в колошниковом газе

(азот вносится в доменную печь дутьем, природным газом и коксом):

, (м³)

Данные о составе колошникового газа сводятся в таблицу.

Таблица 2.13 - Количество и состав колошникового газа

Компоненты	СО2	СО	СН4	N2	H2	У
Количество, м3	30,31	46,12	0,79	80,74	10,58	168,54
Содержание, %	17,98	27,36	0,47	47,91	6,28	100

2.7.3 Плотность колошникового газа

, (кг/м³)

где 44, 28, 16, 2, 28 - молекулярная масса СО₂, СО, СН₄, Н₂, и N₂.

2.7.4 Масса Н₂О в колошниковом газе

, (кг)

2.7.5 Влажность колошникового газа

, (г/м³)

(г/м³)

2.8 Материальный баланс доменной плавки

2.8.1 Плотность природного газа

где 16, 30, 44, 28 - молекулярная масса соответственно СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈ и СО₂, N₂.

2.8.2 Плотность сухого дутья:



где 32 и 28 - молярная масса соответственно кислорода и азота.

2.8.3 Поступает в доменную печь (кг/100кг чугуна)

Железорудная смесь - m_р.с. = 166,26 кг

Кокс сухой - к = 43,98

Известняк - И = 7,57

Природный газ - =12*0,724=8,69 кг

Сухое дутье - =111,54*1,3=145,00 кг

Влага шихты и дутья -

Итого:

2.8.4 Образуется в доменной печи (кг/100кг чуг.)

Чугун - 100

Шлак - m_шл = 46,47 кг

Колошниковый газ - = 1,303*168,54=219,61 кг

Влага колошникового газа - = 14,27

Итого: = 100 + 46,629 + 219,61 + 14,27 = 374,57 кг

Расхождение баланса:

Расхождение баланса допускается не более 1 %.

2.9 Тепловой баланс доменной плавки

2.9.1 Исходные данные для составления теплового баланса

- расчет шихты;

- расчет количества дутья и колошникового газа;

- температура дутья;

- температура шихтовых материалов;

- температура чугуна и шлака;

- температура колошникового газа.

2.9.2 Алгоритм составления теплового баланса

2.9.2.1 Приход тепла

Количество тепла, выделившегося при окислении углерода до СО₂:

где 17857 - тепловой эффект реакции

С + О₂ > СО₂, кДж/м³ СО₂;

- количество СО₂, образовавшегося в реакциях косвенного восстановления, м₃.

Количество тепла, выделившегося при горении природного газа:

, (кДж)



где 1590, 6050, 10121 - теплота сгорания природного газа с образованием СО и Н₂ для СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈ соответственно, кДж/моль;

12672 - тепловой эффект реакции СО₂ + С > 2СО - 12672 кДж.

Образовалось СО при горении природного газа:

, (м³)

Образовалось СО при окислении углерода кокса:

, (м³)

где СО - количество СО в колошниковом газе, м³.

Количество тепла, выделившегося при горении углерода кокса до СО:

, (кДж)

где 5267 - тепловой эффект реакции

, кДж/м³ СО.

Тепло окисления водорода в реакциях восстановления:

, (кДж)

где 10806 - тепло, выделяющееся при окислении водорода, кДж/м³.

Вносится тепла нагретым дутьем:

, (кДж)

где С_д.с. и С_Н2О - теплоемкость дутья сухого и паров воды при температуре дутья, кДж/(м³*К);

t_д - температура дутья, ⁰С.

Тепло, вносимое сырьевыми материалами:

(кДж)

где С_р.с., С_м.р., C_и, С_к - теплоемкость рудной смеси, марганцевой руды, известняка и кокса при температуре их загрузки в доменную печь t_p.c., t_м.р., t_и, и t_к соответственно.

Общий приход тепла:

(кДж)

2.9.2.2 Расход тепла

Расход тепла на диссоциацию оксидов железа:

 (кДж)

где 7348 и 5225 - теплота диссоциации Fe₂O₃ и FeO до Fe, кДж/кг Fe;

(FeO) - содержание оксида железа в шлаке.

Расход тепла на диссоциацию оксидов кремния, марганца и фосфора:

, (кДж)

где 31028, 7934, 32646 теплота диссоциации SiO₂, MnO и Са₃Р₂О₈.

Расход тепла на перевод серы в шлак:

(кДж)

где 5401 - теплота перевода серы в шлак по реакции:

FeS + CaO + C > Fe + CaS + CO - 5401, (кДж/кг S)

Расход тепла на испарение влаги шихты:

где 2261 - теплота испарения влаги, кДж/кг Н₂О;

- расход тепла на нагрев воды до 100 ⁰С.

Тепло разложения влаги дутья:

, (кДж)

Расход тепла на диссоциацию карбонатов:

где 2300 - теплота диссоциации

СаСО₃ > СаО + СО₂, кДж/кг СО₂.

Теплота, уносимая чугуном:

(кДж)

где С_ч - теплоемкость чугуна при температуре t_ч.

Температура чугуна принимается равной 1350…1450 ⁰С.

Меньшее значение температуры чугуна принимается при его выплавке для разливки на разливочных машинах.

Тепло, уносимое шлаком:



где С_шл - теплоемкость шлака при t_шл.

Температура шлака принимается, как правило, на 50 ⁰С больше температуры чугуна.

Тепло, уносимое колошниковым газом:

где t_к.г. - температура колошникового газа, ⁰С;

1,388 - средняя теплоемкость колошникового газа при t_к.г., кДж/м³К;

С_Н2О - теплоемкость паров воды при t_к.г., кДж/м³.

Общий расход тепла:

2.9.3 Сводная таблица теплового баланса доменной плавки

2.9.3.1 Приход тепла

№№ п/п	Статьи прихода тепла	Количество тепла, кДж	Удельный вес статьи, %
1.	Окисление углерода до CO2	476067,62	45,02
2.	Тепло горения природного газа	19198,79	1,82
3.	Тепло горения углерода кокса до CO	179078	16,94
4.	Тепло окисления водорода в реакциях восстановления	170518,68	16,13
5.	Тепло нагретого дутья	192310,4	18,19
6.	Тепло вносимое шихтой	20144,1	1,90
7.	Итого	1057317,59	100

2.9.3.2 Расход тепла

№№ п/п	Статьи расхода тепла	Количество тепла, кДж	Удельный вес статьи, %
1.	Диссоциация оксидов и десульфурация чугуна	693000,24	65,54
2.	Испарение влаги шихты и разложение влаги дутья	16442,51	1,55
3.	Диссоциация карбонатов	7660,84	0,72
4.	Уносится чугуном	120400	11,39
5.	Уносится шлаком	73812,26	6,99
6.	Уносится колошниковым газом	78389,68	7,41
7.	Потери тепла в окружающую среду и с охлаждающей водой	67552,06	6,4
8.	Итого	1057317,59	100

2.9.4 Коэффициент использования тепла

2.9.5 Коэффициент использования углерода

где 3,39 - величина отношения количества тепла, выделяющегося при окислении С до СО₂, к количеству тепла, выделяющегося при окислении С до СО.[7]

ВЫВОДЫ

Существенное влияние на полноту превращений углеводородов и углерода в фурменных очагах оказывает распределение их количества по фурмам. В настоящее время расход дутьевых добавок регулируют по фурмам безотносительно к расходу дутья на каждую фурму, так как последний не контролируется. Это обусловливает разную величину доли добавок в дутье на отдельных фурмах. При этом на фурмах с максимальной долей добавок в дутье условия их превращений осложнены, что ограничивает возможность увеличения общего расхода. Для снятия этого ограничения необходима организация контроля расхода дутья по фурмам и регулирования расхода дутьевых добавок в соответствии с расходом дутья на каждую фурму.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1 Рамм А.Н. Современный доменный процесс/ А.Н. Рамм -- М.: Металлургия, 1980.-304 с.

2 Ефименко Г.Г.Металлургия чугуна/Г.Г Ефименко- К: Вища школа, 1987 - 348 с.

3 Стефанович М.А. Анализ хода доменного процесса. -- Свердловск: Металлургиздат, 2010. -- 285 с.

4 Перспективы и эффективность технологии выплавки чугуна в

доменных печах/ С.Л. Ярошевский, З.К. Афанасьева, А.В. Кузин, И.В. Мишин// Новости науки Приднепровья, 2010г.- 25-31 с..

5 Влияние эффективности использования природного газа на показатели работы доменной печи/ Береснев Н.Г., Курунов И.Ф. -Металлургия.- №5.- 2009.-с.34-35.

6 Вегман Е.Ф. Краткий справочник доменщика/ Е.Ф. Вегман. - М. : Металлургия, 2011.- 240с.

7 Методическое руководство по курсовому проектированию по учебной дисциплине "Теория доменного процесса". Составитель В.П. Русских.-Мариуполь.- ПГТУ.-2008 г.

Размещено на Allbest.ru