Расчет материального баланса металлургического процесса

 

Дутье	O2	CH4	CO	CO2	N2	H2	H2O	SO2	Итого
1.Кислород	99,50%	0	0	0	0,50%	0	0	0	100%
2.Прир.газ	0	100%	0	0	0	0	0	0	100%
Итого, кг	2,8855	0,1	0	0	0,0145	0	0	0	3

 

 

Первым этапом необходимо рассчитать массы всех веществ, поступающих в систему с исходными материалами.

Общая масса конденсированного вещества R, поступающего в металлургический агрегат с входными потоками  равна:

, (7)

где K f, G fk – количество и масса  конденсированных входных потоков, кг; N fк,  – количество веществ в k-ом потоке; /Rm/k –содержание вещества Rm в k-ом потоке, %.

Масса газообразного вещества R, поступающего в печь с входными потоками, также определяется с учетом его содержания в газообразных входных потоках:

, (8)

где K г, G гk – количество и масса  газообразных входных потоков, кг; N гк – количество веществ в k-ом газообразном потоке; {Rm}k –содержание вещества Rm в k-ом газообразном входном потоке, %.

Таким образом, общая масса вещества R определяется как сумма его составляющих в каждом материале. Масса вещества в материале, в свою очередь, определяется его процентным содержанием (таблица 4).

Используя данные таблиц 1 и 4, рассчитывается количество всех веществ, поступивших в систему. Результаты представлены в таблице 5.

 

Таблица 5 – Состав входных потоков, поступивших в агрегат

Вещество	Малярная масса, кг/моль	Масса, кг	%
Fe	0,056	1,17634	87,85%
C	0,012	0,02485	1,86%
Mn	0,055	0,00422	0,32%
Si	0,028	0,00292	0,22%
S	0,032	0,00060	0,04%
P	0,031	0,00027	0,02%
FeO	0,072	0,00862	0,64%
Fe2O3	0,16	0,02050	1,53%
MnO	0,071	0,00055	0,04%
Al2O3	0,102	0,00210	0,16%
CaO	0,056	0,05602	4,18%
SiO2	0,06	0,00703	0,53%
MgO	0,04	0,00286	0,21%
TiO2	0,08	0,00002	0,00%
V2O5	0,182	0,00004	0,00%
P2O5	0,142	0,00005	0,00%
Cr2O3	0,152	0,00001	0,00%
NiO	0,075	0,00001	0,00%
CaF2	0,078	0,00001	0,00%
H2O	0,018	0,00137	0,10%
CO2	0,044	0,00060	0,04%
CO	0,028	0,00000	0,00%
N2	0,028	0,00015	0,01%
CH4	0,016	0,00100	0,07%
H2	0,002	0,00000	0,00%
O2	0,032	0,02886	2,15%
Всего:		1,33900	100,00%

 

Затем следует рассчитать массы всех элементов в системе, которые образуют вещества, представленные в таблице 5. Масса элемента будет определяться массой веществ, содержащих данный элемент с учетом стехиометрических коэффициентов. Результаты расчетов масс всех элементов, образующих систему приведены в таблице 6.

 

Таблица 6 – Поэлементный состав входных потоков, поступающих в агрегат

Вещество	Малярная масса, кг/моль	Масса, кг	%
Fe	0,056	1,19740	89,42%
C	0,012	0,02576	1,92%
Si	0,028	0,00620	0,46%
Mn	0,055	0,00465	0,35%
Ca	0,04	0,04002	2,99%
S	0,032	0,00060	0,04%
P	0,031	0,00030	0,02%
Ti	0,048	0,00001	0,00%
Cr	0,052	0,00001	0,00%
Al	0,027	0,00111	0,08%
Mg	0,024	0,00172	0,13%
Ni	0,059	0,00001	0,00%
V	0,051	0,00002	0,00%
N	0,014	0,00015	0,01%
H	0,001	0,00040	0,03%
F	0,019	0,00000	0,00%
O	0,016	0,06065	4,53%
Всего:		1,33900	100,00%

 

Следующим этапом расчета является перераспределение элементов по фазам. Элементы, поступающие  в систему с входными потоками, распределяются по фазам в соответствии с коэффициентами распределения L. Количество  элемента Еi в металле определяется по формуле:

, (9)

где L[Ei] – коэффициент распределения  элемента Ei в металл.

Фтор в металл не переходит, он будет присутствовать в соединении CaF2 в шлаковой фазе. Азот и водород переходят в газовую фазу. Кислород частично растворяется в металле, его количество будет определяться степенью растворения кислорода в металле (таблица 2). Количество кислорода  и железа в металле будет определено после расчета баланса кислорода в системе.

Результаты расчетов количества компонентов металлической фазы (без учета кислорода и железа) приведены в таблице 7.

Таблица 7 – Массы компонентов металла

Элемент	C	Mn	Si	S	P	Ti
кг	0,00773	0,00223	0,00012	0,00024	0,00027	0,00000
Элемент	V	Ni	Al	Mg	Ca	Cr
кг	0,00000	0,00000	0,00000	0,00000	0,00000	0,00000

 

Количество   оксида элемента Еi в шлаке также определяем в соответствии с  коэффициентом распределения элемента в шлак:

, (10)

где L(Ei) – коэффициент распределения элемента Ei в шлак;  , - молярные массы элемента Е и его оксида; хn, yn – стехиометрические коэффициенты.

По формуле (10) рассчитываются массы оксидов, образующих шлаковую фазу. Таким образом, определяются массы всех оксидов, кроме оксидов железа. Результаты расчетов количества компонентов шлаковой фазы (без оксидов  железа) приведены в таблице 8.

Таблица 8 – Масса компонентов шлака

Элемент	CaO	CaF2	SiO2	Al2O3	MgO	MnO
кг	0,05550	0,00001	0,01303	0,00210	0,00286	0,00312
Элемент	CaS	TiO2	V2O5	Cr2O3	NiO	P2O5
кг	0,00068	0,00002	0,00000	0,00001	0,00001	0,00007

 

 

Далее, необходимо определить состав газовой фазы. Для расчета состава и масс компонентов газовой фазы в печи предложен следующий механизм образования отходящих газов. В технологии с применением природного газа предполагается его полное сгорание.

При полном горении природного газа образуются СО2 и Н2О. Они вычисляется по следующим формулам:

 (11)

 (12)

Результаты вычислений приведены в таблице 9.

Таблица 9 – Образованный при горении газ

Элемент	CO2 (гор)	H2O (гор)
кг	0,00275	0,00225

 

Количество СО, образующееся при горении углерода шихты, можно определить следующим образом:

 (13)

где - степень окисления углерода до СО.

С учетом горения природного газа и наличия СО2  во входных потоках, его количество  в отходящих газах будет равно:

 (14)

Водород в отходящих газах отсутствует:

 (15)

Количество водяных паров определяется как сумму следующих составляющих:

 (16)

Количество азота в отходящих газах равно количеству азота, поступающего с газообразными входными потоками:

 (17)

Количество SO2 в отходящих газах определяется в соответствии с коэффициентом перехода серы в газовую фазу:

 (18)

Теперь следует рассчитать количество железа в металле и его оксидов в шлаке. Для этого определяем количество кислорода, которое остается в системе после окисления всех компонентов. Значение общего количество кислорода  в исходной системе находиться в таблице 6.

Этот кислород расходуется на образование всех оксидов шлаковой и газовой фазы.

Количество кислорода, затраченное на образование оксидов, определим следующим образом:

 

=G(CaO)*0,016/0,056+G(SiO2)*0,032/0,060+

+G(Al2O3)*0,048/0,102+G(MgO)*0,016/0,040+

G(MnO)*0,016/0,055+G(TiO2)*0,032/0,080+

+G(V2O5)*0,080/0,182+G(Cr2O3)*0,048/0,152+ (19)

+G(NiO)*0,016/0,075+G(Р2O5)*0,080/0,142+

+G{CO}*0,016/0,028+G{CO2}*0,032/0,044+

+G{H2O}*0,016/0,018+G{SO2}*0,032/0,064 

Следует вычислить оставшееся количество кислорода.

Часть этого кислорода растворяется в металле, а оставшийся кислород расходуется на окисление железа:

   (20)

где - степень окисления железа до FeO (таблица 2).

Результаты расчета количества кислорода приведены в таблице 9.

Таблица 9 – Расчет кислорода

Кислород	Goок	Goост	G[o]
кг	0,056712	0,003936	0,0000039

 

Количество железа в металле определяется следующим образом:

 (21)

Теперь имеются все данные для определения массы фаз выходных потоков: металл, шлака, газа.

 

Результаты расчетов по составу фаз приведены в таблицах 10-12.

Таблица 10 – Состав газа

Газ	СО	СО2	N2	H2	H2O	SO2	Итого:
кг	0,03595	0,00963	0,00015	0,00000	0,00362	0,00012	0,04946
%	72,69%	19,47%	0,29%	0,00%	7,31%	0,24%	100,00%

 

Таблица 11 – Состав шлака

Металл	FeO	Fe2O3	CaO	MnO	SiO2	Al2O3	P2O5
кг	0,01185	0,00432	0,05550	0,00312	0,01303	0,00210	0,00007
%	12,67%	4,62%	59,31%	3,33%	13,92%	2,24%	0,07%
MgO	CaF2	CaS	TiO2	V2O5	Cr2O3	NiO	Итого:
0,00286	0,00001	0,00068	0,00002	0,00000	0,00001	0,00001	0,09357
3,06%	0,01%	0,72%	0,02%	0,01%	0,01%	0,01%	100,00%