Расчет оптимального состава шихты доменной плавки. Расчет себестоимости чугуна

Введение

      Доменная  печь – непрерывно действующий агрегат  шахтного типа, течение процесса в  котором основано на противопотоке  шихтовых материалов и горячих газов. Несмотря на кратковременность пребывания газов в печи тепловой коэффициент  их полезного действия составляет 85-87% и является одним из лучших для  металлургических объектов.

      Особенность современного доменного производства в мировой практике – значительное увеличение единичной мощности агрегатов  с одновременным совершенствованием конструкций и оборудования как  самих доменных печей, так и их вспомогательных сооружений.

      В России построены печи полезным объёмом 5034-5580 , мощностью 4000-4500 тыс. т чугуна в год с избыточным давлением газа на колошнике до 250кПа, температурой горячего дутья 1250-1300 , с обогащением его кислородом до 40 % и использованием различных топливных добавок. Осваивается вдувание в доменные печи восстановительных газов. Увеличение абсолютного расхода шихтовых материалов и количества продуктов плавки усложнило параметры и обусловило большие изменения в конструктивных решениях всего комплекса доменного производства.

Профиль доменной печи

      Профиль доменной печи, ограничивающий её рабочее  пространство, так называемый «полезный  объём», является важнейшей частью конструкции печей. В зависимости  от его очертаний доменная печь может  быть склонна к периферийному  или осевому ходу, к неустойчивости заданного режима и даже к настылеобразованию. Поэтому исключительно важно  создание так называемого «рационального»  профиля, обеспечивающего стабильный ровный ход и максимальное использование  восстановительной способности  газа.

Основные  размеры профиля  и его составные  части

      Профиль рабочего пространства доменной печи представлен на рис.1.  Профиль  подразделяется на составные части. Горн (нижняя цилиндрическая часть печи) в свою очередь делится на верхний и нижний, или, соответственно, на фурменную зону и металлоприёмник. Подину металлоприёмника называют лещадью. Часть металлоприёмника ниже подошвы чугунной лётки называется зумпф, или «мёртвый» слой. Эта зона постоянно заполняется жидкими продуктами плавки, защищает лещадь от воздействия процессов, происходящих в горне. Высота «мёртвого» слоя в высоту горна не входит.

      Между наиболее широкой цилиндрической частью профиля – распаром и горном находятся заплечики, представляющие собой усечённый конус, обращённый широким основанием к распару. Выше распара находятся шахта, имеющая форму усечённого конуса, и цилиндрический колошник.

      Основные  размеры профиля: полезная и полная высота печи, высота отдельных его  частей (горна, заплечиков, распара, шахты, колошника) и их диаметры. Основные размеры указанных частей профиля  определяют рабочее пространство печи, т.е. так называемый её полезный объём , равный объёму печи от оси чугунной лётки до кромки большого конуса или засыпного устройства аппарата в крайнем опущенном положении. Расстояние между нею и осью чугунной лётки называется полезной высотой . Полной высотой (H) принято называть расстояние от оси чугунной лётки до верхней кромки основного опорного кольца колошника, на которое опирается засыпной аппарат.

      Отношения полезной высоты и диаметра колошника  к диаметру распара, а также диаметра распара к диаметру горна определяют конфигурацию профиля, в том числе  углы наклона шахты  и заплечиков .

   

Рис.1 

      Расстояние  между стенкой колошника и  кромкой большого конуса называют колошниковым зазором. Он определяется формулой Рамма  и Леонидова: ,

Где - диаметр колошника. Если известны и q – количество сжигаемого топлива на 1 площади колошникового зазора, то можно определить диаметр большого конуса засыпного аппарата: , где Q – к-во топлива, сжигаемого в печи за сутки.

        Основные химические  процессы в доменной печи — горение топлива и восстановление Fe, Si, Mn и др. элементов. Часть кокса расходуется на процессы восстановления, но основное количество опускается в горн и сгорает вместе с вдуваемым топливом у фурм. Газы с t 1600—2300°С, содержащие 35—45% CO, 1—12% H₂ и 45—65% N₂, поднимаясь по печи, нагревают опускающуюся шихту, при этом CO и H₂ частично окисляются до CO₂ и H₂O. Газы, выходящие из печи, имеют t 150—300°С.

         Горение у фурм. У фурм доменной  печи возникают очаги горения,  называемые окислительными зонами, в которых вихревое движение  газов приводит к циркуляции  кусков кокса. Горение кокса  развивается на поверхности контакта  твёрдой и газообразной фаз.  При этом кислород соединяется  с углеродом в сложные комплексы  С_хО_у, которые затем распадаются. В упрощённом виде суммарный процесс горения углерода твёрдого топлива у фурм сводится к экзотермической реакции 2C + O₂ = 2CO. При вдувании природного газа или мазута, в которых главной составляющей являются углеводороды (например, метан), протекает реакция с выделением CO и H₂; при этом поглощается значительная часть тепла, выделяемого при сжигании С, а следовательно, понижается температура горения у фурм. Во избежание этого необходимо повышать температуру дутья и обогащать его кислородом. Положительное влияние вдувания углеводородных топлив — в повышении концентрации водорода в газе и улучшении благодаря этому его восстановительной способности.

           Восстановление железа и др. элементов.  В доменной печи Cu, As, Р, подобно  Fe, восстанавливаясь, почти полностью  переходят в чугун. Полностью  восстанавливается и Zn, который  затем возгоняется, переходит  в газы и отлагается в порах  кладки, вызывая её разрушение. Те  элементы, которые образуют более  прочные соединения с кислородом, чем Fe, восстанавливаются частично  или совсем не восстанавливаются: V восстанавливается на 75—90%, Mn на 40—75%, Si и Ti в небольших количествах, Al, Mg и Ca не восстанавливаются.

         Восстановление поступающих в  доменную печь окислов Fe₂O₃ и Fe₃O₄ происходит путём последовательного отщепления кислорода по реакциям:

3Fe₂O₃ + CO (H₂) = 2Fe₃O₄ + CO₂ (H₂O),

Fe₃O₄ + CO (H₂) = 3FeO + CO₂ (H₂O).

          Закись железа FeO восстанавливается до Fe газами (косвенное восстановление) и углеродом (прямое восстановление).

FeO + CO (H₂) = Fe + CO₂ (H₂O),

FeO + C = Fe + CO.

           Высшие окислы марганца MnO₂, Mn₂O₃ и Mn₃O₄ восстанавливаются газами с выделением тепла. В дальнейшем MnO восстанавливается до Mn только углеродом с затратой тепла примерно в 2 раза большей, чем при восстановлении Fe. Si также восстанавливается только С при высоких температурах по эндотермической реакции:

SiO₂ + 2C + Fe = FeSi + 2CO.

             Степень восстановления Si и Mn зависит в основном от расхода кокса; на каждый процент повышения содержания Si в чугуне расход кокса увеличивается на 5—7%, что увеличивает количество горячих газов в печи, вызывая перегрев шахты. Обогащение дутья кислородом, обеспечивая высокий нагрев горна, уменьшает количество образующихся газов, а следовательно, и температуру в шахте печи.

            Сера в доменном процессе. S вносится  в доменную печь в основном  коксом и переходит в газы  в виде паров (SO₂, H₂S и др.), но большая часть остаётся в шихте (в виде FeS и CaS); при этом FeS растворяется в чугуне. Для удаления S из чугуна необходимо перевести её в соединения, нерастворимые в чугуне, например в CaS:

FeS + CaO = CaS + FeO.

            Это достигается образованием  в доменной печи жидкоподвижных  шлаков с повышенным содержанием  СаО. Восстановительная среда  благоприятно влияет на этот  процесс, т.к. снижает содержание FeO в шлаке. Степень обессеривания достаточно высока, и только в некоторых случаях чугун дополнительно обессеривается вне доменной печи различными реагентами.

            Образование чугуна и шлака.  Восстановленное в доменной печи Fe частично науглероживается в  твёрдом, а затем в жидком  состояниях. Содержание C в чугуне  зависит от температуры чугуна  и его состава. Шлак состоит  из невосстановившихся окислов  SiO₂, AI₂O₃ и СаО (90—95%), MgO (2—10%), FeO (0,1—0,4%), MnO (0,3—3%), а также 1,5—2,5% S (главным образом в виде CaS). 

          Для характеристики шлаков пользуются  обычно показателем основности CaO/SiO₂ или (СаО + MgO)/SiO₂. Основность CaO/SiO₂ для разных условий плавки колеблется в пределах 0,95—1,35%. При выплавке чугуна на коксе с повышенным содержанием S (донецкий кокс) работают на шлаках с верхним пределом основности и стремятся обеспечить содержание MgO в шлаке 6—8% и более, улучшая его жидкоподвижность. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Исходные  данные.

 

1. Показатели  работы доменной печи №4 ОАО «Мечел»  объемом 1386м³.

 

d_горна = 8200

d_{распара} = 9300

d_{колошника} = 6500

d_{0(большого конуса засыпного аппарата)} = 4800

Н (полная высота) = 31225

Н_о (полезная высота) = 27300

h_горна = 3200

h_{заплечиков}= 3200

h_шахты= 16000

h_{распара} = 2000

h_{колошника} = 2900

h_{мертвого слоя} = 3200

∆h_{мм (расстояние между чугуном и шлаковыми летками)} = 1500

i (расстояние между чугунной леткой и осью воздушных фурм) = 2800

n (число фурм) = 16

α (угол наклона шахты) = 84^о59’52”

β (угол наклона заплечиков) = 80^о14’51”

d_{колошника}/D = 0,79

D/ d_горна = 1,13

Н_о/ D = 2,62 

Выплавляемый  чугун марки Л2 гр. 2 кл. Б кат. 3 (по ГОСТ 805-80) 

Массовая  доля, %

Si: 2,8-3,2

Mn: 0,3-0,5

P: ≤ 0,12

S: 0,04

C = 4,66 –  0,27(Si) – 0,32(P) + 0,03(Mn) = 3,82 

1. Железорудная  часть аглошихты: Агломерат Мечел 1

                                                                    Окатыши Костамукшские

2. Марганцевая руда: Никопольская руда
3. Флюс: Барсуковский известняк
4. Кокс: Кокс Мечел
5. Дополнительное топливо: Природный газ Ставропольского месторождения
6. Условия плавки:

Температура дутья, ^оС              1140

Давление  на колошнике, кПа   240

7. Состав дутья:

Содержание  кислорода, % (объемн)                       25

Влажность дутья, % (объемн)                                 0,8

Расход  дополнительного  топлива, м³/т чугуна      55 

8. Химический  состав, % (масс.)