3. Уравнение по балансу основных и кислых оксидов

(16)

где – избыток или недостаток основных оксидов кальция и магния в данном компоненте шихты, %, рассчитывается по формуле

(17)

где СаО, MgO, SiO₂, Al₂O₃ – содержание данных оксидов в данном компоненте шихты, %;

– количество диоксида кремния, расходуемого на восстановление кремния.

Получаем:

;

;

.

Таким образом, уравнение по основности будет иметь вид:

1,264∙А+37,711∙Ф–7,890∙К=0 (18)

4. Составление уравнения теплового баланса

Уравнение по тепловому балансу имеет вид:

(19)

где – тепловой эквивалент данного материала, представляющий собой суммарный эффект всех физико-химических превращений, которым подвергается данный материал массой в 1 кг или 1 м³ в процессе доменной плавки с учетом потерь тепла.

Вычисление тепловых эквивалентов доменной шихты, загружаемых на колошник доменной печи, и вдуваемого в горн печи газообразного, пылевидного и жидкого топлива осуществляется на основе общего теплового баланса доменной плавки. Составление баланса основано на предположении, что процесс восстановления осуществляется в две стадии: 1) диссоциация оксида на металл и газообразный кислород с затратой тепла, 2) окисление восстановителя (тв. углерода, оксида углерода, водорода) перешедшим в газ кислородом шихты, реакция окисления сопровождается положительным тепловым эффектом.

1. Теоретический выход шлака

Вычисляется по формуле:

(20)

где Al₂O₃, СаО, MgO и т. д. – содержание соответствующих оксидов и элементов в рассматриваемом материале, %;

и – пересчет Mn и Fe соответственно в MnO и FeO;

μ_Mn, μ_Fe, μ_S – коэффициент перехода марганца, железа, серы в шлак, доли.

(21)

(22)

(23)

2. Определение полезного расхода тепла на доменную плавку

   1. Расход тепла на диссоциацию окислов и других соединений

Расход тепла определяется на основе термохимических данных следующих реакций:

FeO=Fe+0,5O₂–4832 кДж/кг Fe,

Fe₂O₃=FeO+0,5O₂–2554 кДж/кг Fe,

MnO=Mn+0,5O₂–7388 кДж/кг Mn,

P₂O₅=2P+2,5O₂–25066 кДж/кг P,

SiO₂=Si+O₂–31135 кДж/кг Si,

CaO+S=CaS+0,5O₂–5426 кДж/кг S,

Теплота диссоциации оксидов и сульфидов, кДж/кг материала:

где FeO, Fe₂O₃, Fe и т. д. – содержание соответствующих элементов в данном шихтовом материале, %;

и – доля железа соответственно в FeO и Fe₂O₃.

Принимаем, что оксиды железа находятся в свободном состоянии и весь оксид железа шихты входит в состав магнетита. В действительности часть FeO может находиться в виде фаялита (2FeO∙SiO₂) и сидерита (FeCO₃). Ввиду незначительного содержания фаялита в рудах и офлюсованном агломерате пренебрегаем небольшой разницей в теплотах образования фаялита и магнентита.

2. Расход тепла на разложение гидратов и карбонатов

Расход тепла на разложение на основе термохимических данных следующих реакций:

СаСО₃=СаО+СО₂–178500 или 178500/56=3188 кДж/кг СаО,

MgСО₃=MgО+СО₂–109870 или 109870/40=2747 кДж/кг MgО,

FeСО₃=FeО+СО₂–1571 кДж/кг Fe,

MnСО₃=MnО+СО₂–1571 кДж/кг Mn,

Теплоту выделения гидратной влаги (разложения гидратов) принимаем равной скрытой теплоте испарения воды (4200 кДж/кг Н₂О).

Теплота разложения гидратов и карбонатов, кДж/кг материала:

(28)

где СаО, MgO, Fe, Mn – содержание этих компонентов в карбонате, %.

кДж/кг (29)

кДж/кг (30)

кДж/кг (31)

3. Расход тепла на испарение влаги шихты

(32)

где Н₂О_хим и Н₂О_физ – содержание влаги в соответствующем материале, %

кДж/кг (33)

кДж/кг (34)

кДж/кг (35)

3. Расход тепла на нагрев чугуна

(36)

кДж/кг (37)

кДж/кг (38)

кДж/кг (39)

3. Расход тепла на нагрев шлака

(40)

кДж/кг (41)

кДж/кг (42)

кДж/кг (43)

Полезный расход тепла, кДж/кг материала:

кДж/кг (44)

кДж/кг (45)

кДж/кг (46)

2. Расход тепла на нагрев газов выделяющихся из шихты

К этим газам относятся: пары воды и водорода, образующийся при частичном разложении гидратной влаги; диоксид карбонатов оксид углерода, образующийся при частичном разложении оксида флюса; газы, выделяющиеся из кокса (водород, метан, азот, оксид и диоксид углерода).

где – степень разложения гидратной влаги, доли единицы;

– содержание этих элементов в коксе, вес. %;

– теплоемкости этих газов при t_к, кДж/(м³∙ºС).

Таблица 11

Теплоемкости некоторых газов при различной температуре, кДж/(м³∙ºС)

Температура		Н2О	О2	СО2	СН4
ºС	К
100	373	1,504	1,317	1,649	1,641
200	473	1,522	1,334	1,786	1,758
1000	1373	1,722	1,476	2,202	2,697

Степень разложения гидратной влаги принимаем =0. Степень разложения двуокиси углерода выделяющегося из карбонатов, следует принять равной нулю, т. к. применение показателя прямого восстановления по Павлову в расчетах связано со следующими показателями:

а) высшие оксиды железа и марганца восстанавливаются до закиси только косвенным путем;

б) закись марганца, кремнезем, окислы фосфора и другие трудновосстановимые окислы восстанавливаются только прямым путем;

в) вся углекислота карбонатов и летучих веществ шихты переходят в газ, не взаимодействуя с углекислотой кокса.

кДж/кг (48)

кДж/кг (49)

2. Характеристика вдуваемого в печь восстановительного газа

1. Тепло неполного горения природного газа

кДж/кг (51)

2. Суммарное содержание углерода, водорода, кислорода и азота в природном газе

Т. к. мы приняли, что газ состоит из 100 % СН₄, то рассчитываем только содержание углерода и водорода.

а) Суммарное содержание углерода:

м³/м³ (52)

б) Суммарное содержание водорода:

м³/м³ (53)

3. Расход влажного дутья

Водяные пары дутья в горне печи разлагаются по уравнению

Н₂О=Н₂+0,5О₂–242800/22,4 кДж/м³ пара.

В объеме водяного пара содержится половина объема кислорода, т. е. содержание кислорода в единице влажного дутья составит ω∙(1–f)+0,5f. Следовательно, расход влажного дутья на горение углерода природного газа по реакции составляет:

(54)

4. Выход горнового газа

Из одного объема углерода получается один объем оксида углерода, объема водяного пара образуется объем водорода; в продукты горения перейдут водород и азот, содержащиеся в природном газе:

(55)

4. Характеристика кокса, сгорающего перед воздушными фурмами

   1. Тепло окисления углерода кокса, доходящего до фурм, кислородом дутья до оксида углерода

По реакции: С+0,5О₂=СО+117940 кДж

Тепловой эффект горения составит:

W_C=117940/12=9828,333 кДж/кг С_ф.

2. Расход влажного дутья

(56)

3. Выход горнового газа

(57)

4. Определение теплосодержания дутья

кДж/м³ (58)

где – теплоемкости этих газов при t_Д, кДж/(м³∙ºС).

– тепло разложения влаги дутья, кДж/м³.

4. Расход восстановителей С, СО₂ и Н₂

   1. Определение количества кислорода, переходящего в газ из шихты

Кислород, отнимаемый от высших оксидов железа и марганца и от части гидратной влаги:

Fe₂O₃=2FeO+0,5O₂;

MnO₂=MnO+0,5O₂;

H₂O=H₂+0,5O₂;

(59)

Кислород, переходящий в газ при восстановлении оксида железа:

FeO=2Fe+0,5O₂;

(60)

Количество кислорода, отнимаемого при восстановлении трудновосстановимых оксидов до металлического состояния:

MnO=Mn+0,5O₂–7388 кДж/кг Mn;

SiO₂=Si+O₂–31135 кДж/кг Si;

P₂O₅=2P+2,5O₂–25066 кДж/кг P;

(61)

Общее количество кислорода, переходящего в газ из восстанавливаемых оксидов:

(62)

Кроме того, в газ переходит кислород диоксида углерода, карбонатов и летучих веществ кокса, а также кислород и оксид углерода летучих веществ:

(63)

Общее количество газифицированного кислорода шихты:

(64)

Результаты расчета представлены в таблице 12.

Таблица 12

Количество газифицированного кислорода шихты, кг/100 кг материала

Процесс	Агломерат	Флюс	Кокс
Восстановление Fe2O3→FeO; MnO2→MnO; H2O→H2
O2(I)	7,710	0,562	0,141
Восстановление FeO→Fe
O2(II)	17,027	4,450	0,367
Восстановление Mn, P, Si
O2(III)	0,684	1,001	0,014
Восстановление CO2 и СО летучих кокса	—	—
O2(4)	—	—	0,196
Итого O2(Ш)	25,421	6,013	0,522