Новые процессы получения металла (металлургия железа)
..pdfТ а б л и ц а |
25. |
Состав колошннового газа |
|
|
|
[вм3/кг/% |
(объема.)] |
|
|
|
|
Ком- |
|
|
|
|
|
поСО |
|
с о 2 |
Н, |
н 2о |
N 2 |
ненты |
|
|
|
|
|
37,05/46,31/ |
24,18/47,50/ |
59,64/5,33/ |
41,10/32,88/ |
4,41/5,51/ |
|
21,85 |
|
14,26 |
35,17 |
24,23 |
2,60 |
1' ' '' |
|
СН4 |
|
|
|
Компоненты |
|
|
£ |
|
|
|
|
3,22/2,30/1,90 |
169,60/139,83/100,00 |
||
Израсходовано водорода |
на восстановление и перешло в |
|||||
Н20: |
|
|
|
|
|
|
^вое |
«. у в .г |
+ |
у к .г = 91>75 _ |
59>64 |
= 32Д1нм3. |
|
н г |
н 2 |
|
н 2 |
|
|
|
Количество водяных паров в колошниковом газе: |
||||||
у к .г |
= у в .г |
+ |
у вое = 899 |
+ 32 п |
= 41,10 нм3; |
|
н2о |
Н20 |
|
н 2 |
|
|
|
HjO = 41,1 • 18/22,4 = 32,88 |
кг. |
|
||||
Объем кислорода, отнятого от оксидов железа водородом: |
||||||
к ” 2 = 0,5КВОС |
= 0,5 • 32,11 |
= |
16,06 |
нм3. |
||
Оц1 |
Н2 |
|
|
|
|
|
Объем кислорода, отнятого от оксидов железа оксидом |
||||||
углерода: |
|
|
|
|
|
|
V CO = V |
- |
V й 2 = 26,03 |
- |
16,06 |
= 9,97 нм3. |
|
|
Оц| |
|
Ош |
|
|
|
Объем оксида углерода, израсходованного на восстанов |
||||||
ление; |
|
|
|
|
|
|
увос |
= 2у с о = 2 • 9,97 = 19,94 нм3. |
|
||||
СО |
Ош |
|
|
|
|
|
Количество оксида углерода, переходящего в колошнико вый газ:
К * - г |
= у в . г |
_ у в о с = 5699 _ 1994 „ 37 05 нм э. |
СО |
СО |
СО |
Мсо = 37,05 * 28/ 22,4 = 4б’31 кг-
Количество диоксида углерода, переходящего в колошни ковый газ:
V * -r = К “ -г + К®°с- = 4,24 + 19,94 = 24,18 нм3;
СО |
СО. |
СО |
|
М* -г = 24,18 • 44/22,4 = 47,50 кг. |
|||
СО |
|
|
|
Количество азота в колошниковом газе: |
|||
К * г = К » г = 4,41 |
нм3; |
||
|
N |
|
|
м у |
* 5,51 кг. |
|
|
N, |
|
|
|
Количество метана в колошниковом газе: |
|||
К * - г = V I -г |
= 3,22 |
нм3; |
|
СН |
сн, |
|
|
МснГ = 2,30 кг-
Проверка степени использования восстановительной способности газа
у К .Г + у К . г _ у В .Г _ у в .г |
|
|
|||||||
со |
|
н , о |
|
СО |
|
н 2о |
|
|
|
71г = |
|
|
|
к .г |
|
. „ к |
.г |
|
|
гК .Г |
* |
1/К . Г |
|
|
|
|
|||
СО |
+ к * • 1 + к * •* + V, |
|
|
|
|||||
|
СО |
|
|
|
Н ,0 |
|
|
||
2 4 ,1 8 |
+ |
4 1 ,1 0 |
- |
2,S0 |
- |
5 ,3 0 |
_ |
- |
- |
3 7 ,0 5 |
+ |
2 4 ,1 8 |
+ |
59,64 |
+ |
4 1 ,1 0 |
’ |
‘ |
|
Материальный баланс процесса |
|
|
|
||||||
Поступило в печь: |
|
|
|
Получено |
в печи: |
||||
Окисленные окатыши 137 кг Металлизованные окатыши 100 кг
Восстановительный |
Колошниковый газ |
139,83 кг |
|
газ |
102,75 |
кг |
|
И т о г о |
239,75 |
кг И т о г о |
239,83 кг |
212
Невязка |
139,83 - |
139,75 |
100 = 0,05%. |
|
139,83 |
||||
|
|
|||
Допускается невязка до 0,3%.
Тепловой баланс процесса
Приход тепла
Тепло восстановительного газа:
Св.Г |
= |
V B . r C n |
(д,г> С |
= Z С |
|
|
|
|
Р в .г |
Р в .г |
i - 1 P i |
где |
С |
— |
теплоемкость |
/-го компонента газа; ms — кон- |
|
|
|
Pi |
i-го компонента газа. |
||
центрация |
|||||
С= 0,3296 • 0,336 + 0,5069 • 0,025 + 0,3132 • 0,541+
Рв.г
+ 0,3967 • 0,053 + 0,3251 • 0,026 + 0,5931 • 0,019 =
= 0,3336 ккалДм3 • °С), или 1,3944 кДжДм3 • °С).
£2в.г = 169,6 • 0,3336 • 760 = 43000 ккал или 179,74 МДж.
Расход тепла |
|
|
|
|
|
|
Физическое тепло |
металлизованных |
окатышей: |
QH0 = |
|||
= 100С |
fM0. |
Обычно |
температура металлизованных |
окаты- |
||
Рм.о |
|
|
|
10—40 °С ниже |
||
шей на выходе из зоны восстановления на |
||||||
температуры |
восстановительного |
газа. |
Принимаем |
|||
/м.о = 750°С. |
|
|
|
|
|
|
Теплоемкость металлического железа: |
|
|
|
|||
Ср = 17,49 + |
24,77 • 10-3Г кДж/(молЬ • К). |
|
|
|||
Для |
750 °С: |
|
|
|
|
|
Ср = 17,49 + |
24,77 • 10_3 • 1023 = 42,83 или |
|
|
|||
42,83/56 = 0,7648 кДжДкг • К) = 0,183 ккалДкг • °С). QM.о = 100 • 0,183 • 750 = 13725 ккал или 57,37 МДж.
Расход тепла на восстановление оксидов
Тепловые эффекты реакций восстановления:
Fe20 3 + СО = 2FeO + С 02 - 370 ккал (1547 кДж) или
23 ккал/кг 02 (97 кДж/кг 0 2);
Fe20 3 + Н2 = 2FeO + Н20 - 10240 ккал (42803 кДж) или
640 ккал/кг Ог (2675 кДж/кг 0 2);
FeO + СО = Fe + С02 + 3250 ккал (13585 кДж) или
203 ккал/кг 0 2 (848 кДж/кг 0 2);
FeO + Hj = Fe + Н20 — 6620 ккал (27670 кДж) или
413 ккал/кг 0 2 (1729 кДж/кг 02).
Количество кислорода, отнимаемого от шихты при восста' новлении Fe20 3 до FeO, равно одной трети всего поступаю' щего кислорода, связанного с трехвалентным железом, т.е.
F e 20 3— ► FeO |
48 |
|
|
М , |
96,59 • 1,37 • у = 13,232 кг. |
||
160 |
|||
|
|
Количество кислорода, отнимаемого от шихты при восста новлении FeO до Fe:
FeO — ►Fe |
F e 2Оэ —►FeO |
|
||
AfОш |
= AfОш — MОш |
= 37,185 - |
13,232 = |
|
= 23,953 |
кг. |
|
|
|
Доли |
СО и |
Н2 в сумме |
восстановителей |
(СО + Н2) в вос |
становительном |
газе: |
|
|
|
с о ,в. г |
33., 60 |
||
% СО = |
|
||
|
33,60 + 54,10 |
||
СОВ.Г + Н 2 В.Г |
|||
Н , |
В .Г |
|
|
12 |
54,10 |
||
% Н2 = |
|
||
Н2 в<г |
33,60 + 54,10 |
||
СОв.г + |
|||
100 = 38,31 %;
• 100 = 61,69%.
Количество кислорода оксидов железа, отнимаемое СО и
Н2 при восстановлении Fe20 3 до FeO (принято допущение о том, что количество отнимаемого кислорода пропорционально доле данного восстановителя):
02(Ю = 13,232 • 0,3831 = 5,069 кг;
02= 13,232 • 0,6169 = 8,163 кг.
Н2
Количество кислорода оксидов железа, отнимаемого СО и Н2 при восстановлении FeO до Fe:
OJCQ = 23,953 • 0,3831 = 9,176 кг;
О2о = 23,953 • 0,6169 = 14,777 кг.
Н2
Расход тепла на восстановление Fe20 3 до FeO:
СО |
п |
. |
= 5,069 • 23 |
= 117 ккал (489 кДж); |
|
Q„ |
|||||
г CJ O J |
> г с О |
|
|
|
|
б ” 2л |
л |
= 8,163 • 640 |
= 5224 ккал |
(21836 кДж); |
|
Г CJ O J |
^ г е и |
|
|
|
|
О |
л |
|
= 117 + 5224 = 5341 ккал |
(22325 кДж). |
|
Ре20 3— ►FeO |
|
|
|
||
Расход тепла на восстановление FeO до Fe:
СО |
|
= 9,176 • (-203) = -1863 ккал (7787 кДж); |
||
е ~ п |
^ге |
|||
геО |
|
|
|
|
е ” 2___ __ = 14,777 • 413 |
= 6103 ккал (25511 кДж); |
|||
Q_ _ |
^гс |
= 6103 - 1863 = 4240 ккал (17723 кДж). |
||
rcU |
|
|
|
|
Расход тепла на процесс восстановления: |
||||
Сэнд.р = 5341 + 4240 = 9581 ккал (40049 кДж). |
||||
Тепло колошникового газа |
QKr = КкгС tKS. |
|||
По аналогии |
|
Рк.г |
||
|
|
|||
С |
= |
0,3148 • 0,2185 |
+ |
0,4452 • 0,1426 + 0,3108 х |
'-'К.г |
|
|||
|
|
|
|
215 |
*0,3577 |
+ |
0,3687 • 0,2423 |
+ |
0,3124 • 0,026 |
+ 0,451 х |
*0,019 = 0,3475.
QKS = 169,6 • 0,3475 • 300 = 17681 ккал (73907 кДж).
Общий расход тепла:
Qpacx = Q M .O ^ Сэнд-р ^ 0к.г = 13725 + 9581 + 17581 =
= 40987 ккал (171326 кДж).
Оценкой точности расчета теплового баланса является величина тепловых потерь, в которую входит и невязка рас чета
Спот ~ бв.г—брасх = 43000-40987 = 2013 ккал (8414 кДж)
или (2013/43000) • 100 = 4,68 %,
что находится в пределах допустимого (4 —10 %). В случае завышения величины потерь следует повысить температуру колошникового газа. Если потери меньше допустимых или составляют отрицательную величину, следует снизить темпе
ратуру колошникового газа (в пределах |
200—400 °С) |
или |
||||||
увеличить количество восстановительного газа. В этом |
слу |
|||||||
чае степень использования восстановительного газа |
пони |
|||||||
зится. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Тепловой баланс процесса |
|
|
|
|
|
|||
(на 100 кг металлизованных окатышей) |
|
|
|
|||||
Приход тепла |
ккал |
кДж |
% |
Расход тепла |
ккал |
кДж |
% |
|
Тепло восста |
Тепло метал |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||
новительного |
|
|
100,0 |
лизованных |
|
|
|
|
газа |
43000 |
179740 |
окатышей |
13725 |
57370 |
31,92 |
||
И т о г о |
43000 |
179740 |
100,0 |
Тепло эндо |
|
|
|
|
|
|
|
|
термических |
9581 |
40049 |
22,28 |
|
|
|
|
|
реакций |
||||
|
|
|
|
Тепло колош |
17681 |
73907 |
41,12 |
|
|
|
|
|
никового газа |
||||
|
|
|
|
Тепловые по |
|
|
4,68 |
|
|
|
|
|
тери |
2013 |
8414 |
||
|
|
|
|
И т о г о |
43000 |
179740 |
100,0 |
|
Расчет количества газа-восстановителя и производительности установки
Расчет ведется на основании данных о составе железо рудного материала и готового продукта, а также восстано вительной работы газа. При восстановлении 1 кг Fe из Fe20 3 отнимается кислорода (Fe20 3 = 2Fe + 3/202):
3-/2~ = 0,3 м3/кг Fe.
При известных содержаниях СО и Н2 (в долях единицы) в
газе |
и |
степени |
их |
использования T)C Q |
и |
TIH |
1 м3 восстано |
||||||||
вительного |
газа |
отнимает |
|
кислорода |
О ^С О т^ + Н |
^ ) |
|||||||||
м3/м3 газа. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Тогда |
для |
восстановления |
1 кг |
Fe |
из |
Fe20 3 потребуется |
|||||||||
газа (м3*/кг Fe„ |
„ ): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
F«2°3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fe20 3 |
|
|
0 . 3 _________ |
|
0,6 |
|
|
|
|
|
|
||||
V r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
0-5(СО7»со |
+ н *V |
|
A |
' |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где |
А — количество |
СО и Н2 газа, использованного на вос |
|||||||||||||
становление, равное СОт)со = H2IJH . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Аналогично находим количество газа, необходимого для |
||||||||||||||
восстановления железа из FeO. При |
восстановлении |
1кг |
Fe |
||||||||||||
из |
FeO |
(FeO = Fe + 0,5О2) |
нужно |
отнять |
кислорода |
||||||||||
(22,4/56) • 2 = 0,2 м3/кг |
Fe . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Для |
этого |
потребуется |
восстановительного |
газа |
(м3/к г ' |
|||||||||
FeFeO): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
FeO |
_______ 0_j2__________ |
_ |
0 ,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Vr |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
0*5(СО7»со + H » V |
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
При |
совместном |
использовании |
железа |
из |
FeO |
и Fe20 3 |
||||||||
требуется |
газа: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
0,6Fc F e ,0 |
+ |
0 , 4F e |
FeO |
|
|
|
|
|
|
|
||
V 9 = — |
|
2^3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Fe F e ,0 : |
|
Fe FeO |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Kr |
A |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
2W3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
_1_ |
0,6FeJO jl(112/160) |
+ |
0,4 FeOm(56/72) |
|
||||
|
А |
F e2o f (112/160) |
+ |
РеОш(5 6/7 2 ) |
|
||||
|
|
|
|||||||
|
|
F e ,O f |
+ 0,741 FeO 01 |
|
n , |
|
|||
|
|
_________________ |
_ |
|
JbJLg |
|
|||
|
A |
F e20 ? |
+ l.lllF e O 1" |
|
|
A |
|
||
|
|
Fe20 ^ |
+ |
0,741РеОш |
|
|
|
|
|
В = --------------------------- , |
|
|
|
|
|||||
|
|
F c jO f |
+ |
1,111РеОш |
|
|
|
|
|
где Fe20 ^ , |
FeO™ — содержание Fe20 3 и FeO в шихте, |
%. |
|||||||
|
С учетом окисленности металлизованного продукта коли |
||||||||
чество |
восстановительного газа |
|
|
|
|||||
V r = |
|
- |
С)Fe”6iu, |
|
|
|
|
||
где |
С — поправка на окисленность металлизованного |
продук |
|||||||
та, |
равная |
0,52FeOM/Fe£6ui; Fe^m. FeOMсодержание обще |
|||||||
го железа и FeO в металлизованном продукте, %. |
|
||||||||
|
В этом случае |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
0 , 6 |
|
Fe2O f |
+ |
0,741РеОш |
|
|
Ут |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СОТ) |
+ |
Н21) |
F c2O f |
+ |
l . l l l F e O "1 |
|
||
|
|
'с о |
Н , |
|
|||||
- 0,52 |
FeO',м |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Гвобш- |
|
|
|
|
|
||
Зная расход восстановительного газа в час, можно опре делить производительность установки по металлизованному продукту:
£>r<cot)c o + H27,H2)
Г |
f |
+ 0,74lFeO™ |
FeOM |
F*o6itt®*^| |
^ |
““ - |
0,52 |
|
F c 20 j 1 + |
1,111 F eO **1 |
р .м |
|
г с общ |
где Qr — расход восстановительного газа, м*/ч. 218
Из полученных выражений видно, что как удельный расход газа, так и часовая (суточная) производительность шахтной печи зависят от качества исходного и металлизованного продукта и степени использования газа. Это подтвердили исследования, проведенные на установке Белорецкого метал лургического комбината, которые показали, что в данных условиях изменение производительности прямо связано со степенью использования водорода, в то время как степень использования СО остается практически постоянной.
Пример расчета {для условий БМК). Шихта состоит из окатышей с содержанием 92% Fe20 “ и 2% FeOm. Металлизованный продукт содержит 90 % Fe^gm и 4%FeOM. Восстано вительный газ содержит 69,4 % Н2; 22,1 % СО. Степень
использования |
газа |
•») |
= 0,13; |
т) = 0,44. Расход |
газа |
|
е г = 2700 М3/ч. |
|
Н2 |
СО |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчетная производительность установки в этом случае |
||||||
составит: |
|
|
|
|
|
|
2700 (0,694 • 0,13 |
+ |
0,221 |
• 0.44) |
= 965 кг/ч, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,9 |
|
|
|
|
|
|
или 23,2т/сут |
(фактическая |
производительность в |
этих |
|||
условиях составляла 22т/сут). |
|
|
|
|||
Расчет профиля шахтной |
печи |
|
|
|
||
Предельно допустимая скорость газового потока
Обычно для |
шахтной |
печи фактическая скорость движения |
|
газов |
составляет 8—9 м/с, порозность движущегося слоя |
||
~ 0,4, |
поэтому |
скорость движения газа в расчете на сво |
|
бодное |
сечение |
составит |
3,2—3,6 м/с. |
Определение диаметра колошника (рис. 47)
Диаметр колошника
3600 • 0,785 рЫ
где V — объем колошникового га
за, м3/т |
продукта; |
G - |
производи |
|||
тельность |
печи, т/ч: |
и — |
скорость |
|||
газа; |
р — давление |
газа |
на |
колош |
||
нике, |
кПа; |
Т — температура колош |
||||
никового |
газа, К; 0,785 |
= п:4. |
||||
Определение основных размеров шахтной печи
|
Исходя из обобщенных данных по |
||||||||
профилям |
малых |
доменных |
печей |
||||||
(250-400 м3), |
диаметр |
горна |
dr |
= |
|||||
= |
4,0-5-5,2 м; диаметр |
распара |
D |
= |
|||||
= |
5,0-5-6,2 м; |
диаметр |
|
колошника |
|||||
dK = |
3,8-5-5,2 м; полезная |
высота |
- |
||||||
Я 0 - |
19-5-25 м; |
V:A = 16-5-24; H.D |
= |
||||||
= |
4,1+4,7; |
D:dr |
= |
1,2+1,33; |
|||||
dK:D= |
0,67+ |
0,79; |
dK:dr |
= 0,84 |
+ |
||||
+ |
0,97, где |
V |
— объем |
печи; |
Я |
- |
|||
площадь горна. |
|
|
|
|
|
||||
Рис. 47. Профиль шахтной печи
Для шахтной печи dr - диаметр цилиндрической части зо ны охлаждения; А — площадь ее сечения. Угол наклона стен шахты— 84—87°, стен заплечиков 7786°.
Пример расчета. Исходные данные: производительность
печи |
1800т/сут; |
удельная |
производительность 4,5 т/м3; |
|||||
объем |
печи |
400 м3. Давление |
газа у фурм— 392кПа, на ко |
|||||
лошнике— |
294 кПа. |
Температура |
восстановительного |
газа |
||||
700 °С, |
колошника — |
450 °С. |
Количество |
восстановительного |
||||
газа 2100 м3/т, колошникового |
газа - |
1894 м3/т. |
|
|||||
Определение |
диаметра |
колошника: |
V = 2100 м3/т; |
Т = |
||||
= 450+ 273 = 723 К; |
|
р = 294 |
кПа; |
ы = 3,5 м/с; |
G = |
|||
= 75 т/ч. |
|
|
|
|
|
|
|
|
220