3 Специальная часть

3.1 Расчет печи «Ромелт»

3.1.1 Исходные данные для расчета

Состав компонентов, используемых в шихте, указан в таблице 3.

Таблица 3 – Состав компонентов шихты

Компоненты	Руда	Флюс	Уголь
С	0,000		64,43
Fe(общ)	59,525	15,797	7,140
FeO	28,744	20,31	0
Fe2O3	53,097	0	10,2
SiO2	6,741	16	54
Al2O3	0,412	5,8	27
CaO	8,667	36	3,8
MgO	1,078	15	1,2
MnO2	0,061	5,6	0
Na2O	0,151	0	0,8
K2O	0,059	0	2,3
TiO2	0,013	0,6	0
SO3	0,05	0,23	0
P2O5	0,024	0,46	0,7
ППП	0,905	0	0
Проверка:	100,00	100,00	100,00

Технический состав угля представлен в таблице 4 [15].

Таблица 4 - Технический состав угля

Компонент	Содержание
Wу(влага "угля")	0,05
Aуc(содержание золы "угля")	0,14
Sу(сера "угля")	0,0057
Vуc(летучие "угля")	0,16
Состав летучих "угля":
CO	0,18
CO2	0,09
H2	0,03
N2	0,43
CH4	0,27

3.1.2 Расчет основных геометрических размеров печи

Расчет технологических параметров печи Ромелт начинается с определения основных геометрических размеров печи, задаваемых производительностью по чугуну.

Годовая производительность по чугуну – П , т. Рабочее время – 350 суток в году. Часовая производительность по чугуну:

. (1)

На опытной печи Ромелт НЛМК при работе на шламах ККЦ с Fe = 52 % достигнута удельная производительность по чугуну 0,9 т/м²∙час. Под удельной производительностью принимается часовая производительность по чугуну, отнесенная к площади сечения печи в плоскости фурм нижнего ряда. При переработке концентратов, содержащих 44,384 % принимаем значения часовой производительности – 10 т/час.

Площадь шлаковой ванны в плоскости фурм нижнего ряда составит S=10 м². Ширина шлаковой ванны, из условий достаточного перемешивания и исключения влияния дутья фурм противоположного ряда на работу кессонов нижнего ряда, составляет a = 2,0 - 2,5 м. Принимаем ширину шлаковой ванны равной 2,5. Длина шлаковой ванны b = S/a = 10 /2,5 = 4 м.

Рабочая зона печи ограничена кессонами. Первые два ряда кессонов, работающих в зоне интенсивного барботажа и подвергающихся тепловому и механическому воздействию, выполнены из бескислородной катаной меди. Торцевые кессоны выполнены из медных квадратных труб. Пояс медных кессонов охлаждается химически очищенной водой и составляет по высоте 2 м.

На уровне выше второго ряда кессонов стены выполнены с наклоном в 20º, обеспечивающим расширение рабочей камеры в верхней части печи. Кессоны верхней части (зоны дожигания) и сводовые кессоны изготовлены из стальных труб, работающих на испарительном охлаждении.

Использование охлаждаемых кессонов в реакционной зоне и зоне дожигания позволяет обеспечить длительную работу печи. Тепловые потоки через водоохлаждаемые стенки выше, чем через огнеупорную футеровку. Образование гарнисажа позволяет снизить тепловые потери. Помимо этого, использование испарительного охлаждения позволяет утилизировать тепло пара на выработку электроэнергии.

Основные размеры рабочей камеры печи Ромелт представлены ниже.

Размеры горизонтального сечения на уровне фурм нижнего ряда:

• площадь –10 м²;

• длина –4 м;

• ширина –2,5 м.

Высота:

• рабочего пространства от подины до свода –6,0 м;

• от подины до нижней части кессонов первого ряда – 1,0 м;

• от подины до фурм нижнего ряда – 1,5 м;

• от подины до фурм верхнего ряда – 4,0 м;

Угол наклона кессонов зоны дожигания - 20.

Для расчета полного теплового баланса печи следует рассчитать площади кессонов зоны барботируемой ванны, площадь кессонов зоны дожигания.

К рабочей зоне печи примыкают отстойники шлака и чугуна. Отстойники футеруются периклазохромитовыми и магнезитовыми огнеупорами и снабжены летками для непрерывного или периодического скачивания шлака и металла. Подина печи футерована графитовыми блоками и магнезитовой кладкой.

В торцах печи, со стороны шлакового и металлического отстойников на уровне подины, предусмотрены летки для полного выпуска расплава во время остановок печи.

Отстойники снабжены водоохлаждаемыми футерованными съемными крышками. В крышках располагаются отверстия для отвода газов в рабочее пространство печи.

Рабочая камера и отстойники представляют собой три сообщающихся сосуда. Уровни металла и шлака в рабочем пространстве и отстойниках связаны соотношением:

(2)

где - уровень металла в металлическом отстойнике и печи, м;

- уровень спокойного шлака в печи, м;

- плотность спокойного металла и шлака, соответственно, кг/м3.

Уровень спокойного шлака в печи должен быть выше уровня фурм нижнего ряда на 0,3 – 0,5 м и составляет ~2 м. Металл должен полностью перекрывать металлический переток и не доходить до уровня кессонов нижнего ряда, т.е. находиться в пределах 0,4 - 0,6 м. Плотность металла ~ 7800 кг/м³, плотность шлака ~ 2600 кг/м³. Принимая , получаем

Из расчета следует, что при высоте металлического перетока 350 мм, стационарная чугунная летка должна находиться на уровне ~900 мм. Высота шлакового перетока ограничена кессонами нижнего ряда и составляет 850 мм. Стационарная шлаковая летка должна находиться на уровне ~1900 мм.

3.1.3 Расчет дутья на фурмы нижнего ряда

По данным, полученным в ходе опытных кампаний на НЛМК, для обеспечения эффективного перемешивания шлаковой ванны удельный расход дутья на фурмах нижнего ряда должен находиться в пределах 500-700 нм³/м²час. Принимаем удельный расход дутья 600 нм³/час.

Общее дутье фурм нижнего ряда Д_Н.р. = 600*S =600*20=6000 нм³/час. Содержание кислорода в дутье фурм нижнего ряда может варьироваться в пределах 40 - 95 %. Устойчивая тепловая работа печи достигается при содержании кислорода выше 50 % и принимается в данном расчете на уровне 60%.

В процессе можно использовать кислород, содержащий от 50 до 99,5 % О₂. Обычно в расчетах принимают чистоту кислорода на уровне 95%. В расчете принята чистота кислорода 99,5 % О₂.

; (3)

где – объем воздуха в дутье нижнего ряда фурм;

- объем технического кислорода в дутье нижнего ряда фурм.

;

V_к=6000∙(0,6-0,21)/0,785=2 980,89 нм³/час.

V_д=6000*10-V_к=3 019,11 нм³/час.

3.1.4 Материальный баланс

Характерной особенностью высокоинтенсивных жидкофазных процессов является наличие слоя шлака, продуваемого кислородом или кислородсодержащим газом. Другим названием таких процессов является название «барботажные». Высокие температуры и активное перемешивание жидкой шлаковой ванны способствуют существенной интенсификации тепло и массобменных процессов. Это позволяет достигать высоких удельных показателей работы барботажных печей. В процессе Ромелт горение углерода в кислородсодержащем дутье фурм нижнего ряда получило название «холостого хода».

3.1.4.1 Приход материалов и энергоносителей

Приход железа с шихтовыми материалами

С рудой:

Fe_р = Р∙(Fe_Мр + FeO_р∙56/72+Fe₂O_{3 р}∙112/160), кг/т _. (4)

С флюсом:

Fe_ф = Ф∙ ∙(Fe_Мф + FeO_ф∙56/72+Fe₂O_{3 ф}∙112/160), кг/т. (5)

С золой угля:

Fe_у = У∙ ∙Fe₂O_{3 у} ∙112/160, кг/т _. (6)

Введем коэффициенты выхода железа из шихтовых материалов:

= Fe_Мр +FeO_р∙56/72+Fe₂O_{3 р}∙112/160=0+28,74∙56/72+53,10∙112/160 =

=0,595 д.е. (2.25)

= (Fe_Мф + FeO_ф∙56/72+Fe₂O_{3 ф}∙112/160) =(0+20,31∙56/72+0,00∙112/160)∙1=

=0,158 д.е. (2.26)

= ∙Fe₂O_{3 у} ∙112/160=0,14∙10,20∙112/160=0,010, д.е.

Приход железа:

Fe_прих. =P ∙ +Ф∙ +У =Р∙0,595+Ф∙0,158+У∙0,010

Приход железа в чугун.

Введем соответствующие доли примесных элементов, переходящих в чугун из шихтовых материалов , , .

=(SiO_2р∙28/60)∙0,02+(MnO_2р∙55/87)∙0,15+(Cr₂O_3р∙104/152)∙0,4+

+(NiO_р∙58,7/74,7)∙0,97+(V₂O_5р∙102/182)∙0,4+(Cu₂O_р∙127/143)∙0,97+

+(SO_3р∙32/80)∙0,06+(P₂O_5р∙62/142)∙0,3=(6,55∙28/60)∙0,02+

+(0,06∙55/87)∙0,15+(0,05∙32/80)∙0,06+(0,02∙62/142)∙0,3=0,001 д.е.)

(SiO_2ф∙28/60)∙0,02+(MnO_2ф∙55/87)∙0,15+(Cr₂O_3ф∙104/152)∙0,4+ +(NiO_ф∙58,7/74,7)∙0,97+(V₂O_5ф∙102/182)∙0,4+(Cu₂O_ф∙127/143)∙0,97+

+(SO_3ф∙32/80)∙0,06 +(P₂O_5ф∙62/142)∙0,3=(14,00∙28/60)∙0,02+

+(5,60∙55/87)∙0,15+(0,23∙32/80)∙0,06+(0,46∙62/142)∙0,3=0,007 д.е.

((SiO_2у∙28/60)∙0,02+(MnO_2у∙55/87)∙0,15+(Cr₂O_3у∙104/152)∙0,4+

+(NiO_у∙58,7/74,7)∙0,97+(V₂O_5у∙102/182)∙0,4+(Cu₂O_у∙127/143)∙0,97+

+(P₂O_5ф∙62/142)∙0,3)+(SO_3у∙32/80)∙0,06+S_у∙S_м=0,14∙(54,00∙28/60) 0,02+

+(0∙55/87)∙0,15+(0∙104/152)∙0,4+(0∙58,7/74,7)∙0,97+(0∙102/182)∙0,4+

+(0∙127/143)∙0,97+(0,70∙62/142)∙0,3)+0,0057∙0,06=0,001, д.е.

Суммарный приход примесных элементов, кроме углерода, на 1т чугуна:

- из руды – =Р 0,001, кг/т

- из флюса – = Ф 0,007, кг/т

- из угля - =У 0,001, кг/т

3.1.4.2 Расход элементов

Переход железа в шлак.

Устойчивая работа печи Ромелт характеризуется стабильным содержаением FeO в шлаке. Оно колеблется в диапазоне 1,5-4,0%. Снижение содержания FeO ниже 1,5% нецелесообразно из-за перерасхода угля и кислорода. Работа на шлаках, содержащих более 4-5% FeO может привести к аварийным ситуациям, связанным с вскипанием шлаковой ванны и выбросу расплава из печи. В расчёте рекомендуется принимать содержание FeO в шлаке на уровне 2%.

Для расчёта перехода железа в шлак необходимо определить выход шлака из шихтовых материалов.

В выражениях выходов шлака из шихтовых материалов коэффициенты перехода компонентов в шлак определяются как разница между 1 и долей перехода соответствующего компонента в чугун. Это связано с тем, что для упрощение выражений в качестве переменных P, Ф и У приняты количества сухих материалов за вычетом пылеуноса.

Ш_ф =Ф∙ (0,98∙SiO_2ф+0,98∙MgO_2ф +0,98∙CaO_ф+0,98∙Al₂O_3ф+0,85∙MnO_2ф+

0,6∙Cr₂O_3ф+0,03∙NiO_ф +0,6∙V₂O_5ф +0,98∙TiO_2ф+0,5∙(K₂O_ф+Na₂O_ф)+0,03∙Cu₂O_ф+

+0,03∙SO_3ф+0,4∙P₂O_5ф)=Ф∙(0,98 14+0,98∙16+0,98∙38+0,98∙4,8+0,85 5,6+0,6 0+

+0,03 0+0,6 0+0,98∙0,6+0,5 (0+0)+0,03 0+0,03 0,23+0,4 0,46)=Ф 0,765кг/т

Ш_у=У∙А^с (0,98∙SiO_2у+0,98∙MgO_2у+0,98∙CaO_у+0,98∙Al₂O_3у+0,85∙MnO_у+0,6∙Cr₂O_3у+0,03∙NiO_у+

0,6∙V₂O_5у+0,98∙TiO_2у+0,5(K₂O_у+Na₂O_у)+0,03∙Cu₂O_у+0,4∙P₂O_5у)+S_у∙S_шл=

=У∙((0,98 54+0,98∙1,2+0,98∙3,8+0,98∙27+0,85 0+0,6 0+0,03 0+0,6 0+0+

+0,5 (2,3+0,8) +0,03 0+0,4 0,7)∙0,14+0,03 0,0057)=У∙0,119кг/т (21)

После упрощения запишем:

Ш_р = = Р 0,166

Ш_ф = = Ф 0,765

Ш_у = = У∙0,119

Суммарный выход шлака из шихтовых материалов:

= Р 0,166+ Ф 0,765+ У∙0,119

Принимая, что всё железо в шлаке находится в двухвалентном виде и содержание FeO составляет 2%, потери железа со шлаком составят:

(7)

Переход в газовую фазу.

k_р^г=(Fe₂O_3р∙Fe_г+FeO_р∙Fe_г +0,02∙SiO_{2 р}+0,02∙MgO_р+0,02∙CaO_р+0,02∙Al₂O_3р+0,02∙MnO_2р+

0,02∙Cr₂O_3р+0,02∙NiO_р+0,02∙V₂O_5р+0,02∙TiO_2р+0,5∙(K₂O_р+Na₂O_р)+0,03∙Cu₂O_р+0,91∙SO_3р+

0,3∙P₂O_5р)/100=(0,03∙53,097+0,03∙28,744+0,02∙6,553+0,02∙1,265+0,02∙8,667+0,02∙0,412+

+0,02∙0,061+0,02∙0,00+0,02∙0+0,02∙0+0,02∙0,013+0,5∙(0,059+0,151)+

+0,03∙0+0,91∙0,05+0,3∙0,024)/100=0,030

k_ф^г=(FeO_ф∙Fe_г+0,02∙SiO_2ф+0,02∙MgO_ф+0,02∙CaO_ф+0,02∙Al₂O_3ф+0,02∙MnO_2ф+0,02∙Cr₂O_3ф+

0,02∙NiO_ф+0,02∙V₂O_5ф+0,02∙TiO_2ф+0,5∙(K₂O_ф+Na₂O_ф)+0,03∙Cu₂O_ф+0,91∙SO_3ф+0,3∙P₂O_5ф)/100=

=(0,03∙20,31+0,02∙16+0,02∙14+0,02∙38+0,02∙4,8+0,02∙5,6+0,02∙0+0,02∙0+0,02∙0+0,02∙0,6+0,5∙(0+0)+

+0,03∙0+0,91∙0,23+0,3∙0,46)/100=0,025

k_у^г=(Fe₂O_3у∙Fe_г +0,02∙SiO_2у+0,02∙MgO_у+0,02∙CaO_у+0,02∙Al₂O_3у+0,02∙MnO_2у+0,02∙Cr₂O_3у+

+0,02∙NiO_у+0,02∙V₂O_5у+0,02∙TiO_2у+0,5∙(K₂O_у+Na₂O_у)+0,03∙Cu₂O_у+0,3∙P₂O_5у)+S_уS_г)/100=

=(0,03∙10,2+0,02∙54,0+0,02∙1,2+ 0,02∙3,8+0,02∙27,0+0,02∙0+0,02∙0+0,02∙0+0,02∙0+0,02∙0+

+0,5∙(2,3+0,8)+0,03∙0+0,3∙0,70)+0,0057∙0,91)/100=0,010

Запишем уравнения баланса железа:

(8)

После несложных преобразований и вводя коэффициенты:

=0,595+0,001-0,166 0,0159-0,030=0,564д.е.

=0,158+0,007-0,765 0,0159-0,024=0,128 д.е.

=0,010+0,001-0,119 0,0159-0,010=-0,001 д.е.

Получаем формализованное уравнение баланса железа:

Р∙0,564+Ф∙0,128+У∙(-0,001)=955