Братковский Е.В., Заводяный А.В. Расчет состава шихты, материального и теплового балансов агломерационного процесса
Подождите немного. Документ загружается.
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ
(Технологический университет)
НОВОТРОИЦКИЙ ФИЛИАЛ
Кафедра металлургических технологий
Е.В. Братковский, А.В. Заводяный
РАСЧЕТ СОСТАВА ШИХТЫ, МАТЕРИАЛЬНОГО И
ТЕПЛОВОГО БАЛАНСОВ АГЛОМЕРАЦИОННОГО ПРОЦЕССА
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
для выполнения домашнего задания
по дисциплине «Экстракция черных металлов из природного
и техногенного сырья»
для студентов всех форм обучения
Новотроицк 2006
УДК 669.162
Братковский Е.В., Заводяный А.В. Расчет состава шихты, материального и
теплового балансов агломерационного процесса. Методическое пособие
содержит два примера расчета агломерационных шихт при выполнении
домашнего задания по дисциплинам «Экстракция черных металлов из
природного и техногенного сырья», «Основы металлургического
производства», «Добыча, подготовка и обогащение сырья черных
металлов».
НфМИСиС, 2006. – 34 с.
В методическом пособии приведены варианты заданий (приложение
А1-А2). Номер варианта соответствует двум последним цифрам номера
студенческого билета. Составы компонентов агломерационной шихты в
соответствии с вариантом выбираются из приложений Б1-Б4.
Одобрено на заседании кафедры МТ
Протокол №______ от _____ __________ 2006 г.
© Новотроицкий филиал ГОУ
ВПО Московский государственный
институт стали и сплавов
(технологический университет)
(НФМИСиС), 2006
2
Содержание
Введение..............................................................................................................4
1 Исходные данные для расчета........................................................................5
2 Составление первого уравнения по балансу основности шихты и
агломерата...........................................................................................................9
3 Составление второго уравнения по материальному балансу
агломерации.......................................................................................................10
4 Уравнение теплового баланса агломерации................................................14
4.1 Теплота горения углерода в СО и СО
2
..................................................15
4.2 Теплота зажигания и дополнительного обогрева спекаемого
слоя /q
заж
, q
доп.об.
/............................................................................................16
4.3 Теплота шихты........................................................................................17
4.4 Теплота горения органической серы и сульфидов /q
s
/........................17
4.5 Теплота минералообразования (q
m
)......................................................17
4.6 Теплота окисления FeO до Fe
2
O
3
..........................................................17
4.7 Теплота всасываемого в слой воздуха.................................................18
4.8 Энтальпия отходящих газов /q
отх.г.
/.........................................................20
4.9 Энтальпия пирога готового агломерата /q
агл
/........................................22
4.10 Теплота испарения гигроскопической влаги /q
гигр.
/.............................22
4.11 Теплота разложения гидратов и испарения гидратной воды /
q
гидр.
/................................................................................................................ 22
4.12 Теплота диссоциации карбонатов.......................................................23
4.13 Теплота, расходуемая на диссоциацию оксидов / q
дисс
/.....................23
4.14 Тепловые потери /q
т.п.
/..........................................................................23
5 Материальный и тепловой балансы спекания агломерата.........................24
Список рекомендуемой литературы.................................................................27
Приложение А1 – Варианты заданий (состав рудной и топливной части
шихты)................................................................................................................28
Приложение А2 – Варианты заданий (основность агломерата и расход
добавочных материалов)..................................................................................30
Приложение Б1 – Химический состав компонентов агломерационных
шихт....................................................................................................................31
Приложение Б2 – Химический состав марганцевых руд................................33
Приложение Б3 – Химический состав флюсов и бентонитов.........................34
Приложение Б4 – Химический состав твердого топлива................................35
3
Введение
Расчет агломерационной шихты ведут с целью определения такого
соотношения между ее компонентами, которое обеспечит получение
агломерата заданного качества. В простейшем случае при заданном
расходе руды и коксовой мелочи необходимо вычислить только расход
известняка (Y кг/100 кг агл.). Расчет сводится при этом к решению одного
уравнения с одним неизвестным (уравнение баланса основности шихты).
Зная содержание SiO
2
в руде до и после перешихтовки, легко вычислить и
величину поправки к расходу известняка в шихту. На практике это случается
при внезапном изменении состава спекаемых руд и концентратов.
Расчет усложняется в случае совместного определения расхода
рудной смеси (X кг/100 кг агл.) и известняка (Y кг/100 кг агл.), расход
коксовой мелочи задается при этом на основании экспериментальных
данных или с учетом реальных расходов топлива на агломерационных
фабриках при спекании однотипных руд. Расчет сводится к решению
системы двух уравнений с двумя неизвестными (уравнения материального
баланса спекания и уравнения баланса основности агломерата).
Разновидностью такого рода расчетов является определение состава
шихты, состоящей из двух или нескольких сортов руд, концентратов,
обеспечивающих получение агломерата заданной основности и с заранее
заданным содержанием железа. Расходы двух руд (X
1
и X
1
кг/100 кг агл.) и
известняка (Y кг/100 кг агл.) определяются при этом решением системы трех
уравнений с тремя неизвестными (уравнения материального баланса
спекания, баланса основности агломерата, баланса железа при спекании).
Расход коксовой мелочи задается перед началом расчетов.
Полный расчет шихты предусматривает совместное определение
расходов рудной смеси (X кг/100 кг агл.), известняка (Y кг/100 кг агл.) и
коксовой мелочи (Z кг/100 кг агл.) при решении трех уравнений с тремя
неизвестными (уравнения материального баланса спекания, баланса
основности агломерата, теплового баланса агломерации). Такой расчет
производится на аглофабрике при переходе на совершенно новую, ранее
никогда не спекавшуюся шихту. Равным образом, при проектировании
металлургических заводов, когда экспериментальные данные о расходе
топлива на спекание отсутствуют, необходимо производить полный расчет
шихты с определением расхода коксовой мелочи из теплового баланса
спекания. В рамках курсового и дипломного проектирования студенты также
выполняют полный расчет аглошихты. Ниже приведены примеры полных
расчетов аглошихты при спекании различных типов руд в агломерат с
применением различной технологии агломерации.
4
Примеры полных расчетов агломерационной шихты с одновременным
определением расхода руды (X кг/100 кг агл.), известняка (Y кг/100 кг агл.),
коксовой мелочи (Z кг/100 кг агл.)
1 Исходные данные для расчета
В этой главе будут рассчитаны две шихты разных типов, каждая из
которых спекается на ленточной агломашине, оборудованной, помимо
зажигательного горна, газовыми горелками дополнительного обогрева
спекаемого слоя.
В таблице 1 приведен химический состав компонентов аглошихт.
расход многих второстепенных компонентов шихты задается заранее перед
расчетом. Можно, например, задаться расходом колошниковой пыли на 100
кг агломерата, исходя из ее количества в доменном цехе (вся пыль из сухих
пылеуловителей, а также шлам из скрубберов, труб Вентури,
комбинированных блоков скрубберов с электрогазоочистителями) и в
отвалах, разработка отвалов с целью утилизации пыли в ряде случаев
оказывается выгодной. Химический состав колошниковой пыли должен,
конечно, соответствовать составу агломерата, т.е. иметь приблизительно ту
же основность, содержать те же полезные и вредные примеси. Напомним,
что существенное различие по химическому составу между колошниковой
пылью, выносимой из печи, и агломератом при проплавке его в доменной
печи – это содержание в пыли до 6-8% углерода. В связи с этим содержание
железа в колошниковой пыли всегда ниже, чем в рудной части доменной
шихты.
Количество окалины и чугунного крошья определяется в проекте из
баланса металла, соответственно, в прокатных и механических цехах
содержание марганцевой руды в агломерационной шихте определяется,
исходя из требуемого содержания марганца в агломерате и чугуне. Добавки
извести улучшают комкуемость шихты и повышают, вследствие этого,
производительность ленты.
Ниже приведены два примера расчетов шихты для случаев спекания:
1) смеси бакальских бурых железняков (80%) и сидеритов (20%) на
топливной смеси 80% коксовой мелочи + 20% антрацитового штыба при 8 кг
окалины и 42 кг возврата (на 100 кг агломерата);
2) магнетитового Криворожского концентрата на топливной смеси 50%
коксовой мелочи + 50% антрацитового штыба при 6 кг извести и 50 кг
возврата (На 100 кг агломерата).
Всякий расчет аглошихты может быть осуществлен лишь при наличии
полных химических анализов всех компонентов шихты (таблица 1).
Рассмотрим подробнее методику составления таблицы химического
состава сырья.
Обратим, прежде всего, внимание на то, что все анализы пересчитаны
на сухую массу. В таблицу 1 входит, следовательно, только гидратная вода,
но не гигроскопическая влага.
5
Рудная часть аглошихты №1 состоит, по заданию, из 80% бакальского
бурого железняка и 20% бакальского сидерита.
6
Таблица 1 – Химический состав компонентов агломерационных шихт
(на сухую массу)
Компонент
шихты
FeO Fe
2
O
3
MnO SiO
2
Al
2
O
3
CaO MgO S
орг
FeS
FeS
2
Шихта № 1
бакальский
бурый
железняк
1,56 69,91 1,63 10,14 3,57 0,52 1,21 - -
бакальский
сидерит
28,86 16,75 1,50 6,88 2,59 2,96 8,92 - -
смесь 80%
бурого
железняка и
20% сидерита
7,02 59,29 1,60 9,49 3,37 1,01 2,75 - -
коксовая
мелочь
- 2,80 0,21 6,01 3,20 1,36 0,64 0,31 0,35/-
антрацитовый
штыб
- 1,96 0,17 7,21 3,08 1,11 0,39 0,27 -/
топливная
смесь: 80%
коксовой
мелочи и 20%
антрацитового
штыба
- 2,63 0,20 6,26 3,18 1,31 0,59 0,30
08,0
20,0
известняк - 0,82 - 1,18 0,40 52,0 2,60 - -
окалина 3,90 94,0 0,50 0,85 0,15 0,40 0,10 - -
Шихта № 2
магнетитовый
концентрат
21,46 64,55 0,08 11,65 1,27 0,86 - - -
коксовая
мелочь
- 4,70 0,37 8,42 2,17 0,44 0,26 1,44 0,71/-
антрацитовый
штыб
- 2,19 0,11 6,75 1,83 0,23 0,17 1,21 -/0,98
топливная
смесь: 50%
коксовой
мелочи и 50%
антрацитового
штыба
- 3,45 0,24 7,58 2,0 0,33 0,21 1,33
49,0
36,0
известняк - 0,38 - 2,10 0,80 43,80 8,90 - -
известь - 1,01 - 2,02 0,88 84,94 3,0 - -
7
продолжение таблицы 1
Компонент
шихты
SO
3
P
2
O
5
C
нел
CO2
V
лет топ
H
2
O
гидр
Fe
общ
Mn
общ
P
общ
S
общ
Шихта № 1
бакальский
бурый
железняк
0,07 0,08 - -
31,11
бакальский
сидерит
0,40 0,07 - 31,07 -
смесь 80%
бурого
железняка и
20% сидерита
0,14 0,08 - 6,21
05,9
46,957 1,240 0,035 0,056
коксовая
мелочь
0,21 0,02 83,89 -
10,1
антрацитовый
штыб
0,31 0,02 77,03 -
06,8
топливная
смесь: 80%
коксовой
мелочи и 20%
антрацитового
штыба
0,23 0,02 82,52 -
49,2
2,006 0,155 0,009 0,508
известняк 0,20 0,04 - 42,76 - 0,574 - 0,017 0,080
окалина 0,06 0,04 - - - 68,834 0,387 0,017 0,024
Шихта № 2
магнетитовый
концентрат
0,05 0,08 - - - 61,881 0,062 0,035 0,020
коксовая
мелочь
0,04 0,02 78,79 -
28,2
антрацитовый
штыб
0,54 0,02 80,05 -
92,5
топливная
смесь: 50%
коксовой
мелочи и 50%
антрацитового
штыба
0,47 0,02 79,42 -
10,4
2,873 0,186 0,009 1,910
известняк 0,04 0,02 - 43,96 - 0,266 - 0,009 0,016
известь 0,02 0,15 - 5,61
37,2
0,707 - 0,065 0,008
В таблице 1 состав этих руд подсчитан исходя из содержания их в
смеси; так например, содержание
(Fe
2
O
3
)
смеси
= (Fe
2
O
3
)
б.жел
·0,8+( Fe
2
O
3
)
сид
·0,2 = 69,9·0,8 + 16,75·0,2 =
59,29%;
аналогично
(SiO
2
)
смеси
= 10,14·0,8 + 6,88·0,2 = 9,49%;
(H
2
O
гигр
)
смеси
= 11,31·0,8 + 0·0,2 = 9,05%.
8
При составлении таблицы 1 следует учитывать и данные
петрографического анализа сырья, если такого рода сведения имеются и
опубликованы. Расчеты будут точнее в том случае, когда минеральный
состав сырья подробно изучен. Так, в марганцевых рудах России марганец
чаще входит в состав пиролюзита (MnO
2
), родохрозита (MnCO
3
) и
значительно реже – в состав браунита (Mn
2
O
3
), гаусманита (Mn
3
O
4
).
Понятно, что количество кислорода, связанного с Mn, в каждом из этих
веществ различно. Соответственно, различные топливные затраты будут
получены при составлении теплового баланса спекания. Все сказанное
относится и к другим химическим составляющим руд, коксовой мелочи и
известняка. В частности, сера в рудах может входить в состав сульфидов
(FeS
2
, FeS, ZnS и др.) и в состав сульфатов (CaSO
4
·2H
2
O, BaSO
4
и т.п.).
Кроме того, в коксовой мелочи сера может входить в элементарном
состоянии в структуру углистого вещества (органическая сера).
Специальное исследование, проведенное на донецком коксе А.С. Бруком,
И.Г. Петренко, позволило определить следующее распределение серы в
коксе по типам:
сера сульфидная – от 17,9 до 26,6%; сера сульфатная – от 1,9 до
6,4%; сера органическая – от 71,38 до 76,7%.
Четыре последние строки в таблице 1 содержат сведения о
суммарном содержании Fe, Mn и S в сырье. Эти получены пересчетом из
полного химического анализа по следующим формулам:
.мет
232
общ
FeFeS
120
56
FeS
88
56
FeO
72
56
OFe
160
112
Fe
= 0,7Fe
2
O
3
+ 0,778FeO + 0,636FeS + 0,467FeS
2
+ Fe
мет
32
2общ
OMn
158
110
MnO
87
55
MnO
71
55
Mn
0,775MnO + 0,632MnO
2
+
+ 0,696Mn
2
O
3
;
P
общ
= 0,437Р
2
О
5
;
S
общ
= S
орг
+ 0,533FeS
2
+ 0,364FeS + 0.40SO
2
(здесь же при
необходимости учитывается сера, ZnS, PbS и др. сульфидов).
Заканчивая обсуждение содержания таблицы 1, подчеркнем, что
перед началом расчетов необходимо тщательно выверить анализы сырья.
Сумма содержаний всех компонентов в каждом анализе должна быть равна
точно 100,00% (Fe
общ
, Mn
общ
, Р
общ
, S
общ
, естественно, в 100% не входят).
Перед началом расчетов следует также задаться основностью
агломерата и содержанием FeO и Fe
мет
в нем. В рассматриваемом случае
зададим основность (CaO + MgO)/(SiO
2
+ Al
2
O
3
) агломератов, спекаемых по
шихтам 1 и 2, соответственно равной 1,4 и 1,2. Содержание FeO в
офлюсованных агломератах из гематитовых, мартитовых и магнетитовых
9
руд колеблется в пределах от 11 до 17%. В соответствии с этим зададимся
следующим содержанием закиси железа в агломератах: 17% – агломерат по
шихте 1, 15% – по шихте 2.
2 Составление первого уравнения по балансу основности шихты
и агломерата
Уравнение баланса основности шихты и агломерата в общем виде:
M)OAlSiO(Z)OAlSiO(Y)OAlSiO(X)OАlSiO(
M)MgOCaO(Z)MgOCaO(Y)MgOCaO(X)MgOCaO(
b
д32д2к32к2и32и2р32р2
добдоб
ккиирр
где CaO
р
, CaO
и
, CaO
к
, CaO
доб
– содержание CaO в руде, известняке,
коксовой мелочи, в добавках, % (таблица 2);
MgO
р
, MgO
и
, MgO
к
, MgO
доб
– содержание MgO в руде, известняке, коксовой
мелочи и добавках, %;
SiO
2р
, SiO
2и
, SiO
2к
, SiO
2доб
– содержание SiO
2
в руде, известняке, коксовой
мелочи и добавках, %;
Al
2
O
3р
, Al
2
O
3и
, Al
2
O
3к
, Al
2
O
3
– содержание Al
2
O
3
в руде, известняке, коксовой
мелочи и добавках, %;
M – расход добавок, кг/100кг агл. (см. таблицу 1);
X,Y,Z – расходы руды, известняка и топлива при агломерации, кг/100 кг агл.
Данные о содержании SiO
2
, Al
32
O
, CaO, MgO в компонентах шихты
находим по таблице 1.
Аглошихта 1
4,1
8)15,085,0(Z)18,325,6(Y)4,018,1(X)37,349,9(
8)1,04,0(Z)59,031,1(Y)6,252(X)75,201,1(
14,244X – 52,388Y + 11,302Z= -7,2;
Аглошихта 2
2,1
6)88,002,2(Z)0,258,7(Y)8,01,2(X)27,165,11(
6)0,394,84(Z)21,033,0(Y)9,88,43(X86,0
14,644X – 49,22Y + 10,956Z = 506,76.
После того, как уравнения основности агломератов составлены,
следует проверить правильность расстановки знаков в них. Члены
уравнения, характеризующие руды, концентраты, окалину, топливную смесь,
т.е. компоненты шихты, требующие офлюсования, идут в уравнении со
знаком “плюс”, а сами флюсы (известняк, известь) – со знаком «минус».
10