Братковский Е.В., Заводяный А.В. Расчет состава шихты, материального и теплового балансов агломерационного процесса

Подождите немного. Документ загружается.

3 Составление второго уравнения по материальному балансу

агломерации

Задача составления такого уравнения была наиболее точно решена

И.Л. Малкиным и Ф.М. Базановым в 1995 г. (журнал “Сталь”, 1955 г., №9,

с.788-790).

По этой методике при спекании окисленного агломерата сначала

подсчитываются потери массы каждого компонента аглошихты при спекании

без учета процессов диссоциации и восстановления окислов. Учитывается

выгорание из шихты углерода (С

нелет

), удаление летучих коксовой мелочи

лет

), гидратной влаги (H

гидр

), углекислоты карбонатов (СО

), 90-98%

органической и сульфидной серы, 50-70% сульфатной серы:

d = C

нелет

лет

гидр

+ CO

+ 0,95 (S

орг

FeS

)+ 0,6SO

– O

окисл. Fe

(кг /

100 кг компонента шихты ) – формула Базанова-Малкина.

В этой формуле, по сравнению с первоначальным вариантом

формулы Базанова-Малкина, нами введен раздельный учет удаления

различных видов серы, а также учет массы кислорода, перешедшего в

агломерат из газовой фазы при окислении железа сульфидов и

металлического железа по реакциям:

4FeS

+ 11O

= 2Fe

+ 6SO

;

4FeS +7O

= 2Fe

+ 4SO

;

4Fe + 3O

= 2Fe

Так как уменьшение массы компонента шихты учитывается со знаком

«плюс», естественно учитывать увеличение его массы при окислении

железа со знаком « – ».

При спекании металлизованного агломерата степень удаления всех

видов серы составляет 40-60%:

d = C

нелет

+ V

лет

+ H

гидр

+ СО

+ 0,5(S

орг

FeS

+ S

FeS

+ SO

С учетом сказанного, выведем теперь общее уравнение

материального баланса процесса спекания. Пусть d

, d

–

соответственно потери массы руды, известняка, коксовой мелочи и добавок

при спекании (кг/100 кг компонентов шихты);

(100-d

), (100-d

) – соответственно масса руды, известняка,

коксовой мелочи и добавок, переходящая в агломерат

(кг/100 кг компонентов шихты);

100

)d100(

;

100

)d100(

;

100

)d100(

;

100

)d100(

MZYX



– соответственно масса

руды, известняка, коксовой мелочи и добавок, переходящая в агломерат из

1 кг каждого из этих компонентов шихты

( кг/100 кг компонентов шихты).

100

)d100(





– масса руды, переходящая при спекании в агломерат в

расчете на 100 кг.

Здесь X – расход руды (кг руды/100 кг агломер.).

Суммарно размерность этого выражения:(кг/100 кг агломер.).

100

)d100(

100

)d100(

100

)d100(

MZY



- соответственно массы

известняка, коксовой мелочи и добавок, переходящие при спекании в

агломерат (в расчете на 100 кг агломер.). Общая масса агломерата может

быть представлена следующим образом:

.AM

100

)d100(

100

)d100(

100

)d100(

100

)d100(

MZYX

















Эта масса агломерата была бы равна 100 кг, если бы были учтены

потери кислорода при диссоциации и восстановлении окислов. По условию,

такого рода потери массы в сводном уравнении не учитывались. Поэтому их

необходимо учесть отдельно. Очевидно, что, вычитая из А массу

потерянного при диссоциации и восстановлении кислорода, получим точно

100 кг готового агломерата:

А – О

дисс и восст

= 100 или

А – 100 = О

дисс и восст

Остается теперь лишь определить потери кислорода шихтой при

спекании.

По реакции 2Fe

= 4FeO + O

при образовании 4

28872 

кг закиси

железа выделяется 32 кг кислорода. Следовательно, зная содержание

закиси железа в готовом агломерате, можно определить и массу

выделившегося кислорода.

На 1 кг FeO в агломерате из шихты выделяется

288



кг О

Остается лишь учесть массу FeO, содержащуюся в компонентах шихты до

начала агломерации.

)

100

FeOM

100

FeOZ

100

FeOY

100

FeOX

FeO(

MZYX

.агл.ивосст.дисс

















(кг/100 кг агл.).

Уравнение материального баланса спекания получает, таким образом,

форму:

















100M

100

)d100(

100

)d100(

100

)d100(

100

)d100(

MZYX

100

FeOM

100

FeOZ

100

FeOY

100

FeOX

FeO(

MZYX

.агл

















При спекании руд, содержащих MnO

, Mn

, необходимо учесть и то

количество кислорода, которое выделяется при диссоциации и

восстановлении этих веществ до Mn. Количество выделившегося

кислорода, соответственно, будет равно

MnO

OMn

158

При спекании железорудного агломерата можно без большой ошибки

принимать, что весь марганец находится в агломерате в составе MnO. В

случае расчета шихты на марганцевый агломерат (исключительно из

марганцевых руд) необходимо задаваться содержанием MnO в готовом

агломерате.

Поправка к первоначальной формуле, учитывающая диссоциацию и

восстановление окислов Mn, была введена Ф.М. Базановым и И.Л.

Малкиным позднее, в левую часть уравнения с отрицательным знаком. В

настоящих расчетах она учитывается нами в правой части уравнения с

положительным знаком, что кажется нам более естественным и наглядным.

Наконец, опыты производства металлизованного агломерата

вынуждают сделать еще одно дополнение к уравнению Ф.М. Базанова и

И.Л.Малкина, с учетом потерь кислорода шихтой при получении

металлического железа в структуре готового агломерата.

По реакции 2Fe

= 4Fe + 3O

на 56

2244 

кг Fe выделяется

3·32 = 96 кг кислорода. Таким образом, на 1 кг Fe выделяется

428,0

кг224

кг96



кг кислорода.

С учетом всех дополнений уравнение материального баланса

агломерации имеет вид:

















100M

100

)d100(

100

)d100(

100

)d100(

100

)d100(

MZYX



















100

MMnO

)

100

FeOM

100

FeOZ

100

FeOY

100

FeOX

FeO(

Mn2MZYX

.агл

.агл.мет

Mn32

Fe4285,0

100

MOMn

158

100



Отметим, что в случае спекания металлизованного агломерата из

шихты, содержащей чугунное крошье, количество металлического железа

шихты следует вычесть из Fe

.агл.мет

и окисление крошья не учитывать

совсем.

В таблице 2 подсчитаны потери массы компонентов агломерационных

шихт (

MZYX

d,d,d,d

Таблица 2 – Потери массы (d) компонентов шихты при спекании

Параметр Аглошихта №1

Рудная

смесь

Топливная

смесь

известняк окалина

нелет

– 82,520 – –

т,топл.

– 2,490 – –

гидр

9,050 ― – –

СО

6,210 ― 42,760 –

0,95S

орг.

– 0,285 – –

FeS,FeS

SS95,0

– 0,109 – –

0,6SO

0,084 0,138 0,120 0,036

Кислород на

окисление

сульфидов

– ( – 0,267) – –

Суммарные потери

массы, d кг/100 кг

компонентов шихты

15,344 85,475 42,880 0,036

продолжение таблицы 2

Параметр Аглошихта №2

концентрат

топливная

смесь

известняк известь

нелет

– 79,420 – –

т,топл.

– 4,100 – –

гидр

– – – 2,370

СО

– – 43,960 5,610

0,95S

орг.

– 1,263 – –

FeS,FeS

SS95,0

– 0,372 – –

0,6SO

0,030 0,282 0,024 0,012

Кислород на

окисление

сульфидов

– (– 0,186) – –

Суммарные потери

массы, d кг/100 кг

компонентов

шихты

0,030 85,251 43,984 7,992

Примечания: 1) (0,354 FeS + 0,533 FeS

)·0,95;

2) FeS·0.636·0.95·

224

+ FeS

·0.467·0.95·

224

Содержание FeO в готовом агломерате бало задано (см. раздел

«Исходные данные для расчета»). Содержание FeO, MnO

и др. в

компонентах шихты находим в таблице 1. Это позволяет составить

уравнение материального баланса спекания. Уравнение материального

баланса для агломерационной шихты №1:

















1008

100

)036,0100(

100

)475,84100(

100

)880,42100(

100

)344,15100(

);

100

890,3

100

02,7X

17(

1 







0,8544·Х + 0,5712·Y + 0,1452·Z = 93,8571.

Уравнение материального баланса для агломерационной шихты №2:

;

100

)46,21X15(

1006

100

)992,7100(

100

)251,85100(

100

)984,43100(

100

)03,0100(





















1,0235·X + 0,5602·Y + 0,1475·Z = 96,1462.

При агломерации, в зависимости от расхода топлива и ряда других

факторов, значительное развитие могут получать либо восстановительные,

либо окислительные процессы. В случае расчета шихты №1 содержание

FeO в агломерате больше, чем в шихте. Если в правую часть уравнения

материального баланса агломерации подставить ориентировочное значение

X, которое чаще всего составляет 85-100 кг/100 кг агломерата, то получим

абсолютную потерю кислорода при восстановлении и термической

агломерации, кг O

/100 кг агломерата:

.1,1)890,301,010002,701,017(



Если же содержание FeO в шихте больше, чем в агломерате, и

процесс в целом имеет окислительный характер, то подобный подсчет даст

отрицательную величину. Для шихты №2 имеем, кг О

/100 кг агломерата:

.4,0)01,08546,2115(



Подобный приблизительный расчет необходимо делать на начальной

стадии подведения баланса, так как при восстановительном характере

спекании в расходной части теплового баланса учитывается теплота

диссоциации оксидов. При окислительном характере процесса теплота

окисления магнетита до гематита учитывается в приходной части теплового

баланса.

4 Уравнение теплового баланса агломерации

(Вегман Е.Ф. Известия Вузов, Черная металлургия, 1964, №5, с.28-32 ):

,qqqqqqq

qqqqqqqq

.п.т.агл.г.отх.дисс.карб.гидр.гигр

М.окисл.об.доп.зажSШ.воздС





.возд

- теплота воздуха, всасываемого в слой при температуре цеха

или нагретого воздуха с охладителя агломерата;

- теплота шихты при температуре цеха или после нагрева;

- теплота горения органической серы и сульфидов;

.заж

- теплота зажигания агломерационной шихты пламенем

газового горна;

.об.доп

- теплота дополнительного обогрева спекаемого слоя

пламенем газового горна;

.окисл

- теплота окисления магнетита шихты до гематита

(учитывается в случае, когда количество FeO в шихте больше количества

FeO в готовом агломерате);

- теплота минералообразования при агломерации;

.гигр

- теплота испарения гигроскопической влаги шихты;

.карб

- теплота диссоциации карбонатов;

.дисс

- теплота диссоциации оксидов железа и сложных минералов

исходной шихты при спекании;

.г.отх

- теплота газов, отходящих из агломерационной установки;

.агл

- теплота пирога агломерата;

.п.т

- тепловые потери.

4.1 Теплота горения углерода в СО и СО

Принимается, что степень графитизации углерода коксовой мелочи не

превышает 20%, и тепловые эффекты горения при этом равны

соответственно:

10104СОО



кДж/кг С;

С+О

= СО

+ 33685 кДж/кг С;

Для случая горения аморфного углерода антрацита и тощего угля

тепловые эффекты составят:

10330СОО



кДж/кг С;

С+О

= СО

+ 33911 кДж/кг С.

Таким образом, для аглошихты №1 (топливная смесь 80% коксовой

мелочи и 20% антрацитового штыба) эти тепловые эффекты составляют,

кДж/кгС:

10104·0,8 + 10330·0,2 = 10149;

33685·0,8 + 33911·0,2 = 33730.

Для аглошихты №2 (топливная смесь 50% коксовой мелочи и 50%

антрацитового штыба) тепловые эффекты составят, кДж/кгС:

10104·0,5 + 10130·0,5 = 10217;

33685·0,5 + 33911·0,5 = 33798.

Учитывается теплота горения топливной смеси, углерода

колошниковой пыли, чугунного крошья (см. табл.1.1), кг/100 кг агломерата:

ш1

= 0,8252·Z;

ш2

= 0,7942·Z.

Перед началом расчета необходимо задаться соотношением СО

и CO,

содержащихся в продуктах горения углерода шихты, величина которого

зависит, прежде всего, от расхода топлива на спекание. В частности, при

спекании магнетитовых, мартитовых и гематитовых руд и концентратов

отношение CO

/CO = 3,5+4,5, если спекается агломерат нормального

качества (12-18% FeO). Для агломерации сидеритовых, бурожелезняковых,

шамозитовых и тюрингитовых руд необходим повышенный расход топлива,

что снижает отношение CO

/CO до 2,5-3,5. При производстве

металлизованного агломерата – CO

/CO=2,0–2,5.

Приведенные сведения относятся к обычным условиям агломерации.

При отклонении от них следует вводить поправки.

В расчетных примерах №1 и 2 принимаем величину отношения

(CO

/CO) равной, соответственно 3 и 4.

Тогда теплота горения углерода составит:

Пример №1: 0,75·33730+0,25·10149 = 27834 кДж/кг С

,z6,22968z8252,027834q



кДж/100 кг агломерата.

Пример №2:

290821021720,03379880,0 

кг С

z9,23096z7942,029082q



кДж/100 кг агломерата.

4.2 Теплота зажигания и дополнительного обогрева спекаемого

слоя /q

заж

, q

доп.об.

Установка удлиненных газовых горнов, с помощью которых

осуществляется не только зажигание, но и дополнительный обогрев

спекаемого слоя, считается обязательной при проектировании новых

агломерационных лент. Собственно для зажигания требуется ≤20940

кДж/100кг агломерата. Фактический расход тепла на зажигание и

дополнительный обогрев в среднем по аглофабрикам МЧМ СССР~25960

кДж/100кг агломерата. На передовых аглофабриках q

заж

доп.об.

достигает

кДж/100кг агл.: на НКГОК – 29290, на НЛМЗ – 32240, на Череповецком

заводе – 32660, на ЮГОК – 38100, на ММК – 39780, на КарМК – 41870, на

НПО "Тулачермет" – 50240. По данным Ф.Каппеля, Ж.Мишара, Дж.Астье и

Дж.Жиро, q

заж

доп.об.

на аглофабриках Эльзаса и Лотарингии при спекании

бурых железняков и сидеритов составляет 25120 – 29310 кДж/100кг

агломерата, в ФРГ и Японии – до 43130 кДж/100кг агломерата. В проектных

расчетах рекомендуется принимать = 33500÷41900 кДж/ 100кг агломерата. В

примерах №1 и 2 значения q

заж

доп.об.

составляет 33500 кДж/100кг

агломерата.

4.3 Теплота шихты

Удельная теплоемкость аглошихты колеблется в довольно узких

пределах – от 0,9 до 1,0 кДж/ /кг•К/ (большие цифры относятся к шихтам с

повышенным содержанием коксовой мелочи). С учетом массы возврата

(соответственно 42 и 50 возврата на 100 кг агломерата) имеем, кДж/100кг

агломерата:

,№1=1·60·/x+y+z+42/ = 60·x+60·y+60·z+2520;

,№2=0,9·60·/x+y+z+50/ = 54·x+54·y+54·z+2700.

4.4 Теплота горения органической серы и сульфидов /q

Горение идет по реакциям:

орг

+ O

= SO

+ 9278 кДж/кг;

4FeS

+ 11O

= 2Fe

+ 8SO

+ 7014 кДж/кг FeS

;

4FeS + 7O

= 2Fe

+ 4SO

+ 6906 кДж/кг FeS;

+ 0.5O

= SO

+ 3092 кДж/кг S.

Степень выгорания серы составляет 95%. От 20 до 40% O

догорает

затем до SO

. Теплота горения составит, кДж/кг агломерата:

s№1

= 0,003·0,95·9278·z + 0,002·0,95·6906·z + 0,0008·0,95·7014·z + /0,003 +

0,364·0,002 + 0,533·0,0008/·0,95 ·0,3·3092·z = 48,419·z;

s№2

= 0,0133·9278·z·0.98 + 0,0036·0,98·6906·z + 0,0049·0,95·7014·z + /0,0133

+ 0,364·0,0036 + 0,533·0,0049/· ·0,98·0,3·3092·z = 194,610·z.

4.5 Теплота минералообразования (q

)

При образовании известковистого оливина, двухкальциевого силиката

и ферритов кальция выделяется тепло, что должно учитываться в

приходной части баланса. Расчет позволяет определить эту величину

равной 14644 – 16736 кДж/100 кг агломерата. При спекании бурых

железняков Эльзаса и Лотарингии Ж. Мишар определил ее равной 23028

кДж/100кг агломерата, но эта цифра представляется преувеличенной. В

расчетах целесообразно задаваться величиной в пределах 16740÷20920

кДж/100кг агломерата. В расчетных вариантах принимаем:

m№1

= 20000 и q

m№2

= 18000 кДж/100кг агломерата.

4.6 Теплота окисления FeO до Fe

Окисление имеет место в тех случаях, когда масса FeO в шихте

больше массы FeO в агломерате. В расчетных примерах это характерно

только для шихты №2:

окисл

=18226·(0,01·21,46·x – 15)/9=434.589·x – 30376.666,

где 18226 – теплота окисления вюстита по реакции 4FeO+O

= 2Fe

кДж/кг О; 15 – заданная масса FeO в агломерате, кг/100кг агломерата;

(0,01·21,46·x – 15)/9 – количество кислорода, кг, необходимое для окисления

вюстита.

4.7 Теплота всасываемого в слой воздуха

возд.

= c

возд.

·t

возд.

·V

возд.

где c

возд.

– теплоемкость воздуха при цеховой температуре составляет

1,296 кДж/(м

·К); V

возд.

- количество просасываемого через слой воздуха,

/100 кг агломерата, определяемое расходом топлива и коэффициентом

избытка воздуха (α = 1,2÷1,5).

Таблица 3 – Расчет расхода воздуха на спекание

Условия процесса Шихта №1 Шихта №2

(CO

: CO)

отх

3 4

Реакция горения углерода

шихты

0,75C

+0,75O

0,75CO

0,25C

+0,125О

0,25СО

0,8С

+0,8О

0,8СО

0,2С

+0,1О

0,2СО

Требуется кислорода, кг,

для окисления С

до:

СО

(16/12)·0,25С

0,333С

(16/12)·0,2С

0,267С

СО

(32/12)·0,75С

= 2С

(32/12)·0,8С

2,133С

Всего требуется

кислорода,кг

2,333С

2,4С

Часть необходимого кислорода выделяется из аглошихты №1 в

процессе восстановления железа. В случае аглошихты №2 требуются

дополнительные количества кислорода на окисление магнетита шихты. Во

всех случаях необходимо также учесть потребность в кислороде на

окисление пирита (FeS

), пирротина (троилита, FeS) и органической серы

(таблице 3). Необходимые расчеты были проведены при составлении

материального баланса агломерации.

Потребность в кислороде воздуха, кг О

/100 кг агломерата:

шихта №1: 2,333С

– 1,5769 + 0,0078Х + 0,0052Z;

шихта №2: 2,4С

– 1,6667 + 0,0238Х + 0,0207Z.

Требуется кислорода воздуха с учетом коэффициента избытка

воздуха α

№1

=1,2 и α

№2

=1,5 кг О

/100кг агломерата.

Шихта №1: 2,7996С

– 1,8923 + 0,0094Х +0,0062Z;

шихта №2: 3,6С

– 2,5000 + 0,0357Х + 0,0310Z.

Переход от веса кислорода воздуха к его объему:

222

ООO

Р7,0Р

4,22

V 

, м

/100 кг агломерата.

Таблица 4 – Расчет потребности рудной части шихты в кислороде или

его количества, выделяемого шихтой

Статья баланса кислорода Результаты расчета

Выделяется шихтой №1 при термической

диссоциации и восстановлении оксидов

железа; требуется кислорода для

окисления магнетита шихты №2.

 

Х2146,015

8,0039,0Х0702.017





Требуется кислорода на окисление S

орг

на

30% в SO

и на 70% в SO

по реакции

20S

орг

+23О

= 14SO

+6SO

0,0033·Z и 0,0145·Z

Требуется кислорода на окисление FeS и

FeS

до Fe

и SO

: SO

=7 :3 по

реакциям

10FeS+19O

=5Fe

+7SO

+3SO

;

20FeS

+61O

= 10Fe

+28SO

+12SO

0,0019·Z и 0,0062·Z

Всего выделяется кислорода шихтой №1 1,5769 – 0,0078·X – 0,052·Z

Всего потребляется кислорода рудной

частью шихты №2

1,6667 – 0,0238·X – 0,0207·Z

1) 1,9597C

– 1,3246 + 0,0066Х + 0,0043Z;

2) 2,5200С

– 1,7500 + 0,0250Х + 0,02172Z.

Аналогично для азота, объем которого в 3,7619 раза больше:

1) 7,3722С

– 4,9830+0,0248Х + 0,0162·Z м

;

2) 9,4800С

– 6,5833+0,0940Х + 0,0816·Z.

Полный объем сухого воздуха: