Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Общие принципы расчета материального баланса металлургического процессаСтр 1 из 2Следующая ⇒
Расчет материального баланса МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО процесса Новокузнецк 2009
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение «Сибирский государственный индустриальный университет» Кафедра информационных технологий в металлургии Расчет материального баланса МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО процесса Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Математические модели и автоматизированные технологии», «Физико-химические модели в металлургии».
УДК 658.012.122: 669.1(07) М 341 Рецензент: Доктор технических наук, профессор СибГИУ К.М. Шакиров
М 341 Расчет материального баланса металлургического процесса: Метод. указ./ Сост.: И.А. Рыбенко, С.П. Мочалов: СибГИУ.- Новокузнецк, 2009.- 26с.
Изложены принципы расчета материального баланса металлургического процесса. Рассмотрен пример расчета, приведены варианты заданий. Предназначено для студентов специальности: 230201 – Информационные системы и технологии. Общие принципы расчета материального баланса металлургического процесса Металлургический агрегат представляет собой реактор, в который поступают конденсированные и газообразные входные потоки и отводятся металл, шлак и газ. Уравнение материального баланса для всей системы на уровне входных – выходных потоков имеет вид: . (1) где К, L - общее количество входных и выходных потоков; Gk, Gl – массы входных и выходных потоков соответственно, кг. Для любого металлургического процесса выходными потоками являются металл, шлак и газ. С учетом этого, а также при разделении входных потоков на конденсированные и газообразные, уравнение материального баланса можно представить следующим образом: . (2) где K f, K г, G fk, G гk – количество и масса соответственно конденсированных и газообразных потоков, кг; - масса металла, шлака и газа, кг. Общая масса веществ, поступающих в систему с входными потоками соответственно равна: . (3) где N fк, N гк – количество веществ в k- ом потоке; /Rm/k, {Rm}k –содержание вещества Rm в k -ом потоке, %. Масса веществ выходных потоков определяется массой веществ в металлической, шлаковой и газовой фазах: , (4) где Nм, Nшл, Nг – количество веществ в металле, шлаке и газе; [ Rn ], (Rn), { Rn } – содержание n -го вещества в металле, шлаке и газе, %. Таким образом, материальный баланс на уровне потоков веществ имеет вид: (5) Для того, чтобы определить состав фаз выходных потоков, составляются уравнения баланса по каждому элементу Еi, который может присутствовать в разных фазах в виде различных соединений: (6) где , - концентрация m -го вещества, содержащего элемент Еi в k- ом конденсированном либо газообразном входном потоке соответственно, %, [Ei]- концентрация вещества, состоящего из элемента Еi, в металле, %; , – концентрация n -го вещества, содержащего элемент Еi в шлаковой и газовой фазах выходного потока соответственно, %; , , , – количество веществ, содержащих элемент Еi, в k -ом входном потоке, шлаке и газе, хm, ym – стехиометрические коэффициенты m -го соединения элемента Еi; МЕi, – молярные массы Еi элемента и его соединений, кг/моль. 2. Пример расчета материального баланса Рассмотрим пример расчета материального баланса металлургического процесса. В таблице 1 заданы расходы материалов, поступающих в металлургический агрегат. В составе конденсированного входного потока, в зависимости от варианта технологии, могут присутствовать: металлошихта (жидкий и чушковый чугун, металлический лом, металлодобавки); твердые окислители (металлургический агломерат, железная руда, окатыши, окалина); шлакообразующие материалы (известь, известняк, плавиковый шпат, кварцит, боксит, доломит); науглероживатели (графит, орешек коксовый, кокс металлургический, уголь). Газообразными входными потоками являются кислород и природный газ. Параметры процесса, необходимые для расчета, и коэффициенты распределения элементов по фазам приведены в таблицах 2-3. Химический состав исходных материалов приведен в таблице 4.
Таблица 1 – Исходные данные для расчета. Расходы материалов.
Таблица 2 – Исходные данные для расчета. Параметры процесса
Таблица 3 – Исходные данные для расчета. Коэффициенты распределения элементов по фазам
Таблица 4 – Исходные данные для расчета. Химический состав материалов
Как видно из таблицы 4, с входными потоками в реактор могут поступать различные вещества, среди которых можно выделить следующие: конденсированная фаза - Fe, C, Mn, Si, S, P, Al, Ni, V, Ti, Cr, FeO, Fe2O3, Al2O3, CaO, SiO2, MgO, MnO, P2O5, CaS, CaF2, NiO, V2O5, Cr2O3, TiO2, B 2 O 3; газовая фаза - H2O, CO2, O2, CH4, CO, N2, H2. Элементами, образующими эти вещества являются: Fe, C, O, Mn, Si, S, P, Al, Ca, Mg, H, F, Ni, Ti, V, Cr, N. Первым этапом расчета является определение масс всех веществ, которые поступают в систему с исходными материалами. Общая масса конденсированного вещества R, поступающего в металлургический агрегат с входными потоками равна: , (7) где K f, G fk – количество и масса конденсированных входных потоков, кг; N fк, – количество веществ в k- ом потоке; /Rm/k –содержание вещества Rm в k -ом потоке, %. Масса газообразного вещества R, поступающего в печь с входными потоками, также определяется с учетом его содержания в газообразных входных потоках: , (8) где K г, G гk – количество и масса газообразных входных потоков, кг; N гк – количество веществ в k- ом газообразном потоке; {Rm}k –содержание вещества Rm в k -ом газообразном входном потоке, %. Таким образом, общая масса вещества R определяется как сумма его составляющих в каждом материале. Масса вещества в материале, в свою очередь, определяется его процентным содержанием (таблица 4). Используя данные таблиц (1) и (4), рассчитываем количество всех веществ, поступивших в систему. Например, общее количество FeO в системе будет равно: =(30*0% + 0*0% + 90*0% + 5*0% + 3*28% + 1*12% + +0, 5*65% + 0, 2*30, 4% + 6, 2*0, 5% + 1, 2*1, 1% + 0, 3*6, 0% + +0, 5*5, 5%+0, 41*3, 0% + 0, 05*2, 2% + 0, 1*9%*1%/100 + +0, 2*11%*0, 12%/100 + 0, 1*12%*0%/100 + +0, 1*18%*0, 9%/100)/100 = 1, 449 кг (8) Результаты расчета массы всех веществ, поступивших в систему, представлены в таблице 5. Затем следует рассчитать массы всех элементов в системе, которые образуют вещества, представленные в таблице 5. Масса элемента будет определяться массой веществ, содержащих данный элемент с учетом стехиометрических коэффициентов, например: GFe = GFe + GFeO*MFe/MFeO + GFe2O3*2MFe/MFe2O3 = = 122, 558 + 1, 449*0, 056/0, 072 + 2, 635*2*0, 056/0, 160 = =125, 624 кг (9) В таблице 6 приведены результаты расчетов масс всех элементов, образующих систему. Следующим этапом расчета является перераспределение элементов по фазам. Элементы, поступающие в систему с входными потоками, распределяются по фазам в соответствии с коэффициентами распределения L. Количество элемента Еi в металле определяется по формуле: , (10) где L[Ei] – коэффициент распределения элемента Ei в металл. Таблица 5 - Состав входных потоков, поступающих в агрегат
Таблица 6 - Поэлементный состав входных потоков, поступающих в агрегат
Определяем количество элемента Еi в металле по формуле (10). Например, количество марганца в металле равно: = 0, 526*0, 48 = 0, 253 кг (11) Аналогично определяем переход в металл следующих элементов: Si, P, S, Al, Ca, Mg, Ni, Ti, V, Cr. Фтор в металл не переходит, он будет присутствовать в соединении CaF2 в шлаковой фазе. Азот и водород переходят в газовую фазу. Кислород частично растворяется в металле, его количество будет определяться степенью растворения кислорода в металле (таблица 2). Количество кислорода и железа в металле определим позже, после расчета баланса кислорода в системе. Количество углерода в металле определим следующим образом: = 2, 34*0, 3 = 0, 633 кг, (12) где - масса углерода как вещества (таблица 5). Результаты расчетов количества компонентов металлической фазы (без учета кислорода и железа) приведены в таблице 7. Таблица 7 – Массы компонентов металла
Количество оксида элемента Еi в шлаке также определяем в соответствии с коэффициентом распределения элемента в шлак: , (13) где L(Ei) – коэффициент распределения элемента Ei в шлак; , - молярные массы элемента Е и его оксида; хn, y n – стехиометрические коэффициенты. По формуле (13) рассчитываем массы оксидов, образующих шлаковую фазу. Например, количество (MnO) в шлаке равно: = = 0, 526*0, 52*0, 071/0, 055 = 0, 353 кг (14) Таким образом, определяем массы всех оксидов, кроме оксидов железа. Особое внимание следует уделить распределению кальция между соединениями CaO, CaS и CaF 2. Масса CaF 2 в шлаке определяется его количеством в исходных материалах: = 0, 280 кг. (15) Массу CaS определим с учетом коэффициента распределения серы в шлак: G(CaS) = GS*L(S)* 0, 072/0, 032 = 0, 056*0, 5* * 0, 072/0, 032 = = 0, 063кг, (16) тогда количество CaO в шлаке будет равно G(CaО) = GвхCaO – G(CaS) *0, 056/0, 072 = 6, 599 – – 0, 063*0, 056/0, 072 = 6, 550 кг. (17) Результаты расчетов количества компонентов шлаковой фазы (без оксидов железа) приведены в таблице 8. Таблица 8 – Массы компонентов шлака
Далее, определяем состав газовой фазы. Для расчета состава и масс компонентов газовой фазы в печи предложен следующий механизм образования отходящих газов. В технологии с применением природного газа предполагается его полное сгорание. Принимаем, что природный газ полностьюсгорает и в газообразном выходном потоке отсутствует. При полном горении природного газа образуются СО2 и Н2О: (18) Количество СО, образующееся при горении углерода шихты, можно определить следующим образом: = = 0, 9*(2, 109-0, 633)*0, 028/0, 012 = 3, 100 кг. (19) где - степень окисления углерода до СО. С учетом горения природного газа и наличия СО 2 во входных потоках, его количество в отходящих газах будет равно: = (20) (1- 0, 9)* (2, 109-0, 633)*0, 044/0, 012 + 0, 487 + 0, 362 = 1, 390 кг. Водород в отходящих газах отсутствует: = 0, 000 кг (21) Количество водяных паров определяется как сумму следующих составляющих: = 0, 192 + 0, 398 = 0, 590 кг. (22) Количество азота в отходящих газах равно количеству азота, поступающего с газообразными входными потоками: = 0, 015 кг. (23) Количество SO2 в отходящих газах определяется в соответствии с коэффициентом перехода серы в газовую фазу: == 0, 056*0, 1*0, 064/0, 032 = 0, 011 кг (24) Теперь следует рассчитать количество железа в металле и его оксидов в шлаке. Для этого определяем количество кислорода, которое остается в системе после окисления всех компонентов. Общее количество кислорода в исходной системе равно (таблица 6): = 7, 343 кг. (25) Этот кислород расходуется на образование всех оксидов шлаковой и газовой фазы: CaO, SiO2, Al2O3, MgO, MnO, TiO2, V2O5, Cr2O3, NiO, P2O5, СО, СО2, Н2О, SO2. Количество кислорода, затраченное на образование оксидов определим следующим образом: = G(CaO) * 0, 016/0, 056+ G(SiO2) * 0, 032/0, 060 + +G(Al2O3) * 0, 048/0, 102+ G(MgO) * 0, 016/0, 040+ G(MnO) * 0, 016/0, 055+ G(TiO2) * 0, 032/0, 080+ +G(V2O5) * 0, 080/0, 182+ G(Cr2O3) * 0, 048/0, 152+ +G(NiO) * 0, 016/0, 075+ G(Р2O5) * 0, 080/0, 142+ +G{CO} * 0, 016/0, 028+ G{CO2} * 0, 032/0, 044+ +G{H2O} * 0, 016/0, 018+ G{SO2} * 0, 032/0, 064= (26) =6, 550*0, 016/0, 056+1, 471*0, 032/0, 060+ +0, 503*0, 048/0, 102+0, 207*0, 016/0, 040+ +0, 353*0, 016/0, 071+0, 01*0, 032/0, 080+ +0, 013*0, 080/0, 182+0, 008*0, 048/0, 152+ +0, 005*0, 016/0, 075+0, 008*0, 080/0, 142+ +3, 100*0, 016/0, 028+1, 39 *0, 032/0, 044+ +0, 59 *0, 016/0, 018+ 0, 011*0, 032/0, 064 = 6, 385 кг. Оставшееся количество кислорода будет равно: = 7, 343 - 6, 385 = 0, 958 кг. (27) Часть этого кислорода растворяется в металле = 0, 958*0, 10%/100 = 0, 001 кг. (28) А оставшийся кислород расходуется на окисление железа: (29) где - степень окисления железа до FeO. Из таблицы 2 следует, что степень окисления железа до FeO составляет 67%, а до Fe2O3 -33% Тогда количество оксидов железа в шлаке соответственно равно: G(FeO) = )*67%/100*0, 072/0, 016 = 0, 957*67%/100*0, 072/0, 016=2, 887 кг G(Fe2O3) = )*33%/100*0, 160/0, 048= (30) 0, 957*33%/100*0, 160/0, 048=1, 053 кг Количество железа в металле определим следующим образом: = =125, 530 – 2, 887*0, 056/0, 072 – 1, 053*0, 112/0, 160 =122, 642 кг. (31) Теперь имеются все данные для определения массы фаз выходных потоков: металла, шлака, газа. Определяем массу металла как сумму всех компонентов в металле: = G[Fe] + G[C]+G[Mn] +G[Si] + G[S] + G[P] + + G[Al] + G[Ca] + G[Mg] + G[Ti] + G[Cr] + G[V] + G[O] + G[Ni] = (32) =122, 642+0, 633+0, 253+0, 014+0, 023+0, 030+0, 000+0, 000+ +0, 000+0, 0007+0, 001+0, 001+0, 001+0, 004=123, 601 кг. Аналогичным образом, определяем массу шлака: = G(FeO)+ G(Fe2O3) + G(CaO) + G(MnO) + + G(SiO2) + GAl2O3) + G(P2O5) + G(MgO) + G(CaF2) + G(CaS) + (33) + G(TiO2) + G(V2O5) + G(Cr2O3) + G(NiO) = =2, 887+1, 053+6, 550+0, 353+1, 471+0, 503+0, 008+0, 207+ + 0, 280+0, 063+0, 010+0, 013+0, 008+0, 005=13, 409 кг. И соответственно масса газа: = 3, 100+ 1, 390 + 0, 000 + 0, 590 + 0, 011+ 0, 015 = 5, 107 кг. (34) Результаты расчетов по составу фаз приведены в таблицах 7-9. Таблица 7 – Состав металла
Таблица 8 – Состав шлака
Таблица 9 – Состав газа
Таким образом, рассчитаны массы выходных потоков – металла, шлака, газа, а также массы и процентное содержание образующих эти фазы веществ. Составляем материальный баланс потоков, веществ и элементов. Баланс потоков представлен в таблице 10, веществ – в таблице 11, элементов – в таблице 12.
Таблица 10 – Материальный баланс потоков
Таблица 11 – Материальный баланс веществ
Таблица 12 – Материальный баланс элементов.
Как следует из таблиц 10-12, общая масса системы не меняется и составляет 142, 117 кг.
|