Расчет доменной шихты

Содержание

 

 

 

Введение

 

Доменное производство – это производство чугуна восстановительной плавкой железных руд или окускованных железорудных материалов в доменных печах. Первое основное звено в общем производственном цикле чёрной металлургии.

Цель доменного производства состоит в получении чугуна из железных руд путем их переработки в доменных печах. Сырыми материалами доменной плавки являются топливо, железные и марганцевые руды и флюс. Топливом для доменной плавки служит кокс, получаемый из каменного угля. Его роль состоит в обеспечении процесса теплом и восстановительной энергией. Кроме того кокс разрыхляет столб шихтовых материалов и облегчает прохождение газового потока в шихте доменной печи. Железные руды вносят в доменную печь химически связанное с другими элементами железо. Восстанавливаясь и науглераживаясь в печи, железо переходит в чугун. Флюсом называются добавки, загружаемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы руды, офлюсования золы кокса и придания шлаку требуемых технологией выплавки чугуна физико-химических свойств. Для руд с кремнеземистой (кислой) пустой породой в качестве флюса используют материалы, содержащие оксиды кальция и магния: известняк и доломитизированный известняк. Для получения высоких технико-экономических показателей доменной плавки сырье и материалы предварительно подвергают специальной подготовке.

Совершенствование доменного производства направлено на улучшение подготовки сырых материалов к плавке, увеличение мощности (объёма) доменных печей, внедрение прогрессивной технологии, автоматического управления ходом доменной печи.

Основной задачей модернизации доменного производства является восстановление и совершенствование производственных мощностей, уменьшение энергозатрат и себестоимости производства.  
1. Описание сырьевой и топливной базы завода

 

На Магнитогорский металлургический комбинат (ММК) железная руда будет поставляться с Бакальского месторождения, которое располагается на западе от Челябинска, является вторым перспективным месторождением Урала. Запасы оцениваются в 1,1 млрд.т. Верхний слой месторождения представляет собой продукты окисления сидеритов - бурые железняки, в то время как в коренных слоях находятся сидериты. Руды чистые по сере и фосфору с повышенным (до 2 %) содержанием марганца.

Бурые железняки - - водные окислы железа. В зависимости от значения n образуются разные гидроокислы. Выделяются такие водные окислы железа n = ~ 0,1 - гидрогематит; n = ~ 1,0 - гематит; n = ~ 1,5 - лимонит и др. Наиболее часто встречаются бурые железняки на основе лимонита , которые называются лимонитовыми. Такие руды обычны в осадочных месторождениях и месторождениях коры выветривания. Бурые железняки характеризуются пониженным содержанием железа, рыхлы, часто сопровождаются марганцем, фосфором, обладают высокой пористостью и восстановимостью. Содержание Fe колеблется от 55 до 30 % и менее. Обычно требуют обогащения.

Важное значение имеют комплексные хромо-никелевые бурые железняки. При наличии 32-48 % железа в них нередко содержится также до 1 % Ni, до 2 % Cr, сотые доли процента Co, иногда V. Из таких руд могут без добавок выплавляться хромо-никелевые чугуны и низколегированная сталь.

Пустая порода бурых железняков глинистая, иногда кремнисто-глиноземистая. 

Сидерит, имеющий химический состав FeCO3 - карбонат железа, содержит 30-48 % железа. Образованная сидеритом руда называется шпатовым железняком, или сидеритом. Сидериты распространены гораздо меньше, чем другие руды, характеризуются высокой восстановимостью, низким содержанием железа из-за незначительного содержания его в рудном минерале и большого количества пустой породы. После обжига, в результате удаления CO2, сидеритовые руды превращаются в промышленные ценные тонкопористые железо-окисные (обычно содержат до 1-2 % Mn, иногда до 10%). Под воздействии влаги и кислорода атмосферы сидериты могут переходить в бурые железняки, так как закись железа в молекуле FeO∙CO2 окисляется и поглощает влагу. Поэтому встречаются месторождения, в которых верхние слои руды являются бурыми железняками, а нижние, коренные - сидеритами. 

Пустая порода сидерита состоит из кремнезема, глинозема и небольшого количества окиси магния.

Также на Магнитогорский металлургический комбинат железная руда будет поставляться с Алапаевской группы месторождений коры выветривания расположенной вблизи г. Алапаевска Свердловской области. Рудные залежи имеют пластообразную форму. Мощность рудных тел, включая участки некондиционных руд и пустых пород, изменяется в широких пределах - от 0,5 до 70 м. Рудные залежи по простиранию прослеживаются до 5-40 км. На Алапаевских месторождениях выделяются два типа руд: лимонитовые, слагающие верхние горизонты рудных залежей, выше уровня грунтовых вод, и стриговит-лимонитовые, расположенные ниже уровня грунтовых вод, где встречаются и сидериты. Содержание железа в рудах изменяется от 20 до 58 %. В балансовых рудах в среднем содержится (в вес. %): Fe - 38,5; Al2O3 - 6,4-6,9; MnO - 0,3-0,4; CaO - 0,8; Cr2O3 - 0,07-0,22; MnO - 0,15-0,36; Ni около 0,1; Co около 0,01; п.п.п. 8,4-10,8; As до 0,27; S - 0,02-0,06; P - 0,06-0,09.

Лимонит - минеральный агрегат, представляющий собой смесь гидроокислов трехвалентного железа и состоящий преимущественно из скрытокристаллического гётита. Лимонит не является самостоятельным минеральным видом, а представляет гидратированную разновидность гётита в смеси с гидрогематитом, лепидокрокитом. Химическую формулу лимонита обычно пишут в виде Fe2O3·nH2O

Лимонит имеет приповерхностное происхождение и образуется в результате гидролиза солей при окислении и разложении железосодержащих минералов: сульфидов, карбонатов, силикатов и других, в которых железо присутствует в двухвалентной форме. Часто  скопления бурых железняков образуются в зонах окисления сульфидных месторождений, такие образования имеют собственное название «железная шляпа». Образование лимонита происходит также на дне болот (болотная руда), озер (озерная руда) и в мелководной части морских бассейнов. Этот процесс происходит в результате жизнедеятельности железобактерий. Практически во всех случаях лимонит образуется вблизи от поверхности земли в условиях свободного доступа кислорода и влаги. При региональном метаморфизме, в условиях высокой температуры и давления, лимонит обезвоживается и превращается в гематит и магнетит.

Лимонит служит рудой для получения железа, но в современной черной металлургии его использование минимально в связи с тем, что он часто содержит вредную примесь фосфора.

Флюсы для ММК будут поступать с Агаповского месторождения, расположенного в Агаповском районе Челябинской области, в 12 км от города Магнитогорск. Месторождение представлено чередующимися слоями чистых и доломитизированных известняков и доломитов, что обуславливает повышенное содержание магнезии (3,75 %) в добываемых известняках. Содержание CaO в них составляет 52,0 % при низком содержании фосфора (0,015 %) и серы (0,07 %). Месторождение разрабатывается открытым способом.

Топливо для Магнитогорского металлургического комбината будет поставляться с Донецкого угольного бассейна (ДОНБАСС), расположенного в Ворошиловградской, Донецкой и Днепропетровской областях Украины и Ростовской области РФ.

Занимает площадь около 60 тысяч км2, вытянутую в широтном направлении на 650 км при максимальной ширине до 200 км.

Суммарные запасы угля до глубины 1800 м оцениваются в 140,8 млрд. т. Разведанные запасы промышленных категорий угля составляют 57,5 млрд. т и перспективные 18,3 млрд. т.

Средняя теплота сгорания товарного рабочего топлива 21,2-26,1 МДж/кг. Угли малофосфористые от мало- до высокосернистых (до 2 %). Среднее содержание природной золы в большинстве угольных пластов находится в пределах 7-20 %. Малозольных углей с зольностью до 7-8 % в бассейне не много. Угли Донецкого бассейна в основном имеют лёгкую и среднюю обогатимость.

 

2. Подготовка руд к доменной  плавке

 

В настоящие время ни один вид металлургического сырья не используется без предварительной подготовки, техническая необходимость и высокая экономическая эффективность подготовки привели к быстрому ее развитию. В общем комплексе подготовки сырья главными являются обогащение и окускование, однако осуществить их можно только после ряда вспомогательных операций. Поэтому всю подготовку сырья делят на  дробление измельчение, грохочение и классификацию, обогащение, окускование и обжиг.

Добываемая руда подвергается дроблению и измельчению, так как величина крупных кусков при добыче превышает размеры кусков руды, допустимых по условиям технологии доменной плавки.

Для крупного и среднего дробления используют установки, называемые дробилками, а для тонкого измельчения применяют мельницы. Различают следующие виды дробления:

• крупное дробление от 1500 до 250 мм;
• среднее дробление от 250 до 50 мм;
• мелкое дробление от 50 до 5 мм;
• тонкое измельчение до 0,04 мм.

Для крупного и среднего дробления используют в основном щековые и конусные дробилки, для мелкого дробления – валковые и молотковые, а для тонкого измельчения – шаровые мельницы.

Грохочение – просеивание руды через сито или решето с калиброванными отверстиями. Плоские подвижные грохоты характеризуются количеством просеивающих поверхностей, углом их наклона, материалом, из которого изготовлены просеивающие поверхности (проволока, резина, полиуретан и т.п.), размером и формой отверстий, а также движением просеивающих поверхностей (прямолинейная, круговая или элиптическая вибрация).

Классификация – разделение фракций по крупности зёрен размером менее 1 мм за счёт действия центробежных сил или силы тяжести.

Мокрая классификация, в гидроциклонах. В гидроциклонах центробежные силы играют решающую роль. Гидроциклон представляет собой неподвижную центрифугу, где вращается суспензия. Из-за сильного поля центробежных сил твердые частицы отбрасываются к стенкам аппарата, что обеспечивает быстрое и точное разделение и высокую производительность гидроциклона.

Обогащением руды называется операция, увеличивающая содержание железа или снижающая содержание вредных примесей в руде. Обогащение позволяет существенно повысить содержание железа в шихте доменных печей, улучшить условия восстановления железа, уменьшить выход шлака, улучшая тем самым ход печи и снижая расход кокса при возрастающей производительности.

Для обогащения руд применяют пенную флотацию, основанную на том, что отдельные мелкие частицы всплывают на поверхность воды вместе с пеной.

Для флотации необходимы активаторы – неорганические вещества, увеличивающие способность адсорбировать необходимый собиратель, и депрессоры (подавители) – неорганические вещества, предотвращающие возможность адсорбции собирателя на поверхности минерала, который по условиям процесса не должен увлекаться в пену.

Флотационные машины бывают механические и пневматические. В первых для перемешивания пульпы и засасывания воздуха используют мешалки, а во вторых – специальные трубки, по которым подают под небольшим давлением воздух.

Окускование полезных ископаемых – это процесс превращения мелких классов полезных ископаемых в куски с заданными свойствами для их более эффективного использования. Получаемые в результате глубокого обогащения концентраты руд чёрных и цветных металлов, как правило, непригодны для непосредственного использования в плавке или других технологических процессах и требуют окускования. В зависимости от вида полезного ископаемого и его последующего передела окускование осуществляется агломерацией, окомкованием или брикетированием.

Агломерация – спекание мелких руд или концентратов в твёрдые пористые куски.

Спекание происходит непосредственным слипанием отдельных нагретых частиц шихты при поверхностном их размягчении либо в результате образования легкоплавких соединений, связывающих частицы при остывании агломерируемого продукта. Тепло, необходимое для спекания, получается от горения углеродистого топлива, прибавляемого к агломерируемому материалу, либо от окисления сульфидов, если агломерации подвергаются сернистые рудные концентраты. На практике агломерацию чаще всего осуществляется на колосниковых решётках, с просасыванием воздуха сверху вниз сквозь лежащую на решётке шихту. При этом происходит последовательное горение топлива в лежащих один под другим её слоях.

На современных агломерационных фабриках приём сырья, дозировка и подготовка шихты, укладка её на агломерационные машины, а также обработка готового агломерата полностью механизированы и в значительной степени автоматизированы.

Агломерацию следует рассматривать шире, чем окускование, так как при этом удаляются некоторые вредные примеси (сера и частично мышьяк), разлагаются карбонаты и получается кусковой пористый, к тому же офлюсованный материал.

Окомкование (окатывание шихты) – процесс получения гранул сферической формы – окатышей, подвергаемых для упрочнения обжигу.

Осуществляется на барабанных, тарельчатых или чашевых окомковате-лях в результате взаимодействия между частицами руды или концентрата с водой. Основные стадии окатывания шихты – образование зародышей гранул за счет флуктуации влажности, накатывание частиц рудных материалов на поверхность зародышей по принципу «снежного кома». Для улучшения процесса окатывания шихты используют добавки связующие вещества (бентонит, нонтронит и др.). Сырые окатыши затем подвергают обжигу. 
3. Металлургические расчетыпеч

 

Расчет доменной шихты выполняется на 100 кг чугуна. Цель расчета обеспечить заданный состав металла и шлака для получения качественного передельного чугуна с требуемыми составом и свойствами.

 

Исходные данные

 

Таблица 1 – Химический состав чугуна, %

Химический состав  чугуна %
Основность шлака	Si	S	C+P	Fe+Mn
1,12	0,65	0,017	4,65	94,683

 

Таблица 2 – Химический состав шихтовых материалов и золы кокса %

Материал	Уд.расход, кг/100 кг чугуна	FeO	Fe2O3	SiO2	Al2O3	CaO	MgO
Агломерат №1	-	12,70	65,70	9,40	1,44	9,86	0,65
Агломерат №2	-	12,80	63,89	9,10	1,38	11,20	1,25
Известняк	-	-	3,84	1,00	0,62	41,00	10,10
Зола кокса	-	-	25,48	42,00	24,40	4,10	1,30