1.1. Методы расчета процесса РОМЕЛТ на основе модифицированного метода А.Н. Рамма

При адаптации метода А.Н. Рамма к процессу РОМЕЛТ следовало ввести новые и изменить уже существующие величины. Так, например, метод А.Н. Рамма не учитывает теплоту выделения летучих из твердого топлива, так как содержание летучих в коксе невелико. Предлагаемая: методика I учитывает эту величину при

подсчете полезного расхода теплоты (Уп. Так как в печи РОМЕЛТ два ряда фурм и

!

перед верхним рядом происходит дожигание выделяющихся из шлаковой ванны газов, авторы методики I вводят в расчет величину р - степень дожигания. Поэтому суммарный тепловой эффект горения аморфного углерода угля в печи РОМЕЛТ вычисляется исходя из тепловых эффектов горения углерода до СО и С02 последо-вательно на фурмах нижнего и верхнего рядов:

ос = 33911 • р +10330 ¦ (1 - р) кДж/кг углерода. ' (1)

Исходными данными для расчета по предложенной методике являются: химические составы железорудной части шихты, флюса и угля; найденные опытным путем коэффициенты распределения элементов между чугуном, шлаком и газом в печи .РОМЕЛТ; степень прямого восстановления железа R& которая, по мнению авторов, может изменятся в пределах от 0,95 до 1; степень дожигания (р); концентрация кислорода в дутье нижнего и верхнего рядов фурм; температура дутья нижнего ряда фурм; температура отходящих из агрегата газов; энтальпия чугуна и шлака; внешние потери теплоты на килограмм нелетучего углерода угля; основность шлака; химический состав чугуна.

Основой расчета материального и теплового балансов процесса.

Первым является уравнение по выходу металла. Для каждого компонента шихты определяется величина е - выход чугуна из данного компонента:

е -Ре, ч-т^ ¦Mn,.+iyPi- 1-Sis -Se -Се '

где г - руда, флюс, уголь; т^- коэффициент перехода к-то элемента в чугун; Fe;,Mn(;P; - содержание железа, марганца, фосфора в /-м компоненте шихты, соответственно, доли ед. (масс.); Sis,Se,Ca- содержание кремния, серы, углерода в чугуне, соответственно, доли ед. (масс.).

Неизвестными величинами при решении системы уравнений по методике I являются расходы руды (X), флюса (У) и угля (2). Тогда в расчете на 100 кг чугуна первое уравнение будет выглядеть как:

ер-Х + еф-У + еу-Z = 100. (3)

Для составления второго расчетного уравнения по основности шлака определяется содержание «свободных» оснований RO (терминология А.Н. Рамма), показывающее избыток (недостаток) оснований в данном компоненте шихты (кг/кг компонента шихты):

Ш =Ca0(+MgO(-a-[(SiO3(+AlIOs,b2J14.e( - [Si,]], (4) .

где а - основность шпака.

Второе уравнение примет вид:

ROP • X + КОф • У + ROy ¦ Z = 100. (5)

Третьим является уравнение теплового баланса плавки:

?p-X + VY + VZ = 0, (б)

где д,- тепловой эквивалент компонента шихты, кДж/кг материала, определяется как:

Ц = (?с " 2С) • С + с?лет + qs - [qc - qCi) ¦ Cd - qc ¦ e • [C] - Q'c. (7)

Теплоотдача углерода, сгорающего на фурмах (qc), определяется из выражения:

? с = сс + V-д ся*д - VXC -10795 ¦ Ф ¦ Уя кДж/кг Сф, (8)

где Ул,сл,tp_ - соответственно объем (м^/кг углерода), теплоемкость С)) и температура (°С) дутья; У? >с'1>К — объем (м3/кг углерода), теплоемкость (кДж/(м3-°С)) и температура (°С) отходящих газов - продуктов горения углерода перед двумя рядами фурм; <р - влажность дутья, м3/м3 сухого дутья; Уд - расход дутья, м3/кг углерода.

Теплоотдача летучих компонентов угля (ц1Щ1) в печи РОМЕЛТ вычисляется как разность между теплотой горения их перед двумя рядами фурм со степенью дожигания р и энтальпией отходящих из печи продуктов горения летучих.

Теплоотдача серы угля рассчитывается как разность между теплотой сгорания серы и энтальпией серосодержащих компонентов в отходящих из печи газах с учетом коэффициента перехода серы в газовую фазу.

Теплоотдача углерода, участвующего в прямом восстановлении (t/C{рассчитывается авторами с учетом дожигания монооксида углерода, образующегося при восстановлении монооксида железа углеродом:

(9)

где VT/cr/t'r - соответственно объем (м3/кг углерода), теплоемкость (кДж/(м3'°С)) и температура газов (°С) от прямого восстановления.

В уравнении (7) величина ZC - внешние тепловые потери - (кДж./кг С) должна задаваться исходя из эмпирических данных.

Полезный расход теплоты (О0) учитывает расход тепла на диссоциацию оксидов, гидратов, карбонатов, на испарение гидро- и гигроскопической влаги, на нагрев выходящих из печи газов до заданной температуры.

Совместное решение уравнений (3), (5) и (б) позволяет определить удельные расходы руды, флюса и угля. На основании определенных величин рассчитываются остальные показатели материального и теплового баланса.

В результате расчета получаются достаточно низкие расходы энергоносителей. По нашему мнению это связано с рядом неучтенных в методике I факторов (табл.1). Во-первых, при составлении уравнения теплового баланса (6) в тепловых эквивалентах компонентов шихты не учтены расходы углерода с пылевыносом и

на взаимодействие с влагой, диоксидом углерода шихты, кислородом дутья в зоне дожигания. Следует отметить, что тепловые эффекты рассматриваемых реакций были взяты при температуре 298К и не приведены к реальным температурам протекания реакций (в шлаковой ванне и зоне дожигания). Именно поэтому в методике даже не задается температура ванны. Однако самым значимым фактором, в результате которого расчетные расходы угля и кислорода на процесс РОМЕЛТ по методике I получаются сравнительно низкими, является завышение роли летучих компонентов угля. Во-первых, приход тепла от горения летучих компонентов на верхних фурмах явно завышен. В приведенном расчете [32] на «горение летучих угля» приходится 27% всего тепла, пришедшего в печь. Так «горение углерода угля (70% СфЖХ в угле) перед фурмами» при степени дожигания 95% составляет 5,26 ГДж/т чугуна, а «горение летучих компонентов угля (20% Vй в угле)» - 5,60 ГДж/т. Это приводит к спорному выводу о том, что в процессе лучше использовать уголь с высоким содержанием летучих компонентов.

Указанные выше недостатки методики I приводят к занижению расходов энергоносителей в процессе РОМЕЛТ и, как отмечается в работе [33], «к сильным разночтениям, противоречиям и неправильному пониманию сути процесса».

Еще одна методика (И), опубликованная в работе [34] и основанная на упрощенном А.Н.

А.Н. Рамм впервые объединил в одних уравнениях материальные и тепловые показатели и ввел понятие тепловых эквивалентов материалов. Тепловой эквивалент того или иного материала представляет собой количество тепла, которое надо затратить в доменной печи для выплавки чугуна при использовании единицы (1 кг или 1 м3) этого материала. Знаки тепловых эквивалентов отрицательны для горючих материалов и положительны для остальных материалов шихты. Тепловой эквивалент зависит не только от химического состава материала, но и от ряда технологических параметров.

Авторы методики II адаптировали общее уравнение А.Н. Рамма, позволяющее вычислить расход топлива на доменную плавку, для процесса РОМЕЛТ:

. = . щпжв . ре (Щ

где , и g™ - тепловые эквиваленты топлива, шлакообразующих со-ставляющих шихты и железа, кДж/кг материала; Тпжв, Шпжв, Fe - расход твердого топлива, шлакообразующих и железа шихты, кг/100 кг чугуна.

Тепловой эквивалент каждого шихтового материала представляет собой сумму произведений содержаний элементов (оксидов) на тепловые эквиваленты этих элементов (оксидов).

Для расчета расхода топлива на процесс РОМЕЛТ получено следующее выражение: +

-mCOt -(1-р)

1+И

. м

( Гг-О Л

+

(П)

rJJroi® ^•IIF^+Fe- l,93F^+2,93Fe*- 12 ,¦ ч 2554 Fe2+ + Fe +56 Fe2++Fe- 1X87 ' 9781+р • 23575+ Уд ¦ WJ- + Vfe ¦ 1<т

т •Ст- ¦W

' "чуг где Fe2+ и Fe3+- содержшше двух- и трехвалентного железа в рудной части шихты, %; W ^ТЛ/дя - теплосодержание чугуна (кДж/кг) горячего дутья и колошникового газа (кДж/м3), соответственно; qA,q$,qSi - тепловые эквиваленты соответственно золы твердого топлива, серы и кремния, кДж/кг материала; Ст,тпгг,Ay,ST- содержание в твердом топливе нелетучего углерода, летучих компонентов, золы и серы, доли ед.; [С], [Fe], [Si] - содержание в чугуне углерода, железа и кремния, доли ед.; р- степень дожигания, доли ед.; Уд- расход дутья (м3/кг

углерода, сгорающего у фурм); Уклг и VI,- выход колошникового газа соответственно из дутья (м3/м3 дутья) и с учетом летучих топлива и СОг известняка (м3/кг углерода твердого топлива); С2лет/Ст- количество тепла, выделяющееся при сжигании летучих (кДж/кг Ст); Zc- тепловые потери (кДж/кг Ст); г\Б- коэффициент перехода серы в шлак, доли ед.; gCOj -mCOi '(1-р) - количество тепла, затраченного на реакцию разложения СО2 флюса и не компенсированного затем дожиганием на верхних фурмах.

В работах [34,36,37] указывается, что расчетный расход угля на процесс, определенный из выражения (11), составляет 4-6 т/т чугуна при расходе кислорода 2000-3000 м3/т.

процессе РОМЕЛТ, не отвечающие практике, получены в результате расчетов по методике II с использованием в шихте, кроме руды с низким содержанием железа (30%), известняка и неподходящего для процесса газового угля Кузнецкого бассейна (56,9% Сфшсс),

В работе [39] приведены фактические данные о переработке на ОПУ материала с кислой пустой породой и 24% железа. При этом реальный расход угля составил 5,1 т/т чугуна при достаточно низкой степени дожигания газов в печи (50%).

Ряд неточностей, допущенных авторами методики II при составлении уравнения (11), приводят к завышению расчетного расхода угля в процессе РОМЕЛТ. На основные из них указывают авторы работ [33] и [40].

В работе [33], в частности, отмечается, что в уравнении (11) следует исключить величину тжт /Ст, так как она завышает тепловые потери через стенки на

43%. Величина теялопотерь Zc, принятая авторами [34] по данным [31], включает все тешюпотери. Увеличение же доли летучих в угле (при постоянной производительности) не изменит эту величину, так как при этом будет снижена степень дожигания и общий тепловой поток на стенки останется прежним, что доказано практикой работы опытно-промышленной установки на углях с 20 и 34% летучих.

Е.Ф. Вегман в работе [40] дает свой критический анализ методики расчета II, Он также считает полученный в работе [34] расход угля (2437 кг/т) явно завышенным и выделяет как минимум три пункта, которые привели к этому, Во-первых, в уравнении (11) тепловой эффект горения углерода до СО принят равным 9781 кДж/кг. Это соответствует степени графитизации углерода 50%, что характерно для металлургического кокса. Отсутствие кристаллического графита в угле приводит к тому, что на единицу углерода при его горении до СО выделится тепла на 7% больше. Во-вторых, завышенной является энтальпия отходящих газов. И, в- третьих, указывается на завышение тепловых потерь в печи РОМЕЛТ за счет того, что авторы методики II отходят от рекомендаций А.Н.

Неточности методики П, скорее всего, связаны с отсутствием у авторов достаточной информации о работе агрегата РОМЕЛТ на НЛМК. Однако данную мето-дику с соответствующими уточнениями можно применять для оценочных расчетов

расхода угля на процесс. Ее применение ограничено, так как не рассчитываются другие технологические показатели: производительность печи, расход кислорода на нижние и верхние фурмы и т.д.

Согласно данным, представленным в табл.1, в методике II при расчете угля на процесс РОМЕЛТ не учитывается ряд важных статей расхода углерода: с пыле- выносом; на взаимодействие с влагой; на взаимодействие с СОг карбонатов шихты; на взаимодействие с кислородом дутья верхних фурм; на восстановление других, кроме железа и кремния, элементов. Не учитывается и приход в ванну пиролитиче- ского углерода от разложения СН4 летучих компонентов угля.