Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья

 

Введение

 

РАСЧЕТ ДОМЕННОЙ ШИХТЫ

Доменная  шихта – сырьевые материалы и  кокс в массовом соотношении, обеспечивающим получение заданного состава  чугуна и соответствующего ему шлака.

Рассчитывается  шихта путем составления и  решения уравнений материального  баланса элементов или соединений. Число составляемых и решаемых уравнений  должно быть равно числу материалов, расход которых требуется определить. Часть уравнений может составляться по заданным условиям –  расходу  отдельных материалов или соотношению  между ними.

Заданные  или имеющиеся материалы обычно не обеспечивают все желательные  для доменного процесса условия. Поэтому в расчетах шихт удовлетворяют, прежде всего, наиболее важные условия. Все заданные условия, обеспечиваемые шихтой, проверяются составлением поверочной таблицы расчета шихты, в которой  определяется содержание отдельных  составляющих в продуктах плавки.

Уравнения составляются различными способами, чаще всего в виде:

 

                                            ∑М*a_m= ∑ П*a_n;                                             (1) 

 

                                                   ∑ М*a = 0;                                                 (2)   

 

где   М  и П – расход материала и  выход продукта процесса

a_m и a_n -  содержание компонента в исходном материале и продукте процесса

        а – избыток (недостаток) компонента  по сравнению с желательным.

Уравнение (1) составлено из условия, что общее  количество компонента в исходной шихте  равно количеству его в продуктах  плавки, уравнение (2) – из условия, что  в шихте не должно быть ни избытка, ни недостатка компонента.

Уравнение материального баланса решаются совместно или с допущениями (часто  в практике) последовательно. Допущения  обычно не вносят существенных погрешностей в результаты расчета, но значительно  упрощают его.

В современных  условиях при проектировании условий  плавки целесообразно рассчитывать шихту одновременно для производства окускованного железорудного сырья (агломерата и окатышей) и для  выплавки чугуна. Для этого следует  учитывать количество и состав золы горючего, используемого при агломерации, и бентонита, вводимого в окатыши.

Наиболее  полный метод расчета шихты –  комплексный метод А.Н.Рамма. По этому  способу составляются основные (по выходу чугуна из материалов и избытку (недостатку) извести в них) и дополнительные уравнения материального баланса, а также уравнения теплового баланса. Дополнительные уравнения могут составляться по фосфору, марганцу, глинозему, магнезии, выходу шлака, если имеются материалы с разным содержанием этих составляющих. Составление уравнения теплового баланса (по так называемым тепловым эквивалентам материалов) позволяет вместе с расходами материалов определять и расход горючего.

Комплексный метод расчета является развитием  рационального метода академика  М.А.Павлова, по которому уравнения  составлялись для определения наиболее подходящих (рациональных) свойств  и количества шлака. Расход кокса  по этому методу принимается и, в  зависимости от количества и состава  руд и флюсов, составляется и решается от трех до семи уравнений материального  баланса.

Ранее были разработаны упрощенные методы расчета  шихты, широко распространённые в настоящее  время. В расчетах по этому методу принимается расход горючего и делается ряд допущений с целью облегчения решения уравнений материального  баланса. Определение расхода материалов упрощенными методами сводится к  последовательному составлению  и решению уравнений материального  баланса по железу, марганцу (при  необходимости), основности шлака и  дополнительным характеристикам. В  настоящем расчете для определения  расхода материалов используется характеристики, предложенные А.Н. Раммом. Расчет ведется  на 1 т чугуна.

В учебных  расчетах шихты основными является учет и понимание особенностей доменного  процесса, поэтому при выполнении расчетов целесообразно обращение  к учебной и технической литературе [1-13]. Целью расчетов при этом является овладение методикой их выполнения и закрепления теоретических  знаний.

 

1.1 Исходные данные

 

Рассчитать  шихту для выплавки передельного чугуна в следующих условиях (табл. 1. 1…1.4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1. 1 - Химический состав сырьевых материалов

Материал	Влажность, %	Состав сухой массы, %
		Fe	Mn	S	P	FeO	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	П.п.п
Железная руда	6,05	46,29	0,56	0,16	0,25	59,12	8,21	1,03	2,65	0.82	35,6
Рудный концентрат	8,35	65,21	1,06	0,25	0,09	20,65	7,64	0.09	3,29	1,08	0,85
Марганцевая руда	2,56	12,62	40,32	0,06	0,15	MnO 51,6	20,54	16,25	3,05	2,60	5,00
Известняк	0,50	0,80	0,26	0,06	0,01	Fe2O3	1,50	0,60	54,00	3,20	42,03
						1,25
Доломит	0,50	0,31	-	-	-	Fe2O3	2,56	1,36	35,26	16,21	43,44
						0,45
Зола кокса	0	6,02	0,09	-	0,45	Fe2O3	50,26	27,36	4,92	1,29	-
						8,21

 

 

Рудная смесь  содержит: 25% железной руды,

75% концентрата.

 

Таблица 1. 2 – Состав и расход кокса

Влага, W,%	Зола, Аd,%	Летучие, Vd,%	Сера, Sd,%	Азот, Nd,%	Водород, Hd,%	Расход, кг/т
2,06	11,8	1,62	0,79	0,67	0,28	470

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Оценка сырьевых материалов

 

1.2.1. Минералогический тип железных  руд

 

Минералогический  тип железных руд устанавливается  по соотношению содержаний железа, закиси железа и потерь при прокаливании в чистых рудных минералах (табл. 1.5) и в оцениваемых рудах. Он может быть использован для ориентировочной характеристики физических и физико-химических свойств руд для определения вероятных соединений  элементов в рудах и способ их обогащения.

 

Таблица 1.5 – Содержание в рудных минералах железа, закиси железа и потерь при  прокаливании (п.п.п.)

Минерал	Содержание, %			Fe/FeO
	Fe	FeO	П.п.п.
Сидерит FeCO3	48,0	62,0	38,0	0,77
Магнетит Fe3O4	71,0	31,0	1÷3	2,29*
Гематит Fe2O3	70,0	-	3÷8	-
Бурый железняк mFe2O3*nH2O	52,3÷66,3	-	12÷18	-

* По классификации академика  М.А. Павлова отношение Fe/FeO в магнетитахменее 3,5, в полумартитах  равно 3,5-7,0, в мартитах более 7,0.

 

В заданной железной руде (см. табл. 1.1) величина п.п.п. большая 

(35,6%), следовательно в ней основным материалом является Сидерит. В концентрате отношение Fe/FeO = 65,1/20,65 = 3,15 т.е. меньше 3,5. Следовательно, в нем основным минералом является магнетит.

 

1.2.2. Химический состав железных руд

Химический  состав железных руд во многом предопределяет ее ценность. Правильность данных по химическому  составу руд и флюсов проверяется  путем суммирования известных составляющих. При этом элементы, заданные в анализах, должны быть пересчитаны на соединения, в виде которых они содержатся в материалах. Если эти соединения не указаны, то принимаются наиболее вероятные для имеющегося минералогического  типа руды соединения. Если сумма составляющих отличается от 100 % более чем на 1 %, она должна быть пересчитана. Золу кокса  не пересчитываем.

 

Железная  руда:

Fe_FeO= FeO*56/72 = 59,12*56/72 = 45,98 %

Fe_FeСО3 = Fe – Fe_FeO = 46,29 – 45,98 = 0,31 %

FeСО3 = Fe_FeСО3 *116/56 =0,31 *116/56 = 0,64 %

MnO = Mn*71/55 = 0,56*71/55 = 0,72 %

P₂O₅ = P*142/62 = 0,25*142/62 = 0,57 %

SO₃ = S*80/32 = 0,16*80/32 = 0,4%

∑ FeO + FeСО3 + MnO + P₂O₅ + SO₃ + SiO₂ + Al₂O₃ + CaO + MgO + П.п.п. =

=59,12+0,64+0,72+0,57+0,4+8,21+1,03+2,65+0,82+35,6 = 109,76%

 

Пересчёт  на 100% Железная руда:

FeO= FeO*100/109,76= 59,12*100/109,76= 53,86 %

FeСО3 = Fe_FeСО3*100/109,76= 0,64 *100/109,76= 0,583 %

MnO = Mn*100/109,76= 0,72 *100/109,76= 0,656 %

P₂O₅ = P*100/109,76= 0,57*100/109,76= 0,52 %

SO₃ = S*100/109,76= 0,4  *100/109,76= 0,364 %

SiO2 = 8,21*100/109,76= 7,48%

Al2O3 = 1,03*100/109,76=0,938 %

CaO = 2,65*100/109,76= 2,414%

MgO = 0,82*100/109,76= 0,747%

П.п.п =  35,6*100/109,76= 32,43%

∑ FeO + FeCO₃ + MnO + P₂O₅ + SO₃ + SiO₂ + Al₂O₃ + CaO + MgO + П.п.п. = 53,86+0,583+0,656+0,52+0,364+7,48+0,938+2,414+0,747+32,43=100%

 

Рудный концентрат:

Fe_FeO=  FeO*56/72 = 20,65*56/72 = 16,06 %

Fe_Fe2O3 = Fe – Fe_FeO = 65,21-16,06= 49,14%

Fe₂O₃ = Fe_Fe2O3*160/112 = 49,15*160/112 = 70,2 %

MnO = Mn*71/55 = 1,06*71/55 = 1,36 %

P₂O₅ = P*142/62 = 0,09*142/62 = 0,206 %

SO₃ = S*80/32 = 0,25*80/32 = 0,625 %

∑ FeO + Fe₂O₃ + MnO + P₂O₅ + SO₃ + SiO₂ + Al₂O₃ + CaO + MgO + П.п.п.  = =20,65+70,2+1,36+0,206+0,625+7,64+0,09+3,29+1,08+0,85=105,991%

 

Пересчет на рудный концентрат:

FeO= 20,65*100/105,991=19,483%

Fe₂O₃=70,2*100/105,991=66,232%

MnO=1,36*100/105,991=1,283%

P₂O₅=0,206*100/105,991=0,194%

SO₃=0,625*100/105,991=0,589%

SiO2 = 7,64*100/105,991= 7,208

Al2O3 =  0,09*100/105,991= 0,085

CaO = 3,29*100/105,991= 3,104

MgO = 1,08*100/105,991= 1,019

П.п.п. = 0,85*100/105,991= 0,802

∑ FeO + Fe₂O₃ + MnO + P₂O₅ + SO₃ + SiO₂ + Al₂O₃ + CaO + MgO + П.п.п =19,483+66,232+1,283+0,194+0,589+7,208+0,085+3,104+1,019+0,802=100%

 

Марганцевая руда:

Fe₂O₃ = Fe*160/112 = 12,62*160/112 = 18 %

P₂O₅ = P*142/62 = 0,15*142/62 = 0,34 %

SO₃ = S*80/32 = 0,06*80/32 = 0,15 %

Mn_MnO=51,6*55/71=39,97%

Mn_MnO2=Mn-Mn_Mno=40,32-39,97=0,35%

MnO2=0,35*87/55=0,55%

∑ Fe₂O₃ + MnO + MnO2+P₂O₅ + SO₃ + SiO₂ + Al₂O₃ + CaO + MgO + П.п.п. =

= 18+51,6+0,55+0,34+0,15+20,54+16,25+3,05+2,60+5= 118,08%

 

 

 

Необходимо  пересчитать:

Fe₂O₃=  18 /118,08*100 = 15,244 %

MnO= 51,6 /118,08*100 = 43,7 %

MnO2 = 0,55 /118,08*100 = 0,466 %

P₂O ₅= 0,34 /118,08*100 = 0,288 %

SO₃ = 0,15 /118,08*100 = 0,127 %

SiO₂ = 20,54 /118,08*100 = 17,394 %

Al₂O₃ = 16,25 /118,08*100 = 13,76 %

CaO = 3,05 /118,08*100 = 2,582 %

MgO = 2,60/ 118,08*100 = 2,202 %

П.п.п = 5 /118,08*100 = 4,234 %

∑  Fe₂O₃ + MnO + P₂O₅ + SO₃ + SiO₂ + Al₂O₃ + CaO + MgO + П.п.п. = 15,224+43,7+0,466+0,288+0,127+17,394+13,76+2,582+2,202+4,234= 100%

 

Известняк:

FeO=0,80*72/56=1,03%

MnO = Mn*71/55 = 0,26*71/55 = 0,34 %

P₂O₅ = P*142/62 = 0,01*142/62 = 0,02 %

SO₃= S*80/32 = 0,06*80/32 = 0,15 %

∑ Fe₂O₃ + FeO+MnO + P₂O₅ + SO₃ + SiO₂+ Al₂O₃ + CaO + MgO + П.п.п. =

= 1,25+1,03+0,34+0,02+0,15+1,50+0,60+54+3,20+42,03=104,12%

Пересчет на известняк

FeO=1,03*100/104,12 = 0,989%

Fe₂O₃=1,25*100/104,12=1,2%

MnO=0,34*100/104,12=0,326%

P₂O₅=0,02*100/104,12=0,019%

SO₃=0,15*100/104,12=0,144%

SiO2 = 1,50*100/104,12= 1,44%

Al2O3 0,6*100/104,12= 0,576

CaO = 54*100/104,12= 51,863

MgO = 3,20*100/104,12= 3,07

П.п.п. = 42,03*100/104,12=  40,366

∑ Fe₂O₃ + MnO + P₂O₅ + SO₃ + SiO₂+ Al₂O₃ + CaO + MgO + П.п.п. = 0,989+1,2+0,326+0,019+0,144+1,44+0,576+51,863+3,07+40,366 = 100%

 

Доломит:

FeO=0,31*72/56=0,398