Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья

 

*η_Fe и η_Mn – коэффициенты перехода железа и марганца, равные соответственно 0,999 и 0,6;

[Fe], [Si], [Mn] – содержание соответствующих элементов в чугуне, %

(см. табл. 2,1).

 

Вычисленные значения выхода чугуна е_м, избытка (недостатка) марганца Mn извести СаО, магнезии MgО используем в качестве коэффициентов в уравнениях баланса.

 

По выходу чугуна из материалов ∑М*е_м = 1000:

        0,603*Х + 0,113Y+0,008*И + 0,003*Д + 0,064*44,04 = 1000.

По избытку (недостатку) марганца ∑М*Mn= 0

-0,038Х + 20,39+0,144*И - 0,002*Д + 0,003*44,04 = 0.

По избытку (недостатку) извести ∑М*СаО = 0:

-4,54*Х-17,25Y + 50,21*И + 32,32*Д – 52,78*44,04 = 0.

По избытку (недостатку) магнезии ∑М*MgO = 0:

0,22*X+1,56Y -9,9*И + 7,43*Д + 0,06*44,04 = 0.

где 44,04– количество золы, вносимой коксом, кг (см.п.2).

 

Решение системы уравнений даёт расход материалов на 1 т чугуна:

- рудной смеси Х = 1608,8, в том числе железной руды

Р  = 1608,8*0,25=402,2 и концентрата К = 1608,8*0,75=1206,6 кг;

- марганцевой руды Y =2,15 кг

- известняка  И = 120,16 кг;

- доломита  Д = 112,38 кг.

 

Принимаем, что железная и маргенцевая руды агломирируются, а концентрат идёт на производство окатышей. Флюсы распределяются между этими материалами пропорционально  недостатку в них извести  (см. табл. 3.1):

 

P*CaOp+YCaO_Mn=402,2*5.55+2,15*17,25=2269

KCaOк=1206,6*4,223=5095

2269+5095=7364

Отсюда расход флюсов составляет:

- на агломерацию

• известняка 120,16 *2269/7364=37,02 кг
• доломита  112,38 *2269/7364 = 34,62 кг

- на производство окатышей

• известняка 120,16 *5095/7364= 83,13 кг
• доломита  112,38 *5095/7364 =  77,75 кг

3.2 Агломерат

 

Для определения  дополнительного количества флюсов на офлюсование золы коксика, вводимого  в аглошихту в качестве топлива, принимаем расход последнего 8 % от массы  спекаемых рудных материалов

(402,2 +2,15)*8/100 = 32,3 кг.

В этом количестве коксика имеется  золы

32,3 *12/100= 3,88 кг,

где 12 – содержание золы в коксике по техническому анализу

(оно обычно на 1-3 % выше, чем в  металлургическом коксе).

Дополнительный  расход флюсов И_д и Д_д определяем, используя ранее рассчитанные характеристики флюсов (см. табл. 3.1) из уравнений:

По CaO  50,21Ид + 32,32Дд - 52,78*3,88=0

По MgO -9,9 Ид + 7,43Дд +0,06*3,88=0

Решив систему  получим Ид = 2,21 Дд=2,91

Общий расход на агломерацию:

Известняка  37,02 +2,21= 39,23

Доломита   34,62+2,91 = 37,53

Определение состава агломерата сделано в  табл. 3.2. По известным расходам материалов и их составам рассчитывается количество всех состовляющих( строка «всего вносится»).

При определении  количества и состава агломерата принято:

- потери  при прокалывании полностью удаляются

- в готовом  агломерате степень окисленности  по отношению Fe_общ: Fe_Feo равна 5.

Согласно  отношению Fe_общ: Fe_Feo, равному 5 , в агломерат переходит двухвалентного железа

170,5/5=34,1 кг

В виде 34,1*72/56 = 43,8 кг FeO и 170,5 - 34,1 = 135,4 трехвалентного железа, связанного в 135,4*160/112 = 193,4 кг Fe2O3

Принято что  в готовый агломерат переходит 15%вносимой серы или 1,05*15/100= 0,16 кг, условно  связанной в 0,16*80/32 = 0,4 кг SO3

Остальные составляющие, в том числе марганец в виде MnO и фосфор в виде P2O5 (соответственно 2,844*71/55 = 3,67 и 1,133*142/62= 2,31) полностью переходят в агломерат

Получается  агломерата

43,8+193,4+3,67+0,4+2,31+33,92+5,88+43,51+10,4=337,43

 

В процессе агломерации количество оксида Fe2O3 увеличилась 0,96 до 193,4

Процесс окислительный.

Основность агломерата ,равная CaO/SiO2=1,28 находится в пределах, в которых возможно получение офлюсованного агломерата достаточной прочности (0,7-1,4)

 

3.3 Окатыши

 

В шихту  для производства окатышей вводится бентонит в количестве 0,5-1,2 % от массы  концентрата. Приняв расход его 0,58 %, получим 1206,6* 0,8/100 = 7 кг бентонита.

С целью определения  потребности известника и доломита для офлюсованя бентонита вычисляется  недостаток в нём извести CaOб и магнезии MgOб (химический состав бентонита в табл 3,2)

CaO_б = CaO – (SiO2 – Fe* η_Fe*[Si]*(60/28)/[Fe]*CaO/SiO2 = 1,7-(50,85 – 4,28*0,999*0,6*2,14/93,86)*1,15 = - 56,74

MgOб = MgO – CaO/(CaO/MgO) = 0,72 – 1,71/4 = 0,29%

 

По полученным и ранее расчитанами (см табл 3.1) характеристикам  составляют уравнения:

 По CaO 50,21 И_б + 32,32Д_б - 56,74*7,0 =0

 По MgO -9,9И_б+7,43Д_б + 0,29*7,0 = 0

Решив совместно, получаем Иб= 4,33кг и Дб=5,56

Полный расход в шихту для производства окатышей: известняка 83,17+ 4,33=87,5 и доломита 77,75+5,56=83,31

При определении  количества и состава окатышей (см табл. 3.2) принято:

 

- потери  при прокалывании полностью удаляются

- в обожженне окатыши переходит 20% серы или 2,94*20/100=0,59, условно связанной в 0,59*80/32= 1,47кг SO3

- в обожженных  окатышах отношение Fe_общ :Fe_Feo=20 ( обычно 17-20); тогда в окатышах содержится 743,97:20 = 37,2кг двухвалентного железа в виде 37,2*72/56=47,83 FeO и 743,97-37,2=706,8 кг трехвалентного,связанного в 706,8*160/112=1009,7кг Fe2O3

- остальные  составляющие без имзенения переходят  в окатыши 

Получается  окатышей

 

47,83+1009,7+12,16+1,09+1,47+93,95+4,42+149,67+28,5 = 1348,8кг

Основнасть  их составляет CaO/SiO2=11,1/6,96=1,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

материал	Расход сухого материала, кг	Колличество составляющих, кг
		Fe	FeO	Fe2O3	Mn	P	S	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	П.п.п
Железная руда	402,2	169,6	216,6	-	2,011	0,93	0,60	30,08	3,78	9,69	3,02	130,43
Марганцевая руда	2,15	0,23	0,29	-	0,73	0,003	0,001	0,37	0,30	0,06	0,05	0,09
Известняк	39,23	0,3	0,38	0,47	0,1	0,003	0,02	0,56	0,23	20,34	1,20	15,84
Доломит	37,53	0,154	0,21	0,17	-	-	-	0,96	0,51	13,23	6,08	16,30
Коксик	32,3	-	-	-	-	-	0,255	-	-	-	-	-
Зола кокса	3,88	0,23	0,29	0,32	0,003	0,02	-	1,95	1,06	0,19	0,05	-
Всего вносится		170,5	217,17	0,96	2,844	1,133	1,056	33,92	5,88	43,51	10,4	162,66
Переходит в агломерат	337,43	170,5	135,4	193,4	2,844	1,133	0,4	33,92	5,88	43,51	10,4
Содержание в агломерате,%		50,5	40,1	57,3	1,08	0,68	0,12	10,05	1,74	12,89	3,08
Концентрат	1206,6	742,2	235	799,15	11,94	1,08	2,89	87	1,08	37,4	12,3	9,65
Известняк	87,5	1,41	-	1,05	0,22	0,007	0,052	1,26	0,51	45,37	2,69	35,32
доломит	83,31	0,26		0,37				2,13	1,13	29,37	13,5	36,19
Бентонит	7	0,3	-	0,42				3,56	1,7	0,12	0,05	1,15
Всего вносится(переходит в сырые  окатыши)		743,97	235	801	12,16	1,09	2,94	93,95	4,42	112,26	28,54
Переходит в обожженные окатыши	1348,8	743,97	47,83	1009,7	12,16	1,09	1,47	93,95	4,42	112,26	28,5
Содержание в окатышах,%		55,2	3,55	74,86	0,9	0,08	0,11	6,96	0,33	8.3	2,1

Таблица 3.2 – Определение состава агломерата и окатышей

 

 

 

Основность  агломерата, равнаяCaO/SiO₂ = 1,28

Основность  окатышей составляет CaO/SiO₂ = 1,19

 

 

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ПРОДУКТОВ ПЛАВКИ

 

4.1. Проверочная таблица расчета шихты

В поверочной таблице (табл. 4.1) коксу обычно отводится  две строки – собственно коксу  и его золе, при этом составляющие кокса следует учитывать только один раз (серу – в коксе, минеральные  составляющие в золе). При вдувании в горн мазута, пылеугольного топлива, следует учесть приход серы с этими  топливными добавками.

 Элементы  и составляющие распределяются  между чугуном и шлаком.

Железо. Переходит в чугун 917,12*0,999=916,2, в шлак  917,12-016,2=0,92 кг в виде 1,18 кг FeO

Фосфор  полностью 2,42 переходит в чугун

Марганец  η_Mn=0,6; 15,04*0,6=9,02в в чугун; в шлак  15,04 – 9,02 = 6,02кг в виде MnO 7,77кг

Сера. По заданию 0,2 кг на 1т чугуна. Переходит в шлак 7,06 – 0,2 -0,35 = 6,51 кг

Углерод по заданию 4,5 , 45 кг на 1 т чугуна.

Кремнезем. Расходуется на восстановление кремния ( 0,6% согласно таблице 2.1)  6*20/28= 12,9 кг; переходит в шлак 149,98 -12,9 =137,08 кг

Всё остальное : глинозем, известь, магнезия переходят  в шлак

Количество  составляющих чугуна

916,2 + 9,02+2,42+0,2+45+6= 978,8

Погрешность расчета равна

|978,8-1000|*100/1000=2,1%

Количество  шлакообразующих

1,18+7,77+(0,5*6,51)+149,98+22,34+195,34+39,47=419,3

Выход шлака

419,3*1000/978,8=428,07кг

 

 

Шлак характеризуется  отношениями

CaO/SiO2=46,58/32,7=1,4

SiO2/Al2O3=32,7/5,32=6,14

CaO/MgO=46,58/9,41=4,95

 

 

 

 

 

Таблица 4.1- Определение состава чугуна и  шлака

Наименование	Расход материала, кг		Количество составляющих материалов, кг
	влажного	сухого	Влага	Fe	Mn	P	S	C	SiO2	Al2O3	CaO	MgO
Агломерат		337,43		170,5	2,844	1,133	0,4		33,92	5,88	43,51	10,4
Окатыши		1348,8		743,97	12,16	1,09	2,94		93,95	4,42	149,67	28,5
Кокс	470	460,32	9,68				3,71
Зола кокса		44,04		2,65	0,04	0,2			22,11	12,04	2,16	0,57
Всего вносится				917,12	15,04	2,42	7,05		149,98	22,34	195,34	39,47
Переходит в газ							0,35
Переходит в чугун		978,8		916,2	9,02	2,42	0,2	45	6Si
Переходит в шлак		419,3		0,92	7,77		6,51		137,08	22,34	195,34	39,47
Состав чугуна, %				93,6	0,92	0,247	0,02	4,5	0,6
Состав шлака %				0,22	1,85		1,55		32,7	5,32	46,58	9,41

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2. Оценка свойств шлака

4.2.1 Физические свойства

Таблица 4.2 – Составы фактического и трехкомпонентного шлаков

наименование	Содержание в шлаке, %
	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	RO=CaO+MgO	Сумма
Расчетный шлак (Фактический)	32,7	5,32	46,58	9,41		94
Шлак пересчитанный на 3 компонента	34,78	5,66	49,55	10	59,55	100

 

 

По совмещенной диаграмме состояния  системы CaO – SiO₂ – Al₂O₃ (за СаО принимается RO = CaO + MgO в трехкомпонентном шлаке) определяется  температура начала кристаллизации (ликвидуса) t_S и вязкость шлака η₁₅₀₀ при 1500 ºС. Для данного примера t_S = 1900 ºC, η₁₅₀₀ = 2,8 Н*с/м².  

 

4.2.2. Обессеривающая способность  шлака 

Ее оценивают  по различным методам. В соответствии с эмпирической формулой А.Н. Рамма, для получения чугуна с 0,02 % серы, содержание оснований в шлаке должно быть не менее:

 

62,75>52,18 , следовательно, по АН. Рамму шлак обладает достаточной обессеривающей способностью.

ROтр=50-0,25(Al2O3)+3(S)-(0,3[Si]+30*[S])/ш=50-0,25*5,32+3*1,55-(0,3*0,6+30*0,02)/0,42807=51,52

Ш-относительный выход шлака

Фактическое содержание оснований

ROфакт=(CaO)+(MgO)+(MnO)+(FeO)=46,58+9,1+1,85+0,22=57,75

По А.Н. Рамму шлак обладает достаточной  обессеривающей способностью.

По В.Г. Воскобойникову, эмпирическое значение коэффициента распределения  серы при 1400 ºС составляет

X=((CaO)+(MgO)+(MnO))/(SiO2)=(46,58+9,41+1,85)/32,7=1,768

L_s¹⁴⁵⁰=98*1,768²-160*1,768+72-(0,6*9,41-0,012*9,41²-4,032)* 1,768⁴=90,45

Температурный коэфицент

η=2,7(t/100)-0,067(t/100)2-24,063=3,05

L_sпр=η* L_s¹⁴⁵⁰=275,87

[S]=(S_∑-S_лет)*10^-1/(1+Ш*L_s)=(7,05-0,35)*10^-1/(1+0,42807*275,87)=0,0024%

Расчётный шлак по В.Г. Воскобойникову обладает требуемой обессеривающей саособностью. 
5. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

 

Материальные  балансы плавки показывают соотношение  количеств расходуемых материалов и получаемых продуктов (общий баланс) и количество отдельных элементов  и веществ в них (частные балансы). Частные балансы элементов и  соединений, распределяющихся между  чугуном и шлаком, составляются при  расчете шихты. Если к этим балансам добавить балансы углерода и оксидов  железа, то получится развернутый  баланс доменной плавки. Составляются материальны балансы при проектировании для проверки правильности исходных данных и результатов расчета  шихты, количеств дутья газов  и других характеристик доменного  процесса. Если материальные балансы  не сходятся, то результаты определения  характеристик доменного процесса не заслуживают доверия.