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
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:
где М и П – расход материала и выход продукта процесса
am и an - 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
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
В учебных
расчетах шихты основными является
учет и понимание особенностей доменного
процесса, поэтому при выполнении
расчетов целесообразно обращение
к учебной и технической
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:
FeFeO= FeO*56/72 = 59,12*56/72 = 45,98 %
FeFeСО3 = Fe – FeFeO = 46,29 – 45,98 = 0,31 %
FeСО3 = FeFeСО3 *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,
Пересчёт на 100% Железная руда:
FeO= FeO*100/109,76= 59,12*100/109,76= 53,86 %
FeСО3 = FeFeСО3*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+
Рудный концентрат:
FeFeO= FeO*56/72 = 20,65*56/72 = 16,06 %
FeFe2O3 = Fe – FeFeO = 65,21-16,06= 49,14%
Fe2O3 = FeFe2O3*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+
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,
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 %
MnMnO=51,6*55/71=39,97%
MnMnO2=Mn-MnMno=40,32-39,97=0,
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+
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+
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+
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,
Доломит:
FeO=0,31*72/56=0,398
∑FeO+Fe2O3+SiO2+Al2O3+CaO+MgO+
|
Материал |
Влаж-ность, % |
Состав сухой массы, % | |||||||||
Fe |
Mn |
S |
P |
FeO |
SiO2 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
П.п.п | ||
Железная руда |
6,05 |
42,17 |
0,50 |
0,15 |
0,23 |
53,86 |
7,48 |
0,94 |
2.41 |
0,75 |
32,43 |
Рудный концентрат |
8,35 |
61,51 |
0,99 |
0,24 |
0,09 |
19,48 |
7,21 |
0,09 |
3,10 |
1,02 |
0,80 |
Марганцевая руда |
2,56 |
10,67 |
34,14 |
0,05 |
0,13 |
MnO 43,7 |
17,39 |
13,76 |
2,58 |
2,20 |
4,23 |
Известняк |
0,50 |
1,61 |
0,25 |
0,06 |
0,008 |
Fe2O3 1,2 |
1,44 |
0,58 |
51,86 |
3,07 |
40,37 |
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 |
- |
Таблица 1. 6 – Химический состав сырьевых материалов (пересчитанный)
Богатство
По содержанию железа железные руды делятся на богатые, нуждающиеся в сортировке и окусковании, и на бедные, направляемые на обогащение и окускование. Граница между этими сортами руд сильно колеблется в зависимости от минералогического типа их. К богатым рудам относятся магнетитовые и гематитовые, содержащие более 45-48% железа, бурые железняки и сидериты, содержащие соответственно 37-40 и 27-30 % железа. В доменных печах целесообразно проплавлять железорудное сырье с максимально возможным богатством, однако, в современных условиях переработка таких материалов может оказаться не всегда экономически выгодной. Оптимальное содержание железа в концентрате определяется рядом факторов: обогатимостью, минералогическим составом рудной части и пустой породы, технологией обогащения, эксплутационными расходами на подготовку, транспортными расходами, условиями передела и др.
Заданная железная руда и концентрат, содержащие соответственно 42,17%; концентрат 61,51% Fe, а на прокаленную массу 42,17*100/(100-32,43) = 62,41% и 61,51*100/(100-0,8) =62% железа, должны быть отнесены к богатым рудам.
Пустая порода
Оценка пустой породы железорудных материалов производится для установления потребности во флюсах и возможности получения достаточно подвижных шлаков. Потребность во флюсах устанавливается по индексу основности, часто наиболее простому – CaO/SiO2, возможность получения подвижных шлаков – по отношению SiO2/Al2O3 и содержанию MgO.
В железной руде отношение SiO2/ Al2O3 = 7,48/0,94 = 7,95 больше чем в наиболее подвижных шлаках (3-5). Пустая порода железной руды кислая, глиноземистая. Желательно введение магнезиального флюса, так как содержание MgO в пустой породе невелико.
Примеси и возможные сорта чугуна
Пригодность железорудных материалов для выплавки нужных сортов чугуна устанавливается путем вычисления допустимых отношений содержаний элементов в них или возможного содержания элемента (марганца, фосфора, ванадия и др.) в продуктах плавки с учетом количества этого элемента, вносимого другими минералами (главным образом коксом).
Содержание в чугуне этого элемента [Э] можно определить по формуле:
где [Э] и [Fe] – содержание в чугуне элемента и железа, %
Эм и Feм – содержание в железорудном материале элемента и железа, %
ηэ и ηFe – коэффициенты перехода в чугун элемента и железа;
ЭГ – содержание элемента, вносимого горючим, %
При выполнении ориентировочных расчетов можно принимать, что железо и фосфор полностью переходят в чугун, а в чугуне содержится 93-94 % железа.
Оценка рудных материалов обычно выполняется по содержанию в них фосфора и марганца. При выплавке передельных чугунов фосфор полностью переходит в чугун (ηР = 1,0) и содержание фосфора в нем определяет вид передела чугуна в сталь. Коэффициент перехода марганца в чугун равен 0,5-0,7 ед. Оценка руд по марганцу позволяет установить возможное содержание его в чугуне и потребность в марганцевой руде.
При выплавке чугуна с содержанием в нем 94 % железа только из железной руды, содержание фосфора в металле составит 94*0,23*1,0/42,17=0,51 %, а марганца 94*0,5*0,6/42,17=0,67 %. В чугуне выплавляемом только из концентрата , будет содержаться 94*0,09*1,0/61,51= 0,13% фосфора и 94*0,99*0,6/61,51=0,907% марганца. По содержанию фосфора и марганца можно выплавлять следующие марки чугуна:
- из железной руды: чугун передельный фосфористый группы 2 класса А.
- из концентрата: – чугун передельный литейный группы 4 класса Б.
Железная руда и концентрат чисты по сере, мышьяку, цинку.
- ВЫБОР СОСТАВА ЧУГУНА И ХАРАКТЕРИСТИК ШЛАКА
Средневзвешенное содержание в рудной смеси (25 % железной руды, и
75 % концентрата):
- железа 42,17*0,25+61,51*0,75=56,67%
- марганца 0,5*0,25+0,99*0,75=0,74 %
- фосфора 0,23*0,25+0,09*0,75=0,12 %
- кремнезема 7,48*0,25+7,21*0,75=7,27%
- извести 2,41*0,25+3,1*0,75=2,93 %
- магнезии 0,75*0,25+1,02*0,75=0,95 %
Кокс вносит 470*(1 - 0,206)*11,8/100 = 44,04 кг золы, включающей 44,04 *6,02/100 = 2,65 кг железа.
Ориентировочный расход рудной смеси составляет
(940-2,65)*100/56,67 = 1654,62кг.
Рудная смесь и зола кокса вносят:
- марганца (1654,62 *0,74+44,04 *0,09)/100 = 12,28 кг,
- фосфора (1654,62 *0,12+44,04 *0,45)/100 = 2,18 кг.
При коэффициентах перехода в чугун марганца и фосфора, равных соответственно 1,0 и 0,6 в чугуне, выплавляемом из рудной смеси с заданным соотношением материалов, будет содержаться:
- марганца 12,28*0,6*100/1000 = 0,736 %,
- фосфора 2,18*1,0*100/1000 = 0,218 %.
Оптимальным
для конвертерного передела в
сталь в настоящее время
Для обеспечения достаточного высокого нагрева чугуна содержание кремния принимается 0,6 %. Содержание серы принимается относительно низким (≤0,02 %) для уменьшения затрат на передел чугуна в сталь. Содержание фосфора – в соответствии с выполненным расчетом (0,218%). Содержание углерода принимается в пределах 3,2-3,9 % для передельных фосфористых чугунов. Содержание железа в чугуне определяется по разности
где ∑[Э] – суммарное содержание других элементов.
Таким образом, расчет ведется на чугун марки П1 группы 2, класса В,
категории 2(табл. 2.1).
Таблица 2.1 – Состав чугуна
|
Состав |
Содержание, % |
С (принима- ется) |
Fe (по разности) | ||||||
|
Si |
Mn |
P (не более) |
S (не более) | ||||||
Категория | |||||||||
1 |
2 |
3 |
4 | ||||||
По ГОСТ 805-80 |
0,5- 0,9 |
0,5-1,00 |
0,3 |
0,01 |
0,02 |
0,03 |
0,04 |
- |
- |
Принят для расчета |
0,6 |
0,8 |
0,218 |
- |
0,02 |
- |
- |
4,50 |
93,86 |
Для расчета необходимо выбрать значения характеристик шлака.
Основность шлака в различных условиях плавки изменяется в широких пределах, главным образом, в зависимости от количества вносимой коксом серы и от желательной обессеривающей способности шлака.
Принимаем основность шлака CaO/SiO2 = 1,15 в соответствии с заданным содержанием серы в коксе (0,79 %). С целью улучшения обессеривающей способности шлака желательно повышенное содержание MgO в шлаке (9-11 %), для обеспечения чего принимаем отношение CaO/MgO = 4,0 %.
- ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА МАТЕРИАЛОВ И СОСТАВА ПОДГОТОВЛЕННОГО ЖЕЛЕ
ЗОРУДНОГО СЫРЬЯ
3.1. Расход материалов
Определение
расхода материалов сводится к составлению
и решению уравнений
Таблица 3.1 – Расчет характеристик*
Характеристики |
Обозначение |
Расчетная формула |
Материалы и их обоначение | ||||||
Рудная смесь, Х |
Марганцевая рудаY |
известняк, И |
Доломит, Д |
Зола кокса |
Руда |
Конц | |||
содержание Fe в материале, % |
Feм |
- |
56,67 |
10,67 |
0,77 |
0,31 |
6,02 |
42,17 |
61,51 |
Выход чугуна из материала, доли |
eм |
Feм∙ηFe/[Fe] |
0,603 |
0,113 |
0,008 |
0,003 |
0,064 |
0,449 |
0,655 |
Содержание Mn в материале, % |
Mnм |
- |
0,74 |
34,14 |
0,25 |
- |
0,09 |
0,50 |
0,99 |
Требуемое содержание Mn,% |
Мnтр |
eм*[Mn] |
0,482 |
0,09 |
0,006 |
0,002 |
0,051 |
0,359 |
0,524 |
переходит Mn в чугун,% |
МnЧ |
ηMn*MnM |
0,444 |
20,48 |
0,15 |
- |
0,054 |
0,3 |
0,594 |
Избыток(недостаток)Mn,% |
Мn |
МnЧ- Мnтр |
- 0,038 |
20,39 |
0,144 |
-0,002 |
0,003 |
-0,059 |
0,07 |
Расходуется SiO2 на восстановление кремния |
SiO2Si |
eм*[Si]*60/2 |
0,775 |
0,145 |
0,01 |
0,004 |
0,082 |
0,577 |
0,842 |
Содержание SiO2 в матер, % |
SiO2м |
- |
7,27 |
17,39 |
1,44 |
2,56 |
50,26 |
7,48 |
7,21 |
Переходит SiO2 в шлак, % |
SiO2ш |
SiO2М-SiO2Si |
6,495 |
17,245 |
1,43 |
2,556 |
50,178 |
6,923 |
6,368 |
Требуется CaO в материале,% |
CaOтр |
SiO2ш(CaO/SiO2) |
7,47 |
19,83 |
1,644 |
2,94 |
57,7 |
7,96 |
7,323 |
Содержание CaO в матер,% |
CaOм |
- |
2,93 |
2,58 |
51,86 |
35,26 |
4,92 |
2,41 |
3,10 |
Избыток(недостаток) CaO,% |
CaO |
CaOМ-CaOтр |
-4,54 |
-17,25 |
50,21 |
32,32 |
-52,78 |
-5.55 |
4,223 |
Требуется MgO в материале,% |
MgOтр |
CaOМ/(CaO/MgO) |
0,732 |
0,645 |
12,96 |
8,81 |
1,23 |
0,6 |
0,775 |
Содержание MgO в матер, % |
MgOм |
- |
0,95 |
2,2 |
3,07 |
16,21 |
1,29 |
0,75 |
1,02 |
Избыток(недостаток) MgO,% |
MgO |
MgOм-MgOтр |
0,22 |
1,56 |
-9,9 |
7,43 |
0,06 |
0,15 |
0,245 |