Расчет материального и теплового баланса плавки

Расчет шихты для выплавки богатого титанистого шлака.

Состав концентрата, %: 53,7 TiO₂; 33,9 FeO; 1,89 Al₂O₃; 3,46 SiO₂; 1,65 Cr₂O₃; 1,43 MgO[22].В качестве восстановителя служит коксик следующего состава: 86,7 % углерода, 10,8 % золы, 1,2 % летучих, 1,34 % серы, 1,3 % влаги. Зола коксика состоит из 36,5 %SiO₂; 22,2 % Al₂O₃ и 33,7 Fe₂O₃[1,2].

Таблица 3.1 - Извлечение элементов в продукты плавки

Расход количества восстановителя.

Расчет ведем на 100 кг концентрата. Принимаем, что окись железа в концентрате восстанавливается до закиси нацело, и полученная закись на 96 % восстанавливается до металла. Содержание углерода в чугуне принимаем равным 2 % от массы металла (железа), полученного из концентрата. Для простоты расчета условно принимаем, что угар восстановителя на колошнике печи компенсируется углеродом электрода[2].

Определяем количество активного углерода в коксике. Из общего количества углерода часть его расходуется на восстановление окислов железа и кремния, содержащихся в золе: на восстановление кремнезема по реакции

SiO₂ + 2C = Si + 2CO                                  (3.6)

затратится

10,8∙0,365∙24/60 = 1,58 кг

на восстановление окиси железа по реакции

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO                                  (3.7)

10,8∙0,337∙36/160 = 0,82 кг

Общий расход углерода на восстановление составляющих золы составит  2,4 кг. В коксике останется активного углерода

86,7 – 2,4 = 84,3 %.

На восстановление основных окислов, содержащихся в концентрате, необходимо углерода:для перевода FeO в Fe по реакции

FeO + C = Fe + CO                                      (3.8)

33,9∙12/72∙0,813 = = 4,593 кг

для перевода TiO₂ в Ti₃O₅ по реакции

3TiO₂ + C = Ti₃O₅ + CO                                   (3.9)

53,7∙12/223,7 = 2,88 кг

Общее количество углерода на восстановление окислов составит 10,09 кг. В результате восстановления концентрата получится металла

33,9∙56/72∙0,813 = 21,44 кг

Следовательно, для науглероживания металла необходимо углерода

21,44∙0,02 = 0,429 кг

Общий расход углерода на восстановление окислов железа и титана из концентрата и на науглероживание полученного металла составит

8,304 + 0,429 = 8,73 кг                                   

 или в пересчете на коксик 

8,73/0,867 = 10,07 кг                                     

На основании приведенных расчетов состав шихты будет следующим:

Таблица 3.2 - Расчет количества и состава сплава

Таблица 3.3 - Расчет количества и состава шлака.

Таблица 3.4 - Материальный баланс

Продолжение таблицы 3.4

Тепловой баланс

Приход тепла.Теплота окисления углерода до СО по реакции С+1/2О₂=СО составляет 2222 ккал/кг углерода[10].

При окислении углеродом коксика и электродов выделяется тепла

Q₁ = (10.07 ∙ 0.867 + 3 ∙ 0.85) ∙ 2222 = 25065 ккал        (3.10)

Тепло вносимое шихтовыми материалами при Т = 25^о С, ккал:

Концентрат                                                   100 ∙ 0,168 ∙ 25 = 420

Коксик                                                            10,07 ∙ 0,2 ∙ 25 = 50

Итого                                                                                          470

Определяем расход тепла

1. Расход тепла на эндотермические реакции диссоциации окислов

на восстановление Fe из FeO

FeO=Fe+½O₂ ∆Н = 63701 ккал.

Q₁=21,44 ∙ 63701/56 = 24388 ккал.                  (3.11)

на восстановление кремния:

SiO₂=Si+O₂ ∆Н = 206003 ккал.

Q₂=0,11∙ 206003/28 = 809 ккал.                      (3.12)

на восстановление Cr из Cr₂O₃

Cr₂O₃=2Cr+³/₂O₂ ∆Н = 234463 ккал.

Q₃ = 0,09 ∙ 234463/2x52 = 203 ккал.                   (3.13)

Итого на восстановительные реакции необходимо тепла:

Q=Q₁+Q₂+Q₃ = 24388 + 809 + 203 = 25400ккал.        (3.14)

2.Тепло, уносимое сплавом при температуре сплава Т=1800°С, Т=2073 К

Q=∑ ∆Н_i^2073K x m_i= ∆Н_Cr^2073K ∙ m_Cr + ∆Н_Fe^2073K ∙ m_Fe + ∆Н_Si^2073K x m_Si + ∆Н_C^2073K x m_C

∆Н_Cr^2073K=11948,9ккал

 ∆Н_Fe^2073K=20792ккал  

∆Н_C^2073K=9162ккал

∆Н_Si^2073K=23273ккал

Q₇= 11948 ∙ 0,09/52 + 20792 ∙ 21,44/56 + 9162 ∙ 0,429/12 +23273 ∙ 0,11/28 =

= 8400 ккал.                                          (3.15)

Теплосодержание шлака приближенно подсчитаем по формуле

q = 0.28∙t + 50. Для t = 561 ккал/кг                     (3.16)             

Теплосодержание 59,5 кг шлака составит:

561∙59,5 = 33379 ккал.                               (3.17)

Температура отходящих газов 900-1000°С. Для упрощения расчета примем теплоемкость газообразных продуктов равных теплоемкости окиси углерода - основной составляющей газовой фазы.

Теплосодержание окиси углерода для Т=1000°С ∆Н_со=7547 ккал

Q₈=Z_co x H_co/28 = 23,5 ∙ 7547/28 = 6334 ккал.         (3.18)

Таблица 3.5 Тепловой баланс

Продолжение таблицы 3.5

Нехватает тепла

73513 – 25535 = 47978 ккал                             (3.19)

    или в переводе на киловаттчасы:

47978:595 = 55,5 кВт∙ч                              (3.20)

на 59,5 кг титанового шлака,а на 1000 кг:

(55,5:17,45) ∙1000 = 3180 кВт∙ч                       (3.21)

При к. п. д. печи 0,75действительный расход энергии составит

3180:0,75 = 4200 кВт∙ч.                             (3.22)

СТРУКТУРА И ОБОРУДОВАНИЕ ЦЕХА