Распределение элементов между продуктами плавки

Для проведения расчета необходимо знать распределение основных элементов между продуктами плавки: металл, шлак и газы, которые принимаются на основании практических данных.

Полнота восстановления оксидов углеродом определяется температурой, давлением, концентрацией (активностью) реагентов. Газовая фаза принимает активное участие в восстановительных процессах. Состав газовой фазы определяется термодинамической прочностью восстанавливаемых оксидов (возможностью их диссоциации), температурным режимом и возможностью образования газообразных субпродуктов типа SiO. Основным компонентом газовой фазы является СО. Давление газовой фазы в расчётах принимают равным 1 атм. Обычно значительного изменения давления и состава газовой фазы не происходит, поэтому определяющими факторами полноты восстановления и распределения элементов между фазами остаются температурный и шлаковый режимы восстановления оксидов.

В многошлаковых процессах температуру в зоне химического взаимодействия металл-шлак можно приравнять температуре шлакового расплава – она на 40-50 град, выше температуры металла на выпуске из печи. Шлаковыми являются процессы выплавки ферромарганца высокоуглеродистого, силикомарганца, силикохрома одностадийного, углеродистого феррохрома.

В бесшлаковых и малошлаковых процессах с кратностью шлака до 0,1 (ферросилиций, силикохром двухстадийный, ферросиликоалюминий и др.) реакционная зона металл-шлак приближена к дуговому разряду, ее температура превышает температуру металла на выпуске из печи по предварительной оценке на 120-180 град.

Ориентируясь на приведенные сведения, можно оценить температуру реакционной зоны, при которой проходит процесс восстановления оксидов.

С другой стороны полнота восстановления оксидов определяется их термодинамической прочностью – и температурой начала их восстановления Т_нв.

За характеристику возможной полноты восстановления оксида принята величина (Т_печи- Т_нв) / . С ростом величины перегрева и уменьшением прочности оксидов полнота их восстановления увеличивается. Полноту восстановления η_в оксидов углеродом можно описать выражениями [10,11]:

- для бесшлакового процесса

- для шлакового процесса

При силикотермическом производстве взаимодействие шихтовых материалов происходит при высоких температурах в конденсированных фазах. В первом приближении газовая фаза участия в окислительно-восстановительных процессах не принимает, но часть элементов переходит в газовую фазу (это потери испарением восстановленных элементов, продукты диссоциации соединений, потери при прокаливании). С другой стороны часть восстановителя (кремния) может окислиться кислородом атмосферы.

Основная трудность в оценке распределения элементов между продуктами плавки заключается в оценке полноты восстановления элементов из шихтовых материалов кремнием. Такие металлы, как молибден, вольфрам, железо, хром, ванадий, марганец, ниобий, могут восстанавливаться кремнием с полнотой не менее 99%. Действительное извлечение этих элементов из руд и концентратов в металл и действительная полнота восстановления на много ниже. Это указывает на необходимость учета кинетических факторов, поверхностных явлений, побочных процессов, таких как образование металла, шлака, растворение шпинелидов и др. Количественная оценка этих явлений затруднена, но, как показывает практика, существует определенная корреляция между термодинамическими и физическими характеристиками оксидов и температурой начала их восстановления, полнотой перехода в металл при распределении между фазами.

Полноту восстановления кремнием (перехода в сплав) элементов η_в можно описать выражениями [10,11]:

Из восстановленных элементов часть (до 5%) остается в шлаке в виде корольков. Переход восстановленных элементов в газовую фазу (в виде возгонов, испарений) определяется растворимостью элемента в сплаве и его упругостью пара. Практика показывает, что из восстановленных элементов в газовую фазу в заметном количестве теряется марганец (до 15%), щелочные и щелочноземельные металлы (K, Na, Ca, Mg, Ba и др.), а также и цветные металлы (As, Sn, Pb, Zn, Cu и др.) в количестве от 40 до 80%. Фосфор восстанавливается практически полностью и в количестве 20-25% переходит в газовую фазу, 5-10% в шлак. Доля серы в газовой фазе составляет обычно 30-50%, в металле 6-10% от суммарного количества в шихте.

Распределение элементов между продуктами плавки на основании практических данных определяется заданием на выполнение курсовой работы.

Дополнительные условия

Расчет состава шихты может быть выполнен на плавку, на 100 кг руды или концентрата или на получение заданного количества металла. В условия расчёта включают требования к составу получаемого металла, составу шлака, расход дополнительных материалов, электродов на расчетное количество шихты, угар восстановителя, доля различных восстановителей в смеси и др.