Количество газов, пыли и улета

Газы и пыли выделяющиеся из углистой породы, кг

SiO 59,2 · 0,5932 · 0,07 · 44 / 60 = 1,803

Al₂O 59,2 · 0,3367 · 0,05 · 70 / 102 = 1,368

Са 59,2 · 0,0168 · 0,05 · 40 / 56 = 0,036

Mg 59,2 · 0,0064 · 0,15 · 24 / 40 = 0,034

P 59,2 · 0,0005 · 0,10 · 62 / 142 = 0,001

S 0,41 · 0,70 = 0,287

V 18,700

W 5,100

C + О→CO (21,69 + 20,468 ·16/12) = 48,980

Σ 76,309

Газы и пыли выделяющиеся из кварцита, кг

SiO 14,879 · 0,982· 0,07 · 44 / 60 = 0,750

Al₂O 14,879 · 0,0085· 0,10 · 70 / 102 = 0,009

Са 14,879 · 0,0013 · 0,05 · 40 / 56 = 0,001

Mg 14,879 · 0,0007 · 0,15 · 24 / 40 = 0,001

S 14,879 · 0,0002 · 0,70 = 0,002

W 14,879 · 0,0019 = 0,028

О→СО 14,879 · (37,537/100)*(16/12) = 7,447

Σ 8,238

Газы и пыли выделяющиеся из стружки, кг

S 5 · 0,0002 · 0,70 = 0,001

V 5 · 0,03 = 0,150

Σ 0,151

Из электродной массы 2,8 кг также расходуются на образование СО газа.

Результаты проведенных расчетов сводится в таблицу 6 и находится количество газов, пыли и улета

Таблица 6 – Количество газов, пыли и улета

Элемент	Источник поступления	Итого
Кварцит	Стружка	УП	кг	%
SiO	0,750	-	1,803	2,553	2,918
Al2O	0,009	-	1,368	1,377	1,573
Ca	0,001	-	0,036	0,036	0,041
Mg	0,001	-	0,034	0,035	0,040
P	-	-	0,001	0,001	0,002
S	0,002	0,001	0,287	0,290	0,330
V (ППП)	0,000	0,150	18,700	18,850	21,544
W	0,028	-	5,100	5,128	5,861
СО	7,447	2,800*	48,981	59,228	67,691
Всего	8,238	2,951	76,309	87,497	100,000

* поступает из электрода

Материальный баланс

Таблица 7 – Материальный баланс

Задано	кг	%	Получено	кг	%
Углистая порода	105,100	82,2	металл	37,436	29,3
Кварцит	14,879	11,6	шлак	2,946	2,3
Стружка	5,000	3,9	газы и прочие	87,497	68,4
Электроды	2,900	2,3	невязка
Итого	127,879	100,00		127,879	100,00

В результате материального баланса невязка составляет

127,879 - 37,436 - 2,946 - 87,497 = 0,000

Удельный расход материалов

Углистая порода 1000 · 100 / 37,436 = 2807,5 кг/т

Кварцит 1000 · 14,879 / 37,436 = 397, 5 кг/т

Стружка 1000 · 5,000 / 37,436 = 133,6 кг/т

Электродная масса 1000 · 2,900 / 37,436 = 77,5 кг/т

Расчет теплового баланса

Тепловой баланс непрерывного углевосстановительного процесса получения ферросплавов определяется равенством, кДж.

Q_спл. + Q_шл. + Q_газ + Q_энд. + Q_пот. = Q_физ. + Q_экз. + Q_эл.эн.

Q_спл. , Q_шл. ,Q_газ – теплосодержание продуктов;

Q_энд. – тепловые затраты на эндотермические процессы;

Q_пот. – тепловые потери процесса;

Q_физ. – физическое тепло нагретой шихты;

Q_экз. – экзотермическое тепло реакции окисления и шлакообразования;

Q_эл.эн. – тепло, вводимое электроэнергией. Определяется как разность между расходной и приходной частями баланса.

Результатом составления теплового баланса является определение удельного расхода электроэнергии на тонну сплава. Правильность расчетов определяется совпадением расчетных и практических данных удельного расхода электроэнергии.

Приход тепла

Физическое тепло шихты

В расчетах, как правило, за нулевую отметку по температуре принимают температуру окружающей среды. Так как в нашем случае по условиям расчета не предусмотрен предварительный нагрев шихты, то шихта не будет вносить дополнительное количество тепла Q_физ. = 0.

Экзотермическое тепло реакций

Статья включает тепло металлообразования Q_{экз.мет.} и тепло шлакообразования Q_экз.шл.. Тепло от растворения кремния и углерода в сплаве, образования силикатов в шлаке рассчитывают по количеству окислившегося элемента или образовавшегося соединения g_i и соответствующему тепловому эффекту (табл. 10)

1. Тепло металлообразования Q_{экз.мет.} складывается в основном из реакций образования в сплаве силицидов железа (остальным пренебрегаем). Принимаем, что все железо в ферросиликоалюминии связано только с кремнием и присутствует в виде FeSi. Образование силицида железа происходит по реакции

Fe + Si = FeSi ΔH = - 73,70 кДж/моль.

При растворении 6,729 кг железа в кремнии выделится тепла

Q_{экз.мет.} = 6,729 · 73,70 / 0,056 = 8 855 кДж.

2. Тепло шлакообразования Q_экз.шл при выплавке ферросиликоалюминия складывается в основном из реакций образования в шлаке силикатов магния и кальция, а также муллита (остальным пренебрегаем). Принимаем, что весь оксид алюминия в шлаке связан только с кремнеземом и присутствует в виде муллита 3Al₂O₃·2SiO₂. Образование муллита из оксидов происходит по реакции

3Al₂O₃ + 2SiO₂ = 3Al₂O₃·2SiO₂

ΔH = - 6824,48 + 2 · 911,55 + 3 · 1676,81 = - 29,05 кДж/моль.

При образовании муллита из 1,003 кг оксида алюминия выделится тепла

Q₁ = 1,003 · 29,05 / 0,306 = 286 кДж.

Принимаем, что оксид кальция в шлаке связан с кремнеземом и присутствует в виде силиката кальция CaO·SiO₂. Образование силиката кальция происходит по реакции

СаO + SiO₂ = СаO·SiO₂

ΔH = - 1635 + 635,6 + 911,55 = 88,05 кДж/моль.

При образовании силиката кальция из 0,558 кг оксида кальция выделится тепла

Q₂ = 0,558 · 88,05 / 0,056 = 1 564 кДж.

Также принимаем, что оксид магния в шлаке связан с кремнеземом и присутствует в виде форстерита 2MgO·SiO₂. Образование форстерита происходит по реакции

2MgO + SiO₂ = 2MgO·SiO₂

ΔH = - 2173,37 + 2·601,89 + 911,55 = 58,04 кДж/моль.

На образование форстерита расходуется 0,311 кг оксида магния, при этом выделится тепла

Q₃ = 0,311 ·58,04 / 0,080 = 226 кДж.

Таким образом, при шлакообразовании выделится тепла

Q_экз.шл = 286 + 1 564 + 226 = 2 075 кДж.

Q_экз. = Q_{экз.мет.} + Q_экз.шл = 8 855 + 2 075 = 10 931 кДж.

Расход тепла

2.2.1 Теплосодержание сплава при температуре выпуска

Теплосодержание сплава определяется теплоемкостью, температурой и массой сплава (на основе материального баланса) при нагреве сплава до температуры плавления, теплотой плавления и перегрева жидкого сплава до температуры выпуска из печи.

Для стандартных сплавов величину теплосодержания сплава следует считать по экспериментально определенным постоянным теплофизическим величинам согласно нижеприведенной формуле

.

Для нестандартных сплавов, таких как ферросиликоалюминий, величину теплосодержания сплава следует считать аддитивно по основным (трем-четырем) составляющим компонентам по справочным данным согласно нижеприведенной формуле

В этом случае для каждого компонента (элемента) сплава его теплосодержание подсчитывают по справочным данным (табл. 8) для температурных данных и фазовых переходов:

- нагрев до плавления;

- плавление или растворение;

- перегрев над температурой плавления сплава.

Используя данные, приведенные в таблице 8, рассчитываем теплосодержание ферросиликоалюминия при температуре выпуска 1900°С

Таблица 8 – Теплофизические величины основных элементов ФСА

Элемент	, Дж/моль∙К	Энтальпия плавления Lпл, кДж/моль	Температура плавления Тпл, К	Теплоемкость в жидком состоянии Сж, Дж/моль∙К
a	b∙103	c∙10-5
Fe	17,50	24,79	-	13,8		46,0
Si	23,95	2,47	-4,14	49,9		27,2
Al	4,94	2,96	-	10,8		31,75

2.2.2 Теплосодержание шлака при температуре выпуска

Температура шлака на выпуске превышает аналогичные для сплавов на 50-80°С, т.е. находится на уровне 1950°С. Теплосодержание шлака при отсутствии экспериментальных данных можно оценить аддитивно, по основным (трем-четырем) составляющим компонентам по справочным данным согласно нижеприведенным формулам:

Однако температуры плавления большинства оксидов, составляющих шлак, намного выше температуры плавления самого шлака. Поэтому, строго говоря, оксиды не плавятся, образуя шлак, а растворяются. Однако однотипность физических процессов лежащих в основе плавления и растворения, позволяет уравнять изменения энтальпии в этих процессах

Таким образом, задаваясь нижеприведенным справочными данными (табл. 9), рассчитаем теплосодержание шлака при температуре 1950°С для основных составляющих шлака (MgO, SiO₂, Al₂O₃, СаО), сумма которых превышает 99% от общей массы.

Таблица 9 – Теплофизические величины основных компонентов шлака и газа

Элемент	, Дж/моль∙К	Энтальпия плавления, кДж/моль	Температура плавления, К	Теплоемкость в жидком состоянии, Дж/моль∙К
a	b∙103	c∙10-5
Al2O3	114,84	12,81	-35,46	113,04		144,96
SiO2	46,98	34,33	-11,3	0,63	0-848	-
60,33	8,12		7,70	848-1996	85,82
MgO	42,62	7,28	-6,2	77,46		84,0
Cr2O3	113,04	9,21	-15,66	125,0		156,9
СО	28,43	4,1	-0,46	-	-	-

2.2.3 Теплосодержание газообразных продуктов

Допустим, что газы покидают печь при средней температуре 1000°С. Для упрощения расчетов принимаем теплоемкости всех газообразных продуктов равными теплоемкости оксида углерода СО, основной составляющей газообразной фазы