Выплавка рудноизвесткового расплава
Расчет ведется на 100 кг рудноизвесткового расплава (РИР). Для этого необходимо определить его состав исходя из заданного соотношения CaO/ Cr2O3 = 1,55. Так как основными поставщиками Cr2O3 и CaO является руда и известь, то их соотношение и будет определить отношение CaO / Cr2O3 в расплаве. Исходя из этого, на 100 кг руды необходимо добавить извести
кг
Таблица 4 – Состав и количество РИР
| Окислы | Внесет руда, кг | Внесет известь, кг | Состав РИР | |
| кг | % | |||
| Cr2O3 | 51,480 | - | 51,480 | 28,422 |
| Fe2O3 | 0,1202∙160/144= 13,356 | 85,092 ∙ 0,0006 = 0,051 | 13,407 | 7,402 |
| SiO2 | 7,850 | 85,092 ∙ 0,0168 = 1,430 | 9,280 | 5,123 |
| MgO | 18,440 | 85,092∙ 0,0047 = 0,400 | 18,840 | 10,402 |
| Al2O3 | 7,840 | 85,092 ∙ 0,0053 = 0,451 | 8,291 | 4,577 |
| CaO | 0,663 | 85,092 ∙ 0,930 = 79,136 | 79,794 | 44,054 |
| P2O5 | 0,005 | 85,092 ∙ 0,00009 = 0,008 | 0,013 | 0,007 |
| S | 0,017 | 85,092 ∙ 0,00007 = 0,006 | 0,023 | 0,013 |
| Итого | 99,646 | 81,481 | 181,127 | 100,00 |
Полученное соотношение CaO / Cr2O3 = 44,054 / 28,422 = 1,550 соответствует заданному.
Расчет твердой добавки
Согласно заданию для компенсации избытка тепла необходимо подать 20% твердой добавки от массы РИР с содержанием в ней извести 43%. Таким образом, на 100 кг РИР подается
хромовая руда 20 ∙ (1 – 0,43) = 11,400 кг;
известь 20 ∙ 0,43 = 8,600 кг.
Расчет восстановителя
На восстановление 100 кг РИР и 11,40 кг хромовой руды в твердой завалке потребуется кремния, кг:
| 2Cr2O3 + 3Si → 4Cr + 3SiO2 | 28,422 · 0,88 · 84 / 304 = | 6,911 |
| 2Fe2O3 + 3Si → 4Fe + 3SiO2 | 7,402 · 0,95 · 84 / 320 = | 1,846 |
| 2P2O5 + 5Si → 4P + 5SiO2 | 0,007 · 0,75 · 140 / 284 = | 0,003 |
| Итого | 8,760 |
С учетом окисления 8% кремния кислородом воздуха и перехода его в металл 2% необходимо кремния, кг:
8,760 / (1 – 0,08 – 0,02) = 9,733.
| 2Cr2O3 + 3Si → 4Cr + 3SiO2 | 11,4 ∙ 0,5148 · 0,88 · 84 / 304 = | 1,427 |
| 2FeO + Si → 2Fe + SiO2 | 11,4 ∙ 0,1202 · 0,95 · 28 / 144 = | 0,253 |
| 2P2O5 + 5Si → 4P + 5SiO2 | 11,4 ∙ 0,00005 · 0,75 · 140 / 284 = | 0,001 |
| Итого | 1,681 |
С учетом окисления 8% кремния кислородом воздуха и перехода его в металл 2% необходимо кремния, кг:
14,682 / (1 – 0,08 – 0,02) = 1,867.
Для восстановления 100 кг РИР и 11,4 кг хромовой руды потребуется ферросиликохрома ФСХ48:
(9,733 + 1,867) / 0,4923 = 23,563 кг.
На окисление кремния ферросиликохрома воздухом потребуется кислорода
23,563 · 0,4923 · 0,08 · 32 / 28 = 1,061 кг.
Расчет состава и количества металла
Из 100 кг РИР в состав металла перейдет, кг:
Cr 28,422 · 0,88 · 104 / 152 = 17,113
Fe 7,402 · 0,95 · 112 / 160 = 4,922
S 0,013 · 0,30 = 0,004
P 0,004 · 0,75 · 62 / 142 = 0,002
Итого 22,041
Из 11,4 кг хромовой руды в состав металла перейдет, кг:
Cr 11,4 ∙ 0,5148 · 0,88 · 104 / 152 = 3,534
Fe 11,4 ∙ 0,1202 · 0,95 · 112 / 144 = 1,012
S 11,4 ∙ 0,00017 · 0,30 = 0,001
P 11,4 ∙ 0,00005 · 0,75 · 62 / 142 = 0,000
Итого 4,547
Из 23,563 кг ферросиликохрома в состав металла перейдет, кг:
Cr 23,563 · 0,2968 = 6,994
Fe 23,563 · 0,21024 = 4,954
Si 23,563 · 0,4923 · 0,02 = 0,232
С 23,563 · 0,00025 = 0,006
S 23,563 · 0,00015 = 0,004
P 23,563 · 0,00026 = 0,006
Итого 12,196
Результаты проведенных расчетов сводятся в таблицу 5, и находится состав и количество металла.
Таблица 5 – Состав и количество металла
| Элемент | Источник поступления | Итого | |||
| РИР | Хром. руда | ФСХ | кг | % | |
| Si | - | - | 0,232 | 0,232 | 0,598 |
| Fe | 4,922 | 1,012 | 4,954 | 10,888 | 28,075 |
| Cr | 17,113 | 3,534 | 6,994 | 27,641 | 71,268 |
| S | 0,004 | 0,001 | 0,004 | 0,009 | 0,020 |
| P | 0,002 | 0,000 | 0,006 | 0,008 | 0,023 |
| C | - | - | 0,006 | 0,006 | 0,015 |
| Всего | 22,041 | 4,547 | 12,196 | 38,784 | 100,000 |
Расчёт состава и количества шлака
Из состава руды в шлак перейдут следующие оксиды, кг:
SiO2 5,123
Al2O3 4,577
Fe2O3 7,402 · 0,05 = 0,370
CaO 44,054
MgO 10,402
Cr2O3 28,422 · 0,12 = 3,411
S 0,013 · 0,70 = 0,009
P2O5 0,007 · 0,25 = 0,002
Итого 67,948 кг
Из состава руды в шлак перейдут следующие оксиды, кг:
SiO2 11,4 ∙ 0,0785 = 0,895
Al2O3 11,4 ∙ 0,0784 = 0,894
Fe2O3 11,4 ∙ 0,1202 · 0,05 = 0,069
CaO 11,4 ∙ 0,00658 = 0,075
MgO 11,4 ∙ 0,1844 = 2,102
Cr2O3 11,4 ∙ 0,5148 · 0,12 = 0,704
S 11,4 ∙ 0,00017 · 0,70 = 0,001
P2O5 11,4 ∙ 0,00005 · 0,25 = 0,000
Итого 4,740 кг
В результате окисления кремния из состава ферросиликохрома в шлак перейдет кремнезем:
SiO2 23,563 · 0,4923 · 0,98 · 60 / 28 = 24,360 кг
Для упрощения расчета условно принимается, что все оксиды в составе извести полностью перейдут в шлак:
SiO2 8,6 · 0,0168 = 0,144
Al2O3 8,6 · 0,0053 = 0,046
Fe2O3 8,6 · 0,0006 = 0,005
CaO 8,6 · 0,9300 = 7,998
MgO 8,6 · 0,0047 = 0,040
P2O5 8,6 · 0,00009 = 0,001
S 8,6 · 0,00007 = 0,001
Итого 8,235
Результаты проведенных расчетов сводятся в таблицу 6, и находится состав и количество шлака.
Таблица 6 – Состав и количество шлака
| Элемент | Источник поступления | Итого | ||||
| РИР | Хром. руда | Известь | ФСХ | кг | % | |
| SiO2 | 5,123 | 0,895 | 0,144 | 24,360 | 30,522 | 28,99 |
| Al2O3 | 4,577 | 0,894 | 0,046 | 0,000 | 5,517 | 5,24 |
| Fe2O3 | 0,370 | 0,069 | 0,005 | 0,000 | 0,444 | 0,42 |
| CaO | 44,054 | 0,075 | 7,998 | 0,000 | 52,127 | 49,51 |
| MgO | 10,402 | 2,102 | 0,040 | 0,000 | 12,544 | 11,91 |
| Cr2O3 | 3,411 | 0,704 | 0,000 | 0,000 | 4,115 | 3,91 |
| S | 0,009 | 0,001 | 0,001 | 0,000 | 0,011 | 0,01 |
| P2O5 | 0,002 | 0,000 | 0,001 | 0,000 | 0,003 | 0,00 |
| Всего | 67,948 | 4,740 | 8,235 | 24,360 | 105,283 | 100,000 |
Кратность шлака 105,283 / 38,784 = 2,715
Основность шлака СaO/SiO2 52,127 / 30,522 = 1,708
Расчет количества газов
Из хромовой руды и извести выделится в газовую фазу только потери при прокалывании, кг:
хромовая руда 11,4 ∙ 0,01690 = 0,193
известь 8,6 ∙ 0,04244 = 0,365
Итого 0,558
Расчет материального баланса
Таблица 7 – Материальный баланс
| Задано | Получено | ||||
| Материалы | кг | % | Продукт | кг | % |
| РИР | 69,14 | Металл | 38,784 | 26,82 | |
| Известь | 8,6 | 5,95 | Шлак | 105,273 | 72,80 |
| Руда | 10,4 | 7,88 | Газы | 0,555 | 0,38 |
| ФСХ48 | 23,563 | 16,29 | Невязка | 0,002 | 0,00 |
| Кислород | 1,061 | 0,73 | |||
| Всего | 144,624 | 100,00 | Всего | 144,624 | 100,00 |
В материальном балансе разность между статьями расхода и прихода равна: 144,624 – 38,784 – 105,273 – 0,555 = 0,002 кг
Расчет удельного расхода материалов
Удельный расход хромовой руды
Расход сухой руды на 100 кг РИР составит, кг:
100 ∙ 100 / 181,127 = 55,210.
Общий расход сухой руды с учетом твердой добавки, кг:
55,210 + 11,400 = 65,610,
или при 50% Cr2O3
65,610 ∙ 51,48 / 50,0 = 67,552.
Учитывая, что из 67,552 руды получено 38,784 кг металла, определим удельный расход хромовой руды на тонну металла
1000 ∙ 67,552 / 38,784 = 1741,7 кг.
Удельный расход извести
Расход извести на 100 кг РИР составит, кг:
100 ∙ 85,092 / 181,127 ∙ 100 = 46,979.
Общий расход извести с учетом твердой добавки составит, кг:
46,979 + 8,6 = 55,579,
или при 90% CaO
55,579 ∙ 93,0 / 90 = 57,432.
Учитывая это определим удельный расход извести на тонну металла
1000 ∙ 57,432 / 38,784 = 1480,8 кг.
Удельный расход ферросиликохрома на тонну металла составит, кг
1000 ∙ (23,563 / 38,784) ∙ (49,23/48,0) = 623,1
Таким образом, расход шихтовых материалов на 1 т сплава составит, кг:
Хромовая руда (50% Cr2O3) 1741,7
Известь (90% CaO) 1480,8
ФСХ (48% Si) 623,1
Расчет теплового баланса
Тепловой баланс внепечного силикотермического процесса получения ферросплавов определяется неравенством, кДж
Qспл. + Qшл. + Qгаз + Qэнд. + Qпот. ≤ Qфиз. + Qэкз.
Qспл., Qшл., Qгаз – теплосодержание продуктов;
Qэнд. – тепловые затраты на эндотермические процессы;
Qпот. – тепловые потери процесса;
Qфиз. – физическое тепло нагретой шихты;
Qэкз. – экзотермическое тепло реакции окисления и шлакообразования.
Приход тепла
Физическое тепло шихты
В расчетах, как правило, за нулевую отметку по температуре принимают температуру окружающей среды 25°С. Шихта внесет дополнительное тепло, если ее температура превышает температуру среды: В нашем случае рудно-известковый расплав поступает в ковш-реактор с температурой 1950°С. Теплосодержание рудно-известкового расплава, так же как и шлака, можно оценить аддитивно по основным (трем-четырем) составляющим компонентам используя справочные данные согласно нижеприведенной формуле:
Однако температуры плавления большинства оксидов, составляющих рудно-известковый расплав, намного выше температуры плавления самого расплава. Поэтому, строго говоря, оксиды не плавятся, образуя расплав, 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. 8), рассчитаем теплосодержание расплава при температуре 1950°С для основных составляющих шлака (MgO, SiO2, Al2O3, Cr2O3, CaO, Fe2O3), сумма которых превышает 99% от общей массы.
Таблица 8 – Теплофизические величины основных компонентов шлака и газа
| Элемент |  , Дж/моль∙К | Энтальпия плавления, кДж/моль | Температура плавления, К | Теплоемкость в жидком состоя., 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 | |
| СаО | 105,37 | 11,953 | -18,979 | 80,0 | 84,0 | |
| Fe2O3 | 98,35 | 77,87 | -14,86 | 87,0 | 165,0 | |
| СО2 | 44,17 | 9,04 | -8,54 | - | - | - |
