3.5. 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

Элемент	Переход в продукты плавки, %
	Шлак	Металл	Газ+пыль
Ti	94,45	0,03	5,52
Fe	7,2	81,3	11,5
Si	52,6	6,8	40,6
Cr	73	16,7	10,3

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:

	Кг	%
концентрат	100,00	90,8
коксик	10,07	9,2

Таблица 3.2 - Расчет количества и состава сплава

Элемент	Переход в сплав, кг	Состав сплава, %
Титан	53,7∙0,0003∙48/80 = 0,01	0,04
Железо	33,9∙0,813∙56/72 = 21,44	97,10
Кремний	3,46∙0,68∙28/60 = 0,11	0,50
Хром	1,65∙0,167∙52/152 = 0,09	0,41
Углерод	0,429	1,9
Всего	22,079	100

Таблица 3.3 - Расчет количества и состава шлака.

Элемент	Поступает в шлак, кг	Состав шлака, %
TiO2	53,7∙0,9445 = 50,72	85,24
Al2O3	1,89	3,18
SiO2	3,46∙0,526 = 1,82	3,06
FeO	33,9∙0,072 = 2,44	4,10
Cr2O3	1,65∙0,73 = 1,20	2,02
MgO	1,43	2,40
	59,5	100

Таблица 3.4 - Материальный баланс

Задано	Кг	Получено	кг	%
Концентрат	100	Шлак	59,5
В том числе		В том числе
TiO2	53,7	Тi3O4	50,72	85,24
FeO	33,9	Al2O3	1,89	3,18
Al2O3	1,89	SiO2	1,82	3,06
SiO2	3,46	FeO	2,44	4,10
Cr2O3	1,65	Cr2O3	1,20	2,02
MgO	1,43	MgO	1,43	2,40
Коксик	10,07	Чугун	22,079
В том числе		В том числе

Продолжение таблицы 3.4

Fe2O3	0,34	Fe	21,44	97,10
Al2O3	0,22	Si	0,11	0,50
SiO2	0,36	Ti	0,01	0,04
C	9,15	Cr	0,09	0,41
		C	0,429	1,90
		Газы + пыль	28.491
		В том числе
		С (в виде СО)	20,37
Итого	110,07

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

Приход тепла	ккал	%
Электроэнергия	47978

Продолжение таблицы 3.5

Окисление углерода до СО	25065
Тепло вносимое шихтовыми материалами	470
Всего	73513	100
Расход тепла
Расход тепла на эндотермические реакции диссоциации окислов	25400
Тепло, уносимое чугуном	8400
Тепло, уносимое шлаком	33379
Тепло, уносимое уходящими газами	6334
	73513

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)