1.4 Розрахунок шихти та матеріального балансу плавки
Потрібно отримати сплав приблизно наступного складу:
87,0 % Мn; 2,5 % Si; 1,8 % С; 0,35 % Р.
Розрахунок будемо обчислювати на 100 кг феросилікомарганцю.
Склад шихтових матеріалів у перерахунку на основні складові наведені у таблиці 1.3
Таблиця 1.3 - Склад шихтових матеріалів
Шихтові матеріали
|
Хімічний склад, % |
|||||||||
С |
SiO2 |
СаО |
FeO |
Al2О3 |
MgO |
MnO2 |
Mn |
Р2О5 |
Н2О |
|
Марганце-ва руда |
- |
4,4 |
0,3 |
2,1 |
6,1 |
0,4 |
71,18 |
48,3 |
0,1 |
8,7 |
Вапно |
- |
1,8 |
93,0 |
0,5 |
0,34 |
0,52 |
- |
- |
0,06 |
- |
Фероси-лікомар-ганець |
1,7 |
Si
17,4 |
- |
Fe
9,0 |
Аl
1,93 |
- |
- |
Mn
65,0 |
Р
0,27 |
- |
На основі практичних заводських даних маємо наступні умови:
1) використання кремнію із феросилікомарганцю 73,5%;2,5%; переходить в сплав, інша кількість (24%) окислюється киснем дисоціації МnO2;
2) розподіл марганцю (руди): в метал – 32%, у шлак – 52%, у виліт – 16%;
3) МnО2 дисоціює до Мn3О4 без затрати кремнію;Мn3О4 до МnО відновлюється кремнієм;
4) 70% Р з руди переходить у сплав, 20% - у шлак, 10% - у виліт;
5) допускаємо, що вуглець електродів у відновлюванні окислів не приймає участі.
Визначення наважки марганцевої руди .
При високій температурі МnO2 дисоціює Мn3О4 за реакцією
3МnO2 = Мn3О4 + О2,
виходить з 100 кг руди
71,18
= 62,45кг Мn3О4
і 71,18– 62,45= 8,73 кг О2.
1) При відновленні Мn3О4 за реакцією
2 Мn3О4 + Si = 6МnО + SiО2,
утворюється
62,45
= 58,09 кг МnО,
і виділяється кисню, який іде на окислення кремнію
62,45–58,09 = 4,36 кг;
2) При відновленні закису марганцю до металу за реакцією
2 МnО + Si = 2 Мn + SiО2,
виділяється кисню
58,09(0,32
+ 0,16)
= 6,28 кг,
де 0,32 – відповідає 32% Мn, який переходить у сплав, а 0,16 – 16% виліт Мn.
3) Феросилікомарганець вносить кремнію
100 х 0,174 х 0,735 = 12,8кг,
з них 2,5 кг переходить у сплав.
4) Для сполучення кисню руди і кремнію
12,8 – 2,5 = 10,3 кг.
10,3 кг кремнію здатні сполучити
10,3
= 11,77 кг кисню, що відповідає
= 110,6 кг
руди.
Визначення наважки вапна.
У шлак перейде:
а) з руди
110,6
0,12 = 13,27 кг SiО2
;
б) утворюється при відновленні руди кремнієм феросилікомарганцю
10,3
= 22кг SiО2
;
в) утворюється при окисленні кремнію киснем дисоціації МnО2
100 0,174 0,24 = 8,95 кг SiО2 .
Всього утворюється кремнезему:
8,95 + 22 + 13,27= 44,22 кг.
При основності шлаку 1,4 знадобиться основаних оксидів:
44,22 1,4 = 61,9 кг.
в руді вміщається (1 кг MgO є еквівалентом 1,4 кг СаО):
= 4,43 кг.
Необхідно внести основних оксидів:
61,9 – 4,43 = 57,47 кг.
потрібно вапна:
57,47: (0,884 + 0,0052 1,4) = 50,8 кг.
Кількість і склад шлаку.
Розрахунок кількості і складу шлаку наведений у таблиці 1.6
Розрахунок кількості і складу металу наведений у таблиці 1.4
Кратність
шлаку
= 1,35.
Таблиця 1.4- Кількість і склад металу
Еле- мент |
Переходить у сплав, кг |
Склад феромар- ганцю |
||
З руди
|
З феросилікомарганцю |
Всього
|
||
Mn |
110,6 0,45 0,32=15,93 |
100 0,718=71,8 |
87,73 |
86,72 |
Fe |
--- |
100 0,09=9,0 |
9,0 |
8,9 |
Si |
--- |
2,5 |
2,5 |
2,47 |
C |
--- |
1,6 |
1,6 |
1,58 |
P |
10,6 0,0009 0,7=0,07 |
100 0,0027 =0,27 |
0,34 |
0,33 |
|
16,0 |
85,17 |
101,1 |
100 |
Кількість газів.
При дисоціації MnО2 руді виділяється кисню
110,6
0,0873
= 9,655 кг.
При нагріві руди виділяється вологи
110,6 0,087 = 9,62 кг.
При нагріві вапна виділяється вуглекислоти
50,8 0,0932 = 4,73 кг.
Виліт марганцю складе
110,6 0,45 0,16 = 7,96 кг.
Виліт фосфору складе
110,6 0,0009 0,10 = 0,001 кг.
Для окислення 24% кремнію з феросилікомарганцю потрібно кисню
100
0,24
0,174
= 4,77 кг.
Для окислення алюмінію з феросилікомарганцю потрібно кисню
1,93
= 1,72 кг.
Після окислення кремнію і алюмінію залишиться вільного кисню
9,655 – 4,77 – 1,72 = 3,165 кг.
Таблиця 1.5 –Матеріальний баланс
Задано, кг |
Отримано, кг |
||
Марганцевої руди |
110,6 |
Сплаву |
101,17 |
Феросилікомарганцю |
100,0 |
Шлаку |
136,13 |
Вапна |
50,8 |
Газів |
17,515 |
|
|
Виліт |
7,961 |
Нев’язка |
1,376 |
||
Всього |
261,4 |
Всього |
261,4 |
Вилучення марганцю.
Задано марганцю
(110,6 0,45) + (100 0,718) =121,57.
Перейшло марганцю у сплав 87,73 кг.
Вилучення
= 72,16 %
.
Витрата шихтових матеріалів на 1 т сплаву.
Руди
марганцевої (45% Мn
)
= 1903 кг.
Феросилікомарганцю
(17,4% Si;
71,5 Мn
)
= 988 кг.
Вапна
= 502 кг.
Таблиця 1.6 - Кількість і склад шлаку
Джерела надходже- ння |
Переходить у шлак, кг
|
|||||||
MnO
|
SiO2 |
FeO |
Al2O3
|
CaO
|
MgO
|
P2O5
|
Разом
|
|
Руда марган- цева
|
110,6 0,5809 0,52 =33,4
|
110,6×0,12= =13,27 |
110,6× ×0,022= =2,43 |
110,6× ×0,0218= =2,41 |
110,6× ×0,0238= =2,63 |
110,6× ×0,0116= =1,28
|
110,6× ×0,002× ×0,2=0,044
|
55,464 |
Від окислення феросилікомар- ганцю
З вапна |
-------
|
22 + 8,95 = 30,95
|
--------
|
1,93× =3,65 |
---------
|
-------
|
---------
|
34,6
|
------- |
50,8×0,0086= 0,44 |
50,8× ×0,005= =0,254 |
50,8× ×0,0034= = 0,172 |
50,8× ×0,884= =44,905 |
50,8× ×0,0052= =0,264 |
50,8× ×0,0006= =0,031 |
46.066
|
|
ВСЬОГО: кг % |
33,4 24,54 |
44,66 32,8 |
2,684 1,97 |
6,232 4,58 |
47,535 34,92 |
1,544 1,13
|
0,075 0,06 |
136,13 100,00 |
=Тепловий баланс.
При розрахунку теплового балансу приймаємо теплові ефекти реакцій, наведені в таблиці 1.7
Таблиця 1.7 - Теплові ефекти реакцій
№ п.п |
Реакція |
кДж/кг |
1 |
2MnO+SiO2=2MnO·SiO2 |
700 |
2 |
CaO+SiO2=CaO·SiO2 |
852 |
3 |
MgO+SiO2=MgO·SiO2 |
918 |
4 |
Siж+O2тв=SiO2тв |
32400 |
5 |
4MnO2→2Mn2O3+O2 |
-465 |
6 |
6MnO3→4Mn3O4+O2 |
-267 |
7 |
2Mn3O4→6MnO+O2 |
-188 |
8 |
MnSiж→Mnж+Siж |
-4260 |
9 |
CaCO3→CaO+CO2 |
-3190 |
10 |
MgCO3→MgO+CO2 |
-2930 |
11 |
Mnтв→Mnг |
-5175 |
12 |
Siтв→Siг |
-12650 |
13 |
Ртв→Рг |
-17800 |
14 |
MnOтв→Mnтв+O2г |
-7080 |
15 |
Fe2O3тв→2Fe+O2г |
-14650 |
16 |
P2O5тв→P4г+O2г |
-49650 |
17 |
Н2Ог→Н2г+О2г |
-13400 |
Прихід теплоти.
Теплота, що вноситься шихтовими матеріалами:
МнС17 - 988 • 1,128 • 25 = 26564,4 кДж
Марганцева руда - 1903 • 0,418 • 25 = 12226,5 кДж
Вапно - 502 • 0,35 • 25 = 6527,5 кДж
Теплота шлакоутворення.
Теплота відновлення Mn3O4 до MnO
Q1 = 9,42 • 540 = 5086,8 кДж
Теплота утворення MnSiO3 з реакції MnO + SiO2 = Mn • SiO3:
Q2 = 0,11 • 1733 • 279 = 54 757 кДж
Теплота окислення кремнію з реакції Si + О2 → SiO2:
Q3 = 0,11 • 1733 • 32400 = 6176412 кДж
Теплота утворення 2MnO • SiO2 з реакції 2MnO + SiO2 = 2MnO • SiO:
Q4 = 0,11 • 1733 • 700 = 133 441 кДж
Теплота утворення CaO • SiO2 з реакції CaO + SiO2 = CaO • SiO2:
Q5 = 1733 • 0,3484 • 852 = 514418,17 кДж
Теплота утворення MgO • SiO2 з реакції Mgo + SiO2 = MgO • SiO2:
Q6 = 1733 • 0,1129 • 918 = 179611,93 кДж
Усього теплоти на шлакоутворення:
Qшл = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 = 7062155,5 кДж
Усього прихід теплоти складає:
ΣQпр = Qш + Qшл = 7107473,9 кДж
Витрата теплоти
Теплота дисоціації MnO2 до Mn2O3 з реакції 4MnO2 → 2Mn2O3 + O2:
Q7 = (1000 • 0,897 +2,83 • 9,42) • 465 = 429501,24 кДж
Теплота відновлення Mn3O4 з Mn2O3 з реакції 6Mn2O3 → 4Mn3O4 +O2:
Q8 = (1000 • 0,897 +2,83 • 9,42) • 267 = 246616,84 кДж
Теплота на відновлення MnO з Mn3O4 з реакції 2Mn3O4 → 6MnO + O2:
Q9 = (1000 • 0,897 +2,83 • 9,42) • 188 = 173647,8 кДж
Теплота на відновлення Mn з MnO з реакції MnOтв → Mnтв +12 O2г:
Q10 = (1000 • 0,897 +2,83 • 9,42) • 7080 = 6539502,8 кДж
Теплота на відновлення Si з SiO2 з реакції SiO2 → Si + O2:
Q11 = 1000 • 0,0026 • 32400 = 84240 кДж
Теплота на відновлення Fe з Fe2O3 з реакції Fe2O3тв → 2Fe +32 O2г:
Q12 = 1000 • 0,0942 • 14650 = 1380030 кДж
Теплота на відновлення Р з Р2O5 з реакції P2O5тв → 12 P4г +52 O2г:
Q13 = (1000 • 0,0034 0,00363 • 9,42) • 49 650 = 170507,76 кДж
Усього витрачається теплоти на відновлення оксидів:
Σ QВ = Q7 + Q8 + Q9 + Q10 + Q11 + Q12 + Q13 = 9024146,3 кДж
Втрати теплоти.
Теплота вильоту марганцю з реакції Mnтв → Mnг:
Q14 = 2,83 • 9,42 • 5175 = 137958,25 кДж
Теплота вильоту фосфору з реакції РТВ → Рг:
Q15 = 0,0050 • 9,42 • 17800 = 838,38 кДж
Усього теплоти від вильоту елементів:
Σ QУ = Q14 + Q15 = 138796,63 кДж
Теплота, що виноситься шлаком при 1650 ˚ С:
Q16 = 1733 • 2000 = 3466000 кДж
Теплота, що виноситься металом при 1650 ˚ С:
Q17 = 897 • 1595 • 1,03 +22,4 • 2910 • 1,03 3,23 • 1630 • 1,03 = 1546198,7кДж