16.1. Расчет шихты для плавки агломерата

Требуется составить материальный и тепловой балансы плавки агломерата на дутье, содержащем 25% кислорода. Необходимо также подсчитать расход воздуха и технологического кислорода и определить состав отходящих газов. Для плавки поступает агломерат состава: 1,20% Ni; 48,0% SiO₂; 27,64% Fe₃O₄; 11,0% MgO; 7,00% A1₂O₃; 3,00% CaO; 2,16% прочие. Расчет ведем на 100 кг агломерата. Принимаем, что никеля переходит в штейн 80%, в отвальный шлак 12%, в пыль 8%. Расход кокса от массы агломерата на дутье с 25% О₂ принимаем в соответствии с практическими данными равным 21%. Определяем распределение никеля по продуктам плавки, кг: в штейн 1,2•0,8=0,960, в отвальный шлак 1,2•0,12=0,144, в пыль 1,2•0,08=0,096. Принимаем, что в штейне содержится 16% Ni, 22% S, 4% прочих; железо определяем по разности 100–(16+22+4)=58%. Количество штейна равно 0,96/0,16=6,0 кг. Тогда в нем будет, кг: Ni 0,96; S 1,32;.Fe 3,48; прочие 0,24.

Расчет количества гипса. При плавке часть серы переходит в газ и шлак и только 60% от серы, загруженной с гипсом, переходит в штейн. При десульфуризации 40% в шихте должно быть серы 1,32/0,6=2,2 кг. Исходя из практики работы заводов принимаем, что 10% от 2,2 кг серы переходит в шлак, т.е. 2,2•0,1=0,22 кг, а 2,2•0,3=0,66 кг серы переходит в газы.

Содержание серы в шихте, кг: в агломерате – нет, в коксе 21•0,01=0,21. Должно быть введено с гипсом 2,2–0,21=1,99 кг серы. Состав гипса: 28,0% СаО; 16,0% S; 32,0% О₂; 18,0% Н₂О; 4,55% SiO₂; 1,45% А1₂О₃. Следует ввести гипса 1,99/0,16=12,44 кг. С гипсом поступит, кг: СаО 12,44•0,28=3,48; S 12,44•0,16=1,99; О₂ 12,44•0,32=3,98; SiO₂ 12,44•0,0455=0,56; А1₂О₃ 12,44•0,0145=0,18; Н₂О 12,44•0,18=2,24.

Расход кокса на 100 кг агломерата составляет 21 кг. С ним поступает, кг: С 21•0,78=16,38; Н₂ 21•0,008=0,168; N₂ 21•0,004=0,084; О₂ 21•0,016=0,336; S 21•0,01=0,21; А 21•0,15=3,15; W 21•0,032=0,672.

В коксе содержится 3,15 кг золы. Состав золы: 50% SiO₂, 20% А1₂О₃, 18% Fe₂O₃, 12% СаО. По массе это составит, кг: SiO₂ 3,15•0,50=1,575; А1₂О₃ 3,15•0,20=0,63; Fe 3,15•0,126=0,397; CaO 3,15•0,12=0,378; прочие (О₂) 3,15•0,054=0,17. Итого 3,15.

В процессе плавки зола кокса переходит в шлак. Предполагаем, что шахтная печь работает на высокой сыпи и перерабатывает агломерат хорошего качества. Выход пыли от массы агломерата в этом случае можно принять равным 8%.

Состав пыли соответствует составу агломерата. С ней возвращается на агломерацию, кг: Ni 1,2•0,08=0,096; SiO₂ 48,0•0,08=3,840; Fe 20,0•0,08=1,600; MgO 11,0•0,08=0,880; A1₂O₃ 7,0•0,08=0,560; CaO 3,0•0,08=0,240; O₂ 7,64•0,08=0,611; прочие 2,16•0,08=0,173. Итого 100,0•0,08=8,000.

На основе полученных результатов составляем расчетный баланс (таблица 44).

По данным таблицы 44 находим предварительный состав шлака без флюсов:

кг % кг %

SiO₂ 46,295 50,8 А1₂О₃ 7,250 7,9

FeO 19,789 21,9 CaO 6,618 7,3

MgO 10,120 11,2 Прочие 0,884 0,9

Таблица 44 Материальный баланс плавки агломерата без учета воздуха и флюсов, кг

Статьи баланса	Всего	В том числе
		Ni	SiO2	Fe	MgO	Al2O3	CaO	O	S	C	H	N	H2O	Прочие
Загружено: агломерата гипса кокса	100,00 12,44 21,00	1,2 – –	48,0 0,560 1,575	20,0 – 0,397	11,0 – –	7,0 0,180 0,630	3,0 3,480 0,378	7,64 3,980 0,170	– 1,99 0,210	– – 16,380	– – 0,168	– – 0,084	– 2,240 0,672	2,16 – –
Итого	133,44	1,2	50,135	20,397	11,0	7,810	6,858	11,790	2,200	16,380	0,168	0,084	2,912	2,16
Получено: штейна шлака газов и пыли	6,00 90,97 36,47	0,96 0,144 0,096	– 46,295 3,840	3,48 15,317* 1,60	– 10,120 0,880	– 7,250 0,560	– 6,618 0,240	– 4,472* 7,318	1,32 0,220 0,660	– – 16,380	– – 0,168	– – 0,084	– – 2,912	0,24 0,52 1,40
Итого	133,44	1,196	50,135	20,397	11,00	7,810	6,858	11,790	2,200	16,380	0,168	0,084	2,912	2,16

* С 15,317 кг железа связано 4,472 кг кислорода.

При плавке без флюсов шлак получается очень кислым. Содержание СаО всего 7,3%. Ведем расчет на добавку в качестве флюса только известняка. Более горячий ход шахтных печей в связи с обогащением дутья кислородом позволяет принять содержание в шлаке 46% SiO₂. Расчет количества известняка в этом случае весьма простой: в шлаке 46,295 кг SiO₂; задано 46% SiO₂. Тогда количество шлака составит 46,295/0,46=100,64 кг. Следует ввести 100,64–90,956=9,684 кг СаО. Для упрощения расчета принимаем, что известняк чистый (56% СаО и 44% СО₂). Тогда потребуется известняка 9,684/0,56=17,3 кг. Содержание СаО в шлаке составит (9,684+6,618)/100,64•100=16,2%.

Находим содержание (%) остальных компонентов: MgO 10,12/100,64•100=10,10; FeO 19,789/100,64•100=19,67; А1₂О₃ 7,250/100,64•100=7,20. Никеля в шлаке 0,144/100,64•100=0,143*. Полученный шлак по химическому составу вполне удовлетворяет условиям шахтной плавки окисленных никелевых руд на дутье, обогащенном, кислородом.

* Обычно содержание никеля в шлаке около 0,17%.

Состав шихты. Согласно расчету получаем шихту следующего состава, кг: агломерата 100,0, гипса 12,44, известняка 17,3/0,99=17,4 (известняк содержит 1,0% Н₂О), кокса 21. Итого 150,74 кг.

Шихту загружают в шахтную печь колошами. На 7000 кг агломерата загружают: кокса 7000•0,21=1470 кг; гипса 7000•0,1244=871 кг; известняка 7000•0,174=1218 кг.

Расход воздуха. Для расчета необходимого количества воздуха следует задаться соотношением углерода, сгорающего до СО и СО₂. Это соотношение численно равно соотношению СО и СО₂ в отходящих газах по объему, за вычетом из объема СО₂ углекислоты, выделяющейся при разложении известняка.

Принимаем для нашего расчета (работа на кислородном дутье) соотношение СО:СО₂=1:2, т.е. 2/3 углерода сгорает в печи до СО₂, а 1/3 – до СО, или 16,380•1/3=5,46 кг до СО и 16,380•2/3=10,92 кг до СО₂.

Теоретически необходимое количество воздуха составит: для сгорания С в СО (5,46/12)•16=7,280 кг; С в СО₂ (10,92/12)•32=29,120 кг; Н₂ в Н₂О 0,168/2•16=1,344 кг. Для сгорания серы кокса и гипса в SO₂, переходящей в газы, кислорода потребуется 0,660/32•32=0,660 кг. Таким образом, потребуется кислорода, за вычетом 7,318 кг кислорода шихты, переходящего в газ (таблица 44), 38,404–7,318=31,086 кг, или 31,086•(22,4/32,0)=21,76 м³. С кислородом воздуха поступает азота (31,086/23)•77=104,07 кг, или 104,07•22,4/28=83,256 м³. Всего поступит воздуха 21,76+83,256=105,016 м³, или 135,16 кг. Работа шахтных печей на комбинате «Южуралникель» на кислородном дутье показала, что при содержании в дутье 24–26% О расход воздуха при плавке агломерата практически остался на уровне, воздушного дутья, и технологический кислород подают только для увеличения содержания кислорода в дутье. Принимаем, что технологический кислород поступает дополнительно для увеличения количества кислорода в воздушном дутье, и определяем его расход из уравнения

0,21Vв+0,96Vк=0,25(Vв+Vк),

где 21 и 96 – содержание кислорода в воздухе и в технологическом кислороде, %; Vв и Vк – расходы воздуха и технологического кислорода на 100 кг агломерата, м³. Откуда

Vк=(0,04/0,71)•Vв.

Расход технологического кислорода составляет

(0,04/0,71)•105,02=5,92 м³.

В технологическом кислороде содержится кислорода 5,92•0,96=5,68 м³, или 8,11 кг, и азота 0,24 м³, или 0,3 кг. Расход дутья, обогащенного кислородом, составляет, таким образом, 110,94 м³.

Принимаем потери дутья от воздуходувки до фурм печи включительно равными 10%. Тогда в шахтную печь поступит дутья 110,94–(110,94•10)/100=99,85 м³, в том числе кислорода 99,85•0,25=24,96 м³, или (24,96/22,4)•32=35,65 кг; азота 99,85–24,96=74,89 м³ или (74,89•28)/22,4=93,6 кг. Расход дутья на 1 т агломерата составляет: воздуха 105,02•10=1050,2 м³; технологического кислорода 5,92•10=59,2 м³. При давлении 720 мм рт. ст. и температуре 40⁰С воздуходувка должна подать дутья на 1 т агломерата (110,94•760•313)/(740•273)•10=1300 м³. В шахтной печи избыток кислорода составит 24,96–21,76=3,2 м³, или (3,2•32)/22,4=4,58 кг. Принимаем, что этот избыток кислорода не используется в шахтной печи, т.е. переходит в газы. Определяем состав газа, выходящего из шихты (без подсосов на колошнике), по массе и объему при 0⁰С и 760 мм рт. ст.

	кг	м3	% (объемн.)
СО	5,46+7,28=12,74	10,19	8,6
СО2	10,92+29,12+17,3•0,44*=47,65	24,26	20,4
SO2	0,66+0,66=1,32	0,46	0,39
Н2О	0,168+1,344+2,912+0,1=4,524	5,63	4,74
N2	93,6	74,89	63,2
О2	4,580=4,580	3,20	2,67
Всего	164,498	118,63	100,0

* Учитывая СО₂ известняка.

В газах соотношение СО:СО₂ изменилось за счет диссоциации карбонатов, что снизило в газах концентрацию СО.

Правильность расчета шихты проверяем, составляя материальный баланс, кг:

	Приход		Расход
Агломерат	100,0	Штейн	6,00
Гипс	12,44	Шлак	100,64
Известняк	17,3	Пыль	8,00
Кокс	21,0	Газы	164,498
Дутье	129,25	Невязка	0,85
Итого	279,99		279,99

При составлении полного материального баланса не учитываем оборотный шлак, сливаемый из ковшей со штейном, так как он не изменяет, состав шлака. Конверторный шлак направляем на производство кобальта. По данным материального баланса плавки составляется тепловой баланс.