Металлургические технологии металлургия чёрных металлов. Практикум

– εк – степень извлечения железа в концентрат, доли ед., определяется по формуле

– εхв – степень извлечения железа в хвосты, доли ед., определяется по формуле

– Kоб – коэффициент обогащения, показывающий во сколько раз содержание железа в концентрате больше, чем его содержание в исходной руде, доли ед., определяется по формуле

– Kс – коэффициент сокращения, показывающий во сколько раз масса концентрата меньше массы исходной руды, доли ед., определяется по формуле

– Kгл – коэффициент глубины обогащения, показывающий во сколько раз содержание железа в концентрате меньше содержания железа в рудном минерале, доли ед., определяется по формуле

где Feм – содержание железа в рудном минерале, % масс.

Задание. Обосновать способ обогащения, графически изобразить схему процесса и определить технологические показатели процесса обогащения железной руды заданного состава (прил. 1). Сделать вы-

11

вод о потерях железа на стадии обогащения в расчете на 1 т перерабатываемой железной руды.

2.3. Определение химического состава концентрата

Компоненты железной руды, по определению относящиеся к пустой породе, в процессе обогащения могут переходить в концентрат в количестве, не пропорциональном изменению доли пустой породы.

Содержание MnO, P2O5 и SО3 в концентрате определим по уравнениям

Как следует из уравнений (2.9) – (2.11), содержание оксидов марганца и серы может даже повышаться. Коэффициенты, влияющие на содержание в концентрате перечисленных оксидов, используемые в расчетах по уравнениям (2.9) – (2.11), получены путем статистической обработки справочной информации по результатам производства железорудного концентрата.

Примем, что в пустой породе не содержалось железа. Содержание оксидов железа в концентрате будет численно равно

где mFeOFe, конц, mFeFe,2Oконц3 – масса железа в виде FeO и Fe2O3 в концентрате соответственно.

При выполнении расчетов следует проверить правильность полученных результатов: расчетное содержание железа в концентрате,

12

определяемое по формуле 5672 FeOконц 112160 Fe2O3конц , должно совпа-

дать с заданным его содержанием (прил. 1).

Определим долю пустой породы в руде без оксидов марганца, фосфора и серы:

Аналогичная величина для концентрата составит

ППконц 100 FeOконц Fe2O3конц MnOконц P2O5конц SO3конц . (2.15)

Примем, что вследствие уменьшения доли пустой породы (без учета содержания в ней оксидов марганца, фосфора и серы) содержание остальных компонентов концентрата, входящих в ее состав, снизится пропорционально. Например, содержание CaO в концентрате можно рассчитать следующим образом:

Содержание остальных компонентов концентрата (кроме оксидов железа) определяется аналогично.

Задание. На основании принятых допущений определить химический состав железорудного концентрата, полученного в результате процесса обогащения руды заданного состава (прил. 1). В расчете использовать данные, полученные при определении технологических показателей процесса обогащения (разд. 2.2 настоящего практикума). Результаты расчета оформляются в виде табл. 2.1.

Таблица 2.1

Химический состав железорудного концентрата

Содержание компонентов железорудного концентрата, % масс.

FeO Fe2O3 MnO SiO2 Al2O3 CaO MgO SO3 P2O5 ППП ∑

13

Занятие 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА АГЛОМЕРАЦИИ

Использование концентратов в доменных печах невозможно из-за их плохой газопроницаемости, поэтому следующей стадией подготовки железных руд является окускование концентрата, которое проводится в виде агломерации (производство окатышей в настоящем практикуме не рассматривается).

Расчет аглошихты ведут в целях определения такого соотношения между ее компонентами, которое обеспечит получение агломерата заданного качества. В данном разделе рассмотрим расчет аглошихты, компонентами которой являются железорудный концентрат, коксовая мелочь и известняк, используемый для повышения основности агломерата. В рассматриваемом случае расчет сводится к решению системы двух уравнений с двумя неизвестными (уравнения основности агломерата и уравнения материального баланса спекания).

3.1.Определение расходов известняка

иконцентрата

Примем следующие обозначения: X, Y, Z – расходы соответственно концентрата, известняка и коксика при агломерации, кг/100 кг агломерата. Запишем уравнение основности агломерата:

где индексы «конц», «и», «к» означают, что данные компоненты принадлежат соответственно концентрату, известняку и коксику.

После преобразования данного уравнения к виду aX bY c , где a, b, c – числа, следует провести проверку. Члены уравнения, характеризующие компоненты аглошихты, требующие офлюсования (в нашем случае – концентрат), идут в уравнении со знаком «+», а сами флюсы (в нашем случае – известняк) – со знаком «–». Если основность концентрата избыточно высока, то снижение ее до заданного уровня следует проводить путем замены известняка кварцитом (примем содержание SiO2 100 % масс.).

14

При составлении уравнения материального баланса спекания окисленного агломерата сначала подсчитаем потерю массы каждого компонента аглошихты. При этом будем учитывать выгорание из шихты углерода ( Снелет ), удаление летучих коксовой мелочи (Vлет ),

гидратной влаги и углекислоты (CO2), которые для руды (концентрата) объединены параметром потери при прокаливании (ППП). Примем, что в процессе спекания удаляется 90…98 % отн. органической и сульфидной серы ( η, доли ед.) и 50…70 % отн. сульфатной серы

( , доли ед.). Расчет ведется на 100 кг агломерата. Таким образом,

потерю массы каждого компонента (d) можно вычислить из общего уравнения

С учетом сказанного, выведем общее уравнение материального баланса процесса спекания. Пусть dX , dY , dZ соответственно потери

массы концентрата, известняка и коксика при спекании, кг/100 кг соответствующего компонента шихты. Тогда (100 d X ), (100 dY ),

(100 dZ ) – соответственно массы концентрата, известняка и коксовой

мелочи, переходящие в агломерат, кг/100 кг компонента шихты. Массу концентрата, известняка и коксовой мелочи, переходящую при спека-

С учетом сказанного. уравнение материального баланса спекания в расчете на 100 кг агломерата приобретает вид

В данном расчете не учтены потери кислорода, связанные с диссоциацией и восстановлением оксидов железа, а также масса кислорода, присоединившегося к массе аглошихты, в результате реакции полного окисления сульфидов железа.

Из решения системы двух уравнений [(основности (3.1) и материального баланса спекания (3.3)] с двумя неизвестными определяем расходы железорудного концентрата и известняка для производства агломерата, кг/100 кг агломерата.

15

Задание. Составить уравнения основности агломерата и материального баланса процесса спекания. Выполнить расчет состава агломерационной шихты.

Химический состав коксика и известняка для каждого варианта расчета приведен в прил. 2 и 3. В качестве параметра, определяющего технологические свойства агломерата, задана его основность. В задании определен также расход коксика на спекание, взятый в диапазоне 40…66 кг/т, что соответствует средним фактическим значениям этого показателя, характерным для работы отечественных аглофабрик.

3.2. Определение химического состава агломерата

Готовый агломерат состоит из всех компонентов, которые перешли в него из аглошихты в процессе спекания. Определение химического состава агломерата при известных расходах концентрата, известняка и коксовой мелочи сводится к расчету для каждой составляющей по следующему уравнению:

где ia , iконц , iи , iк – содержание i-го компонента соответственно в агломерате, концентрате, известняке и коксике, % масс.; λ – доля компонента, теряемая при агломерации.

Данное уравнение не учитывает течение окислительно-восстан- овительных процессов в спекаемом слое. Речь, прежде всего, идет о соотношении оксидов железа (FeO и Fe2O3) в готовом агломерате. Статистическая обработка результатов агломерации руд различных месторождений позволила установить связь содержания FeOа в агломерате с общим содержанием в нем железа (Feа):

Так как железо в оксидной форме содержится во всех компонентах аглошихты (см. прил. 1–3), то для расчета Fea может быть использовано уравнение (3.4), в котором в качестве i-го компонента будет рассматриваться общее содержание железа соответственно в концентрате, известняке и коксике. При этом следует принять, что железо полно-

стью, без потерь, переходит из аглошихты в агломерат ( λ = 0). Под-

16

становка результата расчета в уравнение (3.5) позволит определить содержание FeO в агломерате, тогда выражение для расчета содержания Fe2O3 будет иметь вид

В уравнении (3.6) не учитывается незначительное поступление в агломерат железа в сульфидной форме из коксика, кроме того коэффициент в уравнении (3.5) определен со значительной погрешностью, поэтому при суммировании содержания всех компонентов агломерата может возникнуть некоторое отклонение от 100 %, которое можно устранить путем корректировки содержания оксидов железа.

Задание. На основании принятых допущений определить химический состав железорудного агломерата, полученного в результате процесса спекания аглошихты, состав которой был определен в разд. 3.1 настоящего практикума. Результаты расчета химического состава готового агломерата следует представить в виде табл. 3.1.

Таблица 3.1

Химический состав готового агломерата

Содержание компонентов железорудного концентрата, % масс.

FeO Fe2O3 MnO SiO2 Al2O3 CaO MgO SO3 P2O5 ППП ∑

17

Занятие 4 ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Для выплавки чугуна в доменной печи используются шихтовые материалы, которые, так же как и в случае с аглошихтой, выполняют различные функции, обеспечивающие нормальный ход процесса, экстракцию железа и формирование чугуна и шлака заданного состава. Основными компонентами шихты для выплавки чугуна являются: железная руда, агломерат, окатыши – источник железа; флюсы, добавка которых позволяет регулировать состав, а значит, и свойства доменного шлака, и кокс, который в доменной печи является топливом – источником тепла, необходимого для нагрева шихты и протекания эндотермических процессов восстановления оксидов; восстановителем – источником СО; и разрыхлителем шихты – единственным материалом, который, сохраняя прочность независимо от температуры, обеспечивает проход газов на всех горизонтах доменной печи: от колошника до горна.

4.1. Расчет расхода агломерата на выплавку 1 т чугуна

Для упрощения расчетов ограничимся двумя компонентами шихты доменной плавки: офлюсованным агломератом и коксом. Расчет проводится при известном удельном расходе кокса на производство чугуна.

Масса железа, перешедшего в чугун из 100 кг агломерата, составит

где ηFe – степень восстановления железа в доменной печи

(0,992…0,999).

Из кокса, содержащегося в шихте доменной печи, в чугун перейдет следующее количество железа (в расчете на 1 т чугуна):

Зададим ориентировочный состав передельного чугуна, % масс.,

например: [C] – 4,5; [Si] – 0,5; [Mn] – 0,3; [P] – 0,1; [S] – 0,04. Масса железа в 1 т такого чугуна будет численно равна

18

Так как железо для формирования чугуна, по условиям расчета, поступает только из агломерата и кокса, то его масса, перешедшая в чугун из агломерата, в расчете на 1 т чугуна составит:

Расход агломерата на производство 1 т чугуна определим из следующей пропорции: из 100 кг агломерата в чугун в соответствии с

уравнением (4.1) переходит mFeа,100 железа, для экстракции mFeа ч железа потребуется следующее количество агломерата (кг/т чугуна):

mа ч

mашх mFeа,100 100. (4.5) Fe

Задание. На основании принятых допущений выполнить расчет удельного расхода агломерата в шихте доменной плавки. Состав кокса взять из прил. 3. Расход кокса в шихте доменной печи установить в соответствии с прил. 4. Состав агломерата был определен в разд. 3.2 настоящего практикума. Данный расчет следует повторить после определения уточненного состава передельного чугуна (разд. 4.2 настоящего практикума).

4.2. Определение химического состава чугуна

Расчет содержания марганца в чугуне. Марганец в шихту до-

менной печи поступает в виде оксидов марганца из марганцевой или железных руд, железорудного агломерата. Для простоты примем, что в рассматриваемом случае марганец представлен в виде MnO и присутствует только в агломерате. Оксид марганца относится к группе частично восстанавливающихся оксидов, поэтому весь присутствующий в шихте марганец распределяется между металлом (чугу-

ном) и шлаком. Степень восстановления марганца ( ηMn ) равна 0,50…0,75 (в зависимости от температуры чугуна, при повышении температуры величина ηMn растет). Следовательно, масса марганца, перешедшего из шихты в чугун, составляет

19

Расчет ведется на 100 кг чугуна, поэтому содержание марганца в чугунечисленно равномассе марганца, перешедшегов чугуниз шихты.

Расчет содержания кремния в чугуне. Кремний в виде SiO 2

(кремнезема) содержится во всех компонентах доменной шихты. Диоксид кремния также относится к оксидам, частично восстанавливающимся в условиях доменной плавки, поэтому в горне происходит распределение кремния между чугуном и шлаком. Степень восста-

новления кремния ( ηSi ) равна 0,02…0,08 (в зависимости от температуры чугуна, при повышении температуры величина ηSi растет).

Следовательно, массу кремния, перешедшего в чугун, можно определить следующим образом:

Содержание кремния в чугуне численно равно массе кремния, перешедшего в чугун из шихты.

Расчет содержания фосфора в чугуне. В условиях доменной плавки оксид фосфора, содержащийся в шихте, восстанавливается полностью. Отсюда содержание фосфора в чугуне численно равно массе фосфора в шихте доменной печи:

где Ра и Рк – содержание фосфора соответственно в агломерате и коксе, % масс.

Расчет содержания серы в чугуне. Масса серы в шихте домен-

ной печи равна массе серы, поступившей из различных источников, из агломерата и кокса:

где Sа и Sк – содержание серы соответственно в агломерате и коксе, % масс.

Примем, что в доменной печи 5…10 % отн. серы, содержащейся в шихте, теряется, т.е. переходит в газовую фазу и уходит из печи с

доменным газом ( = 0,05…0,10), а оставшаяся сера распределяется

20