Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Расчет шихты для получения медного штейна методом автогенной плавки «оутокумпу»

Концентрат состава, %: 26,00 Cu; 1,15 Ni; 32,00 S; 34,00 Fe; 1,65 SiO₂; 2,25 Al₂O₃; 1,00 (CaO + MgO), прочие 1,95 плавят на штейн, содержащий 50% (Cu + Ni). Плавка ведется во взвешенном состоянии на подогретом воздушном дутье методом финской плавки.

Рассчитать материальный баланс, тепловой баланс и температуру дутья, обеспечивающую автогенность процесса.

Расчет ведется на 100 кг концентрата. Влажность шихты 1%.

Таблица 1.Рациональный состав концентрата

минералы	Cu	Ni	Fe	S	SiO2	Al2O3	CaO + MgO	всего
CuFe1,15S2	26,00		26,90	27,05				81,90
NiFe1,2S2		1,15	1,35	1,29				3,79
Fe10 S11			5,75	3,66				9,41
Пустая порода					1,65	2,25	1,00	4,90
Итого	26,00	1,15	34,00	32,00	1,65	2,25	1,00	100,00

В качестве флюса используется песчаники следующего химического состава, %: 5,30 FeO; 75,00 SiO₂; 13,50 Al₂O₃; 5,20 CaО; 1,00 прочие.

1. Для расчета материального баланса плавки определим выход и состав штейна.

Принимаем извлечение металла в штейн равным 98%.

Всего в штейн перейдет

(26,00 + 1,15) • 0,98 = 26,61 кг (Cu + Ni).

Масса штейна пр 50%-ном содержании металла составит:

26,61: 0,5 = 53,22 кг.

По справочным данным в штейнах с 50% металла содержится 2,00% кислорода и 23,70% серы.

В этом случае содержание железа в штейне составит:

100 - (50,00 + 2,00 + 23,70) = 24,30%.

В указанном количестве штейна содержится 26,61 кг (Cu + Ni), 12,39 кг Fe, 12,61 кг S и 1,06 кг О₂.

(Содержание железа, серы и кислорода рассчитано через пропорции. Например, 53,22 кг штейна соответствуют 100%

Х кг Fe - 24,30%.

Отсюда Х = (24,30 ? 53,22): 100 = 12,93 кг Fe).

В шлак перейдет железа: 34,50 - 12,93 = 21,07 кг.

2. Теперь рассчитаем количество кварца, необходимого для получения шлака. Расчет ведем на получение шлака, содержащего 30% SiO_2.

Примем, что Х - общая масса шлака, У - масса загружаемого песчаника, кг.

Составляющие песчаника, указанного выше состава переходят в шлак полностью. Тогда общая масса шлака будет, кг:

Х = У + 21,07 ? 71,85: 55,85 + 1,65 + 3,25,

где 21,07 ? 71,85: 55,85 - масса FeO, образовавшаяся из железа концентрата, перешедшего в шлак;

1,65 - количество SiO₂ в концентрате;

3,25 - количество Al₂O₃ + CaО + MgO в концентрате.

Второе уравнение получим из баланса 0,30 Х = 1,65 + У ? 0,75,

Где 0,30 - содержание SiO₂ в шлаке;

0,75 - содержание SiO₂ в песчанике;

1,65 - содержание SiO₂ в концентрате.

Решая уравнения, находим: Х = 49,67 кг, У = 17,67 кг.

Результат проверяем подсчетом количества и состава шлака:

FeO - 27,11 + 17,67 ? 0,053 = 28,05 кг 56,47%

SiO₂ - 1,65 + 17,67 ? 0,75 = 14,95 кг 30,10%

Al₂O₃ - 2,25 + 17,67 ? 0,135 = 4,64 кг 9,34%

CaО + MgO - 1,00 + 17,67 ? 0,052 = 1,92 кг 3,87%

Прочие 0,11 кг 0,22%

Итого 49,67 кг 100%

Практика показывает, что содержание металла в шлаке колеблется в пределах 0,6 - 1,2% (для этого вида плавки). Примем содержание металла и серы в шлаках равным 0,6 и 0,8% соответственно.

С учетом меди и никеля реальный состав шлака будет следующим, %: 55,81 FeO; 29,75 SiO₂; 9,23 Al₂O₃; 3,82 CaО; 0,60 (Cu + Ni); 0,80 S.

Реальный состав шлака рассчитывается следующим образом:

49,67 ? 0,6: 100 = 0,3 кг (Cu + Ni);

49,67 ? 0,8: 100 = 0,4 кг S;

т.о., 28,05 + 14,95 + 4,64 + 1,92 + 0,3 + 0,4 = 50,26 кг шлака.

Отсюда пересчитываем в проценты: 28,05 кг ? 100: 50,26 кг = 55,81% FeO и т.д.

3. Для расчета состава и количества отходящих газов примем, что весь кислород, необходимый для осуществления реакций, поступает с подогретым дутьем.

На практике следует учитывать подсосы воздуха, 2-6%.

При содержании в шихте влаги 1% в печь поступит её (100 + 17,67): 0,99 - (100 + 17,67) = 1,20 кг.

С учетом содержания серы в штейне и шлаке её перейдет в газы:

32,0 - 12,61 - 0,40 = 18,99 кг, что составляет 37,98 кг SО_2.

На окисление железа, переходящего в шлак, расход кислорода составит:

27,11 - 21,07 = 6,04 кг.

Общая потребность кислорода на плавку 100 кг концентрата будет, кг:

На окисление серы - 18,99;

На окисление железа - 6,04;

Переходит в штейн - 1,06;

Итого - 26,09

Вместе с кислородом в печь поступит азота 26,09: 0,23 ? 0,77 = 8734 кг

Т.О., будет 26,09 + 87,34 = 113,43 кг (87,9 м³) воздуха.

Состав и количество получаемых газов:

SО₂ - 37,98 кг 13,30 м³

N₂ - 86,34 кг 69,90 м³

Н₂О - 1,20 кг 1,50 м³

Итого - 126,52 кг 84,70 м³.

Полученные данные сводим в таблицу 2 материального баланса.

Таблица 2.Материальный баланс плавки

Материалы баланса	всего	В том числе
		Cu + Ni	Fe	S	SiO2	Al2O3	CaО + MgO	О2	N2	Н2О
Загружено
концентрат	99,05	27,15	34,0	32,0	1,65	2,25	1,00			1,00
песчаника	17,46		0,70		13,25	2,39	0,92	0,20		0,20
воздуха	113,43							25,89	87,34
Итого	229,94	27,15	34,70	32,0	14,90	4,64	1,92	26,09	87,34	1,20
Получено:
штейна	53,22	26,61	12,93	12,61				1,06
шлака	50,26	0,30	21,80	0,40	14,90	4,64	1,92	6,04
газов	126,46	0,30		18,99				18,99	87,34	1,20
Итого	229,94	27,15	34,7	32,0	14,90	4,64	1,92	26,09	87,34	1,20

Если при расчете баланса статьи прихода и выхода не равны, необходимо рассчитать величину невязки.

На основании данных материального баланса проведем расчет теплового баланса плавки.

Приход тепла

Окисление FeS

Количество железа, окисленного до FeО, в шлаке равно 21,07 кг. По реакции

2 FeS + 3О₂ = 2FeО + 2SО₂ + 26771,43 кДж

на 1 кг окисленного железа выделяется тепла 26771,43: 55,85 = 479,29 кДЖ. При окислении 21,07 кг Fe из FeS до FeО получим 21,07 • 479,23 = 10099,69 кДж.

Количество железа, окисленного до Fe₃О₄, в штейне составляет 167,55: 64 ? 1,10 = 2,80 кг.

По реакции 3FeS + 5О₂ = Fe₃О₄ + 3SО₂ + 98009,52 кДж на 1 кг окисленного железа выделяется тепла 98009,52: 3 ? 55,85 = 585,48 кДж. При окислении FeS до Fe₃О₄ выделится 1639,28 кДж.

Всего при окислении сернистого железа выделится тепла 10099,69 + 1639,28 = 11738,97 кДж.

2. Окисление серы

Всего в газы переходит серы 18,99 кг, в том числе от окисления FeS до FeО: 21,07 ? 32: 55,85 = 12,07 кг, и от окисления FeS до Fe₃О₄ 2,80 ? 32: 55,85 = 1,60 кг.

Количество серы от диссоциации составит 18,99 - 12,07 - 1,60 = 5,32 кг.

На основании рационального состава концентрата проводим проверку этого количества серы.

Свободная сера будет выделяться при диссоциации смеси халькопирита и кубанита по реакции:

2СuFe₁,₁₅S₂>Cu₂S + 2,3FeS + 0,7S.

При этом количество диссоциированной серы составит 27,05 ? 0,70: 4 = 4,73 кг.

От диссоциации пентландита по реакции:

3NiFe₁,₂S₂ > Ni₃S₂ + 3,6FeS + 0,4S выделится 1,29 ? 0,40: 6 = 0,09 кг серы, а от диссоциации пирротина по реакции:

Fe₁₀S₁₁>10FeS + S выделится 3,66 ? 1: 11 = 0,33 кг.

Всего получим серы: 4,73 + 0,09 + 0,33 = 5,15 кг, что соответствует расчету.

Количество тепла, выделяющегося при окислении 1 кг серы по реакции

S + О2 = SО₂ + 16890,48 кДж равно 16890,48: 32 = 527,86 кДж.

Всего тепла от горения серы - 5,15 ? 527,86 = 2718,48 кДж.

Ошлакование закиси железа

Тепло от ошлакования железа определяем по реакции:

2FeО + SiO₂ = 2FeО*SiO₂ + 1666,67 кДж.

На 1 кг железа выделится 1666,67: 2 ? 55,85 = 14,93 кДж. Всего тепла от ошлакования железа выделится 21,80 ? 14,93 = 325,48 кДж.

Ошлакование окиси кальция

По реакции CaO + SiO₂ = CaO ? SiO₂ + 5119,05 кДж на 1 кг CaO выделится тепла 5119,05: 56 = 91,41 кДж, а всего - 1,92 ? 91,41 = 175,51 кДж.

Т.О., от экзотермических реакций поступит тепла:

11753,97 + 2718,48 + 325,48 + 175,51 = 14958,44 кДж.

Физическое тепло шихты при 25⁰С составит 116,51 ? 0,05 ? 25 = 145,64 кДж, а весь приход тепла составит 14958,44 + 145,64 = 15104,08 кДж.

Расход тепла

Определим расход тепла, При нормальном ведении процесса температура продуктов плавки, т.е. штейна, шлаков и отходящих газов, составит 1150, 1250 и 1300⁰С соответственно.

При этом расход тепла с продуктами плавки составит, кДж:

Со штейном 53,22 ? 0,05 ? 1150 = 3060,15;

Со шлаком 50,26 ? 0,07 ? 1250 = 4397,75;

С отходящими газами:

С SО₂ 13,3 ? 170,3 = 2264,99;

С N₂ 69,9 ? 105,9 = 7404,39;

С Н₂О 1,50 ? 132,38 = 198,57.

Всего расход тепла со всеми продуктами плавки равен 17325,85 кДж.

Примем, что потери тепла через кладку печи составляют 4,5% от прихода тепла. Тогда общий расход тепла составит 17325,85: 0,955 = 18142,25 кДж, т.е. потери через кладку составят 18142,25 - 17325,85 = 816,4 кДж.

Полученные результаты расчета сведем в таблицу 3.

Таблица 3. Тепловой баланс плавки

Приход тепла	Расход тепла
Статьи баланса	кДж	%	Статьи баланса	кДж	%
Хим. реакции	14958,44	82,25	штейн	3060,15	16,87
шихта	145,64	0,80	шлак	4397,75	24,24
дутье	3038,17	16,75	Отход. газы	9867,95	54,39
			Потери через кладку	816,4	4,5
Итого	18142,25	100	Итого	18142,25	100

С воздухом требуется ввести тепла 18142,25 - (14958,44 + 145,64) = 3038,17 кДж. Энтальпия 1м³ воздуха в этом случае будет 3038,17: 87,0 = 34,92 кДж; по таблице «Расход тепла на нагревание газов» находим, что это значение соответствует температуре приблизительно 404⁰С. Т.о., рассчитанная температура обеспечит автогенность протекания процесса.

Расчет шихты для плавки окисленных никелевых руд в шахтной печи

Составить материальный баланс плавки агломерата следующего состава, %: Ni 0,96; MgO 16,50; SiO₂ 48,10; Al₂O₃ 7,0; Fe₂O₃ 23,0; CaO 3,50; S 0,07; прочие 0,87.

Принимаем в штейне 20% Ni и 22% S; извлечение никеля рассчитываем по формуле В.И. Смирнова, считая содержание никеля в шлаке 0,2% (0,01 от содержания в штейне), выход шлака 100% от веса агломерата, угар 0,7%, пренебрегая пока уносом в пыль, возвращаемую на агломерацию.

Извлечение никеля

И _Ni = () *100 - 0,7 = 78,50%.

Расход сухого кокса 33% от веса агломерата, десульфуризация при плавке 50%. Состав кокса, %: 82,0 С; 1,0 летучих; 1,0 S и 16,0% золы. Состав золы кокса, %: 50,0 SiO₂; 30,0 Al₂O₃; 11,0 Fe₂O₃; 5,0 CaO; 4,0 прочие.

Составляем расчетный баланс для подсчета количества потребного гипса и выяснения предварительного состава шлака, получающегося при плавке без флюсов, кроме гипса.

По условию содержание никеля в агломерате 0,96%, из них 78,5% переходит в штейн. На 100 кг агломерата в штейн переходит 0,96 * 0,785 = 0,75 кг Ni, этот никель в штейне составляет 20%. Штейна будет 3,75 кг (0,75: 0,2).

В штейне содержится 3,75 * 0,22 = 0,83 кг S.

При 50% десульфуризации в шихте должно быть 0,83: 0,5 = 1,66 кг S _общ.

Содержание серы в шихте, кг:

В агломерате 0,07

В коксе 33 * 0,01 = 0,33

Итого 0,40

Должно быть введено с гипсом 1,66 - 0,40 = 1,26 кгS.

Состав гипса (CaSO₄ * 2H₂O), %: 28,05 CaO; 16,00 S; 32,00 О₂; 18,00 Н₂О; 4,55 SiO₂; 1,40 Al₂O₃.

Следует ввести 1,26: 0,16 = 7,88 кг гипса. Вместо гипса можно принять пирит. Порядок расчета будет тот же. Расчетный баланс сведем в таблицу 1.

Таблица 1. Расчетный баланс плавки агломерата без учета воздуха, флюсов, пыли и угара

компоненты	загружено	итого	получено
	агломерата	гипса	кокса		штейна	шлака	газов
Ni	0,96			0,96	0,75	0,21
MgO	16,50			16,50		16,50
SiO2	48,10	0,51	2,64	51,20		51,25
Al2O3	7,0	0,16	1,58	8,74		8,74
Fe	15,40		0,41	15,81	2,94	12,87
CaO	3,50	3,16	0,26	6,92		6,92
S	0,07	1,26	0,33	1,59	0,83	0,50	0,87
О2	7,60	2,52	0,18	11,38		4,43	6,95
прочие	0,87		0,21	1,08	0,02	1,06
С			27,06	27,06			27,06
летучие			0,33	0,33			0,33
Н2О		2,03		2,03			2,03
итого	100,0	6,48	33,00	144,26	4,54	102,48	37,24

Предварительный состав шлака при плавке без флюсов:

Кг %

SiO₂ 51,25 50,00

FeО 17,30 16,90

CaO 6,92 6,75

MgO 16,50 16,10

Al₂O₃ 8,74 8,53

Прочие 1,77 1,73

Итого 102,48 100,00

При плавке без флюсов шлак получается слишком кислым (SiO₂ + Al₂O₃ = 59,99%). Хотя содержание FeО почти на пределе, ведем расчет на добавку в качестве флюса только известняка. Расчет ориентируем на получение в шлаке 43% SiO₂, учитывая довольно большое количество Al₂O₃.

Расчет количества известняка в этом случае получается несложным: в шлаке 51,25 кг SiO₂; задано 43% SiO₂.

Общий вес шлака 51,25: 0,43 = 119,19 кг.

Следует ввести 119,19 - 102,48 = 16,71 кг CaO.

Принимаем для упрощения чистый CaСO₃ (56% CaO и 44% СО₂).

Такого известняка потребуется 16,71: 0,56 = 29,84 кг и содержание CaO в шлаке составит (6,92 + 16,71): 119,19 * 100 = 21%. Содержание MgO в шлаке 16,50: 119,19 * 100 = 14,0%. Сумма 21 + 14 = 35% укладывается в предельное содержание 36%, но содержание FeО (17,3: 119,19 * 100 = 14,5%) получается почти на нижнем пределе 12%, т.е. агломерат является тугоплавким маложелезистым.

Для расчета количества потребного воздуха нужно задаться соотношением углерода, сгорающего в СО к углероду, сгорающему в СО₂. Это соотношение равно соотношению этих компонентов в отходящих газах по объему, за вычетом объема СО₂. На практике анализы отходящих газов дают отношение СО: СО₂ (включая СО₂ известняка) в среднем от 1: 1,5 до 1: 2.

Для нашего расчета данное соотношение принимаем СО: СО₂ = 1: 1,5.

В этом случае сгорает в окись углерода 27,06: 2,5 * 1 = 10,82 кг С. и в углекислоту 27,06: 2,5 * 1,5 = 16,24 кг С.

Потребуется кислорода, кг

Для сгорания С в СО 10,82: 12 * 16 = 14,43

Для сгорания С в СО₂ 16,24: 12 * 32 = 43,31

Для серы 0,87

Итого 58,61.

За вычетом 7,63 кг О₂, переходящего в газы из шихты (на восстановление Fe₂O₃ и CaSO₄: 7,6 + 2,52 + 0,18 - 4,43) потребуется 51,48 кг О₂ или 51,48: 0,23 = 223,83 кг воздуха.

Полученные данные сводим в таблицу 2.

Таблица 2. Материальный баланс плавки агломерата без учета пыли, оборотного и конвертерного шлаков, кг

компоненты	загружено	итого	получено
	агломерат	гипс	известняк	кокс	воздух		штейн	шлак	газы
Ni	0,96					0,96	0,75	0,21
MgO	16,50					16,50		16,50
SiO2	48,10	0,51		2,64		51,25		51,25
Al2O3	7,0	0,16		1,58		8,74		8,74
Fe	15,40			0,41		15,81	2,94	12,87
CaO	3,50	3,16	16,71	0,26		23,63		23,63
S	0,07	1,26		0,33		2,20	0,83	0,50	0,87
О2	7,60	2,52		0,18	51,48	62,86		3,36	59,51
N2					172,35	172,35			172,35
С				27,06		27,06			27,06
СО2			13,13			13,13			13,13
летучие				0,33		0,33			0,33
Н2О		2,03		3,70		5,73			5,73
прочие	0,87			0,21		1,08	0,02	1,06
итого	100,00	11,26	29,84	36,70	223,83	386,78	4,54	118,12	278,97

На основании данных полученного баланса рассчитываем количество и состав газов (таблица 3).

Таблица 3. Состав и количество газов шахтной печи при плавке агломерата

компоненты	Вес, кг	Объем, м3	% (объемн.)
SO2	1,70	1,7: 64 * 22,4 = 0,60	0,29
CO	25,25	25,25: 28 * 22,4 = 20,20	9,96
CO2	72,68	72,68: 44 * 22,4 = 37, 0	18,24
N2	172,35	172,35: 28 * 22,4 = 137,88	67,97
H2O	5,73	5,73: 18 * 22,4 = 7,13	3,52
итого	278,97	202,81	100,00

Для нашего примера принимаем следующие показатели: 30% О₂ в дутье, 20% расход кокса от веса агломерата и 10% углерода кокса сгорает в СО и 90% в СО₂.

Также принимаем:

Х - количество чистого кислорода, добавляемого на 100 м³ воздуха, м³;

а - содержание кислорода в смеси, %.

Если к 100 м³ воздуха добавить Х м³ кислорода, то объем смеси будет (100+ Х), а содержание кислорода равно (21 + Х), тогда из уравнения определится

а = * 100.

Решая это уравнение относительно Х, получаем

Х = м³.

В нашем случае а = 30 и тогда Х = = 12,86 м³, т.е. для получения смеси, содержащей 30% О₂, нужно на каждые 100 м³ воздуха подать 12,86 м³ чистого кислорода.

На 100 кг агломерата по условию сжигается 20 кг сухого кокса, причем, как принято выше, 10% С кокса сгорает в СО и 90% - в СО₂. В 20 кг сухого кокса 16,40 (20*0,82) кг С, их которых 1,64 * 16,40 * 0,10 сгорает в СО, остальные 14,76 кг (16,40*0,9) - в СО₂. Потребуется кислорода, кг:

Для сгорания С в СО 1,64: 12 * 16 = 2,19

Для сгорания С в СО 14,76 : 12 * 32 = 39,36

Для серы 0,81

Итого 42,36 кг О₂.

За вычетом 7,55 кг О₂, переходящего в газы из шихты (восстановление Fe₂O₃ и CaSO₄: 6,37 + 4,44 + 0,18 - 3,36 кг), потребуется вводить в печь 34,81 кг О₂.

По условию, в дутье, обогащенном кислородом, содержится 30% О₂ и 70% N₂ по объему. 100 м³ такой смеси будут иметь вес и весовой состав:

О₂ 30: 22,4 * 32 = 43,04 кг 33,00%

N₂ 70: 22,4 * 28 = 87,50 кг 67,00%

Итого 130,54 кг 100%

Следовательно, в печь будет введено азота 34,81: 0,33 * 0,67 = 70,67 кг.

Все остальные данные на 100 кг агломерата: расход гипса, известняка, выход штейна и т.д., остаются такими же, как и при плавке на воздухе. Поэтому при составлении материального баланса плавки агломерата на дутье, обогащенном кислородом, данные по агломерату, гипсу, известняку и штейну можно заимствовать из таблицы 2.

шихта плавка печь автогенный

Таблица 4. Материальный баланс плавки агломерата на воздухе, обогащенном кислородом, без учета пыли, оборотного и конвертерного шлаков, кг

компоненты	загружено	итого	получено
	агломерат	гипс	известняк	кокс	воздух		штейн	шлак	газы
Ni	0,96					0,96	0,75	0,21
MgO	16,50					16,50		16,50
SiO2	48,10	0,51		2,64		51,25		51,25
Al2O3	7,0	0,16		1,58		8,74		8,74
Fe	15,40			0,41		15,81	2,94	12,80
CaO	3,50	3,16	16,71	0,26		23,63		23,63
S	0,07	1,26		0,33		2,20	0,83	1,37	0,87
О2	7,60	2,52		0,18	35,34	46,72		3,36	43,36
N2					71,76	71,76			71,76
С				27,06		27,06			27,06
СО2			13,13			13,13			13,13
летучие				0,33		0,33			0,33
Н2О		2,03		3,70		5,73			5,73
прочие	0,87			0,21		1,08	0,02	1,06
итого	100,00	11,26	29,84	36,70	107,10	269,97	4,54	118,99	162,24

Размещено на Allbest.ru