Расчет состава продуктов плавки

Расчет позволяет определить состав получаемого чугуна, выход, состав и свойства шлака и сделать вывод о возможности выплавки чугуна заданного качества из указанных железорудных материалов. Если свойства шлака не удовлетворяют требованиям процесса, необходимо дать рекомендации по изменению его основности и корректировке состава доменной шихты.

Расчет состава доменного шлака

В шлак при доменной плавке переходят оксиды пустой породы ЖРМ, золы кокса и флюса за вычетом восстановившегося SiO₂. В шлак также переходят часть железа, марганца и других примесей, восстанавливающихся в доменной печи лишь частично.

Оксиды кальция, магния и алюминия полностью переходят в шлак. Их количество в шлаке рассчитывается по формуле:

М_х = 0,01∙ (Р∙Х_р + Ф∙Х_ф +0,01∙К∙А∙Х_з.к), (2.8)

где М_х – количество CaO (MgO, Al₂O₃), переходящего в шлак, кг/ т чугуна;

Х_р, Х_ф, Х_з.к – содержание CaO (MgO, Al₂O₃) в ЖРМ, флюсе и золе кокса соответствен-
но, %.

Оксид кремния частично восстанавливается в чугун. Поэтому его масса в шлаке составляет:

М_SiO2 = 0,01∙ (Р∙SiO_2р + Ф∙ SiO_2ф +0,01∙К∙А∙ SiO_2з.к) – 21,4∙[Si], (2.9)

где М_SiO2 – количество SiO₂, переходящего в шлак, кг/ т чугуна;

SiO_2р, SiO_2ф, SiO_2з.к - содержание SiO₂ в ЖРМ, флюсе и золе кокса соответственно, %.

Масса оксидов железа, марганца (ванадия и хрома в случае их наличия в шихте) в шлаке определяется их количеством, вносимым в печь с шихтой, и степенью перехода в шлак:

МFeO = 0,01∙ (Р∙Fe_р + Ф∙ Fe_ф +0,01∙К∙А∙ Fe_з.к) ∙ (1 - ηFe) ∙ (56 + 16) / 56 (2.10)

МMnO = 0,01∙ (Р∙Mn_р + Ф∙ Mn_ф +0,01∙К∙А∙ Mn_з.к) ∙ (1 – ηMn) ∙ (55 + 16) / 55 (2.11)

где М_FeO, М_MnO – количество FeO и MnO, переходящих в шлак, кг/ т чугуна.

Небольшое количество серы (до 5 %), поступающей в печь с шихтой, удаляется из печи с колошниковым газом. Основная часть серы распределяется между жидкими чугуном и шлаком. Для определения массы серы, переходящей в шлак, необходимо рассчитать ее приход с шихтовыми материалами и вычесть из него массу серы, улетучивающейся с колошниковым газом и переходящей в чугун.

Масса серы, поступающей в печь с шихтой и распределяющейся между чугуном и шлаком (М_s, кг/т чугуна) равна:

М_s = 0,01∙ (Р∙S_р + Ф∙S_ф +К∙S_к)∙(1-λ_s), (2.12)

где S_р, S_ф, S_к – содержание серы в ЖРМ, флюсе и коксе соответственно, %.

λ_s – степень улетучивания серы, д. ед.

Для расчета выхода шлака принимаем содержание серы в чугуне 0,03 % или 0,3 кг/т чугуна. Масса серы, переходящей в шлак, составит:

М_sш = М_s – 0,3. (2.13)

Принимаем, что вся сера в шлаке находится в виде сульфатов (в основном в виде сульфата кальция) и ее доля может быть учтена в виде SO₃. Масса SO₃ в шлаке составляет:

М_SO3ш = Мsш∙ (32 + 3∙16) /32, кг/т чугуна. (2.14)

Выход шлака (Ш, кг/т чугуна) определяется как сумма масс всех оксидов, переходящих в шлак:

Ш = ∑ Мi = М_CaO + М_MgO + М_Al2O3 + М_SiO2 + М_FeO + М_MnO + М_SO3ш. (2.15)

Коэффициент распределения серы между чугуном и шлаком равен отношению концентраций серы в шлаке и чугуне:

L_S = (S) / [S]. (2.16)

Коэффициент распределения серы зависит от основности шлака и содержания кремния в чугуне (рис.1).

Рис.1. Зависимость коэффициента распределения серы L_S от основности шлака; цифры
на кривых – содержание кремния в чугуне, %

 

Используя данные рис.1, принятые в расчете основность шлака и содержание кремния в чугуне находим L_s. (L_s = …).

Уточненное содержание серы в металле составит:

М_S0 = М_S / (1 + Ш∙ L_S), кг/т чугуна, (2.17)

где Ш – выход шлака, т/т чугуна

Уточненное содержание серы в шлаке:

М_Sш0 = М_S – 10∙[S]₀. (2.18)

Уточненное содержание SO₃ в шлаке:

М_SO3ш0 = М_Sш0∙ (32 + 3∙16) /32, кг/т чугуна. (2.19)

Результаты расчета состава шлака занести в табл.2.4.

Таблица2.4 -Расчетный химический состав шлака

Компонент	CaO	Al2O3	MgO	SiO2	FeO	MnO	SO3	Всего
Приход в шлак, кг/т чугуна
Содержание, %

Расчет состава чугуна

Содержание железа в чугуне определено ранее по уравнению 2.5, кг/т чугуна

Содержание кремния соответствует принятому в расчете:

М_Si = 10∙[Si], кг/т чугуна.

Содержание серы в чугуне рассчитано по уравнению 2.17, кг/ т чугуна.

Содержание марганца в чугуне определяется по формуле:

М_Mn = 0,01∙ (Р∙Mn_р + Ф∙ Mn_ф +0,01∙К∙А∙ Mn_з.к) ∙ η_Mn, кг/т чугуна. (2.20)

Содержание фосфора определяется по формуле:

М_Р = 0,01∙ (Р∙Р_р + Ф∙ Р_ф +0,01∙К∙А∙ Р_з.к), кг/т чугуна. (2.21)

Содержание углерода в чугуне равно:

С_ч = 1000 – [Fe] - [Si] -[S] – [Mn] – [P], кг/т чугуна.

Результаты расчета состава чугуна занести в табл.2.5.

Таблица 2.5 - Расчетный химический состав чугуна

Содержание элементов	Si	Mn	P	S	C	Fe
Кг/т×чугуна
Масс. %

ПРИМЕР РАСЧЕТА ШИХТЫ

Рассчитать потребность в агломерате (для упрощения в этом примере принято 100 % в шихте. В вашем расчете агломерат и окатыши!), известняке и коксе для выплавки чугуна марки П1; определить количество и состав шлака. Химический состав материалов приведен в табл.2.1. Содержание кремния в чугуне – 0,8 %. Основность шлака – 1,15. В соответствии с данными табл. 2.2. принимаем степень перехода марганца в чугун – 60 %, фосфора – 100 %; степень улетучивания серы – 5 %.

Расчет состава шихты

1. Определяем содержание железа в чугуне

Fe_ч = η_Fe∙ Fe_р∙ (100 – [Si] -[C] -[S]) / (η_Fe∙ Fe_р + η_Mn∙ Mn_р + η_P∙P_р),

Fe_ч = 0,998∙55,5∙(100 – 0,8 – 4,5 -0,03)/(0,998∙55,5 +0,6∙0,2 +1,0∙0,07) = 94,346 %.

2. Рассчитываем расход кокса

К = 434 + 5,21· (57,5 - Fe_р) + 52,1· ([Si] – 0,66) + 5,64 (А – 11,1) + 1,3 (S_к – 0,48),

К = 434 + 5,21· (57,5 -55,5) +52,1(0,80 – 0,66) + 5,64 (11,05 – 11,1) + 1,3 (0,42 – 0,48) =
= 451,35 кг/т чугуна.

3. Решаем систему уравнений баланса железа и баланса основности

0,01· η_Fe · (Р·Fe_р + 0,01·К·А· Fe_з.к. + Ф· Fe_ф) = 10·Fe_ч

0,01·(Р· CaO_р + 0,01·К·А · CaO_з.к + Ф· CaO_ф)/{0,01·(Р· SiO_2р + 0,01·К·А · SiO_2з.к +
+ Ф· SiO_2ф) – 21,4· [Si] } = В_ш,

0,01· 0,998 · (Р·55,5+ 0,01·451,35·11,05· 9,78 + Ф· 0,38) = 10·94,346,

0,555Р + 0,0038 Ф = 940,47.

Р = 1694,54 - 0,00685Ф.

0,01·(Р· 6,4 + 49,874 · 5 + Ф· 54) /{0,01·(Р· 9,2 + 49,874 · 54,1 + Ф· 0,79) – 21,4· 0,8 } =
= 1,15.

0,064Р + 2,494 + 0,54Ф = 0,106Р +31,029 + 0,009Ф – 19,688,

0,531Ф – 0,042Р = 8,847.

0,531Ф – 71,17 + 0,0002Ф = 8,847

0,531Ф = 80,017

Ф = 150,69,

Р = 1693,97.

Таблица 3.1 – Расход ЖРМ, флюса и кокса, кг/т чугуна

Расход ЖРМ (агломерата) - Р	Расход флюса (известняка) - Ф	Расход кокса - К
1693,97	150,69	451,35