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.
. 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:
,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:
- (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.
. Теперь рассчитаем количество кварца, необходимого для получения шлака. Расчет ведем на получение шлака, содержащего 30% SiO2.
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;
,65 - количество SiO2 в концентрате;
,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;
,75 - содержание SiO2 в песчанике;
,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:
,67 · 0,6: 100 = 0,3 кг (Cu + Ni);
,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.
. 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:
,0 - 12,61 - 0,40 = 18,99 кг, что составляет 37,98 кг SО2.
На окисление железа, переходящего в шлак, расход кислорода составит:
,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
1. Окисление FeS
Количество железа, окисленного до FeО, в шлаке равно 21,07 кг. По реакции
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.
. 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:
NiFe1,2S2 → 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.
3. 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.
4. 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:
,97 + 2718,48 + 325,48 + 175,51 = 14958,44 кДж.
5. 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 | Итого | 18142,25 |
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.