новая папка 1 / 336135

2. Примеры и пояснения расчетов по марганцу

Задача №1. Оценить поведение марганца в стальной ванне: равновесную концентрацию, степень удаления (насыщения) при следующих исходных данных: состав шлака: 10% FeO, 5% МnО, 8% МgО, 54% СаО и 23% SiO2,

количество шлака 12% к массе металла; состав металла: 0,5% С, 0,45% Мn, температура системы 1500°С.

Решение. Реакция окисления-восстановления Мn идет на границе «металл-шлак» по уравнению

	[Мn] + (FeO) = (МnО) + Fеж.			(12)
Константы равновесия	и	lg	=	. При
температуре 1500°С (1773К): lg	= 0,82 и	= 4,81.

Активности FeO и МnО связаны с химическим составом шлака. Для определения коэффициента активности можно воспользоваться уравнениями В.А. Кожеурова. Так как в этих уравнениях состав шлака выражается в мольных долях, необходимо сделать соответствующие расчеты. Состав шлака определим в следующем порядке:

FeO – МnО – СаО – MgO – SiО2 – Р2О5. 1 2 3 4 5 6

Тогда .

Мольные доли остальных компонентов шлака находим аналогичным расчетом: в результате расчетов получаем: = 0,04; = 0,55; = 0,11; = 0,22. Определяем (по Кожеурову) коэффициент активности FeO:

lg

	,	(13)
и	= 3,119∙0,08=0,250.	(14)
	11

Аналогично находим значение активности оксида марганца:

= ;

= 1,673 и = 0,04∙1,673 = 0,067.

Коэффициент распределения марганца между металлом и шлаком выводится из уравнения константы равновесия:

. (15)

Балансовое уравнение по марганцу имеет вид

– = nm, (16)

где: n – стехиометрический коэффициент пересчета с элемента на его соединение; m – удельное количество шлака, кг/кг.

В данном случае n = 55/71 = 0,774 и т = 0,12.

Составляем систему уравнений:

(17)

Решив уравнение, получим: =0,10%, = 8,8%.

Таким образом, марганец в рассматриваемых условиях должен окисляться и переходить в шлак. Степень удаления марганца () равна

.

12

3. Примеры и пояснения расчетов по фосфору

Реакция дефосфорации на границе «металл-известковожелезистый шлак»:

2 ∙ [Р] + 5 ∙ (FeO) + 4 ∙ (СаО) = 4 ∙ СаО ∙ Р2О5 + 5 ∙Fеж.			(18)
Тогда:	и lg	.
Отсюда:
		.	(19)
Коэффициент	находим так же, как и в задаче №1, концентрация
(FeO) должна быть выражена в мольных долях.
Принимаем, что	(массовая доля	свободной СаО в	шлаке)
определяется по формуле
	= 0,01∙(% СaO+ % MgO – 0,9 % SiO2).		(20)

После выявления равновесной величины (Р2О5) / [Р]2 составляем балансовое уравнение по фосфору и, решая систему двух уравнений, определяем равновесные концентрации фосфора в металле и шлаке. Один из возможных вариантов расчета [Р]равн приведен в задаче №2.

Задача №2. Рассчитать содержание фосфора в жидком железе, находящемся в равновесии со шлаком состава: 10,7% FeO; 1,7% МnО; 9,6%

МgО; 40,6% СаО; 10,8% SiO2; 1,1% Fe2O3; 16,1% Р2О5. Температура системы

1590°С.
Решение. Пересчитываем	содержание оксидов железа в шлаке на
(%Fe)общ: (%Fe)общ =	= 0,778∙10,7 + 0,7∙1,1 = 9,1%.

Производим перерасчет (P2O5) в шлаке на содержание фосфора: (%Р) = = 0,437∙16,1 = 7,0.

13

После чего lg[%P] = lg(%P) + 16,0 – 2,5∙lg(Fe)общ – 0,08 ∙ (%СаО) =

= lg7,0 – + 16,0 – 2,5∙lg9,l – 0,08∙40,6 = – 0,79. Получаем: [%Р] = 0,162%.

Необходимо отметить, что интенсивная дефосфорация, как видно из уравнения (18), «обеспечивается» пятой степенью а(FeO) и четвёртой а(СаО), поэтому высокая концентрация данных компонентов в шлаке является непременным условием более полного удаления фосфора. Однако в связи с тем, что радиус иона Fe2+ значительно меньше радиуса РО43– последние ионы не могут дать устойчивой и прочной структурной конфигурации молекул СаО ∙ Р2О5. В этой связи соотношение (СаО)/(FeO) должно быть оптимальным (около 3 единиц).

Снижение окислительного потенциала шлака или восстановительный характер атмосферы приводят к восстановлению фосфора, поэтому шлак окислительного периода плавки в большинстве случаев (кроме плавки на чистой шихте или собственных возвратных материалах) скачивают, и наводят другой, на котором ведут восстановительный период. Поскольку равновесие реакции окислительной дефосфорации смещается влево при повышении температуры, то температуру плавки поддерживают на необходимом для иных сталеплавильных процессов минимуме. Можно выделить следующие условия необходимые для успешного удаления фосфора:

1)высокая основность шлака;

2)высокая степень окисленности шлака (FeO);

3)низкая температура плавки (1640-16800С);

4)оптимальное соотношение (СаО)/(FeO);

5)скачивание (удаление) шлака окислительного периода.

14

4. Примеры и пояснения расчетов по ванадию, хрому и кремнию

Поведение ванадия в системе «металл-низкоосновный шлак»

определяется следующей реакцией:
	2[V ] + 3( F eО ) = ( V 2 О 3 )+ 3F eж .	(21)
Откуда:	.

Константу равновесия этой реакции следует определить на основе принципов химической термодинамики, воспользовавшись уравнением для

и	:
		(FeO)=Feж + [О],	lgKFe0 =		+ 2,734,	(22)
		+	, lg	=	+ 5,851.	(23)
Учитывая,		что концентрации	в шлаке обычно невелики, можно
считать	этот	оксид компонентом	идеального		расплава и принимать
	.

Вопросы окисления и восстановления хрома в ваннах сталеплавильных агрегатов изучены довольно подробно [2, с.591-597]. Равновесие этой реакции зависит от типа шлака. Известно, например, что в кислом процессе хром

окисляется преимущественно по химической реакции
[Сr]+(FeO) = (CrO) + Fеж,				(24)
lgKCr = lg	=	– 5,5.		(25)
В шлаках, содержащих 12-35% СаО, устойчива окись хрома Сr2О3 и
равновесие выражается реакцией:
2[Cr]+3∙(FeO) = (Cr2O3) + 3∙Fеж,				(26)
	и lgKCr =		– 12,54.	(27)

Равновесное распределение кремния между металлом и шлаком в кислом процессе определяется реакцией:

15

[Si] + 2∙(FeO) = (SiО2) + 2∙Fеж,		(28)
и lg	– 5,12.	(29)

Для шлаков, насыщенных SiО2 (;= 1), получим:

и lg. (30)

Концентрации всех компонентов, участвующих в реакциях, должны быть выражены в массовых (весовых) процентах.

Все необходимые начальные данные для курсовой работы по индивидуальным вариантам представлены в табл. 1-4 приложения.

16

Приложение

Таблица 1 Варианты заданий для расчета распределения марганца между

металлическим и шлаковым расплавами*

						Исходные данные
				Состав шлака, %				Кол-во		Варианты исходных
	№	Т-ра
			СаО()	(SiO	(FeO)	(MnO)	(MgO)	шлака,	[Мn], %	условий
				2
				)
		°С						% К мет
	1	1500	50	27	10	5	8	10	0,45	Т° 1550 и 1600°С
	2	1620	43	25	18	4	10	6	1,12	(FeO)/(MnO) =2 и 3*
	3	1580	48	20	19	8	5	14	0,94	t° 1550 и 1640°С
	4	1600	46	22	20	7	5	12	0,35	t° 1500 и 1550°С
	5	1560	45	21	15	12	7	8	0,75	(FeO)/(MnO)=2 и 2,5*
	6	1680	52	18	18	6	6	9	0,40	t° 1500 и 1600°С
	7	1570	54	17	12	10	7	13	0,75	(FeO)/(MnO)=1,6 и 2,4*
	8	1520	46	23	10	9	12	7	1,16	(FeO)/(MnO)=2 и 2,5*
	9	1640	40	31	16	5	8	5	0,28	t° 1600 и 1700°С
	10	1530	53	19	17	11	0	16	0,84	(FeO)/(MnO)=1 и 3*
	11	1600	50	27	10	5	8	6	0,45	К-во шлака 12 и 14%
	12	1620	43	25	18	4	10	10	1,12	t° 1500 и 1550°С
	13	1680	48	20	19	8	5	14	0,96	(FeO)/(MnO)=1,5 и 2,5*
	14	1550	54	17	12	10	7	13	0,75	t° 1600 и 1650°С
	15	1680	52	18	18	6	6	9	0,40	[Мn] 0,65 и 1,20%
	16	1600	54	17	12	10	7	13	0,75	t° 1550 и 1650°С
	17	1550	46	23	10	9	12	7	1,16	(FeO)/(MnO)=1,5 и 3,0*
	18	1500	40	31	16	5	8	5	0,35	[Мn] 0,80 и 1,22%
	19	1550	46	22	20	7	5	12	0,40	К-во шлака 6 и 9%
	20	1580	53	19	17	11	0	16	0,84	Т° 1520 и 1640 °С

*)Сумма (FeO + MnO) в каждом из этих вариантов остается постоянной

17

Таблица 2 Варианты заданий для расчета распределения фосфора между металлическим и

шлаковым расплавами

						Исходные
						данные
	№		Состав шлака, %						К-во		Варианты исходных условий
		Т-ра °С	СаО( )	(SiO	(MgO)	(FeO)	(P		шлака,	[Р], %
				)			5
							)
				2			O		% К мет
							2
	1	1550	52	23	6	16	3		10	0,34	t° 1500 и 1650°С
	2	1510	38	36	5	20	1		12	0,18	Основность 2 и 2,5
	3	1550	36	20	16	28	0		7	0,12	t° 1620 и 1680°С
	4	1600	50	24	13	12	1		9	0,47	К-во шлака 5 и 15%
	5	1615	58	22	5	15	0		10	1,05	t° 1500 и 1550°С
	6	1640	40	23	17	20	0		15	0,75	t° 1500 и 1550°С Основность
	7	1570	56	23	2	17	2		14	1,15	1,5 и 3,0
	8	1620	47	12	18	18	5		6	0,24	К-во шлака 10 и 15%
	9	1625	49	18	9	23	1		13	0,76	t° 1500 и 1560°С
	10	1540	58	19	6	17	0		12	0,80	t° 1600 и 1650°С
											К-во шлака 15 и 20%
	11	1585	46	25	15	12	2		8	1,10
											t° 1520 и 1550°С
	12	1625	57	20	7	16	0		16	0,95
											t° 1500 и 1550°С
	13	1600	52	23	6	16	3		7	1,36
											Основность 1,5 и 3,0
	14	1570	38	36	5	20	1		10	0,16
											-
	15	1520	36	24	12	28	0		7	0,45
	16	1520	46	30	14	10	0		7	0,45
	17	1520	40	27	13	20	0		7	0,45
											Основность 1,0 и 2,5
	18	1590	56	23	2	17	2		10	0,80
											t° 1560 и 1660°С
	19	1610	47	12	18	18	5		8	0,24
	20	1575	50	20	15	10'	5		10	0,98	-

18

Таблица 3

Варианты заданий для расчета распределения ванадия и хрома между металлическим и шлаковым расплавами*

						Исходные данные
				Состав шлака, %			Кол-во			Варианты исходных
	№	Т-ра
			СаО	SiO	FeO	*		[V],%	[Cr],%
						прочие	шлака,			условий
				2
		°С					% К мет
	1	1400	10	30	20		10	0,6	-	t° 1450 и 1600°С
	2	1520	14	26	18		6	0,8	-	(FeO) = 8 и 12%
	3	1430	12	30	16	(V2O3) = 2,0	8	0,5	-	t° 1500 и 1550°С
	4	1560	15	42	20		10	0,7	-	Кол-во шлака 6 и 14%
								1,0	-
	5	1420	5	30	25		8			T° 1500 и 1600°С
								1,1	-	(FeO) = 12 и 20%
	6	1580	6	32	26		6
	7	1550	32	16	12	(Cr2O3) = 10	12	-	1,6	(FeO) = 16 и 20%
	8	1620	35	17	10		10	-	0,2	(Cr2O3) = 6 и 12%
	9	1580	30	20	16	(Cr2O3) = 6	12	-	0,3	T° 1620 и 1640°С
	10	1610	6	38	20		15	-	1,2	(FeO) = 16 и 28%
						(CrO) = 15		-	0,2
	11	1650	3	45	25		14			Кол-во шлака 8 и 18%
								-	1,3
	12	1520	5	48	22		12			T° 1600 и 1700°С
	13	1450	10	30	20		10	0,6	-	t° 1490 и 1530°С
	14	1560	14	26	18	(V2O3) = 2,0	8	0,8	-	(FeO) = 10 и 16%
	15	1410	12	30	16		6	0,5	-	t° 1530 и 1580°С
								0,7	-	Кол-во шлака 6 и 14%
	16	1540	15	42	20		12
	17	1640	35	17	10	(Cr2O3) = 10	12	-	0,2	(Cr2O3) = 6 и 12,0%*
						(Cr2O3) = 6		-	0,3
	18	1560	30	20	16		10			t° 1600 и 1640°С
								-	1,2
	19	1620	6	38	20		15			(FeO) = 16 и 24%
						(CrO) = 13		-	1,5
	20	1540	5	48	22		10			t° 1500 и 1560°С

*) Остальные компоненты шлака считать нейтральными

19

Таблица 4

Варианты заданий для расчета распределения кремния между металлическим и шлаковым расплавами*

							Исходные данные
				Состав шлака, %					Кол-во
	№	Т-ра									Варианты исходных условий
			(SiO		+)СаО(	(MgO)+	(FeO)	(MnO)		[Мn], %
			)						шлака,
			2
		°С							% К мет
	1	1500	45			5	20	30	5	0,1	t° 1550 и 1620°С
	2	1610	50			5	25	20	8	1,05	(FeO)/(MnO) = 0,4 и 0,7*
	3	1550	52			10	20	18	10	0,2	Кол-во шлака 5 и 15%
	4	1660	54			7	15	24	4	0,1	t° 1550 и 1700°С
	5	1600	48			15	21	16	6	0,25	(FeO)/(MnO) = 0,5 и 1,0*
	6	1550	45			5	20	30	6	0,1	t° 1570 и 1650°С
	7	1620	50			5	25	20	9	0,05	(FeO)/(MnO) = 0,5 и 0,8*
	8	1570	52			10	20	18	9	0,2	Кол-во шлака 6 и 14%
	9	1640	54			7	15	24	4	0,1	t° 1570 и 1680°С
	10	1620	48			15	21	16	7	0,35	(FeO)/(MnO) = 0,7 и 1,2*
								30
	11	1530	45			5	20		10	0,2	Кол-во шлака 7 и 13%
								20
	12	1590	50			5	25		7	0,07	(FeO)/(MnO) = 0,6 и 1,2*
								18
	13	1530	52			10	20		8	0,2	t° 1580 и 1630°С
								24
	14	1620	54			7	15		6	0,1	Кол-во шлака 10 и 8%
								16
	15	1580	48			15	21		8	0,35	(FeO)/(MnO) = 0,6 и 1,0*
								30
	16	1535	45			5	20		8	0,15	t° 1575 и 1615°С
								20
	17	1635	50			5	25		10	0,06	t° 1585 и 1675°С
								18
	18	1510	52			10	20		6	0,15	Кол-во шлака 7 и 15%
								24
	19	1655	54			7	15		8	0,08	(FeO)/(MnO) = 0,85 и 1,05*
								16
	20	1565	48			15	21		10	0,15	t ° 1615 и 1655 °С

*Сумма (FeO + MnO) в каждом из этих вариантов остается постоянной

20