Расчётная часть

В расчётной части работы приводится в соответствии с индивидуальным заданием расчёт количества кокса для восстановления оксидов руды из различных рудных компонентов и восстановителей.Составляется материальный баланс.

В естественных условиях в природе металлы могут существовать лишь в окислённом состоянии, т.е. в виде рудных минералов. Поэтому, чтобы получить металл или сплав металлов нужно осуществить процесс отнятия кислорода у оксида, другими словами, осуществить восстановление оксидов металла с помощью восстановителя, вещества, которое имеет большее средство к кислороду, чем восстанавливаемый металл. Наиболее распространёнными восстановителями являются газы CO, H₂, CH₄ и твёрдый углеродсодержащий материал, например, кокс.

Способность к восстановлению – восстанавливаемость у разных руд различна. Наивысшей восстановимостью обладают обычно бурые железняки и сидериты. За ними в порядке уменьшения восстановимости следуют гидрогематит, гематит и магнетит.

В реальных процессах восстановление с достаточной скоростью может протекать только при высоких температурах. Источником тепла служат экзотермические реакции горения топлива, например, кокса.

Таким образом, кокс в восстановительных процессах выполняет двойную функцию: как источник тепла и как восстановитель. Отсюда и необходимость расчёта количества кокса для восстановления оксидов руды и для сжигания.

Для осуществления химической реакции необходим контакт участвующих в реакции веществ. С этой точки зрения реакции восстановления с участием твёрдого восстановителя (кокса) называют прямым восстановлением, напимер, прямое восстановление оксида Fe₂O₃ углеродом при прямом непосредственном их контакте происходит по реакции

3Fe₂O₃+C=2Fe₃O₄+CO

Этот процесс осложняется из-за возможности протекания как параллельных, так и последовательных реакций взаимодействия оксидов с оксидом углерода, образующимся при неполном восстановлении оксидов и при реакции горения твёрдого углерода

2C+O₂=2CO

Восстановление с помощью газов – восстановителей называют косвенным восстановлением.

Природное сырье имеет сложный состав кроме: полезных компонентов оно содержит породные составляющие, различные примеси. Распределение этих компонентов в кусках весьма неоднородно. Для повышения извлечения полезного компонента рудный материал приходится дробить и измельчать до довольно мелких фракций. В результате обогащения такого материала получают концентрат крупностью несколько миллиметров, который непосредственно использовать нельзя. Нужна предварительная его подготовка, в частности, окускование. Окускование – это процесс укрепнения мелкодисперсного материала.

В настоящее время существует несколько способов окускования мелкого материала: окатывание, брикетирование, агломерация.

4. Расчет количества кокса для восстановления оксидов руды

1. Принимаем состав железной руды.

Таблица 1.

Компонент	Fe2O3	Feоб	CaO	MgO	SIO2	Al2O3	P2O5	S
% масс	83,0	59,1	5,05	0,85	9,60	1,30	0,16	0,04

2. Принимаем состав кокса.

Содержание углерода в горючей массе кокса C^daf = 86%

Зала в сухой массе кокса A^d =11,5%

Летучие кокса в горючей массе кокса V^daf =2,5%

Влага рабочая кокса W^r =10%

Здесь индекс «daf» указывает горючую массу кокса, индекс «d» относится к сухой массе кокса и индекс «r» относится к рабочей массе кокса.

3. Элементы шихты в соответствии с законом распределяются между продуктами восстановления, т.е. между металлом, шлаком и газом. Если оксид металла восстанавливается, то образующийся металл переходит в металлическую фазу [Me]. Если по термодинамическим условиям оксид металла не восстанавливается. Или восстанавливается не полностью, он остается в шлаковой фазе (Meo). Так как процессы окускования осуществляются при высокой т-ре, то восстановленный металл может испарятся, т.е. может переходить в газовую фазу {Meo}. Обычно коэффициенты перехода элементов в металл, шлак и газ устанавливается экспериментальным путем.

Принимаем следующие коэффициенты распределения элементов.

Таблица 2.- Распределение элементов между фазами

Элемент	Переход элемента в
	Металл	шлак	газ
Fe	1,00	0,0	0,0
марганец	0,55	0,45	0,0
P	1,0	0,0	0,0
Si	0,10	0,9	0,0
Al	0,0	1,0	0,0
Ca	0,0	1,0	0,0
Mg	0,0	1,0	0,0

Примечание. Оксиды CaO, SiO­₂, Al₂O₃ трудно восстановимы, поэтому они практически не восстанавливаются и остаются в исходной шихте в виде оксидов либо в твердом, либо в жидком состоянии.

Оксид железа может восстанавливаться частично, образуя по правилу Байкова фазы Fe₃O₄ и FeO.все оксиды железа вступают во взаимодействие с другими оксидами и могут образовывать соединение, которые имеют температуру плавления, меньше чем чистые оксиды. М-р,

2FeO * SiO₂ (фаялит) с т-рой плавления 1205 ^оС,

CaO * 2Fe₂O₃ (феррит кальция) с т-рой плавления 1230 ^оС,

CaO_x *FeO_2-x *SiO₂ (железокальциевый оливин) с т-рой плавления 1130 ^оС.

Эти соединения при высоких температурах окускования (до 1500 ^оС) будут находится в жидком состоянии, способствуя образованию спеков.

4. Составляем материальный баланс. Расчет обычно ведется на 100г руды.

1. По данным химического анализа (таблица 1) общее содержание железа состовляет 59,1%. Часть этого железа находится в виде Fe₂O₃ (83,0%). Необходимо проверить есть ли железо в виде Fe₃O₄ и FeO. Для этого сначала пересчитаем содержание Fe_об в оксид Fe₂O₃. 1г-моля Fe₂O₃ содержит 2г-атома железа, т.е. в 160г Fe₂O₃ содержится 112г железа. Из пропорции получим

160г Fe₂O₃ – 112г Fe

X - 59,1

Отсюда x==83,0г Fe₂O₃

Вывод: все железо находится в виде Fe₂O₃ (% масса Fe₃O₄=0)

2. Определяем количество восстановителя (кокса) на восстановления Fe­₂O₃. В соответствии с реакцией восстановления Fe₂O₃+ 3С=2Fe+3Co составляем пропорцию 1г- моль Fe₂O₃- 3г атома углерода

или 160г Fe₂O₃- 3*12=36г углерода

83г Fe₂O₃-Xг углерода.

В этом расчете коэффициент распределения принят 1,0 , однако при окусковании, например, агломерации железа из оксидов восстанавливается не полностью, а лишь частично степень металлизации может достигать 10-15%. Примем эту величину равной 10%. Это значит, что из 83, 0г Fe₂O₃ восстановиться лишь 8,3г железа. Для этого нужно 1,8675г углерода. Будем считать, что остальные 90% Fe₂O₃ (83,0*0,9=744г Fe₂O₃) будет восстанавливаться до FeO по реакции

Fe₂O₃+C=2 FeO+CO

Необходимое для этого кол-во углерода определяем также из пропорции:

1г-моль Fe₂O₃ (160г) потребует 1г- атом С(12г).

744г Fe₂O₃ -----------XгC.

Отсюда XгC ==5,58г

3. Кремнезем (SiO₂) будет восстанавливаться также не полностью. Примем его коэффициент распределения равным 0,1 (см таблицу 2). Для его восстановления понадобиться углерода:

SiO₂+2C= Si+2CO

1г-моль SiO₂ потребует 2 г- атома С.

Или 28+32=60г SiO₂ -----------2*12=24г С

9,6*0,1г SiO₂----------Xг C

Отсюда Xг С ==0,384г С,

В этом выражение 9,6=%SiO₂ (или 9,6г SiO₂ d 100г руды).

4. В соответствие с таблицей 2 фосфор восстанавливается полностью на 100%, но так как его содержание невелико (0,16г), то расчет углерода но его восстановление можно не производить, а учесть его кол-во путем некоторого увеличения конечного результата расчета.

5. Всего потребуется углерода на восстановление оксидов руды

=CFe₂O₃ + CSiO₂ = 1,8675+5,58+0,384=7,832г.

6. В качестве источника углерода используют кокс. Он представляет собой твердый пористы остаток термической переработки спекающихся каменных углей при т- ре 950-1200 ^оС без доступа воздуха. Кроме того, в коксе содержатся так называемые летучие компоненты или просто «летучие» летучие соединения остаточных содержаний водорода и кислорода с частью углерода (кол-во которых может достигать нескольких процентов). При нагревании до высоких температур при окусковании влага и летучие, в виде CO₃, CO, и H₂, выделяются из кокса и состав кокса поэтому изменяется. Изменяется и относительное содержание золы в рабочей массе кокса и содержание углерода. Поэтому необходимо предварительно рассчитать кол-во углерода в рабочей массе кокса. В этом случае расчет ведется на 100г кокса. В приложение 1 приводятся формулы пересчета содержания компонентов при изменения одной формы кокса в другую. Используем формулу:

C^r= * **100

C^r= * ** 100 =77,6%

7. Рассчитываем количество золы в рабочей массе кокса

A^r =A^d * * 100 = 11,5 * 100 = 10,35%

Таким образом, состав кокса будет следующим:

- влага рабочая W^r = 10,0%

- зала рабочая A^r = 10, 35%

- углерод в рабочей массе C^r = 77,6%

∑=97,95%. Невязка – 0,05%.

8. Зола кокса содержит оксиды Fe₂O_{3 ­}и SiO₂, которые будут восстанавливаться, для чего также потребует углерод. Количество углерода, необходимое для восстановления оксидов золы Fe₂O₃ и SiO₂, определяется аналогично п:п 4.2 и 4.3 с учетом массы золы 10,35г в 100г кокса.

CFe₂O₃ = *= 0,15г С

CSiO₂ = * 10,35 =2,25г

Всего на восстановление золы потребуется углерода С_золы = 0,15+2,25=2,40г

9. В 100г кокса углерода будет 77,6% из этого кол-ва 2,40г пойдет на восстановление золы кокса, а оставшаяся часть 77,6-2,4 = 75,2г пойдет на восстановление оксидов руды.

10. Рассчитаем количество кокса, в котором содержится 75,2г углерода.

X_k = * 100 =10,42г кокса.