2.2 Розрахунок шихти та матеріального балансу

Вихідні дані:

Хімічний склад силікомарганцю, мас, %: Mn – 70; Si – 24; C – 1; P – 0,25; Fe – 4,7.

Таблиця 2.4 – Хімічний склад шихтових матеріалів

Матеріали	Вміст, %
	Fe	Mn	P	Mn3O4	MnO	Fe2O3	FeO	CaO
Марганцевий агломерат	2,34	38,57	0,26	41,27	11,41	2,54	0,72	3,24
ШМП	0,26	36,35	0,02	-	46,92	-	0,34	6,32
Кварцит	0,126	-	-	-	-	0,18	-	0,42
Попіл коксику	5,35	-	0,13	-	-	7,65	-	7,66
Попіл електродної маси	3,25	-	-	-	-	4,65	-	5,18

Продовження таблиці 2.4 – Хімічний склад шихтових матеріалів

Матеріали	Вміст, %
	MgO	SiO2	Al2O3	P2O5	SO3	Інші	ППП	Волога
Марганцевий агломерат	1,58	31,4	2,32	0,59	0,31	3,84	0,78	1,1
ШМП	1,76	35,1	4,69	0,59	-	4,82	-	-
Кварцит	0,12	97,13	0,76	-	-	-	-	1,37
Попіл коксику	3,62	60,1	20,28	0,3	0,5	-	-	-
Попіл електродної маси	3,8	57,32	29,35	-	0,7	-	-	-

Склад коксику, %:

Попіл – 10,3; сірка – 1,45; летучі речовини – 0,8; С – 86,21; вологи (більш 100%) – 3,3.

Склад електродної маси, %:

Попіл – 12; летучі речовини – 3; С – 85.

Таблиця 2.5 – Розподіл елементів між продуктами плавки

Елемент	Переходить
	до металу	до шлаку	до вивітрення
Mn	80	18	2
P	90	5	5
Si	45	50	5
Fe	95	5	0
S	2	56	42

Розрахунок складу рудної частини шихти

Позначивши вагу металу – Qme і частку мало фосфористого шлаку в шихті – qмфш, складаємо систему балансових рівнянь по марганцю і фосфору.

Балансове рівняння по марганцю

(100 x 0,3857 + qмфш x 0,3635) x 0,8 = 0,7Qme, (2.1)

де 0,3857 і 0,3635 – частка марганцю в агломераті і малофосфористому шлаку;

0,8 – ступінь переходу марганцю до металу;

0,7 – частка марганцю у металі.

Балансове рівняння по фосфору

(100 х 0,0026 + qмфш х 0,0002) х 0,90 = 0,0025Qme, (2.2)

де 0,0026 і 0,0002 – частка фосфору у концентраті, агломераті і шлаку марганцевому переробному;

0,90 – ступінь переходу фосфору у метал

0,0025 – частка фосфору у металі.

Розрахунок необхідної ваги шлаку марганцевому переробному у силікомарганцевій шихті.

Розрахувавши систему рівнянь

30,86 + 0,2908 qмфш = 0,7 Qme,

0,234 + 0,0018 qмфш = 0,0025 Qme;

знаходимо необхідну кількість ШМП у шихті

qмфш = 0,1238 / 0,00086 = 143,95 кг

Склад рудної частини шихти:

Марганцевий агломерат 100,00 кг

ШМП 143,95 кг

Всього 243,95 кг

Попередня маса силікомарганцю:

Qme = (30,86 + 0,2908 х 143,95) / 0,7 = 103,9 кг

Розрахунок кількості відновлювача

Витрати вуглецю на відновлення окислів марганцю.

Приймаємо, що вищі окисли марганцю відновлюються за рахунок окису вуглецю колошникових газів до MnO за реакціями:

3MnO₂ + 2CO = Mn₃O₄ + 2CO₂,

3Mn2O₃ + CO = 2Mn₃O₄ + CO₂, (2.3)

Mn₃O₄ + CO = 3MnO + CO₂.

Всього шихтовими матеріалами вноситься MnO

(100 х 0,3857 + 143,95 х 0,3635) х 71/55 = 117,34 кг

Розрахунок кількості вуглецю на відновлення MnO за реакцією

MnO +C = Mn + CO,

q_c = 117,34 x 12/71 x (0,8 + 0,02) = 16,26 кг, (2.4)

де 0,02 – частка марганцю, яка втрачається з колошниковими газами.

Кількість марганцю, яка переходить до металу:

117,34 х 55/71 х 0,8 = 72,72 кг

Кількість марганцю, яка переходить до шлаку:

117,34 х 55/71 х 0,18 = 16,36 кг

Розрахунок кількості вуглецю на відновлення окислів кремнію.

Всього вноситься кремнезему шихтовими матеріалами:

100 х 0,314 + 143,95 х 0,351 = 81,93 кг, (2.5)

де 0,314 і 0,351 – частка кремнезему в агломераті і МФШ.

Розрахунок кількості кремнію в силікомарганці ( 22%Si)

103,9 х 0,24 = 24,94 кг

Розрахунок кількості кремнезему, необхідної для вилучення сплаву:

q_SiO2 = (24,94 x 60) / (0,45 x 28) = 118,7 кг, (2.6)

де 0,45 – частка переходу кремнію до сплаву.

Необхідно додатково внести кремнезему:

118,7 – 81,93 = 36,77 кг

або в перекладі на кварцит

36,77 / 0,9713 = 37,86 кг, (2.7)

де 0,9713 – частка кремнезему в кварциті.

Розрахунок кількості вуглецю на відновлення кремнезему за реакцією:

SiO₂ + 2C = Si + 2CO,

qc = 118,7 x 28/60 x (0,45 + 0,05) = 27,7 кг, (2.8)

де 0,05 – частка кремнезему, яка втрачається з колошниковими газами.

Переходить кремнезему до шлаку:

118,7 х 0,5 = 59,35 кг, (2.9)

де 0,5 – частка кремнезему, що переходить до шлаку.

Розрахунок кількості вуглецю на відновлення окислів заліза.

Всього вноситься FeO шихтовими матеріалами:

(100 х0,0072 + 143,95 х0,0034) + (100 х0,0254 + 37,86 х0,0018) х 144/160 = =3,56 кг, (2.10)

де 0,0072 і 0,0034 – частка FeO в агломераті і шлаку; 0,0254 і 0,0018 – частка Fe₂O₃ в агломераті і кварциті.

Розрахунок кількості вуглецю на відновлення FeO за реакцією

FeO + С = Fe + СО,

3,56 х 12/72 х 0,95 = 0,56 кг, (2.11)

де 0,95 – частка заліза, яка переходить у метал.

Кількість заліза, яка переходить в сплав:

3,56 х 56/72 х 0,95 = 2,63 кг

Переходить FeO у шлак:

3,56 х 0,05 = 0,18 кг, (2.12)

де 0,05 – частка FeO, яка переходить у шлак.

Згідно результатам роботи промислових електричних печей витрати арматури на 1 т силікомарганцю складає 1,7 кг, тоді на 103,9 кг силікомарганцю витратиться арматури:

1,7 х 0,1039 = 0,177 кг

Всього переходить заліза у силікомарганець:

2,63 + 0,177 = 2,807 кг

Розрахунок кількості вуглецю на відновлення окислів фосфору.

Всього вноситься P₂O₅ шихтовими матеріалами:

100 х 0,059 + 143,95 х 0,0005 = 0,66 кг

Розрахунок кількості вуглецю на відновлення P2O5 за реакцією

P₂O₅ + 5С = 2Р + 5СО,

0,66 х 62/142 х (0,9 + 0,05) = 0,27 кг, (2.13)

де 0,9 і 0,05 – частка фосфору, який переходить у метал і втрачено з колошниковими газами.

Кількість фосфору, що переходить у сплав:

0,66 х 62/142 х 0,9 = 0,259 кг.

Переходить P₂O₅ в шлак:

0,66 х 0,05 = 0,033 кг, (2.14)

де 0,05 – частка P₂O₅, що переходить у шлак.

Всього витрачається вуглецю на відновлення окислів шихтових матеріалів

16,26 + 27,7 + 0,56 + 0,27 = 44,79 кг.

Утворюється окисі вуглецю за реакцією

С + 1/2О₂ = СО,

(44,79 х 28) / 12 = 104,51 кг

або

(44,79 х 22,4) / 12 = 83,61 нм³.

Кількість вуглецю, яка окислена вологою шихти

Колошниковий газ при виплавці силікомарганцю складається з 85% СО та 2% Н₂.

Кількість колошникового газу

83,61 / 0,85 = 98,36 нм³

Кількість водню у колошниковому газі складає

98,36 х 0,02 = 1,97 нм³

Кількість вуглецю, необхідна для утворення водню за реакцією

Н₂О +С = Н₂ + СО,

1,97 х 12 / 22,4 = 1,055 кг

Кількість вологи, яка приймає участь в реакції:

1,97 / 22,4 х 18 = 1,58 кг

Розчиняється вуглецю в силікомарганці:

103,9 х 0,01 = 1,04, (2.15)

де 0,01 – частка вуглецю в силікомарганці.

Загальні витрати вуглецю:

∑q = 44,79 + 1,055 + 1,04 = 46,885 кг.

Розрахунок приходу вуглецю.

Кількість вуглецю, яка вноситься електродами.

За даними Нікопольського заводу феросплавів витрати електродної маси складає 16-20 кг на 1 т сплаву.

Приймаємо 16 кг, тоді на 103,9 кг сплаву витрати складуть

0,1039 х 16 = 1,66 кг.

Кількість вуглецю, яка вноситься електродною масою:

1,66 х 0,85 = 1,41 кг, (2.16)

де 0,85 – частка вуглецю в електродній масі.

Необхідна кількість вуглецю для виплавки сплаву

46,885 – 1,41 = 45,475 кг.

Витрати сухого коксику для виплавки сплаву

Qкокса = 45,475 / 0,8621 = 52,75 кг.

Кількість попелу.

Кількість попелу, який вноситься коксиком:

52,75 х 0,103 = 5,43 кг, (2.17)

де 0,103 – частка попелу в коксі.

Кількість попелу, яка вноситься електродною масою:

1,66 х 0,12 = 0,20 кг, (2.18)

де 0,12 – частка попелу в електродній масі.

Всього вноситься попелу коксиком та електродною масою:

5,43 + 0,20 = 5,63 кг.

Розрахунок кількості і складу силікомарганцю.

Розрахунок кількості і складу силікомарганцю наведено у таблиці 2.6.

Таблиця 2.6 – Кількість і склад силікомарганцю

Елемент	Поступило, кг			Всього
	З шихти	З попелу коксику	З попелу електродної маси	кг	%
Mn	72,72	-	-	72,72	70,88
Si	24,94	5,43*0,601*28/60 *0,45=0,685	0,2*0,5732*28/60* 0,45=0,024	25,649	25,0
Fe	2,63	5,43*0,0535*0,95 =0,276	0,2*0,0325*0,95= 0,006	2,912	2,84
P	0,259	5,43*0,0013*0,9= 0,006	-	0,265	0,26
C	1,04	-	-	1,04	1,01
S	0,003	5,43*0,005*32/80 *0,02=0,0002	0,2*0,007*32/80 *0,02=0,00001	0,00321	0,01
Всього	101,592	0,9672	0,03001	102,589	100

Розрахунок кількості і складу шлаку силікомарганцю, який утворюється.

Розрахунок кількості і складу шлаку силікомарганцю, який утворюється наведено в таблиці 2.7.

Таблиця 2.7 – Кількість і складу шлаку силікомарганцю

Окисел	Поступило, кг			Всього
	З шихти	З попелу коксику	З попелу електродної маси	кг	%
MnO	16,36	-	-	16,36	14,11
SiO2	59,35	5,43*0,601*0,5= =1,63	0,2*0,5732*0,5 =0,06	61,04	52,66
FeO	0,18	5,43*0,0765*0,05= =0,0208	0,2*0,0465*0,05 =0,0005	0,2013	0,174
P2O5	0,033	5,43*0,003*0,05= =0,0008	-	0,0338	0,029
Al2O3	9,07	5,43*0,2028=1,1	0,2*0,2935= =0,059	10,229	8,82
CaO	12,34	5,43*0,0766=0,416	0,2*0,0518= =0,0104	12,7664	11,013
MgO	4,11	5,43*0,0362=0,20	0,2*0,038= =0,0076	4,3176	3,72
S	0,174	5,43*0,005*0,56= =0,015	0,2*0,007*0,56= =0,001	0,19	0,174
Інші	10,78	-	-	10,78	9,3
Всього	112,397	3,3826	0,1385	115,9181	100

Розподіл сірки між продуктами плавки.

Агломератом вноситься сірки

100 х 0,0031 х 32/80 = 0,124 кг

Коксиком вноситься сірки

52,75 х 0,0145 = 0,765 кг, (2.18)

де 0,0145 – частка сірки у коксику.

Попелом вноситься сірки

5,43 х 0,002 = 0,011 кг, (2.19)

де 0,002 – частка сірки в попелі коксику.

Попелом електродної маси

0,2 х 0,0028 = 0,0006 кг, (2.20)

де 0,0028 – частка сірки у попелі електродної маси.

Всього вноситься сірки:

0,124 + 0,765 + 0,011 + 0,0006 = 0,9006 кг.

Втрати елементів з колошниковим пилом і пічними газами.

З колошниковим пилом

Mn – 117,34 х 55/71 х 0,02 = 1,82 кг

Si – 118,7 х 28/60 х 0,05 = 2,77 кг

P – 0,66 х 62/142 х 0,05 = 0,014 кг

Всього 4,604 кг

З електропічними газами

S у вигляді SO₃ 0,9006 х 0,42 х 80/32 = 0,946 кг

Летучі коксу 52,75 х 0,008 = 0,422 кг

Летучі електродної маси 1,66 х 0,03 = 0,05 кг

Всього 1,418 кг

Втрати у вигляді СО₂

ППП агломерату 100 х 0,0078 = 0,78 кг

Випарюється вологи

(100/0,989 – 100) + (52,75/0,967 – 52,75) + (37,86/0,9863 – 37,86) =

= 3,438 кг

Кількість і склад газової фази.

Кількість окисі вуглецю, яка утворюється при відновленні окислів шихти

(44,79 + 1,055) х 60/28 = 98,24 кг

Кількість окисі вуглецю, яка витрачається на відновлення вищих окислів марганцю і заліза.

Витрати СО на відновлення Mn₃O₄ до MnO

Mn₃O₄ + СО = 3 MnO + СО₂

100 х 0,4127 х 28/229 = 5,05 кг

Кількість СО₂,яка утворюється при відновленні Mn₃O₄ до MnO

5,05 х 44/28 = 7,94 кг

Витрати СО на відновлення Fe2O3 до FeO

Fe2O3 + СО = 2 FeO + СО2

100 х 0,0254 х 28/160 = 0,445 кг.

Кількість СО₂, яка утворюється при відновленні Fe₂O₃ до FeO

0,445 х 44/28 = 0,699 кг

Залишок СО у газовій фазі:

98,24 – (5,05 + 0,445) = 92,745 кг

Кількість СО₂ в газовій фазі:

7,94 + 0,699 = 8,639 кг

Склад газової фази:

СО – 92,745 х 22,4 / 28 = 74,196 нм³,

СО₂ – 8,639 х 22,4 / 44 = 4,398 нм³,

SO₃ – 0,946 х 22,4 / 80 = 0,265 нм³.

Склад і кількість колошникового газу наведено у таблиці 2.8.

Таблиця 2.8 – Склад і кількість колошникового газу

Складові	Вага, кг	Вага, %	Об’єм, нм³	Об’єм, %
СО	92,745	88,85	74,196	91,37
СО2	8,639	8,27	4,398	5,416
SO3	0,946	0,91	0,265	0,326
Н2	1,58	1,51	1,97	2,426
Летучі	0,472	0,46	0,378	0,462
Всього	104,382	100,0	81,207	100,0

Баланс марганцю, кремнію, заліза, фосфору і вуглецю наведено у наступних таблицях

Таблиця 2.9– Баланс по марганцю

Прибуток			Витрати
Прибуло	кг	%	Отримали	кг	%
Марганцевий агломерат	38,57	42,44	Метал	72,72	80,01
ШМП	52,32	57,56	Шлак	16,36	70,33
			Вивітрення	1,81	1,99
Всього	90,89	100	Всього	90,89	100

Таблиця 2.10– Баланс по кремнію

Прибуток			Витрати
Прибуло	кг	%	Отримали	кг	%
Марганцевий агломерат	14,65	16,88	Метал	25,0	28,8
ШМП	32,0	36,87	Шлак	61,04	70,33
Кварцит	36,77	42,36	Вивіртення	0,755	0,87
Попіл коксику	3,26	3,75
Попіл електродної маси	0,115	0,14
Всього	86,795	100	Всього	86,795	100

Таблиця 2.11 – Баланс по залізу

Прибуток			Витрати
Прибуло	кг	%	Отримали	кг	%
Марганцевий агломерат	2,34	72,29	Метал	2,84	87,73
ШМП	0,374	11,55
Кварцит	0,05	1,54	Шлак	0,327	12,27
Електродна арматура	0,177	5,47
Попіл коксику	0,29	8,96
Попіл електродів	0,006	0,19
Всього	3,237	100	Всього	3,237	100

Таблиця 2.12 – Баланс по фосфору

Прибуток			Витрати
Прибуло	кг	%	Отримали	кг	%
Марганцевий агломерат	0,26	87,84	Метал	0,265	89,53
МФШ	0,029	9,8	Шлак	0,018	6,08
Попіл коксику	0,007	2,36	Вивітрення	0,013	4,39
Всього	0,296	100	Всього	0,296	100

Таблиця 2.13 – Баланс по вуглецю

Прибуток			Витрати
Прибуло	кг	%	Отримали	кг	%
Коксик	45,475	96,99	На навуглецювання	1,04	2,22
Електродна маса	1,41	3,01	Окислення до СО	44,79	95,53
			На відновлення водню	1,055	2,25
Всього	46,885	100	Всього	46,885	100

Зведений баланс наведено у таблиці 2.14.

Таблиця 2.14 – Зведений баланс

Задано	кг	%	Отримали	кг	%
1	2	3	4	5	6
Марганцевий агломерат	100	30,14	Метал	102,589	30,92
ШМП	143,95	43,39	Шлак	115,918	34,94
Кварцит	37,86	11,41	Колошниковий газ	104,382	31,46
Коксик	45,475	13,71	Вивітрення елементів	4,604	1,39

Продовження таблиці 2.14

1	2	3	4	5	6
Електродна маса	1,66	0,5	Пари води	3,438	1,034
Електродна арматура	0,177	0,05
Волога шихти	2,658	0,8	Нев’язка	0,849	0,256
Всього	331,78	100	Всього	331,78	100

За допомогою матеріального балансу визначаємо натуральну тонну силікомарганцю (таблиця 2.15)

Таблиця 2.15 – Витрати сухих шихтових матеріалів на одну натуральну тонну силікомарганцю

Матеріал	Витрати на 1 т, кг
Марганцевий агломерат	975
ШМП	1403,5
Кварцит	369,1
Коксик	443,4

Розрахунок кількості продуктів плавки на одну натуральну тонну силікомарганцю

Металу – 102,589 х 9,75 = 1000 кг,

Шлаку – 115,918 х 9,75 = 1130,2 кг,

Колошникового газу – 104,382 х 9,75 = 1017,7 кг,

Вивітрення елементів – 4,604 х 9,75 = 44,89 кг,

Пари води – 3,438 х 9,75 = 33,52 кг,

де 9,75 – коефіцієнт перерахунку на одну натуральну тонну силікомарганцю.