1.5 Упрощенный расчет шихты для плавки 75%-ного ферросилиция
Расчет ведем на 100 кг кварцита с 97 % SiO2.
Задано в печь кремния с кварцитом
кг
Восстанавливается кремния
45,3 · 0,98 = 44,4 кг
Необходимо углерода для восстановления кремния
кг
Необходимо сухого коксика
кг
Получается сплава (при использовании кремния 0,9 и содержании кремния в сплаве 76 %)
кг
в нем железа (при содержании железа в сплаве 22 %)
53,6 · 0,22 = 11,8 кг
Вносится железо кожухом электродов 0,2 кг на 100 кг кварцита и прутьями для прокалывания 1,2 кг.
Необходимо внести железной стружки
кг
Расход шихтовых материалов на тонну сплава, кг:
Кварцита………………………100 : 53,6 · 1000 = 1866
Кокса сухого…………………..44,8 : 53,6 · 1000 = 836
Железной стружки……………11,6 : 53,6 · 1000 = 216
1.6 Тепловой баланс
Приход тепла. Теплота окисления углерода до СО по реакции
С
+
О2
= СО составляет 2222 ккал/кг углерода.
При окислении углерода коксика и электродов выделяется тепла
Q1 = (47,91 · 0,85 + 1,7 · 0,85) · 2222 = 93717 ккал
Тепло от экзотермических реакций. Образование силицида железа происходит по реакции
Fe + Si = FeSi; ∆ H = - 19100 кал
При этом на 1 кг железа выделяется тепла
19100 : 56 = 341 ккал
В 75 %-ном ферросилиции все железо связано в силицид железа. Теплота образования силицида железа (12,77 кг железа) составит
12,77 · 341 = 4355 ккал
Образование силикатов Al2O3 и CaO (остальными пренебрегаем) происходит по следующим реакциям:
Al2O3 + SiO2 = Al2SiO5; ∆ H = - 45950 кал
на 1 кг Al2O3 выделяется 450 ккал;
q1 = 0,945 · 450 = 425 кал
CaO + SiO2 = CaSiO3; ∆ Н = - 21750 кал
на 1 кг CaO выделяется тепла 388 ккал.
При 0,332 кг СаО выделится
q2 = 0,322 · 388 = 129 ккал
Всего в результате экзотермических реакций выделяется тепла
Q2 = 4355 + 425 + 129 = 4909 ккал
Тепло, вносимое шихтовыми материалами при 25 ºС, ккал:
Кварцит……………………….100 · 0,168 · 25 = 420
Коксик…………....................... 47,91 · 0,20 · 25 = 239
Железная руда…...................... 11,7 · 0,11 · 25 = 32
Итого………………691
Всего приход тепла:
93717 + 4909 + 691 = 99317 ккал
Расход тепла. Расход тепла на эндотермические реакции. Окислы диссоциируют следующим образом:
1) SiO2 → Si + O2; ∆ Н = 206000 кал
или 3433 ккал на 1 кг SiO2.
Диссоциировало кремнезема (для упрощения расчетов сюда включено и SiO2, диссоциировавшее SiO):
88,27 + 6,79 + (4,432 + 0,341) · 0,077 + 0,006 = 97,430 кг
для чего потребовалось тепла
97,430 · 3433 = 334477 ккал
2)
Al2O3
→ Al
+
O2
; ∆ Н = 393300
ккал
или 3856 ккал на 1 кг Al2O3.
Диссоциировало глинозема
0,35 + 1,200 · 0,4791 + 0,020 = 0,95 кг
требуется тепла на диссоциацию
0,95 · 3856 = 3663 ккал
3) CaO→ Ca + O2; ∆ Н = 151700 кал, или 2709 ккал на 1 кг СаО
Диссоциировало окиси кальция
0,12 + 0,20 · 0,4791 + 0,005 = 0,220 кг
для чего потребовалось тепла
0,220 · 2709 = 596 ккал
4) Fe2O3→2Fe + O2; ∆ Н=195200 кал, или 1220 ккал на 1 кг Fe2O3
Диссоциировало окиси железа
0,30 + 1,98 · 0,4791 + 0,024 = 1,27 кг
потребовалось тепла на диссоциацию
1,27 · 1220 = 1549 ккал
5)
P2O5
→ 2P+
O2;
∆ Н = 360000 кал, или 2535 ккал на 1 кг P2O5
Диссоциировало пятиокиси фосфора
0,030 · 0,4791 = 0,014 кг
потребовалось тепла на диссоциацию
0,014 · 2535 = 35 ккал
Суммарное количество тепла на диссоциацию окислов:
Q1 = 334477 + 3663 + 596 + 1549 + 35 = 340320 ккал
Теплосодержание ферросилиция при 1800 ºС:
qSi = 124,5 + 0,232 · 1800 = 542,1 ккал/кг;
qFe = 22,26 + 0,1942 · 1800 = 371,8 ккал/кг;
qFeSi
=
ккал/кг.
Q2 = 55,704 · 497 = 27685 ккал
Теплосодержание шлака при 1800 ºС:
q = 0,286 · t = 0,286 · 1800 = 514,8 ккал/кг
Q3 = 514,8 · 3,431 = 1766 ккал
Теплосодержание газообразных продуктов. Допустим, что газы покидают печь при средней температуре 600 ºС. Для упрощения расчета принимаем теплоемкости всех газообразных продуктов равными теплоемкости окиси углерода – основной составляющей газообразной фазы: теплосодержание 1 м3 СО при 600 ºС равно 194,5 ккал.
Q4
=
ккал
Потери тепла кладкой печи. Общая поверхность трехфазной печи мощностью около 8000 кВт составляет 100 м2. Температуру кожуха можно принять равной в среднем 130 ºС. Удельный тепловой поток при температуре окружающего воздуха 25 ºС равен ~ 1600
ккал * час/м2. Печь теряет тепла в час
1600 · 100 = 160000 ккал
Производительность печи в час равна приблизительно 0,8 т, 75%-ного ферросилиция или 0,8 · 1795 = 1436 кг кварцита.
В пересчете на 100 кг кварцита тепловые потери будут равны:
Q5
=
ккал
Тепловые потери колошника. По экспериментальным данным тепловые потери через колошник при плавке 45 %-ного ферросилиция составляют 3 % от общих потерь (без учета химической энергии отходящих газов). Примем для 75 %-ного ферросилиция эту величину (Q6) равной 10 %.
Общий расход тепла будет равен
Q1 – 5 = 340320 + 27685 + 1766 + 18810 + 11211 = 399792 ккал
С учетом потерь тепла через колошник печи суммарный расход тепла
Q1
– 6 =
ккал
Определение расхода электроэнергии. Разность между статьями расхода и прихода тепла равна 444210 – 99317 = 344893 ккал или
344893 : 860 = 401 кВт – ч
Недостающее количество тепла покрывается подводимой электроэнергией. Учитывая, что электрический к.п.д. современных трехфазных печей составляет приблизительно 87 %, можно определить расход электроэнергии на 100 кг кварцита:
401 : 0,87 = 460,9 кВт·ч
Расход на 1 т сплава (76 % Si)
кВт·ч
Тепловой баланс плавки 75%-ного ферросилиция приведен в таблице 10.
Таблица 10 – Тепловой баланс плавки
Приход |
Расход |
||||
Статья |
ккал |
% |
Статья |
ккал |
% |
Электроэнергия |
396374* |
79,97 |
Диссоциация окислов |
340320 |
68,65 |
Окисление углерода до СО |
93717 |
18,90 |
Тепло металла |
27685 |
5,59 |
Образование силицидов железа и силикатов |
4909 |
0,99 |
Тепло шлака |
1766 |
0,36 |
Внесено шихто-выми материалами |
691 |
0,14 |
Тепло газов |
18810 |
3,79 |
|
|
|
Потери тепла кладкой |
11211 |
2,26 |
|
|
|
Потери тепла через колошник |
44418 |
8,96 |
|
|
|
Электрические потери и невязка |
51481 |
10,39 |
Всего |
495691 |
100,0 |
Всего |
495691 |
100,0 |
460,9 · 860 = 396374 ккал.