занятий для студентов, обучающихся по направлению 150400 – «Металлургия»
Одобрено редакционно-издательским советом СТИ НИТУ МИСиС
Старый Оскол
2014
УДК 669.041
ББК 34.32 Х211
Рецензент: доцент, к.т.н. Королькова Л.Н.
Составители: доцент, к.т.н. Сазонов А.В., доцент, к.т.н. Малахова О.И.
Основы металлургического производства. Учебно-методическое пособие к практическим занятиям. СТИ НИТУ МИСиС, Старый Оскол, 2014 г. 50 с.
В данном учебно-методическом пособии представлены краткие теоретические сведения о технологических процессах поэтапного получения стали из железной руды, содержаться основные расчетные формулы и варианты заданий, необходимые при выполнении практических занятий. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 150400 - Металлургия.
© СТИ НИТУ «МИСиС»
© Сазонов А.В., Малахова О.И.
СОДЕРЖАНИЕ
| стр. | |
| АННОТАЦИЯ | 6 |
| 1. Методические рекомендации по выполнению расчета процесса обогащения железной руды | 8 |
| 2. Методические рекомендации по выполнению расчета расхода железорудного концентрата и известняка в агломерационной шихте | 12 |
| 3. Методические рекомендации по определению химического состава готового агломерата | 16 |
| 4. Методические рекомендации по выполнению расчета расхода агломерата на выплавку 1 т чугуна в доменной печи | 18 |
| 4.1. Определение состава передельного чугуна | 20 |
| 4.2. Расчет массы и состава шлака, образующегося в доменной печи при выплавке чугуна | 24 |
| 5. Методические указания по определению изменения химического состава металла в процессе окислительного рафинирования в кислородном конвертере | 26 |
| 5.1. Расчет материального баланса конвертерной плавки | 29 |
| 5.1.1. Определение расхода извести | 30 |
| 5.1.2. Определение состава и количества конвертерного шлака | 31 |
| 5.1.3. Расчет выхода полупродукта | 33 |
| 5.1.4. Определение расхода кислорода | 34 |
| 5.1.5. Определение количества и состава отходящих газов | 36 |
| 5.2. Составление материального баланса | 38 |
| 5.3. Расчет расхода раскислителей и легирующих | 38 |
| 5.4. Оценка расхода основных исходных материалов для выплавки 1 т жидкой стали и выхода попутных продуктов | 40 |
| ПРИЛОЖЕНИЯ | 43 |
| РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА | 49 |
АННОТАЦИЯ
В учебном пособии представлен алгоритм решения широкого круга практических задач, возникающих на различных этапах металлургического передела. Поэтапное выполнение предлагаемых заданий дает возможность студенту проследить превращение сырой железной руды, добытой из недр земли, в железорудный концентрат, а затем – в агломерат, определить основные технико-экономические и экологические показатели производства чугуна в доменной печи и стали в кислородном конвертере.
Целью настоящего пособия является формирование у студентов комплексного подхода к изучению технологических процессов черной металлургии, закрепление знаний и навыков, полученных на лекциях и в ходе самостоятельной подготовки.
Компетентности студентов, обучающихся по направлению 150400 – «Металлургия», формируемые в результате освоения дисциплины «Основы металлургического производства».
| № п/п | ООП |
Содержание компетентности ООП | |
| Код направления | Код компетенции | ||
| 1 | 150400 | ОК-12 | владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, навыками работы с компьютером как средством управления информацией, способности работать с информацией в глобальных компьютерных сетях |
| 2 | 150400 | ПК-5 | уметь применять в практической деятельности принципы рационального использования природных ресурсов и защиты окружающей среды |
| 3 | 150400 | ПК-10 | уметь осуществлять и корректировать технологические процессы в металлургии и материалообработке |
| 4 | 150400 | ПК-11 | уметь выявлять объекты для улучшения в технике и технологии |
| 5 | 150400 | ПК-12 | уметь осуществлять выбор материалов для изделий различного назначения с учетом эксплуатационных требований и охраны окружающей среды |
| 6 | 150400 | ПК-20 | уметь использовать физико-математический аппарат для решения задач, возникающих в ходе профессиональной деятельности |
| 7 | 150400 | ПК-21 | уметь использовать основные понятия и модели термодинамики, химической кинетики, переноса массы и тепла |
| 8 | 150400 | ПК-25 | уметь обосновывать выбор оборудования для осуществления технологических процессов |
1. Методические рекомендации по выполнению расчета процесса обогащения
Железной руды
Обогащение железной руды – операция, позволяющая увеличить содержание железа в рудном материале. Продуктами обогащения являются: концентрат и хвосты.
Показателями процесса обогащения являются:- - содержание железа в исходной руде, % масс. - 
;
- содержание железа в концентрате, % масс. - 
;
- содержание железа в хвостах, % масс. - 
;
- выход концентрата, доли ед. - 
;
- выход хвостов, доли ед. - 
;
- степень извлечения железа в концентрат, доли ед.:
(1.1)
- степень извлечения железа в хвосты, доли ед. :
(1.2)
- коэффициент обогащения, показывающий во сколько раз содержание железа в концентрате больше, чем в исходной руде, доли ед. :
(1.3)
- коэффициент сокращения, показывающий во сколько раз масса концентрата меньше массы исходной руды, доли ед.:
, (1.4)
- коэффициент глубины обогащения, показывающий во сколько раз содержание железа в концентрате меньше, чем в рудном минерале, доли ед.:
. (1.5)
На практическом занятии следует провести расчет показателей процесса обогащения. При этом следует учесть, что содержание железа в концентрате и хвостах задано (см. приложение 1). Исходя из данных приложения 1, для соответствующего варианта, студенту необходимо заполнить таблицу 1.
Таблица 1. Состав железной руды
|
Состав железной руды, % (пересчет на сухую массу) | Содержание Fe в концентрате и хвостах, % | ||||||||||
| FeO | Fe2O3 | MnO | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | SO3 | P2O5 | ППП* | (Fe)конц. | (Fe)хв. |
Выход концентрата и хвостов можно определить как:
(1.6)
(1.7)
Различие в химическом составе и физических свойствах рудного минерала и пустой породы, характерное для всех типов железных руд предопределило многообразие способов их обогащения: обжиг, промывка, магнитная сепарация (сухая и мокрая), флотация и т.д. Строго говоря, состав продуктов обогащения (концентрата и хвостов) зависит от множества факторов, среди которых химический состав исходной руды, тип рудного минерала и характер пустой породы, способ обогащения и т.д., что затрудняет определение химического состава железорудного концентрата. Обогащение руды проводят преимущественно по отношению к железу, содержащемуся в рудном минерале. Другие химические элементы характеризуются той или иной степенью равномерности распределения между рудным минералом и пустой породой. Для марганца, серы и фосфора путем статистической обработки литературных данных установлено, что средние значения соотношения содержаний указанных элементов в концентрате и руде составляет:
; (1.8)
; (1.9)
(1.10)
Для остальных рудных составляющих для простоты расчета примем, что соотношение компонентов в руде и концентрате одинаково (постоянно). Тогда состав концентрата можно рассчитать следующим образом.
Содержание железа в исходной руде равно:
, (1.11)
где 
и 
- содержание железа в руде соответственно в виде 
и 
.
Аналогично содержание железа в концентрате определяется как
, (1.12)
где 
и 
- содержание железа в концентрате соответственно в виде и 
.
В свою очередь, массу железа, присутствующего в концентрате в виде FeO и Fe2O3, можно определить, используя величину степени извлечения железа из руды в концентрат:
(1.13)
(1.14)
Тогда содержание оксидов железа в концентрате будет численно равно
(1.15)
(1.16)
Проверка: 
, результат должен совпадать с заданным содержанием железа в концентрате.
Долю пустой породы в руде без оксидов марганца, фосфора серы можно рассчитать как:
(1.17)
Аналогичная величина для концентрата составит:
(1.18)
Тогда содержание, например, CaO в концентрате можно рассчитать следующим образом:
. (1.19)
Содержание остальных компонентов концентрата (кроме оксидов железа) определяется аналогично. Результаты расчета заносятся в таблицу 2.
Таблица 2.
Химический состав железорудного концентрата
| Содержание компонентов железорудного концентрата, % масс. | |||||||||
| FeO | Fe2O3 | MnO | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | SO3 | P2O5 | ППП |
2. Методические рекомендации по выполнению расчета расхода железорудного концентрата и известняка в агломерационной шихте
Агломерация железорудных материалов проводится с целью окускования пылеватых (состоящих преимущественно из частиц, относящихся к мелкодисперсной фракции) железных руд и тонких концентратов. Это позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели работы доменных печей, увеличить их производительность. На практике агломерационная шихта (аглошихта) состоит из нескольких компонентов: железосодержащих материалов – различные руды, концентраты, окалина, шлаки, шламы, пыли металлургического производства и т.п.; топлива – коксик (мелкий кокс), низкосортные угли, антрацитовый штыб и т.п.; различные добавки – известь, известняк, марганцевые руды и концентраты. Расчет аглошихты ведут с целью определения такого соотношения между ее компонентами, которое обеспечит получение агломерата заданного качества.
В настоящей работе компонентами аглошихты являются железорудный концентрат, коксовая мелочь и известняк, используемый для повышения основности агломерата.
Химический состав концентрата для соответствующего варианта следует брать из таблицы 2. Каждый студент считает свой состав концентрата, исходя из данных приложения 1.
Химические составы коксика и известняка для каждого варианта задания приведены в приложениях 2 и 3 и должен быть представлен в виде таблиц 3 и 4.
Таблица 3.
Состав известняка и характеристики агломерата.
| Состав известняка, %(на сухую массу) | Характеристика агломерата | |||||||||
| Fe2O3 | MnO | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | SO3 | P2O5 | CO2 | FeO, % | В |
Таблица 4.
Состав кокса и его расход на агломерацию.
| Состав кокса, % (на сухую массу) | Расход коксика, кг/т | ||||||||||
| Fe2O3 | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | Sорг | FeS | SO3 | P2O5 | Снелет. | Vлет. | |
Факторами, определяющими качество агломерата, заданы его основность и окисленность (содержание FeO в агломерате). В задании определен также расход коксика на спекание, взятый в диапазоне 40 – 66 кг/т, что соответствует средним фактическим значениям этого показателя, характерным для работы отечественных аглофабрик. В этом случае расчет сводится к решению системы двух уравнений с двумя неизвестными (уравнения основности агломерата и уравнения материального баланса спекания).
Примем следующие обозначения: X, Y, Z – расходы соответственно концентрата, известняка и коксика при агломерации, кг/100 кг агломерата. Запишем уравнение основности агломерата:
(2.1)
где индексы «конц.», «и», «к» означают, что данные компоненты принадлежат соответственно концентрату, известняку и коксику.
Следует обратить внимание на то, что в приложении 3 и в таблице 4 расход коксика на агломерацию (Z), выражается в кг/т. В расчете по формуле (2.1) расход коксика следует выражать в кг/100 кг агломерата.
При составлении уравнения материального баланса спекания окисленного агломерата сначала подсчитывают потери массы каждого компонента аглошихты без учета процессов диссоциации и восстановления оксидов. Учитываются: выгорание из шихты углерода (Снелет.), удаление летучих коксовой мелочи (Vлет.), гидратной влаги и углекислоты (СО2), которые для руды (концентрата) объединены параметром «ППП – потери при прокаливании». При этом также удаляется 90 – 98 % органической и сульфидной серы ( 
, доли ед.) и 50 – 70 % сульфатной серы ( 
, доли ед.).
Расчет ведется на 100 кг агломерата. Таким образом, потерю массы каждого компонента (d) можно вычислить из общего уравнения:
. (2.2)
Здесь 
- масса кислорода, присоединившегося к массе аглошихты в результате реакции полного окисления сульфидов железа (сера окисляется до 
в соответствии со стехиометрической реакцией):
2 FeS + 3 O2 = 2 FeO + 2 SO2.
Потеря массы концентрата при спекании, кг/100 кг:
(2.3)
Потеря массы известняка при спекании, кг/100 кг:
(2.4)
Потеря массы коксика при спекании, кг/100 кг:
(2.5)
С учетом сказанного, выведем общее уравнение материального баланса процесса спекания. Пусть 
- соответственно потери массы концентрата, известняка и коксика при спекании, кг/100 кг соответствующего компонента шихты. Тогда ( 
), ( 
), ( 
) – соответственно массы концентрата, известняка и коксовой мелочи, переходящие в агломерат, кг/100 кг компонента шихты. Далее, 
- соответственно массы концентрата, известняка и коксовой мелочи, переходящие при спекании в агломерат, в расчете на 100 кг агломерата.
Потери кислорода, связанные с диссоциацией и восстановлением оксидов железа при спекании компонентов шихты ( 
, кг/100 кг агломерата), определим исходя из заданной окисленности агломерата с учетом массы FeO, содержащегося в компонентах аглошихты:
, (2.6)
С учетом сказанного уравнение материального баланса спекания в расчете на 100 кг агломерата приобретает вид:
.(2.7)
Из решения системы двух уравнений (основности и материального баланса спекания) с двумя неизвестными определяем расходы железорудного концентрата (Х, кг/100 агломерата) и известняка (Y, кг/100 агломерата) для производства 100 кг агломерата.
3. Методические рекомендации по определению химического состава готового агломерата
Готовый агломерат состоит из всех компонентов, которые перешли в него в процессе спекания из аглошихты. Определение химического состава агломерата при известных расходах концентрата, известняка и коксовой мелочи сводится к расчету для каждой составляющей (кг/100 кг агл. или % масс.) по следующему уравнению:
(3.1)
где 
, 
, 
, 
- содержание i-го компонента соответственно в агломерате, концентрате, известняке и коксике, %; - доля компонента (доли ед.), теряемая при агломерации, которая рассчитывается для каждого компонента аглошихты по выражениям:
- для концентрата
(3.2)
- для известняка
(3.3)
- для коксика
(3.4)
Здесь dX, dY, dZ – потеря массы компонента аглошихты (см. ранее формулы 2.3 – 2.5).
В качестве примера приведем расчетные формулы для определения компонентов готового агломерата для FeO, Fe2O3 и MnO:
(3.5)
(3.6)
(3.7)
Для остальных компонентов готового агломерата (SiO2, Al2O3, CaO, MgO, SO3, P2O5) содержание определяется аналогичным образом.
Однако, данный состав не отражает изменения соотношения содержания оксидов железа. Содержание 
задано (см. данные приложения 2 и таблицы 3). Оно превышает результат расчета (FeO*) на величину FeO, образовавшегося при частичной диссоциации и восстановлении Fe2O3. При этом имели место потери кислорода, рассчитанные ранее (Oдисс.,восст.) по формуле 2.6. По данной величине определим количество Fe2O3, на которое следует уменьшить его содержание, полученное по расчету (Fe2O3*):
(3.8)
. (3.9)
Результаты расчета химического состава готового агломерата следует представить в виде таблицы 5.
Таблица 5.
Химический состав готового агломерата
| Содержание компонентов готового агломерата, % масс. | ||||||||
| FeO | Fe2O3 | MnO | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | SO3 | P2O5 |
4 . Методические рекомендации по выполнению расчета расхода агломерата на выплавку
1 т чугуна в доменной печи
Для выплавки чугуна в доменной печи используются шихтовые материалы, которые, так же как и в случае с аглошихтой выполняют различные функции, обеспечивающие нормальный ход процесса, экстракцию железа и формирование чугуна и шлака заданного состава. Для упрощения расчетов в настоящей работе ограничимся двумя компонентами шихты доменной плавки: агломератом – основным источником железа и коксом, который в доменной печи является топливом – источником тепла, необходимого для нагрева шихты и протекания эндотермических процессов восстановления оксидов.
Состав агломерата берется из таблицы 5. Состав кокса соответствует составу коксовой мелочи, используемой в аглошихте (приложение 3 и таблица 4). Расход кокса в шихте доменной печи и температура чугуна определены заданием (приложение 4). Эти данные следует внести в таблицу 6.
Таблица 6. Расход кокса в шихте
доменной печи и температура чугуна
| Исходные данные к расчету производства чугуна | |
| Расход кокса, кг/т чугуна | Температура чугуна, oС |
Массу железа, содержащегося в шихте доменной печи, определим по уравнению:
(4.1)
где 
- масса железа в агломерате и коксе, кг/100 кг чугуна; 
- содержание железа в агломерате и коксе, %; 
- расходы агломерата и кокса в шихте доменной печи, кг/100 кг чугуна.
Из 100 кг агломерата в чугун перейдет железо массой:
(4.2)
где 
- степень восстановления железа в доменной печи (принимается в диапазоне 0,992 – 0,999).
Согласно заданию, на производство 100 кг чугуна расходуется 
кокса. При этом из кокса, содержащегося в шихте доменной печи, в чугун перейдет следующая масса железа (из Fe2O3 и FeS):
(4.3)
Зададим ориентировочный состав передельного чугуна, например: [C]=4.5 %; [Si]=0.5 %; [Mn]=0.3 %; [P]=0.1 %; [S]=0.04 %. Тогда масса железа в 100 кг чугуна будет численно равна:
.(4.4)
Тогда масса железа, перешедшего в чугун из агломерата, составит:
. (4.5)
Расход агломерата на производство 100 кг чугуна определим, решив следующую задачу: из 100 кг агломерата в чугун переходит 
железа, сколько агломерата потребуется для формирования 100 кг чугуна?
, [кг/100 кг чугуна]. (4.6)
Полученный результат следует пересчитать на 1 т чугуна.
Расчет по формулам 4.4 – 4.6 следует повторить после определения уточненного состава передельного чугуна.
Дата: 2019-12-22, просмотров: 281.
