Окисление сульфида железа до содержания по массе до 25% Fe.

Оглавление

Рациональный состав штейна и шлака.

Рациональный состав штейна (табл. 1) рассчитывается исходя из заданного элементного состава. Предполагается, что все железо в штейне находится в форме FeS, кобальт связан в CoS, а остальная часть серы в Ni3S2. Остальной никель находится в металлической форме.

Рациональные составы горячих и холодных штейнов (табл. 2 и 3) рассчитывались исходя из следующих положений.

Весь кобальт связан в CoS, и отношение количества никеля, связанного в Ni3S2, к количеству никеля в металлической форме предполагается таким же, как и для штейна. На основании этого определяли количество Ni3S2 и нимета. Сера, оставшаяся от CoS и Ni3S2, связана с железом в FeS, остальное железо находится в металлической форме в виде ферроникеля.

По практическим данным приняты следующие показатели для шлаков.

Содержание никеля 0,9%, и весь он в виде Ni3S2 в матовых шариках. FeS также переносится в шлак в виде шариков штейна. Содержание FeS в шлаках определяют по соотношению Ni3S2:FeS, которое для шлаков принимается таким же, как и для всего состава штейновой смеси.

Содержание SiO2 в конвертерных шлаках по практическим данным принимается равным 28%.

Возьмем сумму FeO+ SiO2+ Fe3O4=93%. Тогда FeO в шлаке будет 93-28-10=55%.

Предположим также, что в фаялите 2FeO*SiO2 вся закись железа связана с кремнеземом. Избыток кремнезема, остающийся от фаялита, условно считается свободным.

Поведение кобальта и режим конверсии.

Для возможного полного концентрирования кобальта в шлаках последних выпусков сначала проводят продувку до тощей массы, содержащей не менее 20-30% Fe. Исходя из этого, принято условное разделение процесса на два периода: период затвердевания с получением массы, содержащей 25 % Fe, и период уваривания штейна с полным удалением железа.

В соответствии с практическими данными примем следующее распределение кобальта по продуктам конверсии, %: до штейна15; в шлаках установленного периода 50; в шлаки штейнового периода варки 34; в пыль 1.0.

Основные реакции процесса.

Без кремниевой кислоты

3Fe + 2O2= Fe3O4

В присутствии кремниевой кислоты

2Fe + O2 + SiO2 = 2FeO* SiO2

Для упрощения расчета можно принять, что вся сера сульфида железа никелевого штейна окислится только до SO2. В этом случае процессы окисления FeS можно представить реакциями:

Без кремниевой кислоты

3 FeS+ 5O2 = Fe3O4 + SO2

В присутствии кремниевой кислоты

2 FeS + 3O2 + SiO2 = 2FeO* SiO2 + 2SO2

Расчет технологического процесса периода набора.

Из данных табл. 4 следует, что кислородом дутья необходимо окислить 52,7 кг ферроникелевого железа. В конвертерных шлаках (см. таблицу 5) окисленное железо составляет 50,04%.

Считая, что все металлическое железо штейна окисляется и переходит в шлак, получаем выход конвертерного шлака от окисления ферроникелевого железа:

52,7/50,04*100=105,3 кг

Это количество шлака содержит железо в виде магнетита.

105,3*0,0724=7,62 кг;

в виде закиси азота (фаялит)

105,3*0,428=45,07 кг.

Необходимое количество кислорода для окисления железа в магнетит по уравнению реакции (1)

64/167,7*7,62=2,91 кг.

Для окисления железа до оксида по реакции (2) кислорода необходимо:

16/55,9*45,07=12,9 кг.

Всего для окисления ферроникелевого железа теоретически необходим кислород:

2,91+12,9=15,81 кг.

При степени поглощения кислорода в ванне 95 % практическое количество кислорода равно 16/0,95 = 16,9 кг или 11,83 Н*м3.

Избыток кислорода

16,9-15,81=1,09 кг или 1,56 Н*м3

Необходим воздух:

16,9/0,23 = 73,5 кг.

В таблице 7 приведены результаты расчета количества и состава газов при окислении железа, ферроникеля.

2. Окисление сульфида железа до содержания по массе до 25% Fe.

Из табл. 5 следует, что после окисления ферроникелевого железа в массе остается 58,03 кг сульфида железа или железа в виде FeS 36,92 кг (63,6% от массы FeS). Обозначить:

Х кг – количество FeS, которое необходимо окислить до содержания 25 % Fe в массе;

0,636х кг - количество окисляющегося железа.

Так как окисленного железа в шлаке 50,04 % (см. табл. 5), то выход шлака при окислении сульфида железа составит:

0,636/50,04*100=1,271 кг.

Обозначим: А кг – масса железа в обогащенной массе;

В кг вес массы, оставшейся после установленного периода.

Тогда по условиям А/В=0,25.

Как подсчитано выше, в результате окисления ферроникелевого железа из 140 кг штейновой смеси образовалось 105,3 кг шлака.

При окислении железа FeS образовался шлак массой 1,271х кг. Как следует из табл. 5, в шлаке содержится 2,54 % Fe в виде FeS.

(105,3+1,271x)*0,0254 кг

Должно окислиться 0,636х кг железа из FeS. При начальном количестве железа в штейне в виде FeS 36,92 кг (в 140 кг смеси штейнов) вес железа, оставшегося в массе:

А = 36,92-0,0254*(105,3+1,271х)-0,636х=34,24-0,6683х кг.

В результате окисления и шлакообразования ферроникелевого и сульфидного железа и удаления серы в газы начальная масса штейна уменьшается на 52,7+х кг.

В виде окатышей штейна переходят в шлаки (в соответствии с табл. 5 и массой шлака):

(105,3+1,271х)*0,0123 кг Ni3S2

(105,3+1,271х)*0,04 кг FeS

Кроме того, как принято выше, 50% всего кобальта расходуется на шлак периода накопления. Приняв условно, что кобальт содержится в шлаках периода накопления в виде CoS, получим, что он переходит в шлаки: 1,21*0,5 = 0,605 кг CoS.

Таким образом, вес массы, оставшейся в результате установленного периода, составляет:

В = 140 - (52,7 + х) - (105,3 + 1,271х) * (0,0123 + 0,04) -0,605 = 81,188-1,0666х.

Как и выше, А/В = 0,25, или

(34,24-0,6683х)/(81,188-1,0666х)=0,25

откуда х = 34,84 кг.

Таким образом, окисляется FeS 34,84 кг (в нем содержится железа 0,636 х = 22,16 кг).

За счет этого образуется шлака 1,271х=44,3 кг.

Общее количество шлаков за установленный период

105,3+44,3=149,6 кг.

Остатки массы

В = 81,188-1,0666 * 34,84 = 44,03 кг.

Содержит железо в форме FeS.

А = 34,24-0,6683 * 34,84 = 10,96 кг,

или 10,96/0,636=17,23 кг FeS.

Увлекается в шлак

149,6*0,0123=1,84 кг Ni3S2

остается в массе

17,87-1,84=16,03 кг Ni3S2

0,605 CoS переносится в шлак.

останется в массе

1,21-0,605=0,605 кг CoS.

Металлическое железо полностью удалено из массы, металлический никель считается полностью сохранившимся в массе в количестве 7,07 кг, также считается оставшимся в массе остаток 140 кг штейновой смеси в количестве 3,48 кг.

Массу массы проверяем как сумму Ni3S2+ CoS+ FeS+ Nimet+ Другие.

Получаем массу массы:

16,03+0,605+17,23+7,07+3,48=44,415 кг.

На основании проведенных расчетов определяем состав массы, полученной в результате периода пополнения (табл. 8).

В соответствии с рациональным составом шлака (см. табл. 5) находим, что в его 44,3 кг содержится железа в виде Fe3O4 44,3 * 0,0724 = 3,2 кг и в виде FeO 44,3 * 0,428 = 18,9 кг.

Рассчитано количество кислорода, необходимое для окисления штейна FeS для получения массы с содержанием железа 25%.

По реакции (3) расход кислорода на количество окисленного железа составит:

160/167,7*3,2=3,04 кг.

Согласно реакции (4) расход кислорода на количество железа:

96/111,8*18,9=16,2 кг.

Общее теоретическое потребление кислорода:

30,4+16,2=19,24 кг.

При степени усвоения кислорода в конвертерной ванне 95 % практическое его количество:

19,24/0,95=20,24 кг.

Потребуется воздух

20,24/0,26=77,85 кг или 60,34 Н*м3.

Определим количество газов, образующихся при окислении FeS.

Подается с азотным воздухом:

77,85-20,24=57,61 кг

Избыток кислорода поступает в газы:

20,24-19,24=1,0 кг.

SO2 образуется:

Согласно реакции (3) (3*64,1)/(3*55,9)*3,2=3,66 кг;

Согласно реакции (4) (2*64,1)/(2*55,9)*18,9=21,6 кг.

Всего SO2 в газах: 3,66+21,6=25,26 кг.

Расчетные данные по количеству и составу газов окисления штейна FeS за период сбора сведены в табл. 9.

Общее количество шлака при окислении ферроникелевого железа и сульфида железа за установленный период:

105,3+44,2=149,5 кг

При 28% SiO2 в шлаке и 95% SiO2 в кварцевом флюсе требуется кварцит:

149,5*0,28/0,957=43,7 кг

4. Проверка извлечения кобальта в шлаки установленного периода.

Общее количество кобальта, поступающего в процесс с горячим и холодным штейном, составляет 0,82 кг.

В соответствии с приведенным выше распределением кобальта между продуктами плавки кобальт будет переходить в шлаки установленного периода:

0,5*0,82=0,41 кг.

Общее расчетное количество шлака за период сбора составляет 149,5 кг.

Содержание кобальта в них:

0,41/149,5*100=0,27%.

5. Расчет количества холодных материалов.

Учитывались следующие условия:

Состав холодных материалов, условно принятый как механическая смесь, состоящая из 70 % конвертерного шлака и 30 % обогащенной массы, приведен в таблице 10.

Обогащенный вес: 44,415+18,6=63,015 кг.

Конвертерный шлак: 149,5+43,4=192,9 кг.

Расчет технологического процесса периода варки штейна.

В результате периода набора получено 63 кг обогащенной массы. Исходя из ее рационального состава (таблица 8), находим, что указанное количество обогащаемой массы содержит:

63*0,3879=24,43 кг FeS;

(в том числе Fe 15,54 кг);

63*0,3609=22,74 кг Ni3S2.

В соответствии с рациональным составом конвертерного шлака (табл. 5) в нем содержится железа в сульфидной и окисленной форме 52,58 %, а также 1,23 % Ni3S2.

Предполагая, что все железо в массе перейдет в шлак, определяем выход шлака за период варки:

15,54/0,5258=29,55 кг.

При таком количестве шлака уносится:

29,55*0,0123=0,36 кг Ni3S2.

В мате пойдут:

22,74-0,36=22,38 кг Ni3S2,

что соответствует количеству никеля в виде Ni3S2

176,1 / 240,3 * 22,38 = 16,4 кг.

Кроме того, в штейн из массы без потерь, как это принято, перейдет весь металлический никель в количестве:

63*0,16=10,08 кг.

Всего никель переходит в штейн:

16,4+10,08=26,48 кг.

При содержании никеля 77,3% в штейне выход штейна:

26,48/0,773=34,26 кг.

В конвертерный шлак переносится:

29,55*0,04=1,18 кг FeS.

Количество FeS, окисленного по реакциям (3) и (4),

24,43-1,18=23,25 кг FeS

или же

55,9/88*23,25=14,77 кг Fe.

В соответствии с рациональным составом шлака (табл. 5) находим, что в нем содержится железо:

В виде FeO……….29,55*0,428=12,65 кг

В виде Fe3O4……..29,55*0,0724=2,14 кг

___________________________________

Всего железа в виде оксидов ...... 14,79 кг.

По реакции (3) окисляется 2,14 кг Fe.

Кислород расходуется на это:

160/167,7*2,14=2,04 кг.

Сформировано:

63/55,9*2,14=2,41 кг SO2.

По реакции (4) окисляется 12,65 кг Fe.

Израсходовано кислорода:

96/111,8*12,65=10,86 кг.

Сформировано:

128,2/111,8*12,65=14,06 кг SO2.

Суммарно для реакций (3) и (4) требуется кислород:

2,04+10,86=12,9 кг;

образуется в результате обеих реакций

2,41+14,06=16,47 кг SO2.

При 95% поглощении кислорода ванной конвертера практическое потребление кислорода составляет:

12,9/0,95 = 13,58 кг.

Избыток кислорода:

13,58-12,9=0,68 кг.

Воздуха на период варки штейна потребуются:

13,58/0,26 = 52,23 кг.

Получали азот с воздухом:

52,23-13,58=38,65 кг.

Количество и состав газов в период варки штейна приведены в таблице 12.

За период варки штейна образуется 29,55 кг конвертерного шлака. Это количество содержит 29,55*0,28=8,27 кг SiO2.

Необходимое количество флюса:

8,27/0,957=8,64 кг.

Кобальт, содержащийся в обогащенной массе в количестве 0,31 кг, распределяется между штейном и шлаком варочного периода в соотношении 14:35, т.е. из количества содержащегося в массе кобальта переходит в штейн:

14/49*100=28,6% или 0,31*0,286=0,089 кг.

Кобальт переходит в шлак:

35/49*100=71,4% или 0,31*0,714=0,22 кг.

При выходе штейна 34,26 кг содержание кобальта в нем:

0,22/29,55=0,74%.

Сводный материальный баланс конверсии.

Расчет преобразователя.

На основании сводного материального баланса находим теоретическое удельное количество воздуха на 1 т штейна:

Vуд=195,2/(0,14*1,29)=1080,84 нм3/т.

Принимая k=0,7, находим требуемую полосу пропускания преобразователя:

Vконв=(210*1080,84)/(1440*0,7)=225,2 Нм3/мин.

Его находят по формуле:

q=1,74 (p1-Hгидра)/ИЗ

д= 1,74 (1,2-0,3)/6 = 0,68 нм3/см2*мин.

Ff = Vconv/q = 225,2/0,68 = 331,2 см3.

Принимая диаметр фурменных труб d=41 мм, получаем необходимое количество одновременно работающих фурм:

nр=127,2*Ff/d2=127,2*331,2/1681=25,06.

С учетом резерва 20% количество установленных фурм: nзад=1,2nr=1,2*25,06=30,1.

Исходя из найденных значений площади поперечного сечения фурм Fф = 331,2 см2; диаметр фурм d=41 мм и количество фурм nзад=30, согласно табл. 3 [1] выбираем стандартный конвертер с размерами кожуха 3,66,1 м и емкостью штейна 40 тонн.

Предложена конструкция, имеющая показатель гидравлического сопротивления С=3.

Повторяем расчеты по пунктам 1-5.

q=0,96 нм3/см2*мин;

Ff=234,6 см2;

nр=18;

nset=22.

Таким образом, если оставить nset=30, то это повысит производительность преобразователя на 41%.

При заданной мощности конвертера 280 т/сут по горячему и холодному обогащенному штейну будет получено:

280*63/140=126 т/сутки.

Количество транзакций в день составит:

126/40=3,153.

Vt=(280*1273*943)/(86400*0,7*273)=20,36 м3/сек.

Для выбранного стандартного преобразователя Fгорл=1,7*1,9=3,23 м3.

Скорость газа в горловине: t=Vt/Fгорл=20,36/3,23=6,3 м/сек.

Тепловой баланс преобразователя.

Остаточное время, т.е. время обработки 140 кг штейна, находится из дневного выхода:



Время установленного периода и периода приготовления штейна находят из соотношения количеств воздуха, подаваемого в соответствующий период:

При заборе воздуха потребляется………………143 кг…74%

В период матовой варки……………………………….52,23…26%

_________________________________________________

Итого:…………………………………195,23 кг…100%

Отсюда





А. Тепловой баланс периода приготовления.

Приход тепла.

Qшт=Гшт*Сшт*тшт.

Qpc = 100 * 0,2 * 1000 = 20000 ккал.

Vв=143/1,29=110,9 нм3

Qв = 110,9*60*0,31 = 2062,7 ккал.

По реакции (1) 7,62 кг Fe окисляется до Fe3O4:

Q=7,62*1590=12116 ккал.

По реакции (2) 45,07 кг Fe окисляется до FeO и ошлакуется кремнеземом:

Q=45,07*1244=56067 ккал.

Суммарное окисление железа ферроникеля с учетом теплоты шлакообразования:

QFe=68183 ккал.

По реакции (3) 3,2 кг Fe окисляется до Fe3O4:

Q=3,2*2451=7850 ккал.

По реакции (4) 18,9 кг Fe окисляется до FeO и ошлакуется кремнеземом:

Q=18,9*2105=39900 ккал.

Всего от окисления сульфида железа с учетом теплоты шлакообразования:

QFe=47750 ккал.

Суммарная подводимая теплота:

20000+2063+68183+47750=137996 ккал.

Расход тепла.

Qм=Гм*см*тм.

Qм = 63 * 0,2 * 1250 = 15750 ккал.

Кшл=Гшл*сл*тшл.

Qшл = 193*0,3*1250 = 72375 ккал.

Qгаз = (8,84 * 0,536 + 84,56 * 0,334 + 1,46 * 0,353) * 1000 = 33497 ккал.

а) потери тепла поверхностью кожуха

Qskin=q*Fskin*1,

Fскин=85*1,3=110 м2

Qскин = 3500*110*0,012 = 4600 ккал;

б) потери тепла излучением через горловину площадью 3,2 м2

Qthroat = 180000 * 3,2 * 0,012 = 6900 ккал.

Суммарные потери тепла во внешнюю среду составляют:

4600+6900=11500 ккал.

Общее потребление тепла:

15750+72375+33497+11500=133122 ккал.

Результаты расчетов теплового баланса за заданный период сведены в табл. 16.

Б. Тепловой баланс периода варки штейна.

Приход тепла.

Qв = 40,5*0,31*60 = 753 ккал.

По реакции (3) окисляет до Fe3O4 2,14 кг Fe:

Q=2,14*2451=5245 ккал.

По реакции (4) 12,65 кг Fe окисляется до FeO и ошлакуется кремнеземом:

Q=12,65*2105=26628 ккал.

Всего от окисления сульфида железа с учетом теплоты шлакообразования:

QFe=31873 ккал.

Суммарная подводимая теплота:

15750+753+31873=48376 ккал.

Расход тепла.

1. Теплота штейна:

Qф = Gф * Sф * тс.

Qф = 34,26 * 0,2 * 1350 = 9250 ккал.

Кшл=Гшл*сл*тшл.

Qшл = 33,85 * 0,3 * 1250 = 9139 ккал.

Qгаз = (5,76*0,546+30,92*0,34+0,48*0,359)*1200=16596 ккал.

а) потери тепла поверхностью кожуха

Qskin=q*Fskin*2,

Fскин=85*1,3=110 м2

Qскин = 7000*110*0,003 = 2310 ккал;

б) потери тепла излучением через горловину площадью 3,2 м2

Qthroat = 230000 * 3,2 * 0,003 = 2950 ккал.

Суммарные потери тепла во внешнюю среду составляют: 5260 ккал.

Общее потребление тепла:

9250+9139+16596+5260=40245 ккал.

Результаты расчетов теплового баланса периода пополнения сведены в табл. 17.

Для общей оценки тепловых характеристик конвертера был также составлен сводный тепловой баланс процесса в табл. 18.

Расчет системы подачи воздуха и воздуходувок.

Длина воздуховодов, их расположение зависят от планировки территории предприятия, при этом их сечение необходимо рассчитывать исходя из допустимой скорости воздуха, которую обычно принимают в пределах 15-25 м/с.

Для расчетного случая примем, что цех оснащен шестью одинаковыми 40-тонными конверторами, из которых одновременно работают пять.

Общее количество воздуха, необходимое для работы пяти преобразователей, составит:

V=5*255=1275 нм3/мин.

Резерв необходим для компенсации потерь воздуха при неплотностях системы подачи воздуха. Как показывает практика, эти потери составляют до 20-30% от количества воздуха, подаваемого на фурмы.

Взяв запас 25%, получаем, что воздух должны подавать нагнетатели:

V=1,25*1275=1600 Нм3/мин.

Из приложения 19 находим, что два нагнетателя 920-33-2 производительностью 820 Нм3/мин при давлении до 1,3 атм могут обеспечить необходимое количество воздуха.

Примем скорость воздуха в воздуховодах:



Диаметр воздуховода на участке от нагнетателя до общего воздуховода определяют по формуле:

d=1,13 Вт,п/t,п.

При давлении воздуха 1,3 атм и температуре 600 рабочий расход воздуха от каждой машины составит:

Vt,p=(820*(273+60))/(60*273*2,3)=7,3 м3/сек.

Диаметр воздушной линии:

d1=1,13* 73/20=0,68м 7м

Диаметр общего воздуховода определяется из условия одновременной подачи по нему воздуха от обоих нагнетателей:

Vt, pобщ=2Vt, p=2*7,3=14,6 м3/сек.

Диаметр воздушной линии

d2=1,13* 14,6/20=0,97  1,0 м.

Диаметр воздуховодов, по которым воздух подается от общего воздуховода к преобразователям, определяется из количества воздуха, подаваемого на один преобразователь:

V0усл=1640/(5*60)=5,5 нм3/сек.

Или же

Vt, pконв=(5,5*(273+60))/(273*(1+1,3))= 2,9 м3/сек.

Диаметр воздушной линии:

d3=1,13* 2,9/20=0,43 0,45 м

Примем наибольшую воздушную трассу от нагнетателя до общего воздуховода L1=100 м, длину участка общего воздуховода до наиболее удаленного преобразователя L2=50 м и длину приточного воздуховода L3=10 м.

Потеря давления из-за трения о стенки воздуховодов при

htr=(L1/d1+L2/d2+L3/d3)* t,p2/2g*t, p.

Коэффициент потери давления от трения =0,04. Фактическая плотность воздуха:



ht, p=0,04*(100/0,7+50/1,0+10/0,5)*400/19,6*2,5=440 мм вод. ст.

Суммарная потеря напора по всему маршруту составляет:



Расчет показывает, что при давлении дутья, создаваемом нагнетателем, 1,3 атм. А потеря давления на всей линии 0,1 атм. Давление воздуха на коллекторе преобразователя будет

1,3-0,1 = 1,2 атм.

Те. соответствует значению давления, обеспечивающему расчетную пропускную способность фурм.

Технические индикаторы.

По окончании всех выполненных расчетов составляется сводка производительности преобразователя:

Содержание никеля в штейнах, %:

горячий………………………………………………………………...16,0

на морозе……………………………………………………………….11,0

Производительность конвертера по штейну, т/сут:

горячий…………..…………………………………………………………………..200

Производительность по штейну общая, т/сут………………………………..280

Производительность бетона, т/сут………………………………….50

Содержание никеля в штейне, %…………………………………………..77,3

Количество нейтральных холодных материалов,

обрабатывается в конвертере:

т/сут………………………………………………………………………….126

% от массы горячего штейна………………………………………………63

% штейновой смеси…………………………………………………………45

Количество операций в день…………………………………………………………..3

Масса штейна за одну операцию, т…………………………………………….25

Габариты преобразователя, м…………………………………………………………….3,66,1

Размер шеи, м……………………………………………………………….1,71,9

Количество установленных копий:

со старой конструкцией копий………………………………………….30

с улучшенной конструкцией…………………………….22

Диаметр фурменной трубы, мм……………….…………………………………..41

Производительность преобразователя по воздуху, нм3/мин………………….255

Удельная нагрузка на 1 см3 сечения фурмы, нм3/см2*мин:

со старой конструкцией копий………………………………………..0,68

с улучшенной конструкцией копья………………………0,96

Давление дутья на коллекторе, атм………….…………………………………..1,2