Затверджено

на засіданні Вченої ради

академії

Протокол № 1 від 27.01.2014р.

Дніпропетровськ НМетАУ 2014

УДК 669.162.1: 669.15-198

Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни «Теоретичні основи технологічних процесів» для студентів напрямку 6.050401 – металургія/ Укл.: Л.В. Камкіна, М.О. Колбін, Анкудінов Р.В., Надточій А.А. – Дніпропетровськ: НМетАУ, 2014. – 20с.

Наведено методику розрахунку матеріального та теплового балансу виробництва сплавів у відновлювальних умовах; методику проведення розрахунків та велику кількість варіювання умов ведення плавки, що дозволяє моделювати процес виробництва сплавів при різних зміненнях вихідних даних.

Призначені для студентів напряму

6.050401 – металургія.

Укладачі: Л.В. Камкіна, д-р техн. наук, проф.

М.О. Колбін, канд. техн. наук, доц.

Р.В. Анкудінов, канд. техн. наук, доц.

А.А. Надточій, канд. техн. наук, доц.

Відповідальна за випуск Л.В. Камкіна, д-р техн. наук, проф.

Рецензент А.Г. Гріншпунт, д-р техн. наук, проф. (НМетАУ)

Підписано до друку.14. Формат 60х84 1/16. Папір друк. Друк плоский.

Облік.-вид. арк. Умов. друк. арк. Тираж пр. Замовлення №

Національна металургійна академія України

49600, м. Дніпропетровськ-5, пр. Гагаріна, 4

_______________________________

Редакційно-видавничий відділ НМетАУ

ВСТУП

Руднотермічні процеси виробництва феросплавів широко поширені.

Різноманітність технологічних схем виробництва визначається як фізико-хімічними властивостями відновлюваних оксидів, та і багатьма причинами (якістю вихідної сировини, кількістю шкідливих домішок, концентрацією ведучого елементу, техніко-економічними показниками процесу й таке інше).

У даних методичних вказівках наведений метод розрахунку шихти для виробництва феротитану.Розрахунок наведений в якості методичних вказівок при виконанні курсової роботи з дисципліни «Теоретичні основиі технологічних процесів».

Розрахунок може виконуватися як самостійне завдання з використанням визначених умов плавки, так і використовуватися при моделюванні технології плавки феротитану з метою визначення впливу вихідних даних на кінцевий результат.

Методичні вказівки до виконання розрахунку:

1. Спочатку повинні бути задані вихідні дані у вигляді масивів 1-6.

2. Необхідно надавати нумерацію розділів і підрозділів розрахунку, користуватися позначеннями, які наведені в даних вказівках.

3. Для скорочення обсягу розрахунку наведені, в зразковому розрахунку, основні дані для виконання розрахунку, а також докладні роз’яснення та позначення у розрахунку, що виконується, можна не наводити.

ВИБІР ВИХІДНИХ ДАНИХ ДЛЯ РОЗРАХУНКУ

В якості вихідних даних для розрахунку приймаються склади титанового концентрату, залізної руди, вапна, алюмінієвої крупки, феросиліцію, витрата матеріалів і умови ведення плавки.

Розрахунок ведеться на використання 100 кг титанового концентрату.

Нижче наведено склад матеріалів прийнятий у зразковому розрахунку (масив 1-5) и умови плавки (масив 6).

Таблиця 1

Склад титанового концентрату (масив 1)

Таблиця 2

Склад залізної руди (масив 2)

Таблиця 3

Склад вапна (масив 3)

Таблиця 4

Склад крупки алюмінієвої (масив 4)

Таблиця 5

Склад феросиліцію (масив 5)

Таблиця 6

Умови ведення плавки (масив 6)

Примітка: Прийняті у вихідних даних і умовах плавки значення у %, при розрахунку використаються у частках (наприклад: 100% -1, 50% - 0, 5, 86% - 0, 86 и т.ін.).

Прийняті позначення: С_i – вміст i–того компонента у частках.

М_i – молекулярна вага i–того компонента

А_i – атомна вага i–того компонента

1. РОЗРАХУНОК МАТЕРІАЛЬНОГО БАЛАНСУ ПЛАВКИ ФЕРОТИТАНУ

1.1. Витрата кількості відновника

Розраховуємо кількість продуктів відповідних перетворень та кисню що зв’язується у відповідності з вихідними даними (таблиці 1-5) і з урахуванням умов плавлення, що отримані з практичних даних (таблиця 6).

Зі 100 кг концентрату(M_к) та 2 кг руди (М_р) відновлюються відповідні компоненти і при цьому зв'язується кисню:

- При відновленні TiO₂ утворюється Ti

m_{Ti, к} = М_к · С_{TiO2, к} · Т₁ ·(A_Ti/М_TiO2) =100 · 0, 445 · 0, 7 · (48/80) = 18, 69кг.

При цьому зв’язується кисню

m_{О2 Ti, к} = М_к · С_{TiO2, к} · Т₁ - m_{Ti, к} = 100 · 0, 445 · 0, 7 - 18, 69 = 12, 46кг.

- При відновленні TiO₂ утворюється TiО

m_{TiО, к} = М_к · С_{TiO2, к}· Т₂ ·(М_TiО/М_TiO2) =100 · 0, 445 · 0, 15 · (64/80) = 5, 34кг.

При цьому зв’язується кисню

m_{О2 TiO, к} = М_к · С_{TiO2, к} · Т₂ · m_{TiО, к} =100 · 0, 445 · 0, 15 – 5, 34 =1, 34кг.

- При відновленні TiO₂ утворюється Ti₂O₃

m_{Ti2О3, к} = М_к · С_{TiO2, к} · Т₃ · (М_Ti2О3/2М_TiO2) = 100 · 0, 445 · 0, 15 · (144/160) = 6кг.

При цьому зв’язується кисню

m_{О2 Ti2O3, к} = М_к · С_{TiO2, к} · Т₃ - m_{Ti2О3, к} = 100 · 0, 445 · 0, 15 – 6 = 0, 675кг.

- При відновленні FeO концентрату утворюється Fe

m_{Fe FeO, к} = М_к · С_{FeO, к} · F₃ · (A_Fe/М_FeO)= 100 · 0, 15 · 1 · (56/72) = 11, 67кг.

При цьому зв’язується кисню

m_{О2 FeO, к} = М_к · С_{FeO, к} - m_{FeО, к} = 100 · 0, 15 – 11, 67= 3, 33кг.

- При відновленні Fe₂O₃ концентрату утворюється Fe

m_{Fe Fe2O3, к} = М_к · С_{Fe2O3, к} ·F₁ · (2A_Fe/М_Fe2O3)= 100 · 0, 3345 · 0, 97 · (112/160) = 22, 71кг.

При цьому зв’язується кисню

m_{О2 Fe2O3, к} = М_к · С_{Fe2O3, к}· F₁ - m_{Fe Fe2O3, к} = 100 · 0, 3345 · 0, 97 – 22, 71 = 9, 74кг.

- При відновленні Fe₂O₃ залізної руди утворюється Fe

m_{Fe Fe2O3, з.р.} =M_р · С_{Fe2O3, ж.р.} · F₁·(2A_Fe/М_Fe2O3)= 2 · 0, 96 · 0, 97 · (112/160) = 1, 3кг.

При цьому зв’язується кисню

m_{О2 Fe2O3, з.р.} = М_р · С_{Fe2O3, ж.р.}· F₁ - m_{Fe Fe2O3, ж.р.}= 2 · 0, 96 · 0, 97 – 1.3 = 0, 56кг.

- При відновленні Fe₂O₃ концентрату утворюється FeО

m_{FeО Fe2O3, к .}= М_к · С_{Fe2O3, r.} · F₂·(2М_FeO/М_Fe2O3)= 100 · 0, 3345 · 0, 03 · (144/160) = 0, 9кг.

При цьому зв’язується кисню

m_{О2 (Fe2O3-FeO)к.} = М_к · С_{Fe2O3, r.} · F₂·(А_O/М_Fe2O3) - m_{FeО Fe2O3, к} =

=100 · 0, 3345 · 0, 03– 0, 9 = 0, 1кг.

- При відновленні Fe₂O₃ залізної руди утворюється FeО

m_{FeО Fe2O3, з.р. .}= М_р · С_{Fe2O3, р} · F₂· (2М_FeO/М_Fe2O3)= 2 · 0, 96 ·0, 03 · (144/160) = 0, 052кг.

При цьому зв’язується кисню

m_{О2 (Fe2O3-FeO), р.} = М_р · С_{Fe2O3, р.} · F₂- m_{FeО Fe2O3, р} = 2 · 0, 96 · 0, 03 – 0, 052 = 0, 0056кг.

- При відновленні Si з SiO₂ концентрату та руди утворюється Si

m_{Si, SiO2, к, р} = (М_к · С _{SiO2, к} +М_р · С_{SiO2, ж.р.}) · S₁ · А_Si/М_SiO2=(100 · 0, 03 + 2 · 0, 02) · 0, 9 · 28/60 = 1, 277кг.

При цьому зв’язується кисню

m_{О2, SiO2, к, р} = (М_к · С _{SiO2, к} +М_р · С_{SiO2, ж.р.}) · S₁· m_{Si, SiO2, к, р} =(100 · 0, 03 + 2 · 0, 02) · 0, 9 – 1, 277 = 1, 46кг.

Дані по кількості відновленого продукту та зв’язаного при цьому кисню заносять в таблицю 1.1.

Відновлення оксидів відбувається кремнієм та алюмінієм. 1 кг 75% феросиліцію що задається до шихти, вносить кремнію

m_{Si, FeSi} = Ш · С_{Si, FeSi} = 1 · 0, 75 = 0, 75кг.

З цієї кількості 50% переходить до сплаву, а 50% зв’язує кисень

m _{О, FeSi} = m_{Si, FeSi} · Ф_с · 2А_О/А_Si = 0, 75 · 0, 5 · 32/28 = 0, 429кг.

Кількість кисню, що залишилася, дорівнює

m_Озал. = m_ОΣ - m _{О, FeSi} = 29, 67 – 0, 429= 29, 241кг.

Для його зв’язування необхідно алюмінію

m_{Аl, Озал .} = m_Озал · 2А_Al/3A_O = 29, 241 · 54/48 = 32, 896 кг.

Таблиця 1.1

Відновлення оксидів відбувається кремнієм та алюмінієм. 1 кг 75% феросиліцію що задається до шихти, вносить кремнію

m_{Si, FeSi} = Ш · С_{Si, FeSi} = 1 · 0, 75 = 0, 75кг.

З цієї кількості 50% переходить до сплаву, а 50% зв’язує кисень

m _{О, FeSi} = m_{Si, FeSi} · Ф_с · 2А_О/А_Si = 0, 75 · 0, 5 · 32/28 = 0, 429кг.

Кількість кисню, що залишилася, дорівнює

m_Озал. = m_ОΣ - m _{О, FeSi} = 29, 67 – 0, 429= 29, 241кг.

Для його зв’язування необхідно алюмінію

m_{Аl, Озал .} = m_Озал · 2А_Al/3A_O = 29, 241 · 54/48 = 32, 896кг.

Частка необхідного алюмінію перейде до сплаву й не буде приймати участі у реакціях відновлення, вона становить:

m_Аlспл. = m_{Аl, Озал.} · А_с/А_в = 32, 896 · 0, 11/0, 86 = 4, 21кг.

З урахуванням вигару та переходу алюмінію в сплав, а також з урахуванням вмісту алюмінію в крупці, для проведення процесу необхідна така кількість алюмінієвої крупки:

m_крупки = (m_{Аl, Озал.} + m_Аlспл.)/(С_{Аl, к} · (1-А_п)) = (32, 896+4, 21)/(0, 95 · 0, 97) = 40, 26кг.

1.2. Розрахунок кількості осаджувача

В якості осаджувачів корольків сплаву на шлак присаджується термітна суміш такого складу, кг:

Залізна руда (З_о) 6кг

Алюмінієва крупка (О_Al) 1, 5кг

Феросиліцій 75-ний (O_FeSi) 0, 5кг

Алюміній термітної суміші зв’язує кисню

m_{О, Al т.с.}= О_Al · С_{Аl, кр} · А_в · 3А_О/2А_Al = 1, 5 · 0, 95 · 0, 86 · 48/54 = 1, 09кг.

Кремній термітної суміші зв’язує кисню

m_{О, Si т.с} = m_{FeSi т.с} · С_{Si, FeSi} · Ф_в · 2A_O/A_Si = 0, 5 · 0, 75 · 0, 5 · 32/28 = 0, 21кг.

При цьому відновлюється з руди термітної суміші та переходить до сплаву така кількість залізу

m_{Fe, спл.т.с} = (m_{О, Al т.с} + m_{О, Si т.с}) 2А_Fe/3A_O = (1, 09 +0, 21) 112/48 = 3, 03 кг.

1.3. Розрахунок кількості та складу сплаву

(На підставі даних табл.1.1. та розрахунків осаджувача)

Кількість титану сплаву

Титан переходить до сплаву тільки з концентрату

m_{Ti, спл} = m_{Ti, к} = 18, 69кг

Кількість заліза сплаву

Залізо переходить до сплаву з титанового концентрату, алюмінієвої крупки, феросиліцію та залізної руди.

m_{Fe, спл} = m_{Fe FeO, к} + m_{Fe Fe2O3, к} + (m_крупки + О_Al) · С_{Fe, Alкр.} + (Ш + O_FeSi ) · С_{Fe, FeSi} + m_{Fe Fe2O3, з.р.} + m_{Fe, спл.т.с} = 11, 67+22, 27 + (40, 26 + 1, 5) · 0, 02 + (1 + 0, 5) · 0, 23 + 1, 3 + 3, 03 = 39, 88 кг.

Кількість алюмінію сплаву

Алюміній переходить до сплаву з алюмінієвої крупки та феросиліцію

m_{Al, спл} = m_Аlспл. + (Ш +О_FeSi) · C_{Al, FeSi} = 4, 21 + 0, 03 = 4, 24кг.

Кількість кремнію сплаву

Кремній переходить до сплаву з титанового концентрату, алюмінієвої крупки, феросиліцію та залізної руди

m_{Si, спл} = m_{Si, SiO2, к, р} + (m_крупки + О_Al) · C_{Si, Alкр} + Ш · С_{Si, FeSi} · Ф_с = 1, 277 + (40, 26 + 1, 5) · 0, 01 + 0, 375 = 2, 07кг.

Кількість міді сплаву

Мідь переходить до сплаву з алюмінієвої крупки

m_{Cu, спл} = (m_крупки + О_Al) · С_{Cu, Alкр} = (40, 26 + 1, 5) · 0, 02 = 0, 835 кг.

Кількість сірки сплаву

Сірка переходить до сплаву з титанового концентрату

m_{S, спл} = М_к · С_{S, к} = 100 · 0, 0005 = 0, 05 кг.

Дані по складу сплаву зводять до таблиці 1.2

Таблиця1.2