Способ производства ферротитана

 

Примечание: Принятые в исходных данных и условиях плавки значения в %, при расчете используются в долях (например: 100% -1, 50% - 0,5,  86% - 0,86 и т.д.)

 

Принятые  обозначения:  С_i – содержание  i–того компонента в долях.

         М_i – молекулярный вес i–того компонента

А_i – атомный вес i–того компонента

 

 

 

1.  Расчет материального баланса

1.Расход  количества восстановителя

Рассчитываем количество продуктов соответствующих превращений  и связываемого кислорода в соответствии с исходными данными (таблицы 1-5) и с учетом практических данных (таблица 6). Полученные расчетные данные заносим  в таблицу 1.1.

1. Из 100 кг концентрата и 2 кг руды восстанавливается и при этом связывается кислорода:

1.1. При  восстановлении TiO₂ образуется Ti

m_Ti,к = 100 · С_TiO2,к · 0,7  ·(A_Ti/М_TiO2) =100 · 0,44 · 0,7 · (48/80) = 18,48кг

При этом связывается кислорода

m_{О2 Ti,к}= 100 · С_TiO2,к · 0,7 -·m_Ti,к = 100 · 0,44 · 0,7 - 18,48 = 12,32кг

1.2. При  восстановлении TiO₂ образуется TiО

m_TiО,к = 100 · С_{TiO2 ,к}·  0,15 ·(М_TiО/М_TiO2) =100 · 0,44 · 0,15 · (64/80) = 5,28кг

При этом связывается кислорода

m_{О2 TiO,к} = 100 · С_TiO2,к · 0,15 -·m_TiО,к =100 · 0,44 · 0,15 – 5,28 =1,32кг

1.3 При восстановлении TiO₂  образуется Ti₂O₃

m_Ti2О3,к = 100 · С_TiO2,к · 0,15 · (М_Ti2О3/2М_TiO2) = 100 · 0,44 · 0,15 · (144/160) = 5,94кг

При этом связывается кислорода

m_{О2 Ti2O3,к}= 100 · С_TiO2,к ·  0,15 -·m_Ti2О3,к = 100 · 0,44 · 0,15 – 5,94 = 0,66кг

1.4. При  восстановлении FeO концентрата образуется Fe

m_{Fe FeO,к} = 100 · С_FeO,к ·  1 · (A_Fe/М_FeO)= 100 · 0,16 · 1 · (56/72) = 12,44кг

При этом связывается кислорода

m_{О2 FeO,к}= 100 · С_FeO,к - m_FeО,к = 100 · 0,16 – 12,44= 3,56кг

1.5. При  восстановлении Fe₂O₃ концентрата образуется Fe

m_{Fe Fe2O3,к}=100 · С_Fe2O3,к ·0,97 · (2A_Fe/М_Fe2O3)= 100 · 0,3305 · 0,97 · (112/160) = 22,441кг

При этом связывается кислорода

m_{О2 Fe2O3,к}= 100 · С_Fe2O3,к·  0,97 -·m_{Fe Fe2O3,к} = 100 · 0,3305 · 0,97 – 22,441 = 9,349кг

1.6 При восстановлении Fe₂O₃ железной руды образуется Fe

m_{Fe Fe2O3,ж.р.}=2 · С_Fe2O3,ж.р. · 0,97 ·( 2A_Fe/М_Fe2O3)=  =2 · 0,92 · 0,97 · (112/160) = 1,249кг

При этом связывается кислорода

m_{О2 Fe2O3, ж.р.} = 2 · С_Fe2O3,ж.р.·  97 -·m_{Fe Fe2O3, ж.р.}= 2 · 0,92 · 0,97 -·m_Fe =0,536кг

1.7. При  восстановлении Fe₂O₃ концентрата образуется FeО

m_{FeО Fe2O3,к .}= 100 · С_Fe2O3,r. · 0,03  ·(2М_FeO/М_Fe2O3)= 100 · 0,3305 · 0,03 · (144/160) = 0,892кг

При этом связывается кислорода

m_{О2 (Fe2O3-FeO)к.} = 100 · С_Fe2O3,r. · 0,03  ·(А_O/М_Fe2O3) - m_{FeО Fe2O3,к} =

=100 · 0,3305 · 0,03– 0,9 = 0,092кг

1.8.  При  восстановлении Fe₂O₃ руды образуется FeО

m_{FeО Fe2O3, р .}= 2 · С_{Fe2O3, р} · 0,03 · (2A_FeO/A_Fe2O3)= 2 · 0,92  ·0,03 · (144/160) = 0,05кг

При этом связывается кислорода

m_{О2 (Fe2O3-FeO), р.} =2 · С_Fe2O3,р. · 0,03 -·m_{FeО Fe2O3, р} = 2 · 0,92 · 0,03 – 0,05 = 0,0052кг

1.9.При  восстановлении Si из SiO₂ концентрата и руды образуется Si

m_{Si,SiO2,к,р}= (100 · С _SiO2,к +2 · С_SiO2,ж.р.) · 0,9 · А_Si/М_SiO2=((100 · 0,03 + 2 · 0,04) · 0,9 ·    28/60 = 1,294кг

При этом связывается кислорода

m_{О2,SiO2,к,р}= (100 · С _SiO2,к +2 · С_SiO2,ж.р.) · 0,9 - m_{Si,SiO2,к,р}  =(100 · 0,03 + 2 · 0,04) · 0,9 –    1,294 = 1,478кг

Данные  по количеству восстановленного продукта и связанного при этом кислорода  заносятся в таблицу №1.1

Таблица 1.1

Исходный окисел	Продукт	Из 100кг концентрата и 2кг руды восстанавливается	При восстановлении связывается  кислорода
TiO2	Ti	18,48	12,32
TiO2	TiO	5,28	1,32
TiO2	Ti2O3	5,94	0,66
FeO	Fe	15,44	3,56
Fe2O3 концентрата	Fe	22,441	9,349
Fe2O3 руды	Fe	1,249	0,536
Fe2O3 концентрата	FeO	0,892	0,092
Fe2O3 руды	FeO	0,05	0,0052
SiO2	Si	1,294	1,478
Всего:			29,32кг = mОΣ

Восстановление окислов производится кремнием и алюминием. 1 кг 75% ферросилиция заданного в шихту, вносит кремния

m_Si,FeSi = 1 · 0,75 = 0,75кг

 

Из этого  количества 50% переходит в сплав, а 50% связывает кислород

m _О,FeSi = m_Si,FeSi · 0,5 · 2А_О/А_Si = 0,75 · 0,5 · 32/28 = 0,429кг

 

Для связывания оставшегося кислорода

m_Оост. = m_ОΣ - m _О,FeSi = 29,32 – 0,429= 28,891кг

 Необходимо  алюминия 

m_{Аl,Оост.} = m_Оост · 2А_Al/3A_O = 28,891 · 54/48 = 32,502кг

 

Часть необходимого алюминия перейдет в сплав и не участвует в реакциях

восстановления 

m_Аlспл.ш = m_{Аl,Оост.} · 0,11/0,86 = 32,502 · 0,11/0,86 = 4,157кг

С учетом угара и перехода алюминия в сплав, а также  с учетом содержания алюминия в крупке, необходимо для процесса следующее количество алюминиевой  крупки

m_крупки = (m_{Аl,Оост.} + m_{Аlсплав})/(0,95 · 0,97) = (32,502+4,157)/(0,95 · 0,97)   = 39,782кг

                                   Расчет количества и состава сплава

 

В качестве осадителей корольков сплава на шлак присаживается термитная смесь следующего состава, кг:

Железная руда  (m_{ж.р. т.с})   6кг

Алюминиевая крупка (m_{Al к. т.с})  1,5кг

Ферросилиций 75-ный (m_{FeSi, т.с})  0,5кг

Алюминий термитной смеси связывает  кислорода 

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

Кремний термитной смеси  связывает кислорода

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

При этом восстанавливается из руды термитной  смеси и переходит в сплав  железа

m_{Fe, сплав, 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

Расчет  количества и состава сплава

(На основании данных  таблицы 1.1. и расчетов по термитной  смеси)

Количество титана сплава

Титан переходит в сплав только из концентрата

m_Ti,спл = m_Ti,к = 18,48кг

 

Количество железа сплава

Железо  переходит в сплав из титанового концентрата, алюминиевой крупки, ферросилиция и железной руды

 

 m_Fe,спл = m_{Fe FeO,к} + m_{Fe Fe2O3,к} + (m_крупки + m_{Al к. т.с}) · 0,02 + (1 + m_{Fe-Si т.с}) · 0,23 + m_{Fe Fe2O3,ж.р.} + m_{Fe т.с} = 12,44+22,441 + (39,782 + 1,5) · 0,02 + (1 + 0,5) · 0,23 + 1,249 + 3,03 = 40,331 кг

 

Количество алюминия сплава

Алюминий  переходит в сплав из алюминиевой  крупки и феросилиция

 

m_Al,спл = m_Аlспл.ш + 1,5 · 0,02 = 4,157 + 0,03 = 4,187кг

 

Количество кремния сплава

Кремний переходит в сплав из титанового концентрата, алюминиевой крупки, ферросилиция и железной руды

 

 m_Si,спл = m_{Si,SiO2,к,р} + (m_крупки + m_{Al к. т.с}) · 0,01 + 1 · 0,75 · 0,5 = 1,294 + (39,782 + 1,5) ·        0,01 + 0,375 = 2,082кг

 

Количество меди сплава

Медь переходит  в сплав из алюминиевой крупки

 m_Cu,спл = (m_крупки + m_{Al к. т.с}) · 0,02 = (39,482 + 1,5) · 0,02 = 0,826 кг

 

Количество серы сплава

Сера переходит  в сплав из титанового концентрата

m_S,спл = 100 · 0,0005 = 0,05 кг

 

Данные по составу сплава сводят в таблицу 1.2

 

 

 

 

Табл.1.2 - Состав сплава

 

Элемент	Переходит в сплав, кг	Состав сплава, %
Тi	18,48	28,019
Fe	40,331	61,148
Al	4,187	6,348
Si	2,082	3,157
Cu	0,826	1,252
S	0,05	0,076
Всего:	65,956	100

 

                                 Расчет количества и состава шлака

Для снижения температуры плавления  шлака в шихту добавляют 9кг извести  на 100кг концентрата и в состав осадителя 1 кг извести на 100кг концентрата.

Шлак состоит из оксидов присутствующих в шихтовых материалах и оксидов  получающихся в процессе плавки.

 

Количество Al₂O₃ в шлаке

 

 Al₂O₃ поступает в шлак из концентрата, в результате окисления алюминиевой крупки, из железной руды и извести.

m_Al2O3,шл = С_Al2O3,к + (((m_крупки + m_{Al к. т.с}) · С_{Al, кр.}) - m_Al,спл) · М_Al2O3/2А_Al + (2 + m_{ж.р. т.с}) · С_{Al2О3, ж.р.} + 10 · С_{Al2О3, изв.} = 1,5 +(((39,782 + 1,5) · 0,94) - 4,187) · 102/54 + (2+6) · 0,01 + 10 · 0,01 = 67,07 кг

 

Количество TiO в шлаке

TiO поступает в шлак в результате восстановления TiO₂ концентрата

m_TiO,шл = m_TiО,к = 5,28 кг

 

Количество Ti₂O₃ в шлаке

Ti₂O₃ поступает в шлак в результате восстановления TiO₂ концентрата

m_Ti2O3,шл = m_Ti2О3,к = 5,94 кг

 

Количество SiO₂ в шлаке

 

SiO₂ поступает в шлак из концентрата, в результате окисления ферросилиция, из железной руды и извести

m_{SiO2, шл} = С_SiO2,к · 0,1 + (1 · С_Si,FeSi · 0,5 + 0,5 · С_Si,FeSi) · М_SiO2/А_Si + (2 · С_SiO2,ж.р. · 0,1) + 6 · С_SiO2,ж.р + 10 · С_SiO2,изв.= 3 · 0,1 + (1 · 0,75 · 0,5 + 0,5 · 0,75) · 60/28 + (2 · 0,04 · 0,1) + 6 · 0,04 + 10 · 0,05 = 2,655 кг

 

Количество FeO шлака

 

FeO поступает в шлак  из концентрата и железной руды и из термитной смеси

В 6 кг термитной смеси содержится железа

m_{Fe, т.с.} = 6 · 0,96 · 112/160 = 4,03кг

Из них 3,03кг перешло в сплав. Остаток  железа в виде FeO перейдет в шлак

m_{FeО, т.с} = (m_{Fe, т.с.} - m_{Fe, сплав, т.с}) · 72/56 = (4,03 – 3,03) · 72/56 = 1,29кг

m_{FeО, шл.} = m_{FeО Fe2O3,к} + m_{FeО Fe2O3, р} +m_{FeО, т.с} = 0,892 + 0,05 + 1,29 = 2,232кг

 

Количество MgO шлака

 

MgO поступает в шлак из концентрата

m_{MgO, шл} = 100 · C_MgO,к = 100 · 0,016 = 1,6кг

 

Количество СаО шлака

СаО поступает в шлак из концентрата, железной руды и извести

m_{MgO, шл} = 100 · С_СаО,к + (2+6) · С_{СаО,ж.р.} + 10 · С_{СаО, изв} = 100 · 0,008 + 8 · 0,03 + 10 · 0,93 = 10,34кг

 

Вес и  состав шлака приведены в табл. 1.3

 

табл.1.3 - Состав шлака

 

Окисел	Поступает в шлак, кг	Состав шлака, %
Al2O3	67,07	70,513
TiO	5,28	5,551
Ti2O3	5,94	6,245
SiO2	2,655	2,791
FeO	2,232	2,347
MgO	1,6	1,682
CaO	10,34	10,871
Всего:	95,117	100