РАСЧЕТ ШИХТЫ

3. РАСЧЕТ ШИХТЫ

Шихта состоит из боксита, известняка, кальцинированной соды и оборотного раствора.

Расчет шихты производят по упрощенной методике на 100 кг сухого боксита. При этом состав оборотных продуктов принимаем, исходя из состава бокситов и данных заводской практики.

Для обеспечения полноты протекания кристаллохимических преобразований при формировании шихты необходимо соблюдать следующие требования:

Для того, чтобы рассчитать количество компонентов, участвующих в процессе спекания (СaO, SiO₂, Nа₂О, Al₂O₃, Fe₂O₃), необходимо проссумировать содержание каждого из них во всех составляющих шихты (боксите, кальцинированной соде, известняке и оборотном растворе).

В соответствии с технологией спекания для формирования исходной шихты используется оборотный содовый раствор, получаемый после выщелачивания спеков, отделения красного шлама и частичного выпаривания. Техническое его название – белый шлам. Исходя из данных заводской практики, принимаем следующий состав белого шлама, % 25,0 Al₂O₃; 20,0 SiO₂; 23,0 Nа₂О; 9,0 H₂O_связ.; 23,0 H₂O_вн.

Из данных практики, извлечение SiO₂ в белый шлам из спека составляет 10…15%. Остальные 85…90% кремнезема переходят в красный шлам при выщелачивании. Примем извлечение SiO₂ в белый шлам равным 13%.

При условии, что примерный расход известняка на 100 кг боксита, содержащего 4,2% SiO₂ (см. табл. 1), составляет 42 кг с содержанием 1,7 % SiO₂ (см. табл. 2), общее количество кремнезема в твердых составляющих исходной шихты равно 4,2+42×0,017=4,914 кг. Тогда общее количество SiO₂ в белом шламе равно

кг.

Количество белого шлама, с учетом содержания в нем 20 % SiO₂, составит

кг.

Результаты расчетов состава и количества белого шлама сведены в табл. 7.

Таблица 7. Состав и количество белого шлама

	Всего	Al2O3	SiO2	Nа2О	H2Oсвяз	H2Oвн
Содержание, % Количество, кг.	100 3,194	25 0,799	20 0,639	23 0,735	9 0,287	23 0,735

С учетом количества SiO₂, поступающего с белым шламом, исходная шихта содержит условно свободный SiO₂ в количестве 4,2+0,639=4,839 кг. Условно свободный СаО (молекулярная масса 40+16=56) в боксите при спекании образует двухкальциевый силикат 2СаО×SiO₂, связывая SiO₂ (молекулярная масса 60) в количестве

  кг.

Оставшееся количество SiO₂, которое необходимо связать оксидом кальция равно

4,839 – 2,143=2,696 кг.

Составим пропорцию, приняв потребное количество известняка X с учетом его минералогического состава (0,017Х кремнезема и 0,511Х СаО, см. табл. 6):

Решая уравнение, получим Х=10,50 кг.

Состав и количество известняка, входящего в шихту спекания, представлены в табл. 8.

Таблица 8.

Состав и количество известняка в шихте

	Всего	CaO	CO2	SiO2	H2О	Прочие
Содержание, % Количество, кг.	100 10,5	51,1 5,365	40,15 4,216	1,7 0,179	5,95 0,625	1,1 0,116

Для определения количества оборотного раствора и свежей соды, добавляемой в шихту, используем практические данные по составу оборотного раствора, г/л: 12,0 Al₂O₃; 210 Na₂O; 130 CО₂; 1985 H₂O. Удельная плотность такого раствора составляет 1,337 г/л.

Исходя из практических данных, общее суммарное извлечение Na₂O при выщелачивании, обескремнивании и карбонизации примем равным 85%.

Теперь определим количество оксида натрия Na₂O, необходимого для осуществления процесса спекания. Учтем:

·        Количество Al₂O₃ в шихте из боксита (табл. 5) и оборотного раствора (см. табл. 7) равно

·       

51,9+0,799=52,699 кг.

·        Количество Fe₂O₃ в шихте из боксита составляет 23,0 кг.

·        Количество ТiO₂ в шихте из боксита составляет 1,7 кг.

Тогда потребное количество Na₂O (молекулярная масса 62) составит:

·        Для получения Na₂O×Al₂O₃ через Al₂O₃(молекулярная масса 102)

·       

кг.

·        Для получения метаферрита натрия Na₂O×Fe₂O₃ через Fe₂O₃ (молекулярная масса 160)

кг.

·        Для получения титаната натрия Na₂O×TiO₂ через TiO₂ (молекулярная масса 80)

кг.

Всего количество Na₂O в шихте должно быть равно

8,91+1,318+32,03=42,26 кг.

С учетом того, что в оборотном растворе часть Na₂O уже связана в метаалюминат с 12,0 % Al₂O₃, количество несвязанного Na₂O составит

кг.

Исходя из практических данных, примем степень извлечения Na₂O в раствор 85%. Тогда его количество, поступающего с оборотным раствором на формирование шихты, составит 42,26×0,85=35,921 кг. Количество оборотного раствора с учетом концентрации Na₂O в нем равно 0,21 кг/л равно

л.

При плотности раствора 1,337 кг/л его масса составит 145,395×1,337=194,392 кг.

В растворе присутствует метаалюминат натрия в количестве

210 – 202,7=7,3 г/л Na₂O общей массой 7,3×145,395=1061,384 г=1,061 кг.

Тогда с оборотным раствором будет подано свободной Na₂O в количестве

35,921 – 1,061=34,86 кг.

Состав и количество оборотного маточного раствора представим в табл. 9.

Таблица 9.

Состав и количество оборотного раствора

	Всего	Al2O3	Na2O	CO2	H2О
Содержание, г/л Содержание, % Количество, кг.	1337 100 194,392 (145,392)	12,0 0,9 1,75	210 15,7 30,52	130 9,8 19,05	985 73,6 143,07

Дополнительно в шихту необходимо ввести 42,26 – 34,86=7,4 кг. Na₂O. Если учесть, что молекулярная масса Na₂O составляет 62, а соды Na₂CO₃ – 106, то дополнительно следует подать кг кальцинированной соды или

7,4 – 4,328=3,07 кг Na₂O.

При наличии в ней до 2 % примесей (исходные данные) ее количество составит кг. Расчетный состав и количество соды приведены в табл. 10.

Таблица 10.

Состав и количество кальцинированной соды

	Всего	Na2O	CO2	Прочие
Содержание, % Количество, кг.	100 4,416	69,52 3,07	28,48 1,258	1,99 0,088

4,328 – 3,07=1,258

Определяем концентрацию оборотного раствора для обеспечения пониженной влажности шихты, значение которой из практических данных принимаем равным 36 %.

Таблица 11.

Состав и количество оборотного раствора после выпаривания

	Всего	Al2O3	Na2O	CO2	H2О
Содержание, г/л Содержание, % Количество, кг.	1628 100 134,34	21,21 1,3 1,75	369,86 22,72 30,52	230,86 14,18 19,05	1006,1 61,8 83,02

143,07 – 60,05=83,02

Общая масса шихты, состоящей из боксита влажностью 10 %, белого шлама, известняка, оборотного раствора и соды, равна

100×1,1 + 3,194 + 10,5 + 194,392 + 4,116 = 322,202 кг.

При этом количество внешней влаги в шихте равно 10 + 0,735 + +0,625+143,07 =154,43 кг.

Количество влаги, которое должно быть в шихте, составит 322,202×0,36= =115,993 кг.

Следовательно, оборотный раствор перед поступлением на шихтовку должен пройти обработку выпариванием. Определим количество воды, которое подлежит выпариванию.

Если обозначим необходимое количество влаги в шихте X, тогда

отсюда X = 94,38 кг и подлежит выпариванию 154,43 – 94,38=60,05 кг воды.

Состав и количество оборотного раствора после выпаривания представлены в табл. 11.

На основании результатов расчетов составляют полный состав шихты для спекания (табл. 12).

Таблица 12.

Состав шихты для спекания бокситов

Состав	Всего Кг %		Al2O3	SiO2	Fe2O3	TiO2	CaO	CO2	Nа2О	H2Oсв	H2Oвн	Прочие
Боксит (вл) Известняк Белый шлам Оборотн. раствор Сода кальцини- рованная Итого	110 10,5 3,194 194,392 4,416 322,5	34,32 3,28 0,37 60,65 1,38 100	51,9 - 0,799 1,75 - 54,45	4,2 0,179 0,639 - - 5,0	23,0 - - - - 23,0	1,7 - - - - 1,7	4 5,365 - - - 9,365	3,14 4,216 - 19,05 1,26 27,66	- - 0,735 30,52 3,07 34,33	11,26 - 0,287 - - 11,55	10 0,8 0,625 143,07 - 154,43	0,8 0,116 - - 0,088 1,004

4. Расчет конечных продуктов

В основе расчетов лежат следующие допущения:

1. Из шихты в спек переходят все компоненты за исключением СО₂; и Н₂О, которые полностью переходят в газы.

2. Часть шихты переходит в пыль. Состав пыли близок к составу исходной шихты с учетом ее обезвоживания.

3. Пыль является оборотным продуктом, и ее полностью возвращают в агрегат.

Для упрощения расчетов принимаем, что пылеунос из рабочего пространства печи составляет 20 % от массы сухой шихты. Определим количество пыли, находящейся в обороте при непрерывном режиме работы агрегата.

В первый цикл из исходных материалов (322,5 – 154,43)=168,07 кг будет унесено в пыль 168,07×0,2=33,6 кг.

Во втором цикле загрузки в пыль перейдет (168,07+33,6)×0,2=40,33 кг.

При третьем цикле - (168,07+40,33)×0,2=41,68 кг, а при четвертом - (168,07+41,68)×0,2=41,95 кг.

Принимаем, что в обороте присутствует 41,95 кг пыли.

Результаты расчетов состава спека, пыли и отходящих технологических газов сведены в табл. 13, табл. 14, табл. 15.

Произведем расчет рационального состава спека.

Количество Na₂O×Al₂O₃ в спеке, имеющего молекулярную массу 164, с учетом содержания Al₂O₃ (см. табл. 12) молекулярной массой 102, составит кг. Тогда количество Na₂O в этом соединении равно

87,55 –54,45=33,1 кг.

• Количество Na₂О× Fe₂O₃ в спеке, имеющего молекулярную массу 222, с учетом содержания Fe₂O₃ (см. табл. 12) молекулярной массой 160, равно кг. Тогда количество Na₂О в соединении составит

31,91–23=8,91кг.

• Количество Na₂O×TiO₂ в спеке, имеющего молекулярную массу 142, с учетом содержания TiO₂ молекулярной массой 80, равно

кг. Тогда количество Na₂O в этом соединении составит

3,01 – 1,7=1,32 кг.

Всего Na₂O в этих соединениях составляет 33,1+8,91+1,32=43,33 кг.

• Количество 2СаО× SiO₂ в спеке, имеющего молекулярную массу 172, с учетом содержания кремнезема (см. табл. 12) молекулярнои массой 112, равно

кг. Тогда количество SiO₂ в этом соединении составляет

14,38 – 9,365=5,02 кг.

Результаты расчетов сведены в табл. 16.

Полный материальный баланс процесса спекания без учета процесса горения топлива представлен в табл. 17.

Таблица 13.

Состав и количество спека

	Всего	Аl2O3	Fe2O3	SiO2	ТiО2	CaO	Na2O	Проч.
Количество, кг Содержание, %	128,8 100	54,45 42,27	23 17,86	5,0 3,88	1,7 1,32	9,365 7,27	34,33 26,65	1,004 0,7

Таблица 14. Состав и количество пыли

	Всего	Аl2O3	Fe2O3	SiO2	ТiО2	CaO	СО2	Na2O	Проч.
Количество спека с учетом обезвоживания Количество пыли, кг Содержание,%	156,5 41,95 100	54,45 14,59 34,79	23 6,17 14,7	5 1,34 3,19	1,7 0,46 1,09	9,365 2,51 5,98	27,66 7,41 17,67	34,33 9,2 21,94	1,004 0,27 0,64

Таблица 15.

Состав и количество технологических газов

	Всего	СО2	Н2О
Количество, кг	193,64	27,66	165,98
Объем, м3	220,63	14,08	206,55
Состав:
% вес	100,00	14,28	85,72
% объемн.	100,00	6,38	93,62

Таблица 16.

Рациональный состав спека, кг

Соединения	Всего	Аl2O3	Fe2O3	SiO2	ТiО2	CaO	Na2O	Прочие
Na2О×Аl2O3	87,55	54,45	-	-	-	-	33,1	-
Na2О× Fe2O3	31,91	-	23	-	-	-	8,91	-
Na2О×ТiО2	3,01	-	-	-	1,7	-	1,32	-
CaO× SiO2	14,38	-	-	5,02	-	9,365	-	-
Прочие	1,004	-	-	-	-	-	-	1,004
Итого	137,85	54,45	23	5,02	1,7	9,365	43,33	1,004

Таблица 17.

Материальный баланс процесса спекания (без учета процесса горения топлива)

№	Материалы и продукты	Всего Кг %		Аl2O3	SiO2	Fe2O3	ТiО2	CaO	СО2	Na2O	H2Oсвяз	H2Oвн	Прочие
Поступило
1 2 3 4 5	Боксит влажный Известняк Белый шлам Оборотный раствор Сода кальциниров. Итого	110 10,5 3,194 194,39 4,416 322,5	34,32 3,28 0,37 60,65 1,38 100	51,9 - 0,799 1,75 - 54,45	4,2 0,179 0,639 - - 5,0	23 - - - - 23	1,7 - - - - 1,7	4 5,365 - - - 9,365	3,14 4,216 - 19,05 1,26 27,66	- - 0,735 30,52 3,07 34,33	11,26 - 0,287 - - 11,55	10 0,8 0,625 143,07 - 154,43	0,8 0,116 - - 0,088 1,004
Поступило
1 2 3	Спек Пыль Газы Невязка Итого	128,8 41,95 193,64 -41,95 322,5	39,94 13,01 60,41 -12,99 100	54,45 14,59 - -14,59 54,45	5,0 1,34 - -1,34 5,0	23 6,17 - -6,17 23	1,7 0,46 - -0,46 1,7	9,365 2,51 - -2,51 9,365	- 7,32 27,66 -7,32 27,66	34,33 9,2 - -9,2 34,33	- - 165,98 - 165,98	- - - - -	1,004 0,27 - -0,27 1,004