20.1 Расчет расхода восстановителя и размеров электрической печи
Определим размеры ванны дуговой электрической печи, имеющей, мощность трансформатора 2100 кВА [можно устанавливать и более мощные (4000–9000 кВА) трансформаторы] при четырехсменной работе
Оптимальная форма ванны – сфероконическая: При такой форме ускоряется расплавление, так как жидкий металл накапливается в нижней сферической части ванны.
Определяем производительность печи за одну плавку по известной формуле Q=(W•cosf•K•t•6)/а=(2100•0,9•1•0,92•6)/1300=8 т,
где W – 2100 кВА (мощность трансформатора);
К = 1 (коэффициент использования мощности трансформатора);
cos f = 0,90 (коэффициент мощности);
t – 0,92 (коэффициент продолжительности работы печи с учетом простоев на загрузку и т. д.);
а = 1300 кВт-ч (расход электроэнергии на 1 т металла);
Q – производительность печи за смену (6 ч), т.
Определяем объем ванны при плотности жидкого никеля 7,76 т/м3 и шлака 3,3 т/м3. Выход шлака от массы металла принимаем 5%, что составит от массы плавки 8•0,05=0,4 т. Отсюда ванна печи должна иметь объем 8/7,75+0,4/3,3=1,03+0,12=1,15 или округленно 1,2 м3. Определение размеров ванны упрощается, если принять на основе опыта работы никелевых электропечей следующие условия:
1) форма ванны –сфероконическая;
2) уровень шлака совпадает с уровнем порога окна;
3) диаметр зеркала ванны к глубине ванны D/H=4;
4) высота сферической части ванны h1=0,2H.
Объем ванны равен сумме объемов усеченного конуса и шарового сегмента
V=πh2•(R2+rR+r2)/3+
πh1•(г2/2+
/6),
где R – радиус зеркала ванны на уровне порога;
r – радиус шарового сегмента;
h2 – высота усеченного конуса;
h1 – высота сферической части.
По условию D=4Н; R=2H; h1=0,2H; h2=0,8H; d=D–2h2=2,4H и r=1,2H. Если в эту формулу подставить найденные значения в зависимости от глубины ванны H, то объем ванны будет V=7,05•H3. Вместо H подставляем его значение, выраженное через D, т.е. D/4, тогда объем ванны V=7,05D3/64=0,11D3=1,2 м3. Решая это уравнение, получаем D=2220 мм – диаметр зеркала ванны, H=2220/4=555 мм – глубина ванны. Высота сферической части h1=0,2H=0,2•555=111 мм. Высота конической части h2=0,8H=0,8•555=444 мм.
Размеры плавильного пространства. Если уровень откосов принять на 100 мм выше уровня зеркала ванны, то диаметр плавильного пространства на уровне откосов D0=2220+200=2420 мм. Высота Н1 от порога до пят свода принимается для сталеплавильных печей от 0,42 до 0,44D. Для нашего случая Н1=0,42D=0,42•2220=932,4 мм или Н1=932 мм. Уклон стен до пят свода над уровнем откосов принимаем 1/10 высоты, т.е. (932–100)/10=83,2 мм или округленно 83 мм. Диаметр плавильного пространства на уровне пят свода Dп=D0+2•83=2420 +166=2586 мм. Высоту подъема для динасового свода принимаем 1/10, т.е. h3=2420/10=242 мм. Толщина свода 300 мм. Толщина футеровки и кожуха принимается по данным практики.
§ 21. Электроплавка руд на ферроникель
В процессе электроплавки смеси огарка, нагретого до 700–9000С, с углеродом (при отсутствии серы в руде) восстанавливаются никель, кобальт и частично железо с образованием ферроникеля. Содержание железа в ферроникеле определяется строгой дозировкой расхода восстановителя из расчета на восстановление никеля, кобальта, хрома и только части железа. Процесс электроплавки огарка на ферроникель можно описать реакцией МеО + С = Me + CO. По этой реакции можно рассчитать теоретическую потребность в мелком коксе (коксике) или угле. Практически расход восстановителя больше теоретического, так как часть углерода сгорает в электропечи за счет воздуха, который попадает в печь через ее неплотности.
Для расчета состава ферроникеля можно принять, что в сплав извлекается 94–96% Ni, 90% Со, 20–30% Сг. В процессе электроплавки получается ферроникель следующего состава: 6–8% Ni; 0,4–0,5% Со; 2–3% Сг; 0,3–0,4% S; 0,3% Р; 1–5% Si; 1,2–1,5% С; 83–85% Fe. В отвальном шлаке содержится 0,04–0,06% Ni. Для использования ферроникеля в сталеплавильном производстве его рафинируют от Si, Сг, С, S, Р. На 1 т огарка при электроплавке расходуется 600–700 кВт•ч.
Проведем примерный расчет материального баланса, состава отходящих газов и определим расход восстановителя. Переработке подвергается прокаленная руда, нагретая до 8000С, следующего состава: 0,80% Ni (1,03% NiO); 46,2% SiO2; 8,4%А12О3; 0,045% Со (0,057% СоО); 2,5% СаО; 17,40% Fe (24,8% Fe2О3); 16,0% MgO; 0,54% Сг (0,791% Cr2O3); 8,115% прочие*.
* В том числе кислород Fe2O3 7,5 кг, СоО 0,012 кг, Сг2О3 0,25 кг, минералы 0,25 кг.
Для расчета состава ферроникеля принимаем, что а сплав извлекается 96% Ni, 90% Со и 20% Сг. Расчет электроплавки ведем на 1000 кг руды. В ферроникель переходит: Ni 8•0,96=7,68 кг, Со 0,45•0,9=0,405 кг и Сг 5,4•0,2=1,08 кг. При содержании 8% Ni выход сплава составит 7,68/8•100=96кг. Иногда плавят на бедный ферроникель, содержащий около 5,0% Ni. По данным практики электроплавки аналогичной руды принимаем, что в металлическом сплаве будет содержаться 1% Si, 1,2% С, остальное железо. Состав ферроникеля, кг (%): Ni 7,68 (8,00); Со 0,405 (0,42); Fe 84,725 (88,26); Сг 1,08 (1,12); Si 0,96 (1,0); С 1,15 (1,20). Всего, следовательно, 96,00 кг.
Подсчет расхода коксика. Для восстановления окислов в шихту электроплавки вводится коксик следующего состава: 85% С, 12% золы и 3% влаги при содержании в золе 45% SiO2, 36% А12О3, 15% FeO, 2% СаО, 2% прочие.
При подсчете количества восстановителя принимаем, что реакции протекают при высокой температуре с образованием СО. На восстановление окислов металлов будет затрачено углерода и получено окиси углерода, кг:
|
С |
СО |
На восстановление 247,8 кг Fe2O3 до FeO + CO На восстановление 109 кг FeO до Fe* На получение 7,68 кг никеля NiO + С = Ni + CO На получение 0,405 кобальта СоО + С = Со + СО На получение 1,08 хрома Сг2О3 + ЗС = 2Сг + 3CO На получение 0,96 кремния SiO2 + 2С = Si + 2CO |
18,717 18,150 1,635 0,082 0,372 0,823 |
43,74 42,35 3,81 0,19 0,87 1,92 |
Всего |
39,779 |
92,88 |
* Количество железа в сплаве (84,729) определено по составу сплава.
Для получения его требуется восстановить 109,0 кг FeO.
Остаток FeO шлакуется.
Кроме того, углерода в сплаве содержится 1,15 кг, следовательно, всего потребуется углерода 40,93 кг.
По данным практики принимаем расход электродов 5 кг на 1 т руды. Ввиду малой зольности электродов принимаем, что они состоят из чистого углерода. Тогда потребуется ввести в электропечь с коксиком углерода 40,93–5=35,93 кг или коксика 35,93/0,85=42,27 кг. Практически коксика расходуется больше теоретического, а именно 50 кг на 1 т руды. Избыток коксика 7,73 кг или углерода 7,73•0,85=6,57 кг (около 18%) сгорает в электропечи, соединяясь с кислородом воздуха, который попадает в печь через неплотности. Принимаем, что 80% избыточного углерода сгорает до СО, а 20% до СО2. При сгорании углерода коксика будет получено 12,26 кг СО и 4,8 кг СО2. При этом будет израсходовано 7,01+3,49=10,50 кг кислорода. С кислородом поступит азота (10,50/23)•77=35,21 кг; всего воздуха 10,5+35,21=45,71 кг. Предварительные результаты расчетов состава и количества газов электропечи приведены ниже:
кг м3 % (объемн.)
СО 92,88+12,26=105,14 84,22 72,1
СО2 4,80 2,64 2,3
N2 35,21 28,17 24,2
Н2О (коксика) 50•0,03=1,50 1,87 1,4
Итого 146,65 116,90 100,0
Физическое и химическое тепло газа можно использовать для сушки, руды. Для этого рекомендуется сушильные печи устанавливать над электропечами. При этом происходит и частичное восстановление руды.
Подсчет состава шлака. В шлак переходит зола кокса 50•0,12=6,0 кг, в ней содержится, кг: 2,7 SiO2; 2,16 А12О3; 0,9 FeO и 0,12 СаО. В шлак перейдут шлакообразующие из руды и золы кокса:
|
кг |
% |
SiO2 462,0+2,7–(0,96/28•60) FeO 114,0+0,9 А12О3 84,0+2,16 СаО 25,0+0,12 MgO 160 Сг2О3 7,91–(1,08/104•152) Прочие 4,7 (из руды) |
462,64 114,90 86,16 25,12 160 6,33 4,7 |
53,775 13,362 10,01 2,92 18,6 0,736 0,59 |
На шлаке полученного состава электропечь работать может. Температуру жидкотекучести такого шлака будет находиться в пределах 1460–15000С. Если содержание SiO2 оказывается выше 55%, то практически предпочтительнее снижать содержание кремнезема в шлаке до 53–55% добавкой известняка. Ниже приведен материальный баланс электроплавки, кг
Приход Расход
Руда прокаленная 1000,0 Шлак 857,3
Коксик 50,0 Ферроникель 96,00
Электроды 5,0 Газы 6,65
Воздух (подсос) 45,7 Невязка 0,75
Пыль (оборотная) 60,0
Итого 1160,7 1160,7