25.2 Расчет теплового баланса

Для расчета теплового баланса принимаем, что поступающий на кислородную продувку расплав, имеет температуру 950⁰С, конечный расплав имеет температуру 1650⁰С, такую же температуру имеет и шлак. Температуру газов на выходе из конвертора можно принять равной 1700⁰С. Теплоемкость никелевого концетрата равна 0,22 ккал/(кг•⁰С). Тогда тепло никелевого концентрата составит 0,22•950•100=20900 ккал.

В процессе кислородной продувки в конверторе протекают экзотермические реакции

Ni₃S₂ + 2O₂ ↔ 3Ni + 2SO₂ + 94 ккал; (1)

Ni₃S₂ + 7/2O₂ ↔ 3NiO + 2SO₂ + 268 ккал; (2)

Fe + 1/2O₂ ↔ FeO + 64,3 ккал. (3)

Определяем количество образовавшейся закиси никеля. Принимаем, что весь кислород (1,27 кг) в металлическом расплаве связан с никелем. Количество NiO в расплаве 1,27•75/16=5,95 кг.

В шлак перешло 16,75 кг Ni, весь никель шлака находится в форме NiO. Определяем количество NiO в шлаке: 16,75•75/59=21,29 кг. Всего образовалось NiO 5,95+21,29=27,24 кг.

Определяем количество сульфида никеля, которое израсходовано на образование 27,24 кг NiO по реакции (2): 27,24•241/225=29,18 кг. Остальное количество сульфида никеля (87,14–29,18=57,96 кг) израсходовано на образование металлического никеля по реакции (1).

Теперь определяем количество тепла реакции (1): 94•57,96•1000/241=22620 ккал. Далее определяем количество тепла реакции (2): 29,18•268•1000/241=32470 ккал.

В шлак переходит 1,6 кг железа. Определяем количество выделившегося тепла реакции (3): 1,6•64,3•1000/56=180 ккал.

Тепло от окисления меди и кобальта не учитывается из-за их малых количеств. От протекания экзотермических реакций выделится тепла 22620+32470+180=55270 ккал.

Теплоемкость расплава при 1650⁰С равна 0,16 ккал/(кг-⁰С). Определяем количество тепла, уносимое расплавом: 0,16•1650•59,12=16000 ккал. Теплоемкость шлака при температуре 1650⁰С равна 0,2 ккал/(кг-⁰С). Определяем количество тепла, уносимое шлаком: 0,2•1650•25,77=8400 ккал. По данным настоящего расчета и таблицы 19 определяем количество тепла, уносимое газами, ккал:

О₂ 7,91•0,37•1700=4975

N₂ 22,57•0,35•1700=13429

SO₂ 8,09•0,57•1700=7838

Итого 26242 ккал

Тепловой баланс конвертора, перерабатывающего расплавленный сульфидный никелевый концентрат, приведен в таблице 59.

Таблица 59 Тепловой баланс процесса продувки никелевого концентрата кислородом в конвекторе

Приход тепла			Расход тепла
статьи баланса	ккал	%	статьи баланса	ккал	%
Расплав Экзотермические реакции	20900 55090	27,5 72,5	Металл Шлак Газы Потери в окружающую среду	16000 8400 26240 25350	21,06 11,06 34,53 33,35
Итого	75990	100	Итого	75990	100

Примечание. Потери тепла в окружающую среду определяются по разности.

В заключение следует сказать, что невысокое извлечение никеля в металл на операции конвертирования значительно повышается во время вакуумирования расплава. Это объясняется, во-первых, завершением реакции Ni₃S₂ + 4NiO = 7Ni + 2SO₂, по которой на 64 кг S образуется из Ni₃S₂ 234,8 кг Ni. В нашем примере на 1 кг S будет доизвлечено из шлака 1•234,8/64=3,67 кг никеля. Второй причиной доизвлечения никеля является значительное теоретически возможное развитие в вакууме реакции диссоциации NiO = Ni + 1/2O₂. Вследствие снижения при 1650⁰С теплового эндотермического эффекта этой реакции в системе шлак–металл оказывается достаточно тепла, чтобы диссоциация закиси никеля за 15–20 мин завершилась нацело. Таким образом, можно получить высокое извлечение никеля. Вакуумирование, кроме того, обеспечивает удаление вредных примесей (свинца, цинка, кадмия и др.).

На практике, чтобы не затягивать операцию вакуумирования, закись никеля из вакуум-ковша, не дожидаясь ее диссоциации, возвращают в конвертор, где она вместе с закисью, оставшейся на стенках конвертора, участвует в образовании металла (Ni₃S₂ + 4NiO = 7Ni + 2SO₂), реагируя с сульфидом никеля из новой порции расплавленного концентрата после необходимого повышения температуры.

Из цикла выводят только небольшое количество железистых шлаков.