книги из ГПНТБ / Эйдензон М.А. Металлургия магния и других легких металлов учеб. пособие

Для исчисления себестоимости единицы продукции исполь­ зуется классификация затрат на ее производство по статьям рас­ ходов. По объему затрат различают цеховую, производственную

иполную себестоимость продукции.

Вцеховую себестоимость включаются все расходы цеха: сырье

иматериалы, топливо и энергия на технологические цели, зара­ ботная плата производственных рабочих с отчислениями на со­

циальное страхование, затраты на содержание и эксплуатацию оборудования и цеховые расходы. Цеховые расходы состоят из следующих основных статей: содержание всего цехового персо­ нала, отчисления на амортизацию зданий, сооружений и затраты на их текущий ремонт, систематические анализы и исследова­ ния и др.

Производственная себестоимость состоит из цеховой себестои­ мости, общезаводских расходов и прочих производственных рас­ ходов. Общезаводские расходы включают расходы на управление предприятием, общехозяйственные нужды, сборы и отчисления. Прочие производственные расходы состоят из отчисления на на­ учно-исследовательские и опытные работы.

Полная себестоимость товарной продукции учитывает, кроме производственной себестоимости, внепроизводственные расходы, связанные с реализацией готовой продукции.

Ниже приведена примерная структура полной себестоимости

В табл. 17 дана структура себестоимости отдельных переделов (без затрат на основное сырье — безводный карналлит).

Анализ структуры себестоимости магния не только в целом по всему производству, но и по отдельным технологическим переде­ лам позволяет более обоснованно и точно определять пути сниже­ ния себестоимости. .1

Наибольшее влияние на себестоимость магния оказывает тех­ нологический передел электролиза. Вторым по значению является обезвоживание карналлита. Это видно из соотношения себестои­ мости отдельных переделов, % от полной себестоимости 1 т магния:

Приведенные данные показывают, что наибольшую долю себе­ стоимости магния составляют затраты' на электроэнергию, сырье и материалы, а также расходы на содержание и эксплуатацию оборудования. Сокращение в первую очередь этих статей расхода является важнейшим фактором уменьшения себестоимости магния. Основой снижения себестоимости магния является усовершен­ ствование техники и увеличение масштабов его производства.

Передел электролиза является наиболее энергоемким, поэтому уменьшение затрат на электроэнергию связано с внедрением в про­ мышленность наиболее рациональных технологических режимов электролиза и новых конструкций электролизеров. Как показы­ вают расчеты, только за счет снижения расхода электроэнергии при переводе электролизеров на работу при малом межэлектрод­ ном расстоянии достигается снижение себестоимости передела электролиза на 3—4% без существенного увеличения капиталь­ ных вложений, а внедрение бездиафрагменных электролизеров сопровождается снижением себестоимости на 7—10%.

162

Существенное уменьшение затрат на электроэнергию может быть достигнуто в результате перехода на одностадийное обезво­ живание карналлита, так как стоимость электроэнергии состав­ ляет значительную долю всех затрат на передел второй стадии обезвоживания. Вместе с тем вследствие большой доли затрат на топливо в первой стадии обезвоживания карналлита перевод пе­ чей (вращающихся и КС) на отопление дешевым природным газом вместо угля, мазута или генераторного газа позволит снизить себе­ стоимость этого передела примерно на 20%.

Затраты на сырье и материалы могут быть снижены как в ре­ зультате уменьшения их удельного расхода, так и вследствие их удешевления. Например, уменьшение удельного расхода хлора вдвое дает снижение затрат при окончательном обезвоживании карналлита примерно на 16%. Сравнительно высокая цена искус­ ственного карналлита обусловливает значительную долю затрат на сырье в себестоимости магния. Поэтому основным путем даль­ нейшего уменьшения доли затрат на сырье в себестоимости магния на заводах, которые не базируются на месторождениях высоко­ качественного природного карналлита, является широкое вовле­ чение в качестве исходного сырья дешевых вторичных хлормагниевых растворов, перерабатываемых по рациональной технологии в безводный хлорид магния.

Большое влияние на себестоимость магния оказывает реали­ зация попутных продуктов: хлора и отработанного электролита'. Поэтому все мероприятия, направленные на увеличение выхода этих продуктов и повышение их качества, имеют большое значение для экономики производства магния.

Производительность труда — важнейший обобщающий пока­ затель производства — оказывает большое влияние на себестои­ мость продукции. Важнейшими факторами, которые определяют рост производительности труда в производстве магния, являются внедрение в промышленность и освоение новых, прогрессивных технических решений, в частности рассмотренных в предыдущем разделе этой главы. Например, в результате внедрения ком­ плексно-механизированной и автоматизированной технологии обезвоживания карналлита в печах КС производительность труда на этом участке увеличилась в два раза. Применение в промыш­ ленных масштабах электролизеров новых конструкций и ликви­ дация в связи с этим ряда тяжелых и малопроизводительных опе­ раций дает увеличение производительности труда только при об­ служивании электролизеров на 10—15%. Наибольший прирост производительности труда' связан, разумеется, с интенсификацией процесса электролиза в таких электролизерах.

Дальнейшее изменение характера труда и повышение его про­ изводительности произойдет в результате объединения электро­ лизеров в поточную систему. Одновременно это уменьшит трудо­ емкость процессов заливки сырья в электролизеры и извлечения магния из них. Внедрение механизированных и автоматизирован-

ных линий, состоящих из печей для непрерывного рафинирования и комплекса машин для литья, защитной обработки и складиро­ вания чушек металла, повышает производительность труда на этом переделе в два раза и снижает его себестоимость на 10%.

Существенную часть себестоимости отдельных переделов в про­ изводстве магния составляют расходы на содержание и эксплуа­ тацию оборудования. Снижение затрат на амортизацию дости­ гается прежде всего уменьшением удельных капитальных затрат, выбором наиболее рациональной технологической схемы, устра­ нением излишеств в проектировании и строительстве, сокращением сроков освоения новой технологии и достижения проектных пока­ зателей. Этому способствуют также интенсификация производ­ ственных процессов и наиболее полное использование существую­ щих мощностей.

Уменьшение затрат на ремонт достигается путем удлинения срока службы оборудования. Это, однако, не означает, что его можно использовать до полного износа. Только своевременный и ■ планомерный ремонт обеспечивает сохранность основных средств

ивысокие технические показатели работы оборудования. Снижение цеховых и общезаводских расходов достигается в ре­

зультате улучшения структуры управления производства во всех его звеньях, укрупнения производственных участков, повышения роли и ответственности мастеров и начальников цехов, а также устранения различных непроизводительных затрат. По предва­ рительным расчетам, в результате реализации всех уже известных возможностей усовершенствования технологии и повышения тех­ нического уровня производства магния производительность труда в магниевой промышленности увеличится в 1,5—2 раза, а себе­ стоимость магния снизится на 15—18%. Снижение себестоимости магния приведет к снижению его цены, что вместе с расширением масштабов производства магния явится решающей предпосылкой

для широкого внедрения магния в различные отрасли народного / хозяйства.

Г Л А В А X IV

ПОЛУЧЕНИЕ МАГНИЯ СИЛИКОТЕРМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

Силикотермический процесс получения магния — это единствен­ ный в настоящее время промышленный способ получения магния, основанный на прямом восстановлении окиси магния. Производ­ ство магния другими термическими ,способами (карбидотермиче­ ским и карботермическим) теперь прекращено и представляет лишь исторический интерес..

164

I

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

Силикотермический способ основан на реакции

2MgO + Si z l S i0 2 + 2Mg.

Эта реакция обратима и, как показывают расчеты и опыт, при давлении в 1 ат протекает в сторону образования магния при тем­ пературе не ниже 2300° С. С понижением давления реакция про­ текает при более низких температурах. При остаточном давлении 1 мм рт. ст. образование магния по реакции происходит при 1500° С.

В присутствии окиси кальция восстановление окиси магния кремнием идет по реакции

Реакция окисей магния и кальция с кремнием при давлении

1150— 1200° С.

Понижение температуры реакции имеет большое практическое значение. Поэтому в силикотермическом процессе в качестве ис­ ходного сырья применяют не окись магния, а обожженный доломит, в котором MgO и СаО содержатся примерно в таком отношении, как это требуется для протекания реакции. Кроме того, из при­ веденных выше данных о зависимости температуры реакции от давления следует, что окись магния восстанавливать кремнием целесообразно в вакууме.

Так как рассматриваемая здесь реакция протекает при тем­ пературе выше точки кипения магния, то он выделяется в газооб­ разном состоянии, легко удаляется из зоны реакции и затем кон­ денсируется, вследствие чего реакция практически проходит вправо до конца. Условия, при которых конденсируется магний, образовавшийся в результате этой реакции, определяются тем­ пературой и давлением пара магния в зоне конденсации. Конден­ сация начинается тогда, когда температура пара магния сни­ жается до точки, при которой фактическое его давление становится равным давлению насыщенного пара.

Давление пара магния в тройной точке, отвечающей 650° С (температура плавленая магния), составляет примерно 2,55 мм рт. ст. Следовательно, при давлении ниже 2,5 мм рт. ст. возможно равновесие только газообразной и твердой фаз, и магний конден­ сируется только в твердом состоянии.

165

Основные технологические показатели процесса — выход маг­ ния, удельный расход энергии и исходных материалов, произво­ дительность аппаратов.

Выходом магния при силикотермическом восстановлении окиси магния называют отношение количества фактически полученного за определенное время магния (аф) к теоретически возможному

Скорость реакции восстановления характеризуется выходом магния в зависимости от продолжительности процесса при задан­ ных условиях и определяет при прочих одинаковых условиях про­ изводительность аппарата, в котором происходит восстановление.

На ход процесса влияют различные факторы.

В л и я н и е с о с т а в а ш и х т ы . Наиболее высокий выход магния и скорость процесса достигаются при расчете шихты на образование магния и двухкальциевого силиката по уравнению

2MgO + 2СаО + Si == 2Ca0-Si02 + 2Mg.

В этом случае молекулярное отношение компонентов шихты

MgO : СаО : Si должно быть равно 2 : 2 : 1 .

В качестве исходного материала применяют обожженный доло­ мит, молекулярное отношение MgO : СаО в котором близко к 1. Поэтому шихту составляют с расчетом, чтобы на два моля доло­ мита приходился один моль кремния. В качестве восстановителя обычно применяют не кремний, а сплав его с железом — ферро­ силиций.

В л и я н и е д о б а в о к и п р и м е с е й в ш и х т е . Добавки 2% CaF2 в шихту ускоряют реакцию восстановления. Избыток S i0 2 и А1аО зсвязывает часть магния в силикаты и алю­ минаты, снижая тем самым выход магния; Fe2O s частично восста­ навливается кремнием. Значительные количества этих примесей разбавляют реакционную смесь, тем самым ухудшая контакт между реагирующими веществами. Содержание S i02 и А120 3 в шихте не должно в сумме превышать 3%.

Окислы щелочных металлов восстанавливаются одновременно с окисью магния; натрий и калий откладываются в более Голод­ ных зонах конденсатора. При выгрузке магния щелочные металлы воспламеняются, что может привести и к воспламенению магния. Содержание окислов щелочных металлов в исходном сырье не

должно превышать 0,3%.

Двуокись углерода реагирует с кремнием по уравнению

2СОа + Si = 2СО + S i02.

Этим обусловливаются потери части кремния еще до того, как он успеет восстановить окись магния.

166

Вода реагирует с выделившимся магнием по уравнению

Н 20 + Mg = MgO + Н 2,

что приводит к прямым потерям магния. При температуре вос­ становительного процесса возможно также окисление кремния водяным паром, что увеличивает расход восстановителя. Обожжен­ ный доломит не должен содержать СО2 и Н 20.

В л и я н и е ф и з и ч е с к о г о с о с т о я н и я ш и х т ы . Тесное соприкосновение составных частей шихты благоприятно влияет на ход реакции. При малой пористости брикетов умень­ шается скорость удаления из них паров магния, а значит, и ско­ рость реакции.

Степень измельчения компонентов шихты также оказывает су­ щественное влияние на скорость процесса. При крупном помоле уменьшаются скорость реакции и выход магния, однако чрезмер­ ное измельчение обусловливает малую пористость брикетов.

Опытом установлено, что ферросилиций достаточно измельчать до крупности зерна 0,3 мм; размер зерен обожженного доломита должен быть в пределах 0,1&—0,75 мм.

■В л и я н и е в а к у у м а и т е м п е р а т у р ы . Опытным путем установлено, что при восстановлении окиси магния ферро­ силицием в присутствии окиси кальция выход магния увеличи­ вается с уменьшением остаточного давления и повышением тем­

из руды, т. е. обжига магнезита или доломита с целью получения окиси магния; 2) подготовки шихты из окиси магния и восстанови­ теля (смешения и брикетирования); 3) восстановления окиси маг­ ния;- 4) переплавки полученного-магния (рис. 56).

Ниже кратко изложена технология производства магния по способу Пиджена в Канаде 2. В качестве исходных материалов применяются доломит и 75%-ный ферросилиций. Доломит содер­ жит не менее 21% MgO, не более 2% нерастворимого в кислоте остатка и не более 0,1% калия и натрия.

П р и г о т о в л е н и е б р и к е т о в . Дробленый и отсорти­ рованный доломит обжигают в шахтной речи и затем измельчают последовательно в молотковой дробилке и вальцевой мельнице. Ферросилиций измельчают в молотковой дробилке и шаровой

р. 1887.

аT h o m s o n J. Light. Met. Age, 1963, № 11, p. 14.

167

растворимого в кислотах остатка, не более 0,75% СО„ и в преде­ лах 0,25—1,25% Н 20.

Измельченные доломит и ферросилиций поступают в бункера, откуда через дозатор подаются в смеситель. Шихту брикетируют на валковых ячейковых прессах высокого давления. Брикеты от­

ках которого осаждается магний. Во избежание совместной конденсации паров магния и щелочных металлов в заднюю часть конденсационной зоны устанавливают несколько скрепленных между собой перегородок, которые образуют камеру для конден­ сации паров щелочных металлов. Первая перегородка, обращенная к конденсатору для магния, отклоняет к нему струю магниевых паров, а более летучие пары щелочных металлов устремляются через отверстия в перегородке в более холодную зону, где и оса­ ждаются отдельно от магния.

При раздельной конденсации паров магния и щелочных метал­ лов устраняется опасность воспламенения магния при возгорании щелочных металлов во время разгрузки конденсатора.

Внутри реторты в конце реакционной зоны, непосредственно примыкающей к конденсатору, помещен экран, состоящий из

168

Двух перфорированных пластин, отверстия которых не совпадают. Такое устройство экрана позволяет парам магния свободно про­ ходить из реакционной зоны в конденсатор и одновременно пре­ пятствует нагреванию конденсатора раскаленной шихтой. В ре­ тортной печи установлено 20 реторт в один ряд.

Печь отапливается газом, который подается в горелки низкого давления, расположенные вверху и внизу печи. К этим же горел­ кам подводится воздух. Полный цикл операции в реторте длится десять часов. Подачу газа в печь регулируют таким образом,

восстановления магния

арматуру реторты закрывают. (Затем реторту разогревают 10— 30 мин для удаления влаги из брикетов, после чего ее закры­ вают и подключают к вакуумной системе.

Каждые четыре реторты соединены с вакуумным насосом. Ре­ торта находится под вакуумом в среднем 9,5 ч. Остаточное давле­ ние в реторте в начале периода восстановления равно 1 мм рт. ст., а к концу этого периода снижается до 0,045 мм рт. ст.

Конденсатор охлаждается водой, циркулирующей в водяных рубашках. Оптимальная температура, при которой достигается отложение наиболее плотного осадка кристаллов магния, состав­ ляет 475-—550° С. После окончания восстановления вакуум сни­ жают, открывают крышку и извлекают ловушку для щелочных металлов и конденсатор с магнием. Затем выгружают остатки брикетов. Магний осаждается на стенках конденсатора в виде плотного осадка цилиндрической формы. Суточная производи­ тельность одной печи (20 реторт) составляет 691 кг. После извле­ чения из конденсатора магний переплавляют и разливают в чушки или используют для приготовления сплавов.

В условиях работы (высокая температура и глубокий вакуум) прочность материала реторт находится на пределе текучести, вследствие чего стенки реторты уже через 100 суток сплющиваются. Чтобы их выправить, в разогретую в печи реторту нагнетают сжатый воздух'. Этот прием позволяет удлинить срок службы реторты до 250 суток.

Магний, полученный силикотермическим способом, очень чист. Содержание примесей значительно ниже, чем в магнии, получен­ ном электролизом, и не превышает 0,005% Си, 0,005% РЬ, 0,003% Fe, 0,005% Ni, 0,001% Мп и 0,008% Si. На получение 1 т магния

3. НОВЫЕ ВАРИАНТЫ СПОСОБА

Недостатком описанного выше способа восстановления окиси магния в реторт­ ных печах является его периодичность и сравнительно небольшая производитель­ ность печей. В последние годы разрабатываются полунепрерывные и непрерыв­ ные процессы; два таких способа рассмотрены ниже.

Во Франции разработан полунепрерывный способ получения магния из доломита (способ «Магнетерм») С Схема опытно-промышленной установки произ­ водительностью 600 т магния в год приведена на рис. 59.

Доломит восстанавливается в электрической печи сопротивления, наполнен­ ной жидким шлаком. Один графитовый электрод пропущен через свод печи, вто­ рым электродом служат угольные блоки на подине печи. Печь находится непре­

Пар магния поступает в конденсатор, состоящий из двух частей: камеры и резервуара для магния. Под резервуаром помещен электрический нагреватель, чтобы поддерживать магний в расплавленном состоянии.

Шлак накапливается в печи. Когда уровень его достигнет наибольшей вели­ чины, в печь подают аргон (до атмосферного давления), отключают конденсатор, а резервуар с магнием перевозят в литейное отделение для рафинирования и раз­ ливки. Оставшийся ферросилиций и шлак сливают в ковш, однако в печи должно оставаться определенное количество шлака, чтобы не разрывалась электрическая цепь. Затем присоединяют конденсатор к печи, печь — к вакуумной линии и начи­ нают следующий цикл восстановления.

Согласно последним литературным данным 1,32 на получение 1 т магния рас­ ходуется: электроэнергии 13 200 кВт-ч, доломита (21% MgO) 13 т; маложелези­ стого боксита (глинозема) прокаленного 1 т. Кроме магния, этим процессом полу­ чают товарные отходы (на 1 т Mg): 0,2 т 25%-ного ферросилиция, 5,5 т глино­ земистого шлака.

На рис. 60 приведена схема опытной вакуумной печи непрерывного действия фирмы Кнапзак — Грисгейм (ФРГ) 3. Печь состоит из реактора, промежуточной и конденсационной камер. Реактор 4, представляющий собой стальной кожух,

футерованный огнеупорным кирпичом, обогревается графитовыми элементами

170