16.2. Технология выплавки карбида кальция

Физико-химическая сущность процесса выплавки карбида кальция, а также тип рудовосстановительных электропечей, используемых для его получения, во многом аналогичны углеродовосстановительному производству ферросплавов. Интерес ферросплавщиков к этому процессу обусловлен еще и тем, что СаС₂ образуется как промежуточный продукт при выплавке силикокальция. Технический карбид кальция представляет собой закристаллизованный расплав, содержащий 80% СаС₂ и 10–15% СаО. Температура плавления сплавов в системе СаС₂–СаО показана на рис. 16.4.

Рис. 16.4. Диаграмма плавкости системы СаО–СаС₂:

1 – чистый компонент; 2 – компоненты технической чистоты

Карбид кальция широко используется в химической промышленности, в органическом синтезе при производстве синтетического каучука и цианамида кальция (СаСN₂). Обрабатывая СаС₂ водой, получают ацетилен С₂Н₂ по реакции

СаС₂ + 2Н₂О  С₂Н₂ + Са(ОН)₂.

Термодинамические константы Са(ОН)₂ (портландит) следующие: ∆Н= –984,2 кДж/моль,∆G= –896,6 кДж/моль,S= 83,18 Дж/(мольK).

Современная технология производства карбида кальция основана на восстановлении из окиси кальция (свежеобожженной извести, реже карбоната кальция СаСО₃) до СаС₂ углеродистыми восстановителями по суммарной реакции

СаО + 3С = СаС₂ + СО.

Температурную зависимость энергии Гиббса суммарной реакции можно получить суммированием частных реакций (в Дж/моль):

Са_т + 2С_т = СаС₂; ∆G= –57360 – 28,5Т;

СаО_т = Са_ж + О₂; ∆G= 644850 – 107,5Т;

С_т + О₂ = СО; ∆G= –118000 – 84,5Т.

_____________________________________________________________

СаО_т + 3С_т = СаС₂+СО; ∆G= 466550 – 229,6Т;

Теоретическая температура начала суммарной реакции получения СаС₂ (условие ∆G= 0, Р_СО = 101 кПа) равна 2030 K (1760^оС).

Содержащиеся в шихтовых компонентах (извести и углеродистых восстановителях сера и фосфор) в процессе плавки растворяются в расплаве карбида кальция. Кальций с серой образуют достаточно термодинамическое прочное соединение СаS по реакции:

2Са_ж + S₂ = 2CaS_т; ∆G = –1104900 + 208,8Т;

2Са_газ + S₂ = 2CaS_т; ∆G = –1410770 + 381,3Т.

Стандартные энтальпия фосфида Са₃Р₂ ∆Н = –505780 Дж/моль, энтропия S = 123,72 Дж/(мольK).

При взаимодействии с влагой фосфид кальция образует фосфористый водород (фосфин, РН₃) – ядовитый газ, поэтому содержание его в ацетилене ограничивают 0,08 объемных %. Примеси, содержащиеся в извести и зола кокса являются источником поступления в карбид нежелательных оксидов (2% Al₂O₃, 2% SiO₂). При подготовке шихты к плавке известь должна содержать 92–95% СаО и 1–2% СО₂. Содержание твердого углерода в коксе 85–89%, кокс следует сушить до влажности 1%. Известь применяют крупностью 8–10 мм, кокс 8–25 мм.

К качеству технического карбида кальция предъявляются специфические требования (табл. 16.3).

Таблица 16.3. Требования ГОСТ 1460-81 к качеству карбида кальция

Показатели	Норма для сортов
	выс- шего	1	2
Объем С2Н2, л/кг, (не менее) для кусков размерами, мм: 50–80 25–80 25–50 2–25
	295	285	275
	–	285	265
	–	280	260
	–	260	240
Объемная доля фосфористого во- дорода в ацетилене, % (не более)	0,07	0,08	0,08
Массовая доля, % (не более):
сульфидной фазы	0,5	1,2	1,2
свободного углерода	1,0	не нормируется
оксида кальция	1,7

Электропечи для выплавки карбида кальция. На современных заводах карбид кальция выплавляют в рудовосстановительных электропечах с круглой или прямоугольной ваннами единичной мощностью 60 МВ∙А. В результате реконструкции единичная мощность печи достигает 80 МВ∙А (рис. 16.5). Получили применение печи 60(80) МВ∙А с прямоугольной ванной размерами 10,9х8,9х5,6 м и самообжигающимися электродами прямоугольного сечения 3200х850 мм. Ванна печи укрыта водоохлажаемыми элементами. Вокруг каждого электрода в укрытии ванны имеются щели (воронки) шириной 300 мм для подачи шихты. Межэлектродное пространство перекрывается газоулавливающими воронками, улавливающими до 80% колошникового газа.

При мощности печи 60 МВ∙А максимальное напряжение составляет 167 В, минимальное 87 В, среднее 142 В, сила тока 110 кА. Реактивное сопротивление печи равно 670 мкОмм. Для мощности печи 80-85 МВ∙А максимальное напряжение равно 202 В, среднее 177 В.

На 1 т карбида кальция выделяется 250–330 м³ газа со следующим объемным содержанием, %: 72 СО; 4,9 СО₂; 7,8 Н₂; 0,1 СН₄; ост N₂. Запыленность газа составляет 100–150 мг/м³. Газ подвергают очистке. На очистку 1000 м³ газа расходуется 2,7–3,5 м³ воды. Расплав карбида кальция выпускается через летку в водоохлаждаемые барабаны.

Рис. 16.5. Закрытая карбидная печь с прямоугольной ванной:

1 – ванна; 2 – затвор песочный; 3 – сальник сухой; 4 – зонт; 5 - электрододержатель; 6 – механизм перемещения электродов; 7 – тракт шихтоподачи; 8 – механизм перемещения (перепуска) электродов; 9 – электроды; 10 – короткая сеть; 11 – укрытие; 12 – площадка наращивания электродов

Наряду с описанной печью в эксплуатации находятся и печи средней мощности, характеристики которых приведены ниже:

Условный номер печи	1	2	3	4	5	6
Активная мощность печи, МВт	26,5	29,5	34,8	36,5	39,5	40,5
Кажущееся сопротивление печи, мкОм	1,489	1,310	1,251	1,218	1,201	1,096
Соs 	0,92	0,84	0,89	0,88	0,87	0,87
Напряжение вторичное среднее, В	119,6	113,8	128,0	131,1	129,1	129,5
Сила тока вторичной ступени, кА	80,3	86,8	102,1	101,6	107,6	118,2

Рудовосстановительные электропечи оборудованы устройствами для автоматического регулирования мощности печи, скорости питания ванны шихтой, положением электродов в печи. Разработаны программы, алгоритмы и схемы управления процессом выплавки карбида кальция. Компьютерная схема рассчитывает и поддерживает оптимальную температуру процесса при помощи регулирования положения электродов, подаваемой мощности, а также управления подачей извести и коксика и их соотношением.