Расчет материального баланса получения 100 кг вольфрама

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ВВЕДЕНИЕ

Вольфрам как элемент был открыт в 1781 г., а через два года из руды впервые была выделена вольфрамовая кислота и получен порошок вольфрама. С конца 19 века вольфрам начали широко использовать в качестве легирующей добавки к вольфрамовым сталям

С 1927 г. вольфрам в виде карбида начали использовать в производстве твердых сплавов, играющую важную роль в современной технике в качестве материала для изготовления режущего инструмента.

Порошкообразный вольфрам можно получить восстановлением его соединений, главным образом WO3 , различными восстановлениями. Наибольшее распространение в промышленной практике получил метод воcстановления WO3 в среде водорода.

Аналог данного производства существует в цехе №8 на предприятии ОАО «КЗТС».

Порошкообразный вольфрам получают в печах сопротивления косвенного действия, которые являются самыми массовыми электрическими печами с широким диапазоном параметров, разнообразным техническим назначением, как следствие разным уровнем техноэкономическим показателей. Для промышленных печей сопротивления косвенного действия коэффициент полезного теплоиспользования КПТ колеблется от 15% до 70%.

Работа любой электрической печи и степень совершенства ее конструкции характеризуется такими показателями, как КПД, производительность и удельный расход электроэнергии на единицу обрабатываемого металла. Эти характеристики связаны с мощностью печи, ее геометрическими размерами, емкостью и другими параметрами. Анализ этих взаимосвязей позволяет установить пути усовершенствования конструкции печи и режима ее работы. Анализ показывает, что чем больше подводимая к печи мощность, тем короче будет время нагрева и выше ее производительность при данной емкости печи. Производительность печи при данной мощности возрастает при сокращении неизбежных периодов простоя и технической выдержки.

При конструировании электрических печей необходимо обеспечивать такую величину тепловых потерь, которая приведет к ?т >0,8. Величина тепловых потерь пропорциональна теплоотдающей поверхности печи, поэтому с увеличением емкости печи, когда соотношение между теплоотдающей наружной поверхностью и массой садки уменьшается, снижается удельный расход электроэнергии. Однако емкость печи следует выбирать совместно с ее мощностью, так как при взаимно-противоположном изменении этих двух параметров можно получить одну и туже производительность. Поэтому в каждом отдельном случае необходимо проведение подобного технико-экономического анализа, задачей которого должно быть отыскание таких величин мощности и емкости, которые бы обеспечивали заданную производительность рассматриваемой печи и соответствовали бы наименьшим суммарным расходам, приходящимся на единицу продукции.



1.ОПИСАТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Теоретические основы процесса восстановления тугоплавких металлов

Известны следующие способы получения вольфрама из его соединений:

1.Восстановление трехокиси вольфрама водорода

2.Восстановление трехокиси вольфрама или вольфраматов (CaWO4 и др.) углеродом.

3. Восстановление галогенидов (WF6, WCI6) водородом.

4. Металлотермическое восстановление окислов или вольфраматов (магнием, алюминием и др.)

5. Термическая диссоциация карбонила вольфрама.

6. Электролитическое получение вольфрама в расплавленных средах.

Наиболее распространен в промышленной практике способ восстановления WO3 водородом. Получаемый в результате восстановления порошкообразный вольфрам используют для производства компактного металла, получения карбида вольфрама и ряда сплавов. Порошки вольфрама, востановленные из WO3 углеродом, непригодны для производства пластичного вольфрама, так как они содержат включения его карбидов, что приводит к хрупкости и ухудшению обрабатываемости заготовок. Порошки углеродного восстановления иногда используют в производстве твердых сплавов ( для получения карбида вольфрама), однако и в этой области предпочитают применять вольфрам водородного восстановления. Разработаны и начинают применяться методы получения порошков вольфрама восстановлением водородом паров галогенидов. Получаемые при этом порошки с различной крупностью частиц (тонкодисперсные или крупные сферические порошки) отличаются высокой чистотой, в частности низким содержанием кислорода.

Метод термической диссоциации карбонила, а также восстановление галогенидов водородом используется для получения вольфрамовых покрытий на других металлах, графите или изделиях из керамики. Металлотермические способы получили распространение преимущественно в производстве ферровольфрама. Электролитические способы получения вольфрама неоднократно исследовались и продолжают изучаться. Однако они в настоящее время еще не нашли практического применения.

Было установлено, что в интервале температур 600-900° С восстановление проходит в четыре стадии соответстенно существованию четырех окислов вольфрама:

WO3+0,1H2=WO2,9+0,1H2O, (1)

WO2,9+0,18H2=WO2,27+0,18H2O, (2)

WO2,27+0,72H2=WO2+0,72H2O, (3)

WO2+2H2=W+2H2O, (4)

К порошкам вольфрама, предназначенным для производства ковкого металла методом порошковой металлургии, предъявляются определенные требования в отношении их гранулометрического состава. На практике используют порошки со средним размером частиц 2-3 мкм при колебаниях размеров от десятых долей микрона до 5-6 мкм. В производстве твердых сплавов на основе карбида вольфрама в зависимости от марки сплава используют тонкодисперсные, средней зернистости и крупнозернистые вольфрамовые порошки.

В связи с этим весьма важно выявление факторов, влияющих на величину зерен порошков вольфрама. Плотность WO3 равна 7,5, а вольфрама 19,3 г/см3. Поэтому при отсутствии каких-либо усложняющих факторов из одной частицы WO3 должна образоваться частица вольфрама соответственно меньшего размера (например, из частицы WO3 размером 10 мкм получалась бы частица вольфрама размером 6,5 мкм). В этом случае размеры частиц порошка вольфрама определялись бы только размерами частиц исходной трехокиси вольфрама.

Однако из данных исследований и производственной практики известно, что нет однозначной связи между размерами частиц WO3 и размерами частиц порошка вольфрама. В зависимости от режимов восстановления как из крупнокристаллического, так и мелкозернистого порошкаWO3 можно получить и крупные, и мелкие порошки вольфрама. При этом определяющие влияние на размер частиц вольфрама оказывают размеры зерен образующейся WO2 . Как правило, из одной частицы WO2 образуется одна частица вольфрама. Однако в реальных условиях восстановления слоя оксидов высотой 2-4 см, размеры частиц вольфрама обычно несколько больше размеров исходных частиц WO2.

Восстановление вольфрамового ангидрида водородом проводят в стационарных многотрубных печах с непрерывным или периодическим продвижением контейнеров (лодочек) с восстанавливаемым материалом вдоль трубы или в трубчатых вращающихся печах.

Наиболее распространены многотрубные электрические печи. Печь состоит из двух рядов труб (например, в нижнем ряду шесть труб, в верхнем пять труб), изготовленных из хромоникелевой стали. Диаметр труб 50-70 мм, длина 5-7 м. Трубы заключены в железный кожух, выложенный внутри теплоизоляционными материалами (листовой асбест, диатомитовый и шамотный кирпич, асбоцементные плиты). Непосредственно под трубами и над ними находятся слои фасонной керамики, в пазах которой размещены спиральные нагреватели из нихромовой проволоки диаметром 4,5-5 мм.

Печь имеет пять температурных зон, общая длина которых приблизительно 4 м. Мощность печи около 50 кВт. Лодочки из никеля, сплава «НИМО» (28% Мо, 80% Ni) или из нержавеющей стали, заполненные восстанавливаемым материалом, передвигаются вдоль труб с помощью металлических штанг механическим толкателем. Скорость передвижения может изменяться от 5 до 30 мм/мин. Разгрузочный конец печи снабжен холодильником для охлаждения лодочек, выходящих из горячих зон печи. Водород подается с разгрузочной стороны труб (противоточно движению лодочек). Отработанный водород, содержащий пары воды, выводится с загрузочной стороны труб в коллектор, откуда поступает в систему регенерации, и затем возвращается в процесс.

Более совершенны разработанные в последние годы печи с прямоугольными муфелями и механизированной загрузкой и выгрузкой. Эксплуатируют печи с размерами муфеля в сечении 40х160 мм (низкий муфель) и 70х160мм (высокий муфель). Муфели изготовляют из жароупорной стали Х23Н18.

Восстановление проводят в прямоугольных лодочках размером 300х145х30 мм (при низком муфеле). В высоком муфеле используют трехъярусные лодочки. Расположение окисла в лодочке тремя тонкими слоями улучшает условия восстановления. Печи с высоким муфелем и трехъярусными лодочками используют на заводах твердых сплавов, где масштабы производства порошка вольфрама велики. Преимущества прямоугольных муфелей и лодочек перед цилиндрическими состоят в одинаковой высоте насыпки слоя окисла в любом сечении лодочки, что обеспечивает однородность качества получаемых порошков.

Наряду с многотрубными печами для восстановления WO3 водородом применяют непрерывно действующие вращающиеся печи. Вращающиеся трубчатые печи (диаметр трубы 400 мм, длина 4 м) используют в настоящее время на заводах твердых сплавов для первой стадии восстановления (WO3>WO2), проводимой при максимальной температуре 750° С.

В производстве крупнозернистого вольфрама для специальных сортов твердых сплавов восстановление ведут в печах с прямоугольными керамическими муфелями из алунда при температурах 1100-1200° С. Нагрев в таких печах служит молибденовая лента.



1.2 Пути усовершенствования процесса

Подобрать современный материал для футеровки печи, обладающий более эффективными свойствами.

1.3 Конструкция печи для восстановления вольфрамового ангидрида. Достоинства и недостатки

Электропечь муфельного типа СТН-1,6 для восстановления вольфрама (рис 2). Потребляемая мощность 60 кВт. Габариты (10450х1500х2100) мм. Материал муфеля- специально обожженная керамика. Материал нагревателя- молибден, диаметр 1 мм. Максимальная температура в печи 1550°С. Расход водорода контролируется индикатором расхода водорода- ротаметром.

На рисунке 2 представлена принципиальная схема устройства печи с молибденовым нагревателем.

Рисунок 2- Принципиальная схема устройства печи с молибденовым нагревателем.

1-червячный механизм продвижения лодочек

2-камеры загрузки

3-графитовые лодочки

4-корпус печи

5-теплоизоляция (шамот и корракс)

6-керамический муфель

7-молибденовый нагреватель

8-холодильник

9-дверка выгрузки

10-стол выгрузки

11-трансформаторы

12-патрубок выхода и сжигания водорода

13-стол загрузки

Принцип действия печи восстановления:

-камера загрузки с толкателем механического типа- служит для загрузки лодочек с вольфрамовым ангидридом и проталкивает их в канал печи

-из камеры загрузки очередная лодочка попадает в патрубок (теплоизолированный асбестовым шнуром) и примыкает к другим лодочкам, образуя поезд

-из патрубка лодочка попадает в нагревательную камеру (зоны печи), где происходит нагрев до рабочей температуры и выдержка при этой температуре

-из нагревательной камеры лодочка попадает в холодильник. Назначение его- охлаждение лодочки с загрузкой и предохранение камеры разгрузки от перенагрева излучением из окна нагревательной камеры

-из холодильника лодочка попадает в камеру разгрузки, которая служит для шлюзования лодочки перед выгрузкой ее извлечения из печи.

Достоинства и недостатки:

Нагрев металлов и сплавов за счет электрического тока имеет несомненные преимущества перед пламенным нагревом.

В настоящее время печи с молибденовыми нагревателями считаются лучшими. Они очень надежные в работе и легко управляемы, отклонения от заданного температурного режима незначительны, что позволяет в течение всего времени восстановления поддерживать почти постоянную температуру. Отсутствие в печном пространстве веществ, являющихся результатом взаимодействия материала муфеля с газовой средой, позволяет в какой-то степени регулировать ее состав.

Недостаток электрических печей в том, что они являются крупными потребителями электроэнергии, поэтому организация рациональной эксплуатации печей имеет существенное значение.

1.4Автоматизация и контроль процесса

Одно из важнейших операций в производстве твердых сплавов является процесс восстановления вольфрамового ангидрида.

Восстановление вольфрамового ангидрида производится при температуре 1100-1400°C в токе водорода. Исходя из этого наиболее существенными параметрами, влияющими на процесс восстановления, является температура в печи и объем водорода, поступающего в печь. Отсюда, действие средств автоматизации должно быть направлено на автоматическое регулирование температуры и подачу водорода в печь.

Для восстановления вольфрамового ангидрида используют четырех-зонные электрические муфельные печи, питание которых происходит через трансформаторы.

Температура первой зоны- 1150°C, второй-1250°C, третьей- 1250°C, четвертой- 1300°C. Измерение температуры в печи ведется в первых трех зонах хромель-алюмелевыми термопарами АПИР-С. Регулирование температуры осуществляется следующим образом: термопреобразователь подает сигнал об изменении температуры на регистрирующий и показывающий прибор ДИСК-250. Затем срабатывает трансформатор и температура изменяется соответственно сигналу, полученному трансформатором.

Контроль за расходом водорода, подаваемого в печь, осуществляется с помощью стандартной камерной диафрагмы, находящейся в трубопроводе, за счет переменного перепада давления. Возникающий на ней перепад давления с помощью дифманометра «Сапфир 22ДД» преобразуется в унифицированный электрический сигнал 4-20 мА. С помощью вторичного регистрирующего прибора осуществляется корнеиз влечение. Линианизированный сигнал подается на регулятор типа Р.25 со встроенной станцией управления ( задатчик, ключи переключения, указатель положения ). Командный сигнал усиливается и подается на исполнительное устройство, которое перемещает клапан, изменяя подачу водорода.

Продвижка лодочек осуществляется механическими толкателями. Контроль периодичности продвижки осуществляется с помощью сигнализации и указателя положения.

Охрана труда и техника безопасности

К самостоятельной работе допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие медицинское освидетельствование, прошедшие теоретическое и практическое обучение по данной профессии и сдавшие экзамен, получившие инструктаж по охране труда и технике безопасности, имеющие не менее чем I группу по электробезопасности.

Опасными и вредными производственными факторами для данной профессии являются:

запылённость воздуха рабочей зоны по вольфраму и его оксидами, ПДК - 6 мг/м3;

движущиеся части оборудования;

повышенная температура оборудования;

возможность поражения электрическим током;

острые кромки, заусеницы и шероховатость используемых приспособлений, инструмента и частей оборудования;

наличие в технологическом процессе водорода.

Аппаратчик печей восстановления должен знать и уметь:

устройство и принцип работы муфельных электрических печей, правила их безопасной эксплуатации;

свойства материалов, используемых при восстановлении;

безопасные приёмы и методы выполнения работ;

меры по оказанию первой помощи;

назначение и применение средств первичного пожаротушения.

Аппаратчик печей восстановления должен пользоваться спецодеждой, спецобувью и средствами индивидуальной защиты, предусмотренные отраслевыми нормами бесплатной выдачи спецодежды, спецобуви и СИЗ для данной профессии:

костюм (халат) из смешанных тканей для защиты от общих производственных загрязнений и механических воздействий (халат хлопчатобумажный) - срок носки 12 мес.

ботинки кожаные с жестким подноском (полуботинки кожаные) - срок носки 12 мес.

перчатки с полимерным покрытием (рукавицы комбинированные) - срок носки 1 мес.

очки защитные - срок носки до износа

респиратор - срок носки до износа.

В соответствии с приказом 42/О от 14.03.2012 аппаратчик печей восстановления обеспечиваются:

- туалетным мылом из расчета 300 г. в месяц;

- защитным кремом гидрофильного действия из расчета 100 мл. в месяц.

Смывающие и защитные средства работник обязан применять по назначению и в соответствии с рекомендациями изготовителя.

Защитный крем наносится до начала работы тонким слоем на открытые участки тела, имеющие контакт с порошком.

Лица, нарушающие правила техники безопасности, несут ответственность в соответствии с действующим законодательством.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПЕРЕД НАЧАЛОМ РАБОТЫ

1.Получить задание и дополнительный инструктаж у сменного мастера.

2.Привести в порядок спецодежду (застегнуть рукава, волосы спрятать под головной убор), подготовить индивидуальные средства защиты (респиратор, рукавицы, очки и т.д.).

3.Принять смену, ознакомиться с записями в сменном журнале о работе оборудования, о неисправностях, замеченных в течение смены, о работе контрольно-измерительных приборов.

4.Принять рабочее место.

5.Проверить состояние оборудования, подготовить рабочее место:

убедиться в наличии и исправности ограждений токоведущих частей, заземления печи, приспособлений (тележка, крючок, бачок, выколотка и др.);

убедиться в достаточности освещения и в исправности работы вытяжной вентиляции;

убедиться в эффективности работы холодильников, гидрозатвора (отрегулировать подачу воды);

убедиться в исправности зажигалок, предусмотренных конструкцией печи;

убедиться в отсутствии утечек водорода через неплотности элементов печи;

убедиться в наличии асбеста с водой для герметизации печей, работающих «на факел».

В случае обнаружения неисправностей поставить в известность мастера, к работе приступить после устранения замечаний.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ

- Выполнять только порученную вам работу, которой вы обучены и по которой получили инструктаж.

- Во время работы быть внимательным: не отвлекаться самому и не отвлекать товарищей по работе, не оставляйте работающую печь без присмотра, не допускайте на рабочее место посторонних лиц.

- Во время выполнения работы пользоваться средствами защиты органов дыхания - респиратор.

- Содержать в чистоте и порядке своё рабочее место, не допускать загромождения рабочего места и проходов.

- Использовать инструмент и приспособления только по своему назначению.

- Производить загрузку и выгрузку печи в рукавицах. Глаза должны быть защищены очками.

При работе на печи СТН-2,25 необходимо:

- Следить за исправностью зажигалок на дверцах и отводных патрубках печей, за наличием факела.

Запрещается открывать дверки печи при неработающей зажигалке!

- Следить за подачей воды в холодильники печи, не допускать их перегрева. Своевременно производить регулировку подачи воды.

- Открытие дверок печи необходимо производить плавно. Осторожно ослабить винт запорного устройства дверки, чтобы образовалась небольшая щель для выхода водорода из печи на горящую зажигалку, после воспламенения водорода, дверку печи открыть полностью.

При работе на печах СТН-2,25 запрещается:

- Работать на неисправном оборудовании, неисправным инструментом и приспособлениями; со снятыми или отсутствующими ограждениями;

- Одновременно открывать дверки со стороны загрузки и выгрузки печи;

- Прикасаться к оголённым токоведущим частям, а также к движущимся и нагретым частям оборудования;

- Производить какие-либо работы в зоне движущихся частей оборудования;

- Нажимать кнопки на пульте управления печью металлическими предметами (крючком, совком и др.);

- Производить выгрузку более двух лодочек из печи СТН-2,25;

- Производить загрузку и выгрузку лодочек в каналы печи при отсутствии водорода в магистрали и при отсутствии подачи воды в холодильники;

- Складировать лодочки друг на друга на высоту, не обеспечивающую их устойчивого положения;

- Загружать в печь лодочки неправильной геометрической формы;

- Производить самостоятельный ремонт оборудования, механизмов и приспособлений;

- Производить работы без применения респиратора и при отключенной или неисправной вытяжной вентиляции;

- Оставлять рабочее место без присмотра;

- Браться за непорученную работу, а также самовольно передавать свою работу кому бы то ни было без разрешения или указания мастера.

- Складирование пустых бачков допускается не выше, чем в 2 яруса при условии обеспечения их устойчивого положения.

- Не допускать излишнего пыления при загрузке и выгрузке сырья.

- При возникновении (обнаружении) каких либо неисправностей оборудования - вызвать дежурного электрика или слесаря, сообщить мастеру об имеющихся неполадках.

- По окончании ремонта печи запрещающий плакат снимает лицо установившее его;

- Работу на оборудовании можно продолжить только после устранения неисправности.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ В АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ

1.Знать "План ликвидации аварий" для своего участка, уметь пользоваться средствами пожаротушения и средствами ликвидации аварии.

2.При прекращении подачи водорода в цех производится герметизация патрубков печей, для этого:

закрыть дверки на печах СТН-2.25;

выходные патрубки отвода водорода закрыть влажным асбестом.

3.При возникновении утечек из магистральных трубопроводов (газопровода, водопровода или воздухопровода), сообщить об аварии мастеру или другому лицу из ИТР цеха, оповестить окружающих об опасности, вызвать дежурный персонал. По возможности, приступить к ликвидации аварии.

4.При обнаружении возгорания, немедленно сообщить мастеру, вызвать пожарную охрану по тел. 01, сообщить начальнику караула по тел. 98-149 и принять меры к предотвращению распространения огня имеющимися первичными средствами пожаротушения.

5.При обнаружении пострадавшего от электрического тока необходимо принять меры для освобождения его от действия электрического тока, соблюдая при этом осторожность. Для этого необходимо:

отключить электроустановку от источника питания;

при невозможности отключения - оттянуть пострадавшего от токоведущих частей за одежду или применить подручный изоляционный материал (палка, доска, сухая одежда);

оказать пострадавшему первую помощь в соответствии с инструкцией № 04-13 «По оказанию первой помощи при несчастных случаях на производстве»;

вызвать врача;

сообщить о случившемся администрации цеха.

6.При получении травмы на производстве сообщить мастеру и обратиться за помощью в медпункт. Принять меры к сохранению обстановки, при которой произошёл несчастный случай, если это не угрожает жизни и здоровью людей, и не приведет к развитию аварии.

ОБЯЗАННОСТИ ПО ОКОНЧАНИИ РАБОТЫ

1.Произвести уборку оборудования и рабочего места, убрать инструмент и приспособления в отведенные для них места.

2.Произвести передачу сменщику оборудования, рабочего места, сообщить ему о состоянии оборудования, обо всех неисправностях и изменениях в работе оборудования в течение смены. Сдача-приемка рабочего места оформляется в сменном журнале и заверяется подписями сдающего и принимающего смену.

3.Сообщить своему непосредственному руководителю (мастеру) обо всех выявленных за время работы недостатках и неисправностях.

4.Очистить спецодежду и спецобувь щёткой.

5.По окончании рабочей смены убрать спецодежду в шкаф. Принять душ.

6.Периодически, по мере загрязнения, сдавать спецодежду в стирку.

Основные вредности и опасности в цехе

Карбид вольфрама с ПДК(рабочей зоны)- 6 мг/м3

Кобальт металлический с ПДК(рабочей зоны)- 0,5 мг/м3

Этиловый спирт с ПДК(рабочей зоны)- 1000 мг/м3

Бензин с ПДК(рабочей зоны)- 100 мг/м3

Водород - нижний предел взрывается - 3,4 г/м3, верхний предел взрывается - 66,4 г/м3

Пыль электрокорунда (корракса)- 2,0 мг/м

Шум- 85 дБА ПДК предусмотрены ГОСТ 12.1.005

Опасностями в цехе являются внутрицеховой транспорт и водород.



2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчёт материального баланса

Расчет материального баланса восстановления вольфрамового ангидрида

На рисунке 2 показания схема расчета материального баланса восстановления WO3

ПОТЕРИ, %
Возвратные	4,8	Безвозвратные	1,8

WO₃

Просев

1,4% 0,3%

Загрузка

1,3% 0,8%

Н₂

Восстановление WO3

Разгрузка

1,4% 0,2%

Размол

0,7% 0,5%

Рисунок 2- Схема расчета материального баланса восстановления WO3

Расчет материального баланса ведем на 100 кг вольфрама. Расчет ведется в пересчете на WO2 от выпуска готовой продукции. В результате протекания химических реакции восстановления WO2, масса порошка в лодочках уменьшается. Рассчитаем потери на операциях:

WO3+H2=WO2+H2O, (5)

(184+48):184=1,2609 кг

Следовательно, масса порошка уменьшается на:

(100*1,2609)-100=26,09кг

Потери при размоле

Возвратные потери:

100*0,007=0,7 кг

Безвозвратные потери:

100*0,005=0,5 кг

Общие потери при размоле:

0,7+0,5=1,2 кг

Потери при разгрузке

Возвратные потери:

101,2*0,014=1,41 кг



Безвозвратные потери:

101,2*0,002=0,2 кг

Общие потери при разгрузке:

1,41+0,2=1,61 кг

Потери при загрузке

Возвратные потери:

102,81*0,013=1,34 кг

Безвозвратные потери:

102,81*0,008=0,82 кг

Общие потери при разгрузке:

1,34+0,82=2,16 кг

4)Потери при просеве

Возвратные потери:

104,97*0,014=1,47 кг

Безвозвратные потери:

104,97*0,003=0,31 кг



Общие потери при загрузке:

1,47+0,31=1,78 кг

К общим потерям суммируются потери при восстановлении WO3 :

26,09+6,75=32,84 кг

Для получения 100 кг вольфрама необходимо взять:

100+32,84=132,84 кг WO3

В таблице 1 представлен материальный баланс восстановления вольфрамового ангидрида на 100 кг вольфрама

Таблица 1- Материальный баланс восстановления вольфрамового ангидрида на 100 кг вольфрама:

Приход	кг	%	Расход	кг	%
Поступающее сырье, WO3	132,84	100	Вольфрама WC	100	75,28
			Безвозвратные потери	1,83	1,38
			Возвратные потери	4,92	3,7
			Потери при восстановлении	26,06	19,64
Всего	132,84	100		132,84	100

В таблице 2 представлен годовой материальный баланс на 100000 кг вольфрама

Таблица 2- Годовой материальный баланс на 100000 кг вольфрама:

Приход	кг	%	Расход	кг	%
Поступающее сырье, WO3	132840	100	Вольфрама WC	100000	75,28
			Безвозвратные потери	1830	1,38
			Возвратные потери	4920	3,7
			Потери при реакции	26090	19,64
Всего	132840	100		132840	100,00

2.2 Расчет теплового баланса

Тепловым балансом называется развернутый по отдельным статьям состав прихода и расхода тепла. По закону сохранения энергии сумма всех статей прихода тепла для любого агрегата равна сумме всех статей расхода, что выражается уравнением теплового баланса:

Nэ*ф +Q?1+Q?2=Q?2+Q5+Q6-Q?5 , (6)

где: NЭ - затраченная электрическая мощность, кДж/ч (кВт);

Q?1- физическое тепло лодочек, кДж/ч;

Q??2- физическое тепло водорода, кДж/ч;

Q?1- тепло на нагрев лодочек с материалом, кДж/ч;

Q?2- потери тепла с водородом, кДж/ч;

Q5- тепло, отдаваемое во внешнюю среду, кДж/ч;

Q6- тепло, аккумулируемое печными стенками, кДж/ч;

Q?5- тепло на нагрев воды в холодильнике, кДж/ч.

Расчет статей расхода тепла

а) Расход тепла на нагрев материала (WO3)

Q1=g*CT*(t2-t1), (7)

где: q- производительность печи, кг/ч

C?- теплоемкость материала, кДж/кг

t2- рабочая температура печи, °C

t1- начальная температура загружаемого порошка, °C

Удельная теплоемкость WO3 CT составляет 72,79 кДж/кМоль или 0,31кДж/кг

При t=1403°К средняя удельная теплоемкость = 1,1

По данным практики скорость загрузки лодочек 3л/ч, в печи 12 труб и масса WO3 на 1 лодочку составляет 830 грамм, следовательно, за одну загрузку масса составит 29,88 кг WO3.

Q?1=29,88*1,1*(1130-20)=36483,48 кДж/ч

б) Расход тепла на нагрев лодочек

Расход тепла на нагрев лодочек сплава НиМо (72% никеля и 28% молибдена)

Q?2=q*CЛ*(T-t), (8)

где: CЛ-теплоемкость лодочки, кДж/кг

q- вес лодочек, проходящих через печь, кг

CЛ=(x2*CMo+x3*CNi), (9)

где: x2, x3- массовая доля компонента

CMo, CNi- средняя удельная теплоемкость, молибдена и никеля кДж/кгК

C°Mo= 24,06 кДж/кМоль*К или C°Mo== 0,25 кДж/кг*К

CMot= 21,67+6,95*10-3*T, (6)

CMot= 21,67+6,95*10-3*1130=32?34 кДж/кМоль*К или = 0,34 кДж/кг*К

CMo СР== 0,3 кДж/кг*К

C°Ni= 26,07 кДж/кМоль*К или C°Ni== 0,44 кДж/кг*К

CNit= 16,99+29,46*10-3*T, (7)

CNit= 16,99+29,46*10-3*1130=52,49 кДж/кМоль*К или = 0,89 кДж/кг*К

CNi СР== 0,67 кДж/кг*К

Теплоемкость лодочки сплава НиМо:

CЛ СР=0,72*0,67+0,28*0,3=0,56 кДж/кг*К

Размер лодочки, мм:

t	b	h
300	145	30

Определяем объем лодочки:

V=(145*300+145*60+300*60)*2=140400 см3 или 0,000140400 м3

Плотность лодочки:

p= 9260 кг/м3

Масса лодочки:

mЛ= 9260*0,0001404=1,3 кг

Потери тепла на нагрев лодочек составляет:

Q?1= 0,56*3*1,3*(1130-20)= 2424,24 кДж/ч

в) Расход тепла на нагрев водорода

Расход водорода составляет 11 м3/ч

Q?2=VH2*CсрH2*(TK-TH), (10)

Где:

CсрH2- средняя теплоемкость водорода, кДж/м3*К

CсрH2- 1,32 кДж/м3*К

Q2=11*1,32*(1130-20)=16117,2 кДж/ч

г) Потери тепла через многослойную стенку

Вся футеровка печи состоит из асбеста толщиной 0,01 м, легковесного кирпича типа шамота марки ШЛ-1,0 и шамота марки ШЛ-0,4. Длина печи с учетом теплоизоляции, L:

I зона- 1,2 м	II зона- 0,9 м	III зона- 1,2 м	IV зона- 1,2 м

По данным практики размеры печи составляют:

ширина печи- 3,47 м
высота печи- 1,58 м
размер муфеля- 1,236 м и 0,2 м

Толщина слоя асбеста составляет 0,01 м. Толщину слоя шамота легковеса ШЛ- 04, примем 0,4 м.

Рассчитаем ширину слоя шамота легковеса ШЛ- 1,0:

(3,470-1,236-0,2)/2-0,4=0,617 м

Высота слоя шамота легковеса ШЛ-1,0:

(1,580-0,2-0,02)/2-0,4=0,28 м



Средняя толщина слоя шамота легковеса ШЛ-1,0 составит:

(0,712+0,285)/2=0,5 м

Таким образом, футеровка печи будет состоять из трех слоев:

Толщина слоя асбеста да = 0,01 м
Толщина слоя шамот- легковес ШЛ-1,0 дшл-1,0=0,5 м
Толщина слоя шамот- легковес в проекте ШЛ-0,4 дШЛ-0,4=0,4м

В таблице 3 представлено распределение температур по поверхности футеровки, К

Таблица 3- Распределение температур по поверхности футеровки, К

Зоны	Границы поверхности
	Муфель- ШЛ-0,4	Шамот легковес ШЛ-0,4 ШЛ-1,0	Шамот легковес ШЛ-1,0-асбест	Асбест- кожух
I-зона	1173	783	343	313
II-зона	1273	803	348	318
III-зона	1353	823	355	323
IV-зона	1403	830	358	325

Внешний периметр асбеста:

Рвн=(3470+1580)*2=10 м

Внешняя площадь поверхности асбеста по зонам:

I зона F?= 1,2*3,47*1,58=6,58 м2
II зона F?= 0,9*3,47*1,58=4,93 м2
III зона F?= 1,2*3,47*1,58=6,58 м2
IV зона F??=1,2*3,47*1,58=6,58 м2

Общая формула расчета теплового потока через многослойную стенку:

Q5= q*F=F*(TC1-TC2)/ ( ), (11)

где: q- плотность теплового потока через многослойную стенку, Вт/м2

TC1, TC2- температура среды внутри печи и снаружи, К

л1, л2, л3- коэффициент теплопроводности материалов кладки печи, Вт/м3*К

б- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности к воздуху

б- 16 Вт/м2*К

Поскольку температуры слоев неизвестны, проводим предварительный расчет коэффициентов теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности шамота ШЛ-0,4:

Лшл-0,4=0,119+0,000192*tср, Вт/м*К, (12)

л?ШЛ-0,4=0,119+0,000192*( )=0,25 Вт/м* К

л?ШЛ-0,4=0,119+0,000192*( )=0,27 Вт/м* К

л?ШЛ-0,4=0,119+0,000192*( )=0,28 Вт/м* К

лIVШЛ-0,4=0,119+0,000192*( )=0,28 Вт/м* К

Коэффициент теплопроводности шамота ШЛ-1,0:

лШЛ-1,0=0,307+0,000227* tср, Вт/м* К, (13)

л?ШЛ-1,0=0,307+0,000227*( )=0,401 Вт/м* К

л?ШЛ-1,0=0,307+0,000227*( )=0,405 Вт/м* К

л?ШЛ-1,0=0,307+0,000227*( )=0,410т/м* К

лIVШЛ-1,0=0,307+0,000227*( )=0,411 Вт/м* К

Коэффициент теплопроводности асбестового картона:

лб=0,157+0,00014*tср, Вт/м* К, (14)

л?б=0,157+0,00014*( )=0,164 Вт/м* К

л?б=0,157+0,00014*( )=0,165 Вт/м* К

л?б=0,157+0,00014*( )=0,166 Вт/м* К

лIVб=0?157*0,00014*( )=0,166 Вт/м* К

Находим плотность теплового потока в каждой зоне печи:

q?==301,8 Вт/м* К

q?==351,9 Вт/м* К

q?==390,2 Вт/м* К

q IV==409,0 Вт/м* К

Температуру на границе слоев находим:

В первой зоне печи:

T?2=( 900-)+273=714 К

T?3=( 714- )=327 К

T?4=( 327- )=309 К

Во второй зоне печи:

T?2=( 1000- )+273=773 К

T?3=( 772- )=332 К

T?4=( 332- )=312 К

В третьей зоне:

T?2=( 1080- )+273=816 К

T?3=( 815- )=338 К

T?4=( 337- )=316 К

В четвертой зоне:

TIV2=( 1130- )+273=851 К

TIV3=( 850- )=342 К

TIV4=( 341- )=319 К

В таблице 4 представлено распределение рассчитанных температур по поверхности футеровки, К

Таблица 4- Распределение рассчитанных температур по поверхности футеровки, К

Зоны	Границы поверхностей
	Муфель- ШЛ-0,4	Шамот легковес ШЛ-0,4- ШЛ-1,0	Шамот легковес ШЛ-1,0-асбест	Асбест- кожух
I-зона	1173	690	314	312
II-зона	1273	752	316	311
III-зона	1353	796	320	317
IV-зона	1403	919	421	419

Так как полученные температуры значительно отличаются от принятых ранее, расчет повторяем:

Значение коэффициентов теплопроводности марки ШЛ-0,4:



л?ШЛ-0,4=0,119+0,000192*( )=0,24 Вт/м* К

л?ШЛ-0,4=0,119+0,000192*( )=0,26 Вт/м* К

л?ШЛ-0,4=0,119+0,000192*( )=0,27Вт/м* К

лIVШЛ-0,4=0,119+0,000192*( )=0,29 Вт/м* К

Значение коэффициента теплопроводности марки ШЛ-1,0:

л?ШЛ-1,0=0,307+0,000227*( )=0,36 Вт/м* К

л?ШЛ-1,0=0,307+0,000227*( )=0,37 Вт/м* К

л?ШЛ-1,0=0,307+0,000227*( )=0,37 Вт/м* К

лIVШЛ-1,0=0,307+0,000227*( )=0,40 Вт/м* К

теплопроводность вольфрам печь ангидрид

Коэффициент теплопроводности асбестового картона:

л?а=0,157+0,00014*( )=0,16 К

л?а=0,157+0,00014*( )=0,16 К

л?а=0,157+0,00014*( )=0,16 К

лIVа=0,157+0,00014*( )=0,18 К

Находим плотность теплового потока в каждой зоне печи:

q?==281,7 Вт/м* К

q?==297,4 Вт/м* К

q?==303,2 Вт/м* К

q IV==326,2 Вт/м* К

В первой зоне печи:

T?2=( 900-)+273=714 К

T?3=( 714- )=327 К

T?4=( 327- )=309 К

Во второй зоне печи:

T?2=( 1000- )+273=773 К

T?3=( 772- )=332 К

T?4=( 332- )=312 К

В третьей зоне:

T?2=( 1080- )+273=816 К

T?3=( 815- )=338 К

T?4=( 337- )=316 К

В четвертой зоне:

TIV2=( 1130- )+273=851 К

TIV3=( 850- )=342 К

TIV4=( 341- )=319 К



В таблице 5 представлено распределение рассчитанных температур по поверхности футеровки, К

Таблица 5- Распределение рассчитанных температур по поверхности футеровки, К

Зоны	Границы поверхностей
	Муфель- ШЛ-0,4	Шамот легковес ШЛ-0,4- ШЛ-1,0	Шамот легковес ШЛ-1,0-асбест	Асбест- кожух
I-зона	1173	704	313	311
II-зона	1273	815	413	411
III-зона	1353	904	494	492
IV-зона	1403	953	545	543

Расчет не сходится, но в связи с высокой трудоемкостью, прекращаем.

Потери тепла через многослойную стенку составят:

В первой зоне:

Q?6==28,16 кДж/ч

Во второй зоне:

Q?6==201,95 кДж/ч

В третьей печи:

Q?6==374,57 кДж/ч

В четвертой печи:

QIV6==381,32 кДж/ч

Температуру на границе слоев находим:

В первой зоне печи:

T?2=( 900-)+273=714 К

T?3=( 714- )=327 К

T?4=( 327- )=309 К

Во второй зоне печи:

T?2=( 1000- )+273=773 К

T?3=( 772- )=332 К

T?4=( 332- )=312 К

В третьей зоне:

T?2=( 1080- )+273=816 К

T?3=( 815- )=338 К

T?4=( 337- )=316 К

В четвертой зоне:

TIV2=( 1130- )+273=851 К

TIV3=( 850- )=342 К

TIV4=( 341- )=319 К



Потери тепла через кладку печи составят:

Q?6=28,16+201,95+374,57+381,32=986 кДж/ч

д) Потери тепла во внешнюю среду

При известной температуре наружной поверхности кладки, величину тепловых потоков, теряемых в окружающее пространство, определяем:

Значение удельных тепловых потоков в зависимости от температуры наружной поверхности стенки:

В первой зоне печи при t=36°C

qуд?=151 Вт/м2* С

Во второй зоне печи при t=38°C

qуд?=159 Вт/м2*C

В третьей зоне печи при t=42°C

qуд?=263 Вт/м2* C

В четвертой зоне печи при t=45°C

qудIV=281 Вт/м2* C

Q5уд=151*12+159*9+263*12+281*12=9771 Вт или 35175,6 кДж/ч

Потери тепла через открытые окна

Q5ЛУЧ=0,001*C0*[ ] *Ф*F*ф, (15)



где: Tпеч, Tв- температура в печи и на воздухе, К

F- площадь одного окна

Ф- коэффициент диафрагмирования, который определяется с помощью таблицы 4по источнику / 5 /

C0-постоянная Больцмана=5,7

При параметрах окна 160*68, мм2 О=0,7

Загрузка и выгрузка лодочек протекает в течении 10 мин

Q5ЛУЧ=0,7*[()-( )]*0,0057**3=0,87 Вт или 3,13 кДж/ч

Всего потери тепла во внешнюю среду составили:

Q5=35175,6+3,13=35178,73 кДж/ч

е) Потери тепла с охлажденной водой

Q5?=Cв*q*?t, (16)

где: Cв-теплоемкость воды, кДж/м2 °C

q- расход воды, м3/ч

?t- разность температур воды ( на входе и выходе ), °C

Q5?=1,47*8*20=235,2 кДж/ч

Всего расход по всем статьям составил:

36483,48+2424,24+16117,2+54964,18+35178,73+235,2=145403,03 кДж/ч

Статьи прихода тепла

а) Физическое тепло лодочек

Q1?=0,56*3*1,3*20=43,68 кДж/ч

б) Физическое тепло ангидрида

Q2?=29,88*1,1*20=657,36 кДж/ч

в) Физическое тепло водорода

Q3?=11*20*1,32= 290,4 кДж/ч

Все данные теплового баланса сводим в таблицу 5

Затраченная электрическая энергия составит:

145403,03+43,68+290,4+657,36= 144411,59 кДж/ч или 40,11 кВт

В таблице 6 представлен годовой баланс печи

Таблица 6- Тепловой баланс печи

Приход тепла	кДж/ч	%	Расход тепла	кДж/ч	%
1.Физическое тепло лодочек	43,68	0,03	1.Расход тепла на нагрев WO3	36483,48	25,1
			2.Нагрев лодочек	2424,24	1,67
2.Физическое тепло водорода	290,4	0,20	3.Нагрев водорода	16117,2	11,08
3.Физическое тепло ангидрида	657,36	0,45	4.Через Многослойную стенку	54964,18	37,8
			5.Во внешнюю среду	35178,73	24,19
4.За счет Нагревательных элементов	144411,59	99,32	6.С охлажденной водой	235,2	0,16
Итого:	145403,03	100	Итого:	145403,03	100



Таблица технико-экономических показателей

Показатели	Единицы измерения	Количество
1.Расход WO3	кг/ч	32,84
2.Масса изделия с лодочкой	кг	1,3
в I зоне	К	311
во II зоне	К	411
в III зоне	К	492
в IV зоне	К	543
4.Мощность печи	кВт*ч	50,14
5.КПТ печи	%	76



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе проведен расчет материального баланса, из которого следует, что для получения 100 кг вольфрама. С учетом всех видов потерь необходимо ввести 132,84 кг WO3.

На основании проведенного расчета теплового баланса печи, можно сделать вывод, что используя в футеровке муфельной электрической печи теплоизоляционные материалы марки ШЛ-1,0 и ШЛ-0,4, обладают низкими показателями теплопроводности, коэффициент полезного теплоиспользования составит 76%.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 Арутюнов В.А., Миткалинный В.И., Старк С.Б., Металлургическая теплотехника. Т.1.М., «Металлургия», 1994.

2 Башенко В.В., Донской А.В., Соломахин И.М. Электроплавильные печи цветной металлургии., «Металлургия», 1991.

3 Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. Госэнергоиздат, 1992.

4 Глинко М.А. Основы общей теории печей. Металлургиздат, 1992.

5 Кривандин В.А., Марков Б.Л. Металлургические печи.М., «Металлургия», 1997.

6 Зеликман А.Н., Никитина Л.С. Вольфрам., Москва «Металлургия», 1978.

Размещено на Allbest.ru