Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Электроплавка на штейн является одним из важнейших переделов в технологии переработки сульфидного медно - никелевого сырья. Основной целью процесса электроплавки является получение медно-никелевого штейна за счет расплавления исходной шихты и поддержания расплава в жидкотекучем состоянии, вследствие чего происходит ликвация или расслоение материала на штейн и шлак. Более легкий шлак, состоящий из оксидов и силикатов поднимается на поверхность расплава, в то время как штейн, представляющий собой сплав сульфидов цветных металлов и железа с некоторым содержанием металлической фазы и обладающий большей плотностью, стремится опуститься на дно ванны.

Агрегатом электроплавки является шестиэлектродная руднотермическая электропечь, имеющая прямоугольную форму. На своде печи располагаются 24 загрузочных отверстия, через которые шихта подается в печь. Газы отводятся через 6 газоотводов на своде печи.

Процесс электроплавки является непрерывным. Шихта, состоящая из смеси обожженных в печи КС окатышей и руды, при необходимости содержащая некоторое количество кварцевых флюсов, периодически поступает в руднотермическую электропечь через загрузочные отверстия на своде и опускается в расплавленный шлак. Слив штейна и шлака происходит через специальные шпуровые отверстия, расположенные на разной высоте.

Электроплавка имеет ряд достоинств. Электродуги, возникающие между электродами, способны нагреть шихту до высокой температуры за сравнительно небольшой промежуток времени, кроме того, электроэнергия по стоимости дешевле других видов топлива. В связи с этим плавка на штейн в руднотермических электропечах широко распространена и применяется на всех медно-никелевых предприятиях России.

Несмотря на широкое распространение электроплавки этот процесс является практически неавтоматизированным. В данном проекте была проанализирована работа руднотермической электропечи, синтезирована автоматическая система стабилизации мощности печи путем регулирования величины заглубления электродов и ступеней напряжения трансформаторов. В качестве объекта управления взята руднотермичсекая печь плавцеха АО ГМК «Печенганикель».

1. Теоретическая часть

1.1 Основные сведения о плавильном цехе АО ГМК «Печенганикель»

Плавильный цех, расположенный на промышленной площадке п. Никель, является важнейшим звеном в технологической схеме горнометаллургического комбината «Печенганикель». Основное назначение плавцеха - это переработка сравнительно бедного по содержанию цветных металлов сульфидного сырья (руда, окатыши, обороты) на богатый продукт - файнштейн, содержащий а 75% Ni + Cu и ? 0,7-1% Со. Медно - никелевый файнштейн является конечной продукцией комбината. Его дальнейшая переработка осуществляется на комбинате «Североникель».

В электропечном отделении плавцеха осуществляется электроплавка сульфидного медно-никелевого сырья для извлечения содержащихся в нем цветных и драгоценных металлов, отделения их от пустой породы и концентрации в сульфидном сплаве (штейне).

Рис. 8. Электропечь комбината «Печенганикель»

а - продольный разрез; б - поперечный разрез; 1 - каркас печи; 2 - футеровка; 3 - свод;

4 - околоэлектродное уплотнение; 5 - контактные щеки; 6 - шинопакет; 7 - гидроподъемник электрода;

8, 9 - верхнее и нижнее кольца пружинно-гидравлического устройства для перепуска электродов;

10, 11 - верхний и нижний концевые ограничители; 12 - реверсивный транспортер; 13 - бункер;

14 - загрузочный рукав; 15 - телескопическая течка; 16 - электрод; 17 - печной трансформатор.



1.2 Краткая теория процесса электроплавки

При пропускании электрического тока через твердые тела или жидкости последние нагреваются, т.е. в результате их сопротивления электрическая энергия превращается в тепловую.

Количество тепла, выделяемого при превращении электрической энергии в тепловую, определяется по формуле Джоуля-Ленца

,

где Q - количество тепла, Дж;

I - сила тока, протекающего через данное сопротивление, А;

R - величина сопротивления, Ом;

t - время, сек.

Электронагрев широко применяется в металлургии, где в ряде производств электропечи - основной тип металлургических печей. Электропечами называются печи, в которых тепловая энергия, необходимая для их работы, получается за счет электроэнергии. По способу преобразования электроэнергии в тепловую электропечи делят на четыре группы:

- печи сопротивления;

- дуговые электропечи;

- индукционные печи;

- печи смешанного действия.

Руднотермические электропечи для плавки медно-никелевых руд и концентратов являются печами смешанного действия, где преобразование электрической энергии в тепловую происходит частично в газовой среде (через дугу), а частично в твердой или жидкой (через сопротивление).

Электропечь для плавки сульфидных медно-никелевых руд схематично можно представить в виде ванны, в которой имеются два расплавленных слоя (рис. 3). Толщина верхнего (шлакового) слоя составляет 1500-2000 мм, толщина нижнего (штейнового) слоя 600-1000 мм.

Исходная твердая шихта (руда, окатыши, флюсы и т.д.) загружается на поверхность ванны в виде конусов (откосов), погруженных в расплав. Условие плавучести конуса шихты подчинено закону Архимеда: масса конуса шихты равна массе шлака, вытесненного объемом погруженной в расплав части конуса:

m =Vс,

где m - масса конуса, т;

V - объем погруженной части конуса, м³;

с - плотность шлака, т/м³.

Загрузка шихты ведется таким образом, что конусы шихты расположены в ванне печи без разрывов.

При таком расположении основания конусов перекрывают друг друга, чем достигается устойчивость конусов и покрытие шихтой всего зеркала ванны.

Погруженные в расплав конусы шихты плавятся за счет тепла шлаковой ванны.

Электрический ток подводится в ванну печи при помощи самоспекающихся электродов, погруженных в шлак на 300-700 мм. Ток в ванне может проходить двумя путями:

1. От электродов через шлак в слой штейна (по схеме «звезда»).

2. От одного электрода по шлаку к другому электроду (по схеме «треугольник»).

Соотношение между распределением энергии по схемам «звезда» и «треугольник» зависит от величины погружения электродов в шлаковую ванну, ее высоты, наличия в печи конусов шихты и величины их заглубления в расплав.

В шлаковой ванне происходит преобразование электрической энергии в тепловую, при этом 40-80% тепла выделяется у поверхности электродов в переходном контакте электрод-шлак, остальная часть - в шлаковой ванне.

Значительное выделение тепла в контакте электрод-шлак объясняется наличием вокруг рабочего конца электрода газового слоя, так называемого «газового мешка», через который электрический ток проходит в виде большого числа мелких точечных разрядов - микродуг.

В результате механического давления потока электронов шлаковый расплав оттесняет от электрода, образовавшаяся пустота заполняется газами от сгорания электрода и газами, выделяющимися из шлака. Газовый слой обладает высоким электросопротивлением, поэтому прохождение по нему электрического тока связано с высоким падением напряжения (до 90% от напряжения, приходящегося на электрод).

Количество тепла, выделяемого в контакте электрод-шлак, зависит от заглубления электрода в шлак. При малом заглублении (?0,3 м) электродов в контакте электрод-шлак преобразуется в тепловую энергию до 80% мощности печи, при большом заглублении (?0,6 м) до 50%. Остальная часть электроэнергии преобразуется в тепловую в самом шлаке вследствие его электросопротивления.

Токопроводящей частью ванны служит околоэлектродная зона, находящаяся от оси печи на расстоянии двух диаметров электрода, причем 90% токовых линий проходит от оси электродов на расстоянии одного диаметра.

Общая зона активных тепловыделений составляет 30-40% от полного объема ванны печи.

Участки шлаковой ванны, удаленные от оси электродов более чем на два диаметра, в токопроводе не участвуют и не имеют собственных тепловыделений.

Они обогреваются за счет теплообмена в ванне печи, который происходит в результате конвекционного движения шлака, переносящего тепловую энергию из горячих зон в более холодные.

В области контакта электрод-шлак слой шлака, прилегающий к поверхности электродов, сильно перегрет. Плотность шлака в результате растворения в нем большого количества газов значительно уменьшается, поэтому возникает разница в плотностях перегретого слоя шлака и граничащего с ним более холодного. Легкие массы перегретого шлака непрерывно всплывают около электродов на поверхность и растекаются во все стороны от электрода. Встречая на своем пути конусы шихты, потоки перегретого шлака отдают им избыток своего тепла и расплавляют шихту на поверхности шихтовых конусов, погруженных в ванну. Потоки шлака, смешиваясь с холодным расплавом шихты, опускаются в нижние глубинные слои ванны. Одна часть нисходящих потоков разворачивается к электродам и, дойдя до них, перегревается в контактной зоне электрод-шлак, и вновь поднимается на поверхность ванны. Другая часть охлажденного шлака, смешанного с расплавом шихты, опускается в нижние слои ванны, где конвекция выражена очень слабо.

Наиболее интенсивный тепломассообмен за счет конвекции происходит в зоне, равной двум-трем заглублениям электрода (при заглублении электрода в расплав 300/400 мм). Поэтому в верхней части шлаковой ванны непрерывно циркулирует шлак по замкнутым траекториям. Линейная скорость движения шлакового потока составляет 2 см/сек. Нижний подэлектродный слой шлаковой ванны можно считать застойным.

Тепловое поле печи так же, как и электрическое, определяет величина заглубления электрода.

С увеличением заглубления электрода происходит перемещение в глубь ванны зон, отвечающих наиболее активному выделению энергии. Верхние слои шлаковой ванны имеют наибольшую температуру, примерно равную температуре жидкотекучести шлака (1350-1450'С). Верхняя зона практически является изотермической вследствие интенсивного конвекционного теплообмена. Нижний слой шлаковой ванны характеризуется значительным перепадом температур в вертикальном направлении, поэтому температура шлака на границе со штейном снижается до 1200-1250°С.

Поскольку в тепловом отношении отдельные участки ванны неравноценны, то и скорость плавления шихты по мере удаления от электродов снижается. О скорости плавления можно судить по скорости схода шихты в откосах (м/час), которая вблизи электродов примерно в 7 раз выше, чем у стен печи, В связи с этим загрузка шихты производится в приэлектродную зону, находящуюся от оси печи в пределах 1,5 диаметра электрода.

Наиболее интенсивное плавление шихты происходит на поверхности шихтовых конусов, которая обращена к электроду.

При плавке неэлектропроводной шихты последняя достигает зоны плавления термически не подготовленной. Прогреву шихты потоком горячих газов, выделяющихся из расплава, препятствуют сплошная спеченная корка по границе расплав-шихта и малая газопроницаемость шихты.

В зоне наибольшего схода шихты корка на границе шихта - расплав отсутствует. На этом участке шихта пронизывается газами, но вследствие большой скорости схода не успевает прогреваться.

При плавке электропроводной шихты часть тока ответвляется на шихту и нагревает ее. Поэтому при плавке электропроводная шихта поступает в зону плавления термически подготовленной.

В состав шихты электроплавки входят: окатыши, руда, кварцевый флюс (песок, кварцит), уголь, жидкий конвертерный шлак и т.д.

Компоненты шихты электроплавки состоят из следующих минералов и химических соединений: сульфидов Fe₇S₈; (Fе, Ni) S; CuFeS₂; СоS; окислов и ферритов Fe₂O₃, Fe₃O₄, NiO, СоО, СuО, Al₂O₃; силикатов (МеО * SiO₂); сульфатов - МеSO₄; карбонатов - МеСО₃; гидратов - Ме(ОН)₂, где Ме - любой из металлов: Са, Мg, Fе, Ni, Сu, Со.

Сульфиды никеля, меди, кобальта, железа взаимно растворяются и образуют основной продукт электроплавки - штейн. В штейне растворяются также благородные металлы и магнетит. Основные реакции штейнообразования:

Cu2O + FeS = FeO + Cu2S

3 NiO + 3 FeS = Ni₃S₂ + З FеО + Ѕ S₂

СоО + FeS = СоS + FеО

2 Сu₂O + Cu₂S = 6Сu + SO₂

2Сu + FеS = Cu₂S + Fе

4СuFe₂О₃ + (Cu2S + FeS) = 6Сu + 3 Fe₃O₄ + S₂

Таким образом, штейн содержит: Cu₂S, Ni₃S₂, CoS, FeS, Fe₃0₄, благородные металлы.

Окисленное железо и другие основные окислы (СаО, МgО), вступая во взаимодействие с SiO₂, образуют силикаты типа m МеО * n SiO₂, которые, смешиваясь в расплавленном состоянии, образуют другой продукт электроплавки - шлак.

Основные реакции шлакообразования:

10 Fe₂O₃ + FeS = 7 Fe₃O₄ + SO₂;

З Fe₃O₄ + FeS + 5 SiO₂ = 5 (FеО)₂ * SiO₂ + SO₂

2 FеО + SiO₂ = 2 FеО * SiO₂

СаО + SiO₂ = СаО * SiO₂;

MgО + SiO₂ = MgО * SiO₂;

FеО + Al₂O₃ = Fе * Al₂O₃

В результате указанных реакций образуется смесь компонентов шлака: 2 FеО * SiO₂, СаО * SiO₂, МgО * SiO₂, Fe₃O₄, FеО * Al₂O₃.

Разделение шлака и штейна в печи происходит вследствие разности их плотностей (шлак - 2,9 т/м³, штейн - 5 т/м³). Шлак руднотермических печей является отвальным продуктом.

В процессе электроплавки образуются также и газообразные продукты: SO₂, SO₃, H₂O, СО₂.

Часть газов растворяется в шлаке, а остальные удаляются из печного пространства через газоходы. За счет подсосов воздуха они разбавляются азотом и кислородом.

Сера при электроплавке удаляется в результате термического разложения с сульфидами железа. Удаление серы или так называемая десульфуризация при плавке медно-никелевых обожженных окатышей составляет 3-5%, при плавке высокосернистой (25% S) руды НГМК - 15% и из сернистой местной руды (12% S) - 15%.

Интенсивная конвекция шлака в руднотермических печах создает благоприятные условия для переработки жидкого конвертерного шлака, заливаемого для извлечения из него никеля, меди и кобальта. При этом конвертерный шлак перемешивается с печным шлаком и благодаря конвекции энергично контактирует с сульфидами, флюсами и восстановителем твердой шихты. Происходит восстановление магнетита конвертерного шлака и окислов цветных металлов, их сульфидирование, укрупнение и осаждение сульфидов, насыщение шлака кремнеземом. В результате конвертерный шлак обедняется цветными металлами до отвального.

При добавке в шихту углеродистого восстановителя (угольный штыб) шлаки обедняются более эффективно, так как активизируется процесс восстановления окислов металлов.

Восстановлению этих соединений способствует конвекционное движение шлака в ванне электропечи, обеспечивающее непрерывный «скользящий» контакт шлаковых масс с восстановлением.

При взаимодействии восстановителя со шлаком в первую очередь будут восстанавливаться окислы меди, никеля, кобальта и железа. Но поскольку окислов железа в шлаке больше, чем окислов других металлов, то преимущественно будут восстанавливаться окислы железа. В результате получается металлический сплав, состоящий в основном из железа. Этот сплав растворяется в штейне и образуется так называемый металлизированный штейн.

Взаимодействие шлака с углеродистым восстановителем может быть представлено следующими взаимосвязанными реакциями:

(Ме0)_шл + СО = [Ме]_спл + СО₂

С+ СО₂ = 2 СО

Здесь символом Ме обозначен любой из металлов: Ni, Сu, Со, Fе.

Соединения, находящиеся в шлаковой фазе, заключены в круглые скобки, в штейновой и металлической - в квадратные. При прохождении капелек сплава и металлизированного штейна через шлаковый слой происходит восстановление окислов цветных металлов металлическим железом штейна согласно реакции:

(Ме0)_шл + [Fе]_шт = [Ме]_спл + (Fе0)_шл

Восстановленные металлы растворяются в штейне и, реагируя с сульфидом железа, переходят в сульфидную форму по уравнению:

[Ме]_спл + [FеS] = [МеS]_шт + [Fе]_шт

Таким образом, при введении в шихту электроплавки угля восстановление цветных металлов шлака осуществляется как непосредственно углеродистым восстановителем, так и металлическим железом. Причем основная масса окислов восстанавливается металлическим железом штейна.

2. Технологическая часть

В процессе электроплавки протекают следующие химические реакции:

1) CoO + Fe Co + FeO

2) NiO + Fe Ni + FeO

3) 6NiO + 6FeS Ni₃S₂ + 6FeO + S₂

4) S₂ + 2O₂ 2SO₂

5) FeS + 3Fe₃O₄ 10FeO +SO₂

6) FeO + CO Fe + CO₂

7) FeS + 3Fe₃O₄ + 5SiO₂ 5Fe₂SiO₄ + SO₂

8) 2C + O₂ 2CO

9) C + O₂ CO₂

10) MgO + SiO₂ MgO?SiO₂

11) CaO + SiO₂ CaO?SiO₂

12) Al₂O₃ + SiO₂ Al₂O₃?SiO₂ [7]

2.1 Расчет материального баланса электроплавки

Расчет материального баланса электроплавки проводится для 100 кг шихты.

Состав шихты

Таблица 2.1. Элементарный состав шихты электроплавки, %

Ni	Cu	Co	Fe	S	SiO2	CaO	MgO	Al2O3
6,11	2,76	0,21	28,48	11,71	28,98	1,1	10,72	4,5

Таблица 2.2. Вещественный состав шихты электроплавки, %

NiO	Ni3S2	Cu2S	CoO	FeS	Fe2O3	Fe3O4	SiO2	CaO	MgO	Al2O3
1,17	7,08	3,46	0,27	25	9,01	8,71	28,98	1,1	10,72	4,5

Расчет масс продуктов плавки

Расчет масс компонентов пыли

При загрузке шихты в электропечь мелкие частицы уносятся в виде пыли вместе с газами через газоотводы, после чего улавливаются специальными фильтрами. Пыль имеет такой же состав, как и исходная шихта. Масса пыли составляет 1,5% от массы шихты.

m (пыли) = 1,5 кг

Массы компонентов пыли также равны 1,5% от масс этих компонентов в исходной шихте.

Расчет масс компонентов штейна

По данным практики среднее суммарное содержание цветных металлов (Ni, Cu, Co) в конечном продукте электроплавки - штейне в настоящее время составляет 22%. Извлечение цветных металлов: никель - 95%, медь - 94%, кобальт - 80%.

При переплавке 100 кг шихты получится штейн, содержащий цветные металлы по массе:

m (Ni) = 6,11·0,95 = 5,8 кг

m (Cu) = 2,76·0,94 = 2,59 кг m_Уцв.Ме = 8,56 кг

m (Co) = 0,21·0,8 = 0,17 кг

Зная массу цветных металлов и их содержание в штейне, можно найти массу штейна:

m (штейна) = 38,91 кг

Медь присутствует в штейне в виде сульфида меди Cu₂S:

m_Cu2S (Cu) = 2,59 кг

m_Cu2S (S) = кг

m (Cu₂S) = m_Cu2S (Cu) + m_Cu2S (S) = 2,59 + 0,65 = 3,24 кг

Кобальт в штейне присутствует в виде чистого металла, образованного по реакции (1):

CoO + Fe = Co + FeO

m (Co) = 0,17 кг

m _CoO (Co) = 0,17 кг

m _CoO (O) = 0,05 кг

m (CoO) = m _CoO (Co) + m _CoO (O) = 0,17 +0,05 = 0,22 кг

m (Fe) = кг

m _FeO (Fe) = 0,16 кг

m _FeO (O) = = 0,05 кг

m (FeO) = m _FeO (Fe) + m _FeO (O) = 0,16 + 0,05 =0,21 кг

Никель присутствует в штейне в виде хизливудита Ni₃S₂, который переходит в штейн из исходной шихты, а также образуется по реакции (3):

6NiO + 6FeS = 2Ni₃S₂ + 6FeO + S₂

и чистого металла, который образуется по реакции (2):

NiO + Fe = Ni + FeO

Масса хизливудита, перешедшего из исходной шихты в штейн, равна разности масс исходного хизливудита в шихте и Ni₃S₂, ушедшего в пыль:

m _ших. (Ni₃S₂) = m _исх. (Ni₃S₂) - m _пыли (Ni₃S₂) = 7,08 - 0,11 = 6,97 кг

m _Ni3S2 (Ni) = кг

m _Ni3S2 (S) = кг

Всего в штейне содержится 5,8 кг никеля. Следовательно, 0,69 кг никеля переходит в штейн из исходного оксида никеля в виде хизливудита и чистого никеля, образующихся по реакциям (2), (3). Масса оксида никеля, участвующего в реакциях (2), (3), находится следующим образом:

m _NiO (Ni) = 0,69 кг

m _NiO (O) = кг

m (NiO) = m _NiO (Ni) + m _NiO (O) = 0,69 + 0,18 = 0,87 кг

Расчет реакции (2):

NiO + Fe Ni + FeO

На реакцию идет 30% оксида никеля из 0,87 кг.

m (NiO) = 0,87 кг

m _NiO (Ni) = 0,21 кг

m _NiO (O) = 0,05 кг

m (Fe) = кг

m _FeO (Fe) = 0,2 кг

m _FeO (O) = = 0,05 кг

m (FeO) = m _FeO (Fe) + m _FeO (O) = 0,2 + 0,05 =0,25 кг

Расчет реакции (3):

6NiO + 6FeS Ni₃S₂ + 6FeO + S₂

На реакцию (3) идет 70% оксида никеля из 0,87 кг.

m (NiO) = 0,87 кг

m _NiO (Ni) = 0,48 кг

m _NiO (O) = 0,13 кг

m (FeS) = кг

m _FeS (Fe) = кг

m _FeS (S) = = 0,26 кг

m _Ni3S2 (Ni) = 0,48 кг

m _Ni3S2 (S) = кг

m _{р-ция (3)} (Ni₃S₂) = m _Ni3S2 (Ni) + m _Ni3S2 (S) = 0,48 + 0,17 = 0,65 кг

m _FeO (Fe) = m _FeS (Fe) = 0,46 кг

m _FeO (O) = m _NiO (O) = 0,13 кг

m (FeO) = m _FeO (Fe) + m _FeO (O) = 0,46 + 0,13 = 0,59 кг

m (S₂) = m _FeS (S) - m _Ni3S2 (S) = 0,26 - 0,17 = 0,09 кг

Из расчета видно, что в штейне содержатся следующие соединения никеля:

хизливудит Ni₃S₂

m (Ni₃S₂) = m _ших. (Ni₃S₂) + m _{р-ция (2)} (Ni₃S₂) = 6,97 + 0,65 = 7,62 кг

m _Ni3S2 (Ni) = кг

m _Ni3S2 (S) = кг

металлический никель Ni

m _Ме (Ni) = 0,21 кг

Общая масса никеля в штейне:

m (Ni) = m _Ме (Ni) + m _Ni3S2 (Ni) = 0,21 + 5,59 = 5,8 кг

Железо содержится в штейне в виде металлического железа и сульфидного железа.

Содержание металлического железа в штейне равно 19% [3].

m _Me (Fe) = кг

Металлическое железо образуется по реакции (6):

FeO + CO Fe + CO₂

Часть образовавшегося железа переходит в штейн, часть идет на восстановление никеля и кобальта из оксидов. Общая масса железа, образованного по реакции (6):

m (Fe) = m _Me (Fe) + m _NiO (Fe) + m _CoO (Fe) =7,39 + 0,2 + 0,16 = 7,75 кг

m _FeO (Fe) = m (Fe) =7,75 кг

m _FeO (O) = = 2,22 кг

m (FeO) = m _FeO (Fe) + m _FeO (O) = 7,75 + 2,22 =9,97 кг

m (CO) = кг

m _CO (C) = кг

m _CO (O) = кг

m (CO₂) = m (CO) + m _FeO (O) = 3,89 + 2,22 = 6,11 кг

m _CO2 (C) = кг

m _CO2 (O) = кг

Оксид железа, идущий на реакцию (6) образуется по реакциям (1), (2), (3), (5):

1) CoO + Fe Co + FeO

2) NiO + Fe Ni + FeO

3) 6NiO + 6FeS Ni₃S₂ + 6FeO + S₂

5) FeS + 3Fe₃O₄ 10FeO +SO₂

Необходимо рассчитать массы реагентов реакции (5). Всего требуется получить 9,97 кг оксида железа. Из них по реакциям (1) - (3) образуется:

m _{р.(1) - (3)} (FeO) = 0,21 + 0,25 + 0,59 = 1,05 кг

тогда по реакции (5) образуется:

m _р.(5) (FeO) = 9,97 - 1,05 = 8,92 кг

m _FeO (Fe) = кг

m _FeO (O) = m _р.(5) (FeO) - m _FeO (Fe) = 8,92 - 6,93 = 1,99 кг

m _FeS (Fe) = кг

m _FeS (S) = кг

m (FeS) = m _FeS (Fe) + m _FeS (S) = 0,69 + 0,4 = 1,09 кг

m _Fe3O4 (Fe) = m _FeO (Fe) - m _FeS (Fe) = 6,93 - 0,69 = 6,24 кг

m _Fe3O4 (O) = кг

m (Fe₃O₄) = m _Fe3O4 (Fe) + m _Fe3O4 (O) = 6,24 + 2,38 = 8,62 кг

m _SO2 (S) = m _FeS (S) = 0,4 кг

m _SO2 (O) = кг

m (SO₂) = m _SO2 (S) + m _SO2 (O) = 0,4 + 0,39 = 0,79 кг

Итак, металлическое железо составляет 19% штейна, т.е. 7,39 кг. Остальную массу штейна составляют металлический никель, металлический кобальт, сульфиды никеля и меди и сульфид железа FeS:

m (FeS) = m (штейна) - m (Ni₃S₂) - m (Ni) - m (Cu₂S) - m (Co) - m (Fe)=

= 38,91 - 7,62 - 0,21 - 3,24 - 0,17 - 7,39 = 20,28 кг

m _FeS (Fe) = 12,88 кг

m _FeS (S) = 7,4 кг

Общая масса железа в штейне:

m (Fe) = m _Me (Fe) + m _FeS (Fe) = 7,39 + 12,88 = 20,27 кг

Сера в штейне присутствует в сульфидах меди, никеля и железа. Ее общая масса в штейне равна:

m (S) = m_Cu2S (S) + m _Ni3S2 (S) + m _FeS (S) = 0,65 + 2,03 + 7,4 = 10,08 кг

Таким образом, массы всех компонентов штейна найдены.

Расчет масс компонентов шлака

Шлак электропечного передела представлен силикатным расплавом. В его состав входит прежде всего фаялит (Fe₂SiO₄), а также такие соединения, как силикаты магния, кальция и алюминия.

Фаялит образуется по реакции (7):

FeS + 3Fe₃O₄ + 5SiO₂ 5Fe₂SiO₄ + SO₂

Сульфид железа из исходной шихты уходит в пыль (0,37 кг), переходит в штейн (20,28 кг), идет на реакцию (3) (0,72 кг) и на реакцию (5) (1,09 кг). Остальная масса FeS идет на реакцию (7).

m ₍₇₎ (FeS) = m _исх. (FeS) - m _шт. (FeS) - m ₍₃₎ (FeS) = 25 - 0,37 - 20,28 -0,72 - 1,09 = 2,54 кг

m _FeS (Fe) = кг

m _FeS (S) = кг

m _Fe3O4 (Fe) = _FeS (Fe) = кг

m _Fe3O4 (O) = кг

m (SiO₂) = 8,66 кг

m _Fe2SiO4 (SiO₂) = m (SiO₂) = 8,66 кг

m _Fe2SiO4 (FeO) = кг

m _Fe2SiO4 (Fe) = кг

m (Fe₂SiO₄) = m _Fe2SiO4 (SiO₂) + m _Fe2SiO4 (FeO) = 8,66 + 20,71 = 29,37 кг

В трех молях магнетита содержится 12 атомов кислорода, два из них идут на образование сернистого ангидрида. Следовательно:

m _SO2 (O) = m _Fe3O4 (O) = m _Fe3O4 (O) = кг

m _SO2 (S) = кг

m (SO₂) = m _SO2 (S) + m _SO2 (O) = 0,93 + 0,92 = 1,85 кг

Силикаты магния, кальция и алюминия образуются по реакциям (10), (11), (12).

Расчет реакции (10):

MgO + SiO₂ MgO·SiO₂

Оксид магния из исходной шихты (10,87 кг) идет в пыль (0,16 кг) и идет на реакцию (10). Масса оксида магния, идущего на реакцию (10), равна:

m (MgO) = 10,87 - 0,16 = 10,71 кг

m (SiO₂) = кг

m (MgO·SiO₂) = m (MgO) + m (SiO₂) = 10,71 + 15,96 = 26,67 кг

Расчет реакции (11):

CaO + SiO₂ CaO·SiO₂

Оксид кальция из исходной шихты (1,1 кг) идет в пыль (0,02 кг) и идет на реакцию (11). Масса оксида кальция, идущего на реакцию (11), равна:

m (CaO) = 1,1 - 0,02 = 1,08 кг

m (SiO₂) = кг

m (CaO·SiO₂) = m (CaO) + m (SiO₂) = 1,08 + 1,16 = 2,24 кг

Расчет реакции (12):

Al₂O₃ + SiO₂ Al₂O₃·SiO₂

Оксид алюминия из исходной шихты (4,5 кг) идет в пыль (0,06 кг) и идет на реакцию (12). Масса оксида алюминия, идущего на реакцию (12), равна:

m (Al₂O₃) = 4,5 - 0,06 = 4,44 кг

m (SiO₂) = кг

m (Al₂O₃·SiO₂) = m (Al₂O₃) + m (SiO₂) = 4,44 + 2,62 = 7,06 кг

Кремнезем из исходной шихты (28,83 кг) уходит в пыль (0,43 кг) и идет на реакции (7) (8,66 кг), (10) (15,96 кг), (11) (1,16 кг), (12) (2,62 кг).

Масса расходуемого кремнезема:

m (SiO₂) = 0,43 + 8,66 + 15,96 +1,16 +2,62 = 28,83 кг,

Это совпадает с массой исходного оксида кремния. Это означает, что в исходном материале нет ни избытка, ни недостатка кремнезема. Следовательно, необходимости во введении в шихту электропечи кварцевых флюсов при плавке окатышей данного состава нет.

В шлак переходят также гематит Fe₂O₃, оксиды кобальта, никеля и сульфид меди.

Гематит из исходной шихты (9,01 кг) уходит в пыль (0,14 кг) и переходит в шлак. Его масса в шлаке:

m (Fe₂O₃) = 9,01 - 0,14 = 8,87 кг

m (Fe) = кг

m (O) = кг

Оксид кобальта из исходной шихты (0,27 кг) уходит в пыль (0,01 кг), идет на реакцию (1) (0,22 кг) и переходит в шлак. Масса оксида кобальта в шлаке:

m (CoO) = 0,27 - 0,01 - 0,22 = 0,04 кг

m (Co) = кг

m (O) = кг

Оксид никеля из исходной шихты (1,17 кг) уходит в пыль (0,02 кг), идет на реакции (2) (0,26 кг), (3) (0,61 кг) и переходит в шлак. Масса оксида никеля в шлаке:

m (NiO) = 1,17 - 0,02 - 0,26 - 0,61 = 0,28 кг

m (Ni) = кг

m (O) = кг

Сульфид меди из исходной шихты (3,46 кг) уходит в пыль (0,05 кг), переходит в штейн (3,24 кг) и идет в шлак (механические потери). Масса сульфида меди в шлаке:

m (Cu₂S) = 3,46 - 0,05 - 3,24 = 0,17 кг

m (Cu) = кг

m (S) = кг

Таким образом, был произведен расчет масс компонентов шлака. Следовательно, можно найти массу всего шлака, просуммировав массы всех компонентов, и их процентное содержание в шлаке электропечного передела.

Расчет массы необходимого конвертерного шлака

В исходном материале содержится 8,71 кг магнетита Fe₃O₄. Магнетит в процессе плавки идет в пыль (0,13 кг) и на реакции (5) (8,62 кг) и (7) (20,02 кг). Всего расходуется:

m (Fe₃O₄) = 0,13 + 8,62 + 20,02 = 28,77 кг

Очевидно, что магнетит в исходной шихте явно в недостатке. Масса недостающего магнетита 20,06 кг. Возникает технологическая задача, решением которой может являться слив в электропечь оборотного конвертерного шлака. Содержащийся в нем магнетит восполнит недостающее в окатышах количество. Кроме того, высокое содержание цветных металлов в конвертерном шлаке позволит повысить массу извлеченных в штейн цветных металлов и увеличить их процентное содержание в штейне. Недостатком технологии введения в электропечь конвертерного шлака является неоднократная переработка железа и его соединений.

Состав конвертерного шлака приведен в таблице 2.3.

Таблица 2.3. Элементарный состав конвертерного шлака, %

Ni	Cu	Co	Fe	S	O	SiO2	CaO	MgO	Al2O3
1	0,8	0,3	50	0,38	16,27	25,09	1	4,23	0,93

50% никеля в конвертерном шлаке окислено, 50% присутствует в виде хизливудита. Кобальт окислен на 100%, медь представлена в виде сульфида. Содержание магнетита 25%.

Таблица 2.4. Вещественный состав конвертерного шлака, %

NiO	Ni3S2	Cu2S	CoO	Fe3O4	Fe2SiO4	CaO·SiO2	MgO·SiO2	Al2O3·SiO2
0,64	0,68	1	0,38	25	58,22	2,07	10,53	1,48

Недостаток магнетита в окатышах 20,06 кг. Зная процентное содержание магнетита в конвертерном шлаке, можно вычислить массу шлака, а затем, зная его процентный состав, вычислить массы всех его компонентов.

m (Fe₃O₄) = 20,06 кг

m (конв. шл.) = кг

Извлечение цветных металлов из конвертерного шлака в штейн принимается таким же, как из исходной шихты:

Ni - 95%; Cu - 94%; Co - 80%.

Так как шлак заливается в печь в жидкотекучем состоянии (t = 1280°C), его компоненты в пыль не уходят. Следовательно, состав пыли не изменится. Содержащиеся в конвертерном шлаке вещества будут переходить в штейн и в шлак. В связи с этим массы компонентов штейна и шлака электропечного передела необходимо пересчитать заново, учитывая изменение состава исходного материала.

Пересчет масс компонентов штейна

Извлечение цветных металлов из конвертерного шлака в штейн принято таким же, как из окатышей:

Ni - 95%; Cu - 94%; Co - 80%.

Тогда массы цветных металлов, переходящих из конвертерного шлака в штейн:

m (Ni) = 0,8 · 0,95 = 0,76 кг

m (Cu) = 0,64 · 0,94 = 0,6 кг

m (Co) = 0,24 · 0,8 = 0,19 кг

Медь переходит в штейн в виде сульфида.

m _Cu2S (Cu) = 0,6 кг

m _Cu2S (S) = кг

m (Cu₂S) = m _Cu2S (Cu) + m _Cu2S (S) = 0,6 + 0,3 = 0,75 кг

Кобальт переходит в штейн в виде чистого металла, образующегося по реакции (1):

CoO + Fe Co + FeO

m (Co) = 0,19 кг

m (CoO) = кг

m (O) = m (CoO) - m (Co) = 0,24 - 0,19 = 0,05 кг

m (Fe) = 0,18 кг

m (FeO) = 0,23 кг

Никель переходит в штейн в виде сульфида и чистого металла.

m (Ni₃S₂) = 0,55 кг

m _Ni3S2 (Ni) = 0,4 кг

Металлический никель образуется по реакции (2):

NiO + Fe Ni + FeO

Масса никеля, образующегося по этой реакции:

m (Ni) = 0,76 - m _Ni3S2 (Ni) = 0,76 - 0,4 = 0,36 кг

(0,76 кг - общая масса никеля, переходящего из конвертерного шлака в штейн).

m _NiO (O) = кг

m (NiO) = 0,46 кг

m (Fe) = кг

m (FeO) = 0,44 кг

Металлическое железо на реакции (1) и (2) идет из штейна, полученного при переплавке окатышей (п. 2.4.2.). Образующийся оксид железа FeO восстанавливается оксидом углерода СО до металлического железа Fe (реакция [6]), которое переходит в штейн.

FeO + CO Fe + CO₂

m (FeO) = 0,23 +0,44 = 0,67 кг

m (Fe) = 0,18 + 0,34 = 0,52 кг

m (CO) = кг

m (CO₂) = m (CO) + m _FeO (O) = 0,26 + 0,15 = 0,41 кг

Таким образом, массы компонентов, полученных в п. 2.1.4.2, не уменьшаются. Кроме того, при учете конвертерного шлака увеличиваются массы соединений цветных металлов. Массы остальных компонентов останутся такими же, какие были рассчитаны в п. 2.1.4.2. Это приведет к повышению содержания цветных металлов в штейне и уменьшению содержания металлического железа в штейне (т.е. снижению степени металлизации штейна).

Масса соединений цветных металлов в штейне:

m (Ni₃S₂) = 7,62 + 0,55 = 8,17 кг

m (Ni_Me) = 0,21 + 0,36 = 0,57 кг

m (Cu₂S) = 3,24 + 0,75 = 3,99 кг

m (Co) = 0,17 + 0,19 = 0,36 кг

m (штейна) = 38,91 + 0,55 + 0,36 + 0,75 + 0,19 = 40,76 кг

Массы элементов штейна, изменившиеся по сравнению с п. 2.1.4.2.:

m (Ni) = 5,8 + 0,76 = 6,56 кг

m (Cu) = 2,59 + 0,6 =3,19 кг

m (Co) = 0,17 + 0,19 = 0,36 кг

m (S) = 10,08 + 0,15 + 0,15 = 10,38 кг

Массы остальных компонентов штейна не изменятся по сравнению с п. 2.1.4.2.

С учетом доизвлеченных из конвертерного шлака цветных металлов сумма их процентных содержаний повысилась до 24,8%.

Пересчет масс компонентов шлака

Все химические соединения, не идущие на реакции (1), (2), (7) и не переходящие в штейн, уходят в шлак. Массы соединений цветных металлов, которые уходят в шлак из конвертерного шлака:

m (NiO) = 0,51 - 0,46 = 0,05 кг

m _NiO (Ni) = 0,04 кг

m _NiO (O) = 0,01 кг

m (Cu₂S) = 0,8 - 0,75 = 0,05 кг

m _Cu2S (Cu) = 0,04 кг

m _Cu2S (S) = 0,01 кг

m (CoO) = 0,3 - 0,24 = 0,06 кг

m _CoO (Co) = 0,24 - 0,19 = 0,05 кг

m _CoO (O) = 0,01 кг

Следует также напомнить, что магнетит из конвертерного шлака полностью прореагировал с сульфидом железа и кремнеземом из окатышей, образуя фаялит (реакция [7], расчет масс реагентов этой реакции приведен в п. 2.4.3.) и прореагировал с сульфидом железа, образуя оксид железа FeO (реакция [5], п. 2.4.2.).

Расчет масс компонентов газовой фазы и подсасываемого в печь воздуха

В подсводном пространстве руднотермической электропечи устанавливается газовая фаза за счет введения в шихту кокса. Масса кокса должна составлять до 3 - 4% от массы шихты. Масса кокса принимается равной 3,6 кг. Причем 30% кокса окисляется до СО₂ по реакции (9):

C + O₂ CO₂

m (C) = 3,6 · 0,3 = 1,08 кг

m (O₂) = кг

m (CO₂) = m (C) + m (O₂) = 1,08 + 2,88 = 3,96 кг

70% кокса окисляется до монооксида углерода по реакции (8):

2C + O₂ 2CO

m (C) = 3,6 · 0,7 = 2,52 кг

m (O₂) = кг

m (CO) = 5,88 кг

Оксид углерода СО создает восстановительную атмосферу в подсводном пространстве электропечи и восстанавливает железо по реакции (6):

FeO + CO Fe + CO₂

(Расчет масс участвующих в этой реакции веществ приведен в п. 4.4.2. и п. 4.4.5.)

m (CO) = 3,89 + 0,26 = 4,15 кг

m (CO₂) = 6,11 + 0,41 = 6,52 кг

Сернистый ангидрид образуется по реакциям (4), (5), (7), причем по реакции (4) окисляется элементарная сера, образованная по реакции (3):

S₂ + 2O₂ 2SO₂

m (S₂) = 0,09 кг

m (O₂) = кг

m (SO₂) = 0,18 кг

Общая масса сернистого ангидрида, образующегося при переплавке 100 кг окатышей, равна:

m (SO₂) = 0,18 + 0,79 + 1,85 = 2,82 кг

m (S) = 0,09 + 0,4 + 0,93 = 1,42 кг

m (O) = 1,4 кг

Объемная концентрация сернистого ангидрида в отходящих через газоотводы газах равна 0,7%.

Объемы сернистого ангидрида, углекислого и угарного газа при 273 К (0?C) равны:

V⁰(SO₂) = м³

V⁰(CO₂) = м³

V⁰(CO) = м³

Кокс, вводимый в шихту, окисляется кислородом подсасываемого воздуха (реакции [8], [9]). Кроме того, кислородом подсасываемого воздуха окисляется сера (реакция [4]). Масса необходимого для окисления кокса и серы кислорода равна:

m (O₂) = 2,88 + 3,36 + 0,09 = 6,24 кг

Кислород по массе составляет 23,3% воздуха. Масса воздуха, содержащего 3,96 кг кислорода:

m (возд.) = кг

Остальную массу воздуха составляет азот, который не вступает в химические реакции.

m (N₂) = m (возд.) - m (O₂) = 26,78 - 3,96 = 22,82 кг

V⁰(N₂) = м³

Зная объем сернистого ангидрида и его процентное содержание в газовой фазе и его процентное содержание, можно рассчитать массу всей газовой фазы.

V⁰(газ. фазы) = м³

Объем сернистого ангидрида 0,99 м³, углекислого газа - 5,33 м³, угарного газа - 1,38 м³, азота - 18,24 м³. Остальной объем отходящих газов составляет воздух. Его плотность при 273 К:

с⁰(возд.) = 1,29 кг/м³.

V⁰(возд.) = 141,43 - 0,99 - 5,33 - 1,38 - 18,24 = 115,49 м³

m (возд.) = V⁰(возд.) · с⁰(возд.) = 148,98 кг

m (N₂) = 148,98 · 0,767 = 114,27 кг

m (O₂) = 148,98 - 114,27 = 34,71 кг

Таким образом, рассчитаны массы подсасываемых в печь азота и кислорода.

m (N₂) = 13,04 + 114,27 = 127,31 кг

m (O₂) = 6,24 + 34,71 = 40,95 кг

Соответственно, масса подсасываемого в печь воздуха:

m (возд.) = 168,26 кг

В газоотводы кислород уходит из шихты в сернистом ангидриде (1,31 кг кислорода), в углекислом газе (2,37 кг); из подсасываемого воздуха - в сернистом ангидриде, углекислом и угарном газах (6,33 кг) и в виде непрогреагировавшего кислорода подсасываемого воздуха (34,71 кг). Общая масса кислорода в отходящих газах:

m (O) = 1,31 + 2,37 + 6,33 + 34,71 = 44,72 кг

Кокс, вводимый в шихту электропечи, полностью уходит в газовую фазу.

m (C) = 3,6 кг

Сера уходит через газоотводы в виде сернистого ангидрида SO₂, ее масса:

m (S) = 1,42 кг

Азот подсасываемого воздуха уходит через газоотводы, не вступая в химические реакции.

m (N₂) = 127,31 кг

Результаты расчета материального баланса электропечного передела представлены в виде таблицы, приведенной в приложении 1.

2.2 Расчет теплового баланса электроплавки

При расчете теплового баланса необходимо вычислить тепло, приносимое в электропечь исходными материалами и образующееся при протекании экзотермических химических реакций. Затем требуется вычислить тепло, выносимое из печи конечными материалами, теряющееся через футеровку и кожух печи и поглощаемое эндотермическими реакциями. Разность статей расхода и статей прихода будет являться величиной количества тепла, которое необходимо подвести к печи с помощью электронагрева материалов плавки [8]. Как и расчет материального баланса, тепловой баланс рассчитывается на 100 кг шихты.

Расчет тепловых эффектов химических реакций

Тепловые эффекты реакций рассчитывается как разность сумм произведений тепловых эффектов образования конечных продуктов реакции на их количество (количество молей) и произведений тепловых эффектов образования начальных продуктов реакции на их количество. Тепловые эффекты образования химических веществ при заданной температуре рассчитываются по формуле:

ДH_f^T = ДH_f²⁹⁸ + (a + · T) · T,

где ДH_f²⁹⁸ - тепловые эффекты образования химических веществ при температуре 298К, кДж/моль,

a, b - термодинамические коэффициенты мольной теплоемкости, Дж/моль·К,

Т - абсолютная температура, К.

Чтобы рассчитать тепловой эффект реакции, в которой участвуют определенные массы реагентов, необходимо умножить величину ДH_f^T на некий коэффициент k (моль), равный:

k = ,

где m - масса одного из веществ, участвующих в химической реакции, г;

M - молярная масса этого вещества, г/моль;

s - стехиометрический коэффициент вещества в уравнении химической реакции [7].

Условно можно считать, что химические реакции, протекающие в процессе электроплавки, идут при температуре 1300?С (1573 К). Величины ДH_f²⁹⁸, a, b для каждого соединения находятся по химическому справочнику термодинамических величин.

Зная термодинамические функции химических веществ, можно вычислить тепловые эффекты химических реакций, причем следует учесть, что при отрицательном значении энтальпии тепло выделяется, т.е. реакция экзотермическая, при положительном значении энтальпии - эндотермическая.

В результате расчетов тепловых эффектов химических реакций получен следующие данные:

· выделяющееся тепло 79,83 кДж

· поглощаемое тепло 12,47 кДж

Расчет статей прихода тепла

Тепло, вносимое в печь загружаемыми материалами, равно сумме произведений количества молей компонентов на их теплоемкости и абсолютные температуры.

Тепло, вносимое в печь шихтой:

Температуру загружаемых в печь окатышей принимаю равной 23°С (300К). Теплоемкость каждого химического вещества, входящего в состав окатышей, находится по формуле:

Cp = a +

Тепло, вносимое в печь каждым компонентом, равно:

Q = · Cp · T

Количество тепла, поступающее в печь вместе с шихтой, равно 15221,9 кДж.

Кокс вносит в печь количество тепла, равное 1805,7 кДж.

Тепло, вносимое в печь конвертерным шлаком:

Температуру сливаемого в печь конвертерного шлака принимаю равной 1290°С (1563К).

Количество тепла, поступающее в печь вместе с конвертерным шлаком, равно 101400,5 кДж.

Тепло, вносимое в печь подсасываемым воздухом:

Температуру подсасываемого в печь воздуха принимаю равной 23°С (300К).

Количество тепла, поступающее в печь вместе с подсасываемым воздухом, равно 12272,91 кДж.

Общее количество поступающего в печь (без учета электроэнергии) и выделяющегося при экзотермических реакциях тепла равно 130,78 МДж.

Расчет статей расхода тепла

Расход тепла обусловлен тем, что тепло при плавке выносится с конечными материалами плавки, с газами, поглощается эндотермическими реакциями и теряется через стенки и свод печи.

Потери тепла со штейном

Тепло, содержащееся в медно-никелевом штейне, находится по формуле:

Q_У = ,

Где Q_У - тепло, содержащееся в штейне, кДж,

Qi - тепло, содержащееся в i-том компоненте штейна, кДж,

n - число компонентов штейна.

Температуру штейна, выпускаемого из печи, принимаю равной 1200?С.

Количество тепла, выносимое из электропечи штейном, равно 59302,09 кДж.

Потери тепла со шлаком

Тепло, содержащееся в электропечном шлаке, находится по формуле:

Q_У = ,

Где Q_У - тепло, содержащееся в шлаке, Дж,

Qi - тепло, содержащееся в i-том компоненте шлака, Дж,

n - число компонентов шлака.

Температуру шлака, выпускаемого из печи, принимаю равной 1350?С.

Количество тепла, выносимое из электропечи шлаком, равно 120880,6 кДж.

Потери тепла с отходящими через газоотводы газами и пылью

Вещественный состав отходящего через газоотводы газа:

m (SO₂) = 2,82 кг

m (CO₂) = 10,48 кг

m (CO) = 1,73 кг

m (N₂) = 127,31 кг

m (O₂) = 34,71 кг

Условно принимается, что температура подсасываемых кислорода и азота 23?С (300К), температура выделяющихся при реакциях технологических газов (SO₂, CO₂, CO) 1323?С (1600К).

Количество тепла, содержащегося в отходящих через газоотводы газах, равно 40343,17 кДж.

Пыль уходит из шихты при температуре загруженных в печь окатышей, т.е. 23?С (300К). Теплообмен с газовой фазой считать необязательно, так как по закону сохранения энергии суммарное количество тепла системы «газовая фаза-пыль» остается постоянным, а вся указанная система уходит в газоотводы. Поэтому изменение температуры при теплообмене между компонентами газовой фазы и пыли не учитывается.

Количество тепла, уходящего из печи с пылью, равно 229,546 кДж.

Потери тепла через футеровку и кожух принимаются равными 15% от количества тепла, поступившего в электропечь (без учета электроэнергии). Количество тепла, теряющегося через кожух и футеровку электропечи, равно 20,67 МДж.

Кроме тепла, теряющегося с выходящими из печи материалами и через кожух и футеровку печи, тепло поглощается при эндотермических реакциях (12,47 кДж). Общее количество расходуемого тепла равно 241,43 МДж.

Расчет количества электроэнергии, которое необходимо подвести к электропечи

Количество тепла, вносимого в печь исходными материалами и выделяющегося при протекании экзотермических реакций, равно 130,78 МДж, количество расходуемого тепла 241,43 МДж.

Для протекания процесса электроплавки к печи необходимо подвести 110,65 МДж тепла.

1 кДж = кВт · час

1 МДж = кВт · час

110,65 МДж = 30,74 кВт · час

Рассчитанный тепловой баланс электроплавки приведен в приложении 2 в виде таблицы, показывающей равенство статей прихода и расхода тепла.

3. Контроль и автоматизация

3.1 Современное состояние автоматизации технологических процессов рудно-термической электроплавки

Рудная электроплавка, по сравнению с другими видами плавок, например шахтной и отражательной, технологически более совершенный процесс, легче поддающийся автоматизации и механизации. В отличие от дуговых сталеплавильных, карбидных и других электропечей процесс электроплавки медно-никелевых руд непрерывный, что существенно облегчает его автоматизацию. Однако работы по автоматизации руднотермических электропечей цветной металлургии пока не получили достаточного развития. Лишь частично решены вопросы автоматизации процессов подготовки шихты, загрузки шихты в печь, энергетического и газового режима плавки.

Уровень автоматизации действующих руднотермических печей можно отнести к начальной ступени частичной автоматизации [18].

К основным причинам, сдерживающим автоматизацию электропечей, относятся:

1. Сложность и недостаточная их изученность как объектов автоматизации в связи с трудностями проведения исследований при высоких температурах и в агрессивных средах;

2. Недостаточная степень надежности и механизации работы обслуживающих механизмов;

3. Отсутствие необходимых датчиков и устройств для надежного измерения ряда параметров: температуры расплава в печи; уровня шлака и штейна; взвешивания расплавленных масс; автоматического определения основных компонентов в шихте, конверторном шлаке и продуктах плавки.

В результате контроль некоторых параметров электроплавки осуществляется вручную.

На действующих печах не механизированы и не автоматизированы следующие операции:

а) вскрытие и прочистка шпуровых отверстий;

б) выпуск и транспортировка продуктов плавки;

в) отбор, доставка и разделка проб шихты, шлака и штейна;

г) наращивание кожухов самоспекающихся электродов и засыпка электродной массы.

Практически не решена задача герметизации электропечей [1].

Назначение и функции АСУТП РТП

Назначение АСУТП ѕ стабилизация электрического режима и стабилизация температурного режима печи, с целью повышения извлечения полезных компонентов штейн и сокращения непроизводственных затрат на переделе.

В АСУТП автоматически контролируются:

· уровень заглубления электродов в расплав;

· уровень шлака в печи;

· уровень штейна в печи;

· контроль расхода воды на грануляцию;

· температура боковых стен (12 точек);

· температура подины печи (6 точек);

· температура в газоходах печи;

· давление воды на охлаждение короткой сети печного трансформатора;

· давление воды, поступающей на грануляцию;

· состав отходящих газов (содержание CO₂, SO₂);

· расход шихты на переработку;

· разряжение под сводом печи;

· температура охлаждающей воды на сливе;

· напряжение между электродами;

· сила тока, протекающего через расплав;

· напряжение на высокой стороне печного трансформатора;

· температура масла печных трансформаторов;

· заполнение печных бункеров;

· влажность шихты загружаемой в печь;

· расход электроэнергии [5].

Состав продуктов плавки - отвального шлака и штейна - анализируется в лаборатории, отбор проб производится периодически (временной интервал взятия проб штейна и шлака на химический анализ 2 часа).

В АСУТП автоматически сигнализируются:

· отклонения основных технологических параметров от заданных предельных значений (верхняя и нижняя границы оптимального режима);

· изменения режимов работы приводов основного оборудования (транспортеров подачи шихты, дымососа);

· начало и окончание периодических технологических операций (заливка конвертерного шлака, слив штейна, слив шлака) [7].

Структура комплекса технических средств АСУТП

Основные принципы выбора КТС АСУТП:

· Совместимость технических средств;

· Возможность сбора информации с датчиков;

· По возможности решение задач в реальном времени.

Комплекс технических средств АСУТП РТП включает:

· Средства получения информации о состоянии объекта, датчики систем автоматического контроля и дискретных сигналов о состоянии оборудования;

· Средства управления - исполнительные механизмы и регулирующие органы;