Проект реконструкции плавильного участка обжигового цеха Никелевого завода ЗФ ОАО ГМК «Норильский никель»

ВВЕДЕНИЕ

Никелевый завод ОАО «ГМК «Норильский никель» является старейшим предприятием заполярного филиала и включает в себя следующие цеха: агломерационный, плавильный, обжиговый, электролизный и хлорно-кобальтовый. Готовой продукцией завода являются никель и кобальт металлический, соли кобальта.

Технология производства никеля на заводе включает несколько стадий переработки исходного сырья:

— обжиг никелевого концентрата с целью максимального удаления серы из материала;

— восстановительная плавка полученной при обжиге закиси никеля на анодный металл;

— электролитическое рафинирование анодного с получением товарного металла, а также шлама, содержащего благородные металлы.

Восстановительную электроплавку закиси никеля проводят в дуговых электропечах после предварительного двухстадийного обжига в печах КС, с целью удаления серы, и трубчатых печах, с целью предварительного восстановления части закиси никеля и укрупнения частиц для снижения пылевыноса при электроплавке.

В дипломном проекте на основании анализа существующих технологий и оборудования восстановительной плавки, приведено усовершенствование процесса, позволяющее снизить себестоимость переработки закиси никеля, увеличить производительность используемого оборудования и снизить затраты на передел.

1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1 Характеристика района размещения предприятия Заполярный филиал ОАО «ГМК „Норильский никель“» расположен на юге полуострова Таймыр в НПР (Норильском промышленном районе). Климатические условия Норильска и прилегающих к нему районов являются характерными для Крайнего Севера. Эта территория является одной из самых загрязненных в мире.

Здесь ведётся добыча цветных металлов: меди, никеля, кобальта; драгоценных металлов: палладия, осмия (порошок), платины (слитки, порошок), золота (слитки, порошок), серебра (слитки, порошок), иридия (слитки), родия (порошок), рутения (порошок). Попутная продукция: селен металлический, сера техническая, теллур металлический, серная кислота. Норильский комбинат производит 35% мирового палладия, 25% платины, 20% никеля, 20% родия, 10% кобальта. В России 96% никеля, 95% кобальта, 55% меди производится Норильским комбинатом.

Аванпортом Норильска является город-порт Дудинка, с которым Норильск соединён автомобильной и железной дорогами. С другими городами Российской Федерации сухопутное сообщение отсутствует. Воздушное сообщение — через аэропорт «Алыкель».

1.2 Характеристика перерабатываемого сырья Заполярный филиал ОАО «ГМК «Норильский никель» перерабатывает сульфидные медно-никелевые руды, которые в отличие от окисленных, являются сложным, полиметаллическим сырьем. Из этих руд в настоящее время извлекают 14 компонентов. В ценностной структуре до 50% от общей стоимости ценных составляющих руды может приходиться на долю платиноидов.

Химический состав сульфидных медно-никелевых руд следующий, %: 0,3 — 5,5 Ni; 0,2 — 4,5 Сu; 0,02 — 0,2 Со; 30 — 40 Fe; 17 — 28 S; 10 — 30 SiO2; 1 — 10 MgO; 5 — 8 Al2O3.

В отличие от окисленных никелевых руд сульфидные руды характеризуются высокой механической прочностью, практически негигроскопичны и легко поддаются обогащению.

1.3 Технология никелевого завода Для извлечения никеля из всех видов рудного сырья используют как пиро-, так и гидрометаллургические процессы. Применяемые в настоящее время при производстве никеля технологические схемы построены преимущественно на сочетании пирометаллургических и гидрометаллургических методов с преобладанием пирометаллургических переделов.

В технологических схемах переработки окисленных и сульфидных никелевых руд много кажущейся общности, например применение одинаковых процессов и аппаратуры. Однако в целом эти схемы существенно отличаются друг от друга. На это оказывают влияние не только различия в исходном сырье, но и конечные цели переработки.

Наиболее распространенная технологическая схема получения никеля из сульфидных медно-никелевых руд пирометаллургическим методом приведена на Рисунке 1.1.

Особенности этой схемы следующие:

1 Как и в схеме переработки сульфидных медных концентратов, она включает обязательную стадию плавки на штейн. Это обусловлено тем, что поведение никеля при плавке в принципе аналогично поведению меди. Вместе с никелем в штейн переходят медь, кобальт, платиновые металлы, золото и серебро.

2 Обязательной технологической операцией является разделение меди и никеля (медно-никелевого файнштейна) с получением медного и никелевого промпродуктов (богатых концентратов), подвергающихся самостоятельной переработке. Отсутствие этого процесса в технологии привело бы к получению при восстановительной плавке очень сложного полиметаллического сплава на основе меди и никеля, выделение из которого всех ценных компонентов в виде самостоятельных продуктов оказалось бы технически невозможным.

3 Технологическая схема пирометаллургической переработки сульфидных медно-никелевых руд в отличие от технологии получения никеля из окисленного сырья заканчивается обязательным рафинированием чернового (огневого) никеля. Электролитическое рафинирование чернового никеля после предварительного отделения меди позволяет, не только получать никель высокой чистоты (до 99,99% Ni и более), но и извлекать при электролизе кобальт, благородные и редкие металлы в удобные для дальнейшей переработки продукты — кобальтовые кеки и электролизные шламы.

Медно-никелевые штейны по своим физико-химическим свойствам близки к чисто медным. При проведении плавки в окислительных условиях они, как и медные штейны, содержат около 25% серы. В них также присутствует кислород в форме магнетита. Содержание кислорода в медно-никелевых штейнах может быть определено так же, как и для чисто медных штейнов. Однако в этом случае нужно вместо меди учитывать суммарное содержание меди и никеля. Медно-никелевые штейны восстановительных плавок характеризуются заметной металлизацией.

Близкая аналогия в технологическом поведении меди и никеля и близость физико-химических свойств медных и медно-никелевых штейнов позволяют использовать для переработки медно-никелевых руд и концентратов те же методы плавки на штейн и другие технологические процессы, которые применяются в пирометаллургии меди.

Для плавки медно-никелевого. сырья на штейн пригодны все виды рассмотренных выше процессов, включая и автогенные процессы.

Сульфидная медно-никелевая руда Флюс, восстановитель

Штейн

Конв.шлак

Восстановитель

Файнштейн

Штейн Отв. шлак

Никелевый к-т Медный к-т

Закись никеля Штейн

Аноды Черновая медь

Никель электролитный

Рисунок 1.1 — Технологическая схема переработки сульфидных медно-никелевых руд Перспективность и целесообразность применения автогенных процессов для плавки медно-никелевого сырья обусловлены прежде всего тем, что никелевые концентраты обычно беднее медных и в них основным сульфидным минералом является пирротин. При термической диссоциации пирротина, протекающей по реакции

Fe7S8 = 7FeS +0,5S2, (1)

выделяется всего 1/8 часть серы, в то время как при разложении пирита удаляется 50% ее. Поэтому при проведении плавки такого сырья на штейн в нейтральной (отражательные печи) или в восстановительной (руднотермические печи) атмосфере степень десульфуризации значительно ниже, чем при плавке медного концентрата, и штейны получаются бедными. Для получения более богатых медно-никелевых штейнов при использовании этих традиционных методов плавки приходится проводить предварительный окислительный обжиг. Применение автогенных процессов исключает его.

На ряде заводов для переработки никелевых флотационных концентратов, пирротиновых концентратов и некоторых промпродуктов пирометаллургии применяют гидрометаллургическую технологию.

Медно-никелевые руды и концентраты перед плавкой на штейн подвергают следующим видам предварительной подготовки: дроблению кусковой руды, сушке, окускованию флотационных концентратов и рудной мелочи скатыванием или агломерацией, окислительному обжигу и шихтовке.

Выбор схемы подготовительных процессов зависит от вида и состава исходного сырья, содержания в нем металлов и серы и метода плавки.

2. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Характеристика сырья электроплавки

Закись никеля, поступающая на плавку в электропечи, не является химически чистой. В электропечи перерабатывается огарок, получаемый в результате двухстадийного окислительного обжига в печах КС и трубчатых печах никелевого файнштейна. Обжиг проводится для более полного удаления вредной примеси — серы.

Для улучшения показателей электроплавки закись никеля до поступления в электропечь подвергают предварительному восстановлению твердым восстановителем в трубчатых печах. Степень восстановления никеля, характеризующая отношение восстановленного никеля ко всему никелю, содержащемуся в огарке, изменяется в широких пределах в зависимости от того в каком режиме ведется процесс и на каком оборудовании.

При предварительном высокотемпературном восстановлении происходит укрупнение частиц закиси никеля, что способствует снижению пылевыноса при электроплавке.

Обожженный и частично восстановленный огарок представляет собой сыпучий порошок серовато-черного цвета.

Восстановитель, поступающий в электропечь должен быть малосернистым и малозольным. Повышенное содержание серы в восстановителе загрязняет металл, а высокая зольность определяет его высокий расход и приводит к повышенному выходу шлака в процессе плавки.

В качестве восстановителя используют каменные угли. Они содержат до 25−30% золы. Крупность зерен восстановителя, загружаемого в печь, составляет примерно 10−20 мм.

2.2 Теория процесса электроплавки

2.2.1 Общие сведения о черновом анодном никеле Черновой анодный никель представляет собой сплав множества химических элементов и их соединений, преобладающими из которых являются никель, медь, кобальт и железо.

Никель, химическая формула — Ni, был открыт в 1751 году шведским минерологом Алексом Кронстедтом. Никель — серебристо-белый металл с желтоватым оттенком занимает 28 порядковый номер в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, атомная масса никеля — 58,6934 а.е.м., а его плотность составляет 8,90 т/м3. Характерные степени окисления никеля — Ni+2, Ni+3, температура его плавления составляет 1455 оС, а кипения — 2900 оС. Никель характеризуется высокой коррозионной стойкостью — устойчив в атмосфере, в воде, в щелочах и ряде кислот. Химическая стойкость никеля обусловлена его склонностью к пассивации — образованию оксидных пленок на поверхности, обладающих сильным защитным действием. Основная масса никеля идет на производство различных сплавов с железом, медью, цинком и другими металлами. Сплавы на основе никеля подразделяются на жаропрочные, магнитные и сплавы с особыми свойствами.

Медь, химическая формула — Cu, была открыта до нашей эры. Чистая медь — металл коричнево — красного оттенка, занимает 29 порядковый номер в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, атомная масса меди — 63,546 а.е.м., а ее плотность составляет 8,92 т/м3. Характерные степени окисления меди — Cu+1, Cu+2, температура плавления составляет 1083 оС, кипения — 2543 оС. Медь, как и никель, обладает высокой коррозионной стойкостью, а также высокой теплои электропроводностью. Вследствие высокой теплопроводности, электрической проводимости, хороших литейных качеств, большого сопротивления на разрыв и химической стойкости медь широко используется в промышленности. Медь и никель способны образовывать механические смеси (сплавы) второго рода с неограниченной растворимостью друг в друге, диаграмма состояния системы Ni-Cu представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Диаграмма состояния системы Ni-Cu

Кобальт, химическая формула — Co, серебристо-белый металл с синеватым или розоватым отливом, был открыт в Швеции в 1735 году. Кобальт занимает 27 порядковый номер в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, атомная масса кобальта — 58,9332 а.е.м., его плотность составляет 8,90 т/м3. Характерные степени окисления кобальта — Co+2, Co+3, температура плавления составляет 1492 оС, а кипения — 2960 оС. Кобальт применяется главным образом в сплавах, которые используются в качестве жаропрочных и жаростойких материалов, для изготовления постоянных магнитов и режущих инструментов.

Железо, химическая формула — Fe, самый распространенный на земном шаре металл (после алюминия). Металлическое железо — серебристо — белый блестящий материал. Железо занимает 26 порядковый номер в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, атомная масса железа — 55,845 а.е.м., а его плотность составляет 7,87 т/м3. Характерные степени окисления железа — Fe+2, Fe+3, температура плавления составляет 1539 оС, кипения — 2870 оС. Применяемость железа общеизвестна, а его значение в промышленности трудно переоценить. Однако, в разрезе производства никеля в дуговых печах, железо, как и сера, является «вредной» примесью, повышенное содержание которой значительно увеличивает затраты на производство товарного никеля в цехе электролиза никеля (ЦЭН) и ухудшает качество железо-кобальтового кека.

Немаловажную роль в процессе восстановительной плавки чернового анодного никеля играет углерод, химическая формула — C, поступающий в составе угольной крошки, применяемой в качестве восстановителя. Благодаря своим хорошим восстановительным свойствам углерод легко соединяется с кислородом. Температура плавления чистого углерода очень высока и составляет 3825 оС, а температура его кипения — 4827 оС. Углерод ограниченно растворим в твердом никеле, присутствие углерода в концентрации свыше 0,2% придает анодному никелю хрупкость в холодном состоянии, т.к. углерод при кристаллизации выделяется по границам зерен. Содержание углерода свыше 0,15% в анодном никеле резко снижает извлечение никеля в раствор во время его электролитического рафинирования в ЦЭН и требует увеличения анодного потенциала; выход шлама в этом случае резко возрастает при одновременном ухудшении его качества, что в свою очередь значительно ухудшает технико-экономические показатели его последующей переработки.

В состав анодного никеля входит множество других компонентов, содержащихся в весьма незначительных количествах, преобладающими из которых и оказывающих наиболее значительное влияние на физические и химические свойства никелевых анодов, являются кислород, сера.

Кислород практически нерастворим в никеле и находится в нем в виде оксида никеля (II). Содержание кислорода в никеле до 0,2% на пластичность никеля не влияет. Однако при нагревании такого никеля в восстановительной атмосфере он становится хрупким.

Сера в чистом виде в никеле не растворяется, а находится в виде сульфида никеля, который образует с никелем легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 644 °C, залегающую по границам зерен, и придает никелю хрупкость. Процессу распределения сульфида никеля по границам зерен способствует низкая скорость охлаждения анодов. При увеличении массовой доли серы в анодном никеле свыше 0,5% повышается выход шлама с одновременным ухудшением его качества в процессе электролиза никеля в ЦЭН, а также снижается выход металлов в раствор.

Наиболее сильно снижает прочность анодов совместное присутствие избыточных количеств серы и углерода.

2.2.2 Основы химических процессов в дуговых печах Процесс плавки никеля в электропечах основан на способности никеля к образованию эвтектического сплава с углеродом, температура плавления такого сплава составляет 1319 оС. Диаграмма состояния системы Ni-C представлена на Рисунке 2.2. никель плавка печь Как видно из диаграммы (Рисунок 2.2), растворимость углерода в расплавленном металле достаточно высока и, по мере увеличения концентрации (С, %) углерода, температура плавления смеси снижается, достигая минимального значения 1319 оС в точке, соответствующей 2,22% углерода (масс.). Это свойство никеля определяет технологию ведения всего процесса его плавки в электропечах, который можно условно разбить на два этапа. На первом этапе производится науглероживание ванны металла и проплавление шихты в условиях эвтектического расплава по реакциям:

(2.1)

3Ni + C = Ni3C (2.2)

Откуда следует, что первые порции шихты должны содержать избыточное количество углерода, что обеспечивает легкоплавкость шихты и наиболее быстрое получение ванны расплава в печи. Данный этап характеризуется избытком пористых, хрупких и достаточно легких шлаков. Избыток углерода впоследствии удаляется при взаимодействии с оксидами, содержащимися в последующих порциях шихты, содержащих пониженное количество восстановителя.

На втором этапе, после проплавления всей шихты, образовавшийся Ni3C (карбид никеля) взаимодействует с NiO (оксидом никеля (II)) по реакции:

Ni3C + NiO = 4Ni + СО (2.3)

При протекании реакции восстановления выделяется большое количество оксида углерода, всплывающие пузырьки которого перемешивают расплавленный металл, однако, в связи со значительным содержанием углерода в ванне печи, количество оксида углерода, которое может выделиться из расплава, весьма значительно и может привести к выбросу металла. Никель обладает сравнительно малым сродством к кислороду, поэтому его восстановление протекает весьма легко и с большой полнотой.

Рисунок 2.2 — Диаграмма состояния системы Ni-C

Наряду с никелем практически полностью восстанавливаются и оксиды примесей (Cu2O, CoO, FexOy). Оксид меди восстанавливается также легко, как и оксид никеля. Кобальт и особенно железо обладают более высоким сродством к кислороду, чем никель, однако высокие температуры процесса и наличие восстановителя способствуют их высокой степени восстановления.

Устойчивость горения дуги между электродом и расплавом существенно зависит от состава расплавленного металла. Металл, находящийся в непосредственной близости к электроду, имеет повышенное содержание углерода по отношению к остальной массе расплава за счет материала электрода. В результате конвекции (переноса) порции металла, обогащённые углеродом из приэлектродной области, непрерывно уносятся вглубь ванны расплавленного металла, где при смешивании реагируют с остальным металлом ванны. Если основная масса расплава имеет повышенное содержание углерода, то выделение оксида углерода невелико и дуговой разряд в печи протекает спокойно, без сильного шума. Если же основная масса расплава содержит повышенное количество кислорода в составе оксида никеля (II), то выделение окиси углерода из расплава носит характер частых микровзрывов в приэлектродной зоне. За счет такого бурного выделения оксида углерода, уровень ванны под электродом непрерывно меняется, и как следствие изменяется расстояние между электродом и расплавом, что приводит к частому прекращению и восстановлению дугового разряда и сопровождается громким шумом и треском во время работы печи.

2.2.3 Потери металлов со шлаками По мере проплавления шихты в дуговых печах происходит разделение расплава на металлическую и шлаковую фазы. Шлаками в металлургии называются сплавы оксидов различных металлов и их комплексных соединений (например, FeO и SiO2), которые образуют между собой твердые и жидкие растворы, двойные и многокомпонентные эвтектические смеси. Металлургические шлаки формируются из окислов пустой породы и специально вводимых флюсов и служат для коллектирования компонентов пустой породы и их отделения от ценных составляющих. Помимо главного назначения шлаки выполняют ряд дополнительных не менее важных функций: защищают металл от окисления и его преждевременного охлаждения. По этой причине анодные шлаки фактически определяют большинство основных показателей производства чернового анодного никеля — удельную производительность электропечей, расход электроэнергии, графитовых электродов, огнеупорных изделий, эксплуатационные затраты и, в конечном итоге, себестоимость готовой продукции обжигового цеха (черновых никелевых анодов). Основополагающим фактором в условиях плавки полувосстановленного никелевого огарка и других оборотных материалов является вязкость и поверхностные свойства анодных шлаков. Вязкость шлака оказывает значительное влияние на кинетику химических реакций, ликвационное разделение продуктов плавки (потери металлов со шлаками) и на массообмен между металлической и шлаковой фазами.

Потери цветных металлов с анодными шлаками можно разделить на два вида:

— механические потери, обусловленные вязкостью шлаков и представляющие собой потери в виде механически запутавшихся в шлаке капелек («корольков») расплавленного металла;

— химические потери — потери в виде оксидов металлов, растворенных в шлаке.

Механические потери металлов, в зависимости от условий плавки, могут содержать до 60% никеля. Снижение вязкости анодных шлаков можно достичь несколькими способами: путем увеличения температуры плавки; посредством добавления небольших порций восстановителя для снижения содержания оксида никеля (II) в составе шлаковой фазы; введением порций известняка в шихту. При снижении вязкости шлаки становятся жидкотекучими и легкоподвижными, а механические потери цветных металлов заметно снижаются. Влияние величины дозировки известняка в шихту на содержание никеля в шлаке показано на Рисунке 2.3. Так, при увеличении дозирования известняка от 1,75% до 4,0% содержание никеля снижается с 14,0% до 7,0%.

Рисунок 2.3 — Зависимость содержания никеля в шлаке от содержания известняка в шихте На величину химических потерь влияет состав шлака и восстановительные условия внутри печного пространства. Железо и кобальт, обладая большим сродством к кислороду, чем никель, переходят в шлак по реакциям:

NiO + Fe = Ni + FeO (2.4)

NiО + Со = Ni + СоО (2.5)

Переход железа и кобальта из шлака в анодный никель происходит в присутствии восстановителя по реакциям:

FeO + С = Fe + СО (2.6)

СоО + С = Со + СО (2.7)

Извлечение металлов, растворенных в шлаке, в анодный никель происходит тем полнее, чем лучше восстановительные условия в печи, и чем выше активность оксидов в шлаке. Влияние содержания железа в анодах на содержание железа в шлаке показано на рисунке 2.4.

При снижении массовой доли железа в анодах до трех процентов снижение содержания в них кобальта незначительно, однако при дальнейшем снижении массовой доли железа с 3,0% до 1,5% массовая доля кобальта уменьшается с 1,4% до 1,25%. Зависимость содержания кобальта в анодах от содержания железа в анодах приведена на Рисунке 2.5.

Рисунок 2.4 — Зависимость содержания железа в шлаке от содержания железа в анодах Рисунок 2.5 — Зависимость содержания кобальта в анодах от содержания железа в анодах В условиях анодной плавки шлакообразующие оксиды можно классифицировать на кислотные, содержащие оксиды кремния и алюминия (SiO2, Al2O3), и основные, содержащие оксиды кальция и железа (CaO и FeO). В зависимости от соотношения указанных выше шлакообразующих компонентов, шлаки также подразделяют на кислотные и основные. К категории кислых относятся шлаки, содержащие свыше 40% кислотных оксидов (SiO2, Al2O3), а к основным — содержащих менее 40% этих оксидов. На практике, под понятиями «кислотность» и «основность» шлака подразумевают отношение числа атомов кислорода, связанных с кислотными оксидами, к числу атомов кислорода в основных оксидах:

(2.8)

где У SiO2, Al2O3 — сумма числа атомов кислорода в кислотных оксидах;

У МеО — сумма числа атомов кислорода, связанных с основными оксидами.

При добавлении известняка основность шлака возрастает, а при возрастании основности шлаков повышается активность оксидов железа и кобальта в шлаке и увеличивается извлечение кобальта в анодный никель. Влияние содержания оксида кальция в шлаке на содержание в нем кобальта представлено на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 — Зависимость содержания кобальта в шлаке от содержания оксида кальция в шлаке Увеличение массовой доли оксида кальция в шлаке до 10,0% приводит к значительному снижению массовой доли кобальта с 1,6% до 0,9%.

При добавлении к шлаку оксида алюминия активность оксида кобальта снижается, что приводит к повышенным потерям кобальта со шлаком. Образование избыточного содержания оксидов алюминия и кремния в шлаке является следствием растворения в шлаке шамотного кирпича и материала футеровки печи (хромомагнезитовые и хромитопериклазовые огнеупорные изделия), а также вследствие избытка посторонних примесей в поступающей угольной крошке.

2.3 Описание технологического процесса плавки в электропечах РНБ-5500 и ОКБ-892

Технологический процесс электроплавки в печах РНБ и ОКБ состоит из нескольких этапов [3]:

— подготовка шихты и загрузка печи

— проплавление шихты и получение расплава эвтектического состава;

— последовательная догрузка последующих порций шихты по мере проплавления предыдущих для набора ванны расплава в печи;

— восстановительное рафинирование никеля и сопутствующих компонентов;

— розлив металла.

Принципиальная технологическая схема процесса электроплавки анодного никеля в электропечах ОКБ и РНБ представлена на рисунке 2.7, а схема цепи аппаратов плавильного отделения приведена на рисунке 2.8.

2.3.1 Подготовка и загрузка шихты. Науглероживание ванны расплава и плавка шихты Начальный период плавки, а именно составление первых порций шихты, правильность дозирования восстановителя в них, предопределяет весь дальнейший технологический процесс и, в конечном итоге, качественный состав никелевых анодов.

При составлении шихты плавильщик обязан учитывать:

— качественный состав анодного никеля предыдущей плавки;

— общую массу и состав, загружаемых в печь собственных оборотов, скрапа и других оборотных продуктов;

— качественные характеристики полувосстановленного никелевого огарка и содержание угольной крошки в нем;

— влажность и гранулометрический состав угольной крошки.

Подготовка первых порций шихты осуществляется старшим плавильщиком печи, при этом правильность дозирования восстановителя имеет решающее значение.

Качество полувосстановленного огарка оценивается как визуально, так и по результатам его химического анализа. Визуальная оценка качества полувосстановленного никелевого огарка осуществляется по цвету продукта, так, глубоко восстановленный огарок со степенью восстановления свыше 80% имеет очень светлый или золотистый оттенок, серый, либо темно-серый цвет огарка свидетельствует о низкой (менее 79%) степени его восстановления.

Рисунок 2.8 — Схема цепи аппаратов плавильного отделения Темный цвет и высокая температура огарка говорит о его вторичном окислении на воздухе, что в значительной мере снижает степень восстановления огарка. В зависимости от этих условий количество восстановителя начальный период плавки может составлять до 10% от обшей массы загружаемой шихты.

Кинетика процесса науглероживания ванны расплава по реакции (2.2), в зависимости от его массы, содержания оксида никеля (II), температуры и способа загрузки шихты, может происходить как постепенно, в течение до одного часа, так и за очень короткий промежуток времени (от трех до пяти минут после начала после начала плавки). В силу того, что реакция образования эвтектического сплава Ni — Ni3C является экзотермической (протекание реакции с выделением тепла), процесс науглероживания сопровождается выбросами пламени и раскаленных газов в производственные помещения, а в случае быстрого протекания процесса выделение газов может иметь взрывной характер, высота пламени может достигать пяти и более метров.

Достаточность восстановителя в шихте, а затем в расплаве, определяется визуально старшим плавильщиком печи по составу шлаков, оттенку пламени и цвету электрода, а так же по звуку работы печи.

При оптимальном содержании углерода в расплаве, шлаковая фаза содержит большое количество газовых включений (очень пористая), обладает повышенной жидкотекучестью, оттенок пламени выбивающегося из печи, — желтый. Электроды приобретают светящийся белый цвет, а звук, издаваемый при работе печи, приглушённый и равномерный, электрическая дуга между расплавом и электродами печи скрыта под слоем шлака. В этом случае, последующие порции восстановителя уменьшаются от 2% до 8% с целью снижения общей концентрации углерода в расплаве.

В случае значительного избытка восстановителя, заданного в первых порциях шихты и, содержащегося в остатках расплава от предыдущей плавки, происходит сдвиг температуры плавления шихты в сторону углерода (Рисунок 2.1), что приводит к увеличению температуры плавления материала, снижению производительности печи и повышению риска выброса металла в период рафинирования перед его розливом. Повышенный избыток углерода в расплаве характеризуется появлением белесого налета на графитовых электродах и выделением газовых выбросов такого же цвета в воздух рабочей зоны, шлак образует уплотненную структуру, его вязкость увеличивается, а при его стекании образуются длинные стеклянистые волокна. Для устранения перекоса по концентрациям компонентов, загрузка восстановителя с шихтой должна быть снижена, либо вообще не производиться, а, в отдельных случаях, шихтовка может производиться с добавлением огарка никелевого холодного порциями по от 300 до 500 кг.

Шихтовка и загрузка последующих порций шихты производится по мере проплавления предыдущих порций с учетом состава расплавленного металла в течение всего процесса плавки, шихтовка восстановителя может быть различна, либо вообще не производиться. Загрузка шихты в печь должна производиться только при отключенной печи.

Второй период плавки, характеризуется образованием ванны расплава или так называемым процессом вскрытия ванны, масса загруженного материала на этот момент, может составлять от 70% до80%. Для своевременного проплавления шихты, в этот период, необходимо производить снятие откосов со стен, т.к. несвоевременное разравнивание шихты и снятие откосов способствует образованию оплавленных участков по периферии печи, содержащих избыток не прореагировавшего восстановителя. Попадание шихты с избытком угля в расплавленную зону сопряжено с бурным протеканием реакций взаимодействия восстановителя с расплавом, что может привести к выбросам расплавленной массы из печи.

В целях обеспечения безопасной эксплуатации печей ОКБ и РНБ, кожух каждого из агрегатов снабжен термоэлектрическими преобразователями марки ТХА с диапазоном измерения от 0 оС до 600 оС для непрерывного измерения температуры. Схема размещения термоэлектрических преобразователей на кожухе электропечей представлена на Рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 — Схема размещения термоэлектрических преобразователей на кожухе электропечей ОПУ-2 (1−12 — номера точек измерения температуры корпусов электропечей РНБ и ОКБ) Визуализация показаний термоэлектрических преобразователей производится на диаграмме многоточечного показывающего регистрирующего прибора «Технограф-160», расположенного на пульте управления электропечами ОПУ-2.

2.3.2 Полунепрерывный режим плавки анодного никеля В целях увеличения производительности на печи РНБ-5 может применяться полунепрерывный режим ведения процесса электроплавки. Полунепрерывный режим предусматривает последовательное чередование циклов загрузки полувосстановленного никелевого огарка и розлива металла, при этом розлив металла осуществляется только до определенного уровня ванны печи, не полностью. Реализация полунепрерывного режима работы возможна только на электропечи РНБ-5, из-за конструктивных особенностей её загрузочного узла и индивидуальной КРМ.

При полунепрерывном режиме производится набор ванны металла до максимального уровня, его розлив в количестве не более двух кругов разливочной машины (до 46 никелевых анодов) и последующая догрузка полувосстановленного никелевого огарка для набора ванны металла до требуемого уровня. Загрузка, рафинирование и розлив металла производится в обычном порядке, а слив шлака производится по мере его накопления выдавливанием шихтой. Корректировка технологических режимов может производиться в процессе работы по согласованию с главным инженером обжигового цеха.

При полунепрерывном режиме плавки значительно снижаются непроизводительные простои и тепловые потери агрегата, за счет чего увеличивается производительность печи, снижается удельный расход электроэнергии и графитовых электродов, однако данный режим негативно влияет на стойкость футеровки печи, что снижает срок ее службы.

2.3.3 Восстановительное рафинирование анодного никеля Восстановительное рафинирование металла, в соответствии с реакцией (2.3), заключается в окончательном удалении избытка углерода, содержащегося в расплаве, окислении железа с последующим переводом его оксида в шлаковую фазу и придании анодному никелю требуемых литейных характеристик.

В процессе расплавления шихты происходит процесс отработки шлака и его уплотнение, а общая температура расплава повышается. Основным признаком этого является появление открытой дуги, между поверхностью расплава и электродами печи, сопровождаемой ярким свечением. При достаточном уровне расплава избыток шлака самостоятельно сливается через рабочее окно в технологическую тару, предназначенную для приема шлака (шлаковня, шлаковая рюмка). Готовность металла, оценка достаточности его массы, необходимой для выполнения сменного производственного задания, определяется визуально старшим плавильщиком печи после слива основной массы шлака.

Готовый металл содержит обычно менее 0,1% углерода и имеет плотную структуру с матовым оттенком и небольшими газовыми включениями, поверхность быстро охлажденной пробы готового металла имеет цвет воронёной стали. В изломе холодной пробы видны характерные игольчатой формы кристаллы.

Избыток оксида никеля (II) при рафинировании приводит к окислению металла. В изломе такая проба имеет игольчатую структуру с темными включениями частиц оксида никеля. Такой расплав характеризуется более высокой температурой плавления, низкой жидкотекучестью, а затраты основных технологических материалов и электроэнергии на его производство резко возрастают. Аноды, налитые из такого металла, имеют металлический блеск, ровную поверхность, и разводы в виде спирали, а содержание железа в анодах обычно не превышает 3,0%.

Готовый металл с избытком углерода (свыше 0,1%) характеризуется хорошими литейными качествами и пониженной температурой плавления (в сравнении с окисленным металлом). Аноды, налитые из такого металла, достаточно хрупки, имеют матовую поверхность, с расположенными на ней небольшими вздутиями, однако содержание железа в таких анодах может составлять свыше 3,5%, что является неприемлемым.

Для придания готовому металлу нужных литейных характеристик, устранения избытка содержания углерода или оксида никеля (II) в нем применяются различные способы. Так, при получении расплава с избытком углерода на его поверхность порциями не более 500 кг подается огарок никелевый холодный, при этом загрузка огарка производится через загрузочную течку в своде печи. Раскисление металла (устранение избытка оксида никеля) может производиться путем подачи мелких порций угольной крошки на ванну расплава, при этом восстановитель должен подаваться только через рабочее окно печи посредством лопаты, подача восстановителя через загрузочную течку на ванну готового металла не допускается во избежание выброса расплава. Подача реагентов в обоих случаях должна осуществляться осторожно, при этом загрузка новых порций допускается только после полного окончания протекания реакций от подачи предыдущих порций. Устранение избытка оксида никеля в расплаве, допускается посредством опускания графитового электрода в расплав до подины отключенной печи, при этом данный способ имеет ряд положительных моментов: возможность регулирования кинетики реакции путем оперативного изменения длины электрода, погруженного в расплав; возможность выравнивания градиента температур по толщине ванны расплава, за счет его перемешивания; возможность выдавливания излишков шлака, однако, чрезмерное использование этого способа приводит к увеличению расхода графитовых электродов.

2.3.4 Розлив анодного никеля Розлив металла производится после выполнения операций по его рафинированию и определения его литейных свойств. Розлив перегретого металла приводит к привариванию анодов к поверхности изложниц и обгоранию анодных ушек, а розлив металла с низкой жидкотекучестью влечет неравномерное заполнение изложницы, приливов и образование выпуклостей и других дефектов, что значительно увеличивает выход брака.

Во избежание снижения качества никелевых анодов необходимо выполнение следующего комплекса мероприятий:

— осуществление тщательного рафинирования готового металла и оценки его температурных характеристик;

— недопущение попадания шлака в металл при его розливе;

— тщательная подготовка и выравнивание изложниц, прогрев медных изложниц до 250 oC газовыми горелками и нанесение антипригарного покрытия;

— при розливе обеспечить постоянный прогрев разливочного ковша (ложки) с помощью горелочного устройства, для исключения «замерзания» металла в ковше;

— своевременная заправка приливов изложниц шуровкой;

— интенсивное охлаждение водой налитых анодов для предупреждения возникновения ликвации компонентов.

В целях снижения риска приваривания разливаемых анодов к изложницам на каждую изложницу может загружаться от 10 до 15 кг наплывов, образующихся при обработке анодов. С той же целью применяется предварительный подлив разливаемого металла на изложницы в количестве не более 30 кг на каждую.

Для получения ровной поверхности анодов при розливе металла и полноценного заполнения приливов изложницы производится заправка металла сухой деревянной шуровкой, а образующиеся вздутия разравниваются специальным инструментом — прихлопкой.

Охлаждение анодов осуществляется оборотной водой, поступающей из пруда-охладителя «озеро Барьерное». Полив анодов осуществляется через систему специальных форсунок и напорных рукавов, при этом подача воды может производиться не ранее, чем на четвертый, по ходу движения КРМ, налитый анод, во избежание взрыва не застывшего металла при соприкосновении с водой. При наличии шлаковой корки на анодах подача воды допускается только после полного затвердевания корки и металла под ней. Охлаждение анодов производится до температуры не более 300 оС.

После охлаждения аноды приподнимаются при помощи ломов вручную и, для облегчения их захвата, смещаются на кромки изложниц.

Съем анодов с изложниц производится при помощи специальных клещевых захватов, зацепленных за крюк мостового крана в ОПУ-1 или крана-укосины в ОПУ-2. Аноды укладываются в стопки от 5 до 12 штук в каждой, после чего мостовым краном транспортируются для их последующей обработки.

Обработка анодов от заусениц и наплывов производится вручную при помощи малой кувалды. Оценка соответствия геометрических характеристик анодов осуществляется контролером БТК П и ОЦ после их обработки, несоответствующая продукция направляется на повторную переработку в соответствии с пунктом 4.3 настоящей инструкции. Принятые анодные стопки маркируются в соответствии с требованиями стандарта предприятия СТП 44 577 806.14.54−2-22−2002 «Аноды никелевые черновые Никелевого завода. Технические условия» и направляются в цех электролиза никеля (из ОПУ-1 — железнодорожным, а из ОПУ-2 — автомобильным транспортом).

2.3.5 Конструкция электропечей РНБ и ОКБ Дуговая печь состоит из металлического кожуха цилиндрической, конической или комбинированной форм, закрытого снизу плоским, плоско-коническим или сферическим днищем. Последняя форма более предпочтительна, особенно для печей средней и большой емкости, поскольку она упрощает изготовление футеровки ванны, которая должна иметь сферическую внутреннюю поверхность.

Кожух должен обладать механической прочностью, достаточной для восприятия нагрузок от массы футеровки, от загружаемых в печь шихтовых материалов, а также дополнительных нагрузок от термических напряжений.

Наибольшее распространение получил кожух с цилиндрической стенкой, так как печи с таким кожухом более производительны, поскольку у них больше емкость по жидкому металлу. При конической форме кожуха облегчается выполнение футеровки стен с наклонной внутренней поверхностью, обладающей большей стойкостью. Но при этом увеличивается диаметр свода, что снижает его строительную устойчивость и увеличивает тепловые потери.

Подину, стены и свод дуговых печей прямого действия футеруют огнеупорными материалами. Футеровка подины является основанием. Она работает в условиях значительных тепловых, химических и механических воздействий. При загрузке шихты подина подвергается не только механическим, но и термическим ударам; при перемешивании жидкой ванны сказывается размывающее действие металла, а жидкий шлак оказывает на нее химическое воздействие. Кроме того, подина должна обладать как можно большим тепловым сопротивлением теплопроводности, чтобы обеспечить малый температурный перепад по глубине жидкой металлической ванны, получающей тепло сверху, и должна быть непроницаема для жидкого металла.

Ввиду этого подину выполняют из трех слоев: внутреннего набивного, образующего ванну со стенками и препятствующего проникновению жидкого металла внутрь футеровки; среднего, состоящего из нескольких слоев огнеупорных кирпичей, уложенных на ребро с заполнением зазоров (швов) огнеупорным порошком; наружного, теплоизоляционного слоя, работающего в более легких тепловых условиях и в основном обеспечивающего необходимое тепловое сопротивление подины (Рисунок 2.10).

При плавке с основным шлаком набивной слой выполняется из магнезитового порошка со связующим материалом в виде смеси смолы и каменноугольного пека; второй слой выкладывается из магнезитовых кирпичей с просыпкой швов мелкодисперсным магнезитовым порошком.

При плавке с кислым шлаком набивка верхнего слоя производится массой из кварцевого песка, молотого динаса и огнеупорной глины с добавками в качестве связующих патоки и декстрина (побочные продукты сахарного производства), а второй слой выкладывается из динасового кирпича с заполнением швов кварцевым песком.

Теплоизоляционная часть пода выполняется из шамота или шамотного легковеса в 1 — 2 слоя «на плашку», укладываемых на подготовительный слой из листового асбеста или из шамотного порошка, скрывающий неровности кожуха вроде сварочных швов.

Футеровка стен подвергается интенсивному тепловому облучению, особенно вблизи электрических дуг. Поэтому для облегчения условий работы теплоизоляцию на них не делают. Более того, печи высокой мощности строят с водоохлаждаемыми стенками из трубчатых или коробчатых панелей. На внутреннюю поверхность панели наносят слой огнеупорной теплоизоляции небольшой толщины. Она сравнительно холодна и на ней нарастает слой шлака (гарнисаж), тоже являющийся теплоизоляцией. Рост тепловых потерь при этом компенсируется увеличением стойкости футеровки (значит — сокращением расхода огнеупоров) и повышением производительности за счет сокращения простоев на ремонтах.

Для работающих с основным шлаком печей малой и средней мощности футеровку стен выполняют из обожженных большемерных периклазохромитовых кирпичей или из безобжиговых кирпичей этого же материала в кассетах из тонколистовой стали. Последние в процессе работы печи окисляются, оксиды железа заполняют швы между кирпичами и, компенсируя усадку кирпичей, связывают их.

Для футеровки стен печей, работающих с кислым шлаком, применяется динасовый кирпич, укладываемый «насухо» (без скрепляющего раствора). В вертикальных швах кладки (между кирпичами), примерно на 2% ее линейного размера, устанавливают сгорающие прокладки, компенсирующие «рост» кирпича при разогреве.

В стенах печей, по диаметру, перпендикулярному продольной оси цеха, делают одно-два рабочих окна с подъемными крышками (со стороны рабочей площадки) и сливной носок с противоположной стороны. Рабочее окно служит для наблюдения за состоянием ванны и футеровки, для заправки (текущего ремонта) подины и стен, для загрузки шихтовых материалов в печах малой емкости, для подачи шлакообразующих и легирующих материалов, для взятия пробы на экспресс-анализ. Кроме того, через окно скачивают шлак, наклоняя печь в сторону рабочего окна, в шлаковню, устанавливаемую под рабочей площадкой.

Футеровка свода печей средней и большой емкости, работающих с основным шлаком, обычно выполняется из периклазо-хромитового кирпича. Для сводов печей малой емкости при плавках с кислым и даже с основным шлаком применяется динасовый кирпич как более дешевый и обеспечивающий в данных условиях достаточную стойкость.

Стойкость стен и особенно свода гораздо меньше стойкости подины, поэтому почти все время предлагаются их новые конструкции. Одной из них является коробчатая водоохлаждаемая конструкция в виде плоского кольца, нижняя поверхность которого (обращенная в рабочее пространство) имеет набивку огнеупорной массой. Центральное отверстие этой конструкции площадью 20 — 25% от общей площади свода перекрывается кирпичным куполообразным сводом. Такая конструкция обеспечивает более высокую стойкость свода, а огнеупорная центральная часть его — надежную электрическую изоляцию электродов, которые в вертикальном положении пропускаются через отверстия в центральной части.

Ток внутрь печи проходит по угольным или графитированным электродам, закрепленным в электрододержателях, к которым ток от трансформатора подводится по трубошинам и гибким кабелям (по короткой сети).

Угольные электроды изготавливают из антрацита или термоантрацита (прокаленного без доступа воздуха), каменноугольного и нефтяного кокса, каменноугольного пека и смолы. Эти материалы после прокаливания с целью удаления летучих, дробления и помола смешивают в подогретом состоянии и формуют путем продавливания через цилиндрические мундштуки. «Сырые» электроды, засыпанные мелочью антрацита и кокса, обжигают в печах, а обожженным придают окончательные размеры и форму в механических цехах.

Графитированные электроды изготавливают из искусственного электрографита путем графитизации угольных электродов при температуре в два раза более высокой, чем при обжиге. Они более прочны, окисляются при более высокой температуре, удельное электросопротивление их примерно в пять раз меньше. Для графитированных электродов характерен пониженный расход.

Поэтому в настоящее время применяются почти исключительно графитированные электроды.

Количество электродов зависит от вида электрического тока — в трехфазных печах на переменном токе промышленной частоты три электрода, а в печах постоянного тока — один.

В печах прямого действия электроды установлены вертикально, следовательно они работают в основном на растяжение и лишь при наклоне печи — на изгиб. Поэтому можно применять сравнительно длинные электроды большого поперечного сечения, допускающие значительные рабочие токи.

Дуги горят под электродами, между ними и поверхностью расплавляемого метала. Поэтому свод печи частично экранирован электродами от прямого излучения дуги.

Электрододержатели закрепляются на каретках, перемещающихся по вертикальным колоннам. Это дает возможность менять положение электродов, длину дуг и мощность печи.

Работающий на печи электрод получают соединением нескольких стандартных секций с помощью нарезных ниппелей. По мере износа нижней части электрода проводится его опускание вниз (перепуск) с одновременным наращиванием его, если необходимо, следующей секцией. В настоящее время с целью уменьшения расхода электродов верхняя (несущая) часть делается из меди или нержавеющей стали и охлаждается водой. К ней снизу крепится графитированная часть электрода.

Для облегчения работы при перепуске электроды готовятся заранее на специальном стенде, а при износе просто заменяются.

Корпус печи прямого действия крепится на люльке, выполненной в виде горизонтальной сварной конструкции, опирающейся на два (иногда — на три или даже четыре) сегмента, перекатывающихся по плоским или профилированным фундаментным балкам при наклонах печи.

В печах средней и большой емкости вследствие значительной глубины ванны возникает большой перепад температуры между верхними и нижними слоями металла, что приводит к неодинаковости скоростей протекания химических реакций. Поэтому необходимо перемешивание металла, которое на малых печах осуществляют вручную, а на печах емкостью более 25 т — с помощью статора, создающего бегущее магнитное поле (днище при этом делается из немагнитной стали). Увлекаемый полем металл перемешивается. Для увеличения глубины проникновения магнитного поля в металл и увеличения интенсивности движения последнего статор питают током пониженной частоты (0,4 — 0,6 Гц) от специального электромашинного или полупроводникового преобразователя.

Все это оборудование крепится на люльке. На ней же монтируются колонны электрододержателей, механизмы подъема свода и его отворота в сторону при загрузке шихты через верх. Механизмы отката свода или печи при ее загрузке применяют реже.

Дуговая печь является мощным и в то же время весьма неприятным для энергосистемы потребителем. Она, как правило, работает с низким коэффициентом мощности (0,7 — 0,8); потребляемая из сети мощность меняется в течение плавки; ее электрический режим беспокойный, с частыми толчками тока, короткими замыканиями и обрывами дуги. Дуги генерируют высокочастотные гармоники, нежелательные для других потребителей и вызывающие дополнительные потери энергии в питающей цепи.

Для снижения негативного влияния электропечей на системы электропитания широко применяется выделение печных подстанций на самостоятельное питание, связанное с другими потребителями лишь на напряжении 110 или 220 кВ.

Напряжение, подаваемое на электроды дуговой печи, находится в пределах 110 — 800 В. Подводится оно к ним с целью уменьшения потерь под напряжением 6 — 10, 35 и 110 кВ. Чтобы снизить его до рабочего, каждую печь переменного тока снабжают особым (печным) трансформатором. Связь между ним и печью осуществляют через короткую сеть.