Технология выплавки карбида кальция

Физико-химическая сущность процесса выплавки карбида кальция, а также тип рудовосстановительных электропечей, используемых для его получения, во многом аналогичны углеродовосстановительному производству ферросплавов. Интерес ферросплавщиков к этому процессу обусловлен еще и тем, что СаС2 образуется как промежуточный продукт при выплавке силикокальция. Технический карбид кальция представляет собой закристаллизованный расплав, содержащий ³80% СаС2 и 10–15% СаО. Температура плавления сплавов в системе СаС2–СаО показана на рис. 16.4.

Рис. 16.4. Диаграмма плавкости системы СаО–СаС2:

1 – чистый компонент; 2 – компоненты технической чистоты

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

СаС2 + 2Н2О ® С2Н2 + Са(ОН)2.

Термодинамические константы Са(ОН)2 (портландит) следующие: ∆Н Технология выплавки карбида кальция - student2.ru = –984,2 кДж/моль, ∆G Технология выплавки карбида кальция - student2.ru = –896,6 кДж/моль, S Технология выплавки карбида кальция - student2.ru = 83,18 Дж/(моль×K).

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

СаО + 3С = СаС2 + СО.

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

Сат + 2Ст = СаС2; ∆G Технология выплавки карбида кальция - student2.ru = –57360 – 28,5Т;

СаОт = Саж + Технология выплавки карбида кальция - student2.ru О2; ∆G Технология выплавки карбида кальция - student2.ru = 644850 – 107,5Т;

Ст + Технология выплавки карбида кальция - student2.ru О2 = СО; ∆G Технология выплавки карбида кальция - student2.ru = –118000 – 84,5Т.

_____________________________

СаОт + 3Ст = СаС2+СО; ∆G Технология выплавки карбида кальция - student2.ru = 466550 – 229,6Т;

Теоретическая температура начала суммарной реакции получения СаС2 (условие ∆G Технология выплавки карбида кальция - student2.ru = 0, РСО = 101 кПа) равна 2030 K (1760оС).

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

2Саж + S2 = 2CaSт; ∆G Технология выплавки карбида кальция - student2.ru = –1104900 + 208,8Т;

2Сагаз + S2 = 2CaSт; ∆G Технология выплавки карбида кальция - student2.ru = –1410770 + 381,3Т.

Стандартные энтальпия фосфида Са3Р2 ∆Н Технология выплавки карбида кальция - student2.ru = –505780 Дж/моль, энтропия S Технология выплавки карбида кальция - student2.ru = 123,72 Дж/(моль×K).

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 16.5.Закрытая карбидная печь с прямоугольной ванной:

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

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

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

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

Наши рекомендации