10.6 Восстановительная электроплавка закиси никеля

Процесс восстановления закиси никеля в электропечи описывается следующими реакциями:

NiO + CO=Ni + CО₂

CО₂ + C = 2СО

NiO + C = Ni + CO (63)

На основании экспериментального изучения равновесия реакции восстановления закиси никеля окисью углерода В. П. Богацкий вывел следующие уравнения для расчетов убыли энергии Гиббса и константы равновесия этого взаимодействия:

= 51 000 – 96207Т^-1 + 93Т lg Т - 256Т - 0,0203Т²+ 0,00000126Т³ Дж/моль; (64)

(65)

Ниже приведены значения константы равновесия, рассчитанные для различных температур:

Температура, °С: 500 600 700 800 900 1000 1100

Кр 554,6 310,8 192,7 130,9 96,93 73,87 57,2

Реакция восстановления закиси никеля окисью углерода в твердой шихте до ее расплавления относится к типу топохимических превращений, имеющих автокаталитический характер с четко выраженным максимумом скорости реакции на кривой скорость — время в кинетической области взаимодействия. Наличие максимума на кривых восстановления показано в работах Г. И. Чуфарова с сотрудниками. Однако, как известно, наличие максимума скорости еще не является доказательством автокаталитичности процесса и может свидетельствовать лишь о соответствующем изменении величины реакционной поверхности. Более убедительна автокаталитический характер реакции восстановления закиси никеля был показан В. В. Болдыревым и А. С. Ермолаевым. Они установили ускоряющее влияние свежевосстановленного никеля на ход процесса. Каталитическое действие никеля при этом объясняется тем, что он облегчает рост кристаллов новой фазы и вследствие заметного различия параметров решеток окисла и металла деформирует слой окислов и облегчает химический акт восстановления.

Помимо указанных реакций восстановления, при электроплавке может идти растворение закиси никеля в расплавленном металле, науглероживание металла и растворение образующегося карбида в металлической ванне. Вследствие этого имеет место-восстановление закиси никеля в жидкой ванне по реакции

Ni₃C+NiO=4Ni+CO (66)

Реакция протекает очень интенсивно, сопровождается обильным выделением окиси углерода и часто приводит к хлопкам и выбросам расплава из печи. Растворимость углерода в жидком металлическом никеле достаточно высока. При науглероживании металла температура плавления никеля уменьшается, снижаясь до 1315°С для эвтектического сплава, содержащего 2,2% С. Поэтому в целях ускорения процесса плавления работают с избытком восстановителя, получая науглероженный металл. В процессе доводки избыток углерода легко удаляется присадкой в ванну закиси никеля.

Перед выпуском расплавленного никеля из электропечи для обессеривания металла в печь добавляют чистый известняк. При этом сера, присутствующая в ванне в форме сульфида никеля переходит в форму нерастворимого в металле сернистого кальция:

Ni₃S₂ + 2СаО + 2С = 3Ni + 2CaS + 2CO , (67)

который удаляется со шлаком. При наведении известковистого шлака печь работает частично по режиму сопротивления, отчего мощность дуги снижается. Слой шлака, покрывая ванну металла, предохраняет свод от воздействия высокой температуры, создаваемой открытой электрической дугой.

В процессе обезуглероживания ванны металл частично окисляется за счет вводимой закиси никеля. Поэтому при разливке металла в аноды с целью получения более плотных отливок иногда проводят раскисление ванны присадкой кремния. Образующийся при этом кремнезем переходит в шлак, который частично оставляют в печи и свертывают его магнезитовым порошком; после выпуска металла из печи шлак «садится» на лещадь, что приводит к ее наращиванию.

В состав шихты восстановительной электроплавки входят закись никеля, восстановитель, флюсы и оборотные материалы. В качестве восстановителя используют нефтяной кокс или другие углеродистые материалы с низким содержанием вредных примесей (S, Fe, As и т. д.).

Восстановительную электроплавку на отечественных предприятиях проводят в дуговых закрытых трехэлектродних наклоняющихся печах типа РНБ-2250, ДСТ-1300 и ОКБ-892.

Шихту в печь загружают через центральное отверстие в своде с помощью шнекового питателя, имеющего водоохлаждаемую конструкцию (для предотвращения спекания шихты). Газы из печи отводятся через кессонированный патрубок, установленный у края свода, и затем поступают под зонт, расположенный над патрубком.

Организация центральной загрузки позволила перейти на полунепрерывный процесс. Раньше каждая смена начинала плавку на пустой печи. При полунепрерывной плавке печь всегда заполнена металлом, на открытую поверхность которого непрерывно загружают шихту при максимальной токовой нагрузке. Загрузку шихты прекращают лишь в период доводки металла перед разливом никеля. После скачивания шлака заливают один круг изложниц, затем цикл плавки повторяют.

При работе с почти непрерывной загрузкой шихты на жидкую ванну прекратились выхлопы газов и выбросы шихты, сократились непроизводительные простои агрегата, возросли коэффициент использования печи под токовой нагрузкой (до 90% против 70— 75% при прежнем режиме работы) и производительность печи.

В последние годы большинство заводов перешло на плавку предварительно восстановленной закиси никеля, что также способствовало значительному увеличению производительности электропечей и снижению расхода электроэнергии на 1 т металла.

Перевод печи на шихту с предварительно восстановленной закисью никеля улучшил и другие показатели процесса. Уменьшилось газовыделение из печей, а следовательно, и безвозвратные потери металла. Сведены к минимуму выбросы расплава из печи. При повысившейся электропроводности шихты появилась возможность зажигания дуги непосредственно на шихте без обязательной загрузки скрапа, уменьшилось время для набора полной токовой нагрузки в период наплавления ванны. Два последних обстоятельства имеют особенно большое значение для печей, работающих в периодическом режиме.

Ниже приведены основные показатели восстановительной электроплавки закиси никеля:

Расход электроэнергии, кВт • ч/т никеля 1080—1180

Расход материалов, кг/т никеля:

графитированных электродов 15—20

восстановителя 125—170

известняка 5—28

огнеупорного кирпича 28—40

Извлечение никеля из закиси, % 99—99