Курс «Применение трубопроводной арматуры». Модуль «Применение поворотной арматуры в металлургии»

большинстве вращающихся с высокой скоростью узлов, таких как насосы и вентиляторы, обеспечивая эффективную работу подшипников.

Номер модели и описание:

A. Отсечной клапан ½ дюйма – 2 дюйма 351

B. Электрический клапан с приводом EL 1 дюйм 9FB-2236XT с приводом EV/ER

3.1.3. Клапаны подачи кислорода в конвертер и печи

Схема установки клапанов для подачи кислорода в конвертер и печи показана на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схема установки клапанов для подачи кислорода в конвертер и печи [3]

Технологический процесс

В кислородном конвертере производится сталь путем смешивания расплавленного железа и стального лома, при нагревании и обдуве кислородом.

Номер модели и описание:

A. Кислородная отсечка – 730S

B. Автоматическая отсечка – 730S с системой Quadra-Powr®

C. Редукционный клапан 210 фунтов/кв. дюйм/

180 фунтов/кв. дюйм; 85 F 730S с VPVL

D. Клапан сброса давления

Е. Клапан регулирования потока

F. Предварительный нагрев 750-3000 стандартных куб.футов/мин

G. Рабочий и резервный 7000-14000 стандартных куб.футов/мин

730S с системой Quadra-Powr® и позиционером

FE. Блокировочный клапан элемента потока –210II36TT (600#), размер обычно от ¼ дюйма до 1 дюйма

PE. Блокировочный клапан элемента давления –210II36TT (600#), размер обычно от ¼ дюйма до 1 дюйма

3.1.4. Клапаны дегазации

Схема установки арматуры в устройствах дегазации показана на рис.3.5.

Рис. 3.5. Схема установки арматуры в устройствах дегазации [3]

Технологический процесс

Дегазация – это способ, применяемый в процессе производства

стали для удаления газов (водорода, кислорода и азота), которые поглощаются жидкой сталью из атмосферы и из составляющих ее компонентов сырья.

Номер модели и описание:

A. 1/4 дюйма 351

B. 3/4 дюйма 351

C. 1 дюйма 351

D. 1/2 дюйма 9FB2236XT / VPVL

E. 2 дюйма 7150 31-2236XT W/VPVL

F. 1/2 дюйма 351

3.1.5. Клапаны охлаждения роликов МНЛЗ

Схема установки арматуры в системах охлаждения роликов МНЛЗ показана на рис.3.6.

Рис. 3.6. Схема установки арматуры в системах охлаждения роликов МНЛЗ [3]

Технологический процесс

При непрерывной разливке стали расплавленная сталь превращается в ленты формованной стали.

Номер модели и описание:

A. Клапан регулирования расхода – Клапан Wafer sphere размером 6 дюймов с приводом VPVL и непосредственно установленным соленоидом

B. Устройство выборки мертвого хода размером 3/8 дюйма

C. Клапан Wafer sphere

D. Клапан регулирования потока – Клапан Wafer sphere размером 6 дюймов с приводом VPVL и непосредственно установленным соленоидом

E. Клапан выборки мертвого хода размером 1 дюйм

F. Клапан выборки мертвого хода размером 2 дюйма

G. Клапан выборки мертвого хода размером 2 дюйма

H. Клапан выборки мертвого хода размером 2 дюйма

I. Клапан выборки мертвого хода размером 1/2 дюйма.

3.1.6. Клапаны регулирования испарительного охлаждения

Схема установки арматуры для регулирования испарительного охлаждения показана на рис.3.7.

Рис. 3.7. Схема установки арматуры для регулирования испарительного охлаждения [3]

1, 2, 3 -охлаждаемые детали: 4 – бак-сепаратор пара; 5 – система питающих труб, 6 – регулировочные вентили, 7 – система труб, отводящих пароводяную эмульсию; 8 – коллектор пара: 9 – выпуск пара в атмосферу; 10- дозатор и – подвод добавочной воды

Технологический процесс

При испарительном охлаждении тепло от нагретых элементов печи отводится водой, нагревающейся до образования пароводяной эмульсии. При этом используется скрытая теплота парообразования, т.е. тепло, отбираемое охлаждающей водой, затрачивается на ее испарение. В холодильники печи подается вода, освобожденная от солей жесткости и лишенная коррозионных свойств. Получаемый пар используется на технологические нужды производства.

КОРРОЗИОННОСТОЙКАЯ АРМАТУРА В ПРОЦЕССАХ МЕТАЛЛУРГИИ

ПРОИЗВОДСТВО ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ

С поверхности горячекатаной полосы окалина удаляется путем непрерывного или периодического травления растворами серной или соляной кислоты. После травления полоса проходит нейтрализацию щелочным раствором, затем горячей водой. Травильный раствор подогревается паром до 80-90оС. Отсасываемый из травильного отделения вентиляционный воздух, содержит 2,5-2,7г\м2 паров соляной кислоты.

3.2. Цветная металлургия

Кроме рассмотренных случаев, применение поворотных клапанов в металлургии имеет свои особенности. В частности, количество сред, обладающих коррозионными и абразивными свойствами в них значительно выше, чем в черной металлургии. Значительно выше количество пульп, суспензий, шламов. Агрессивность сред и стойкость материалов современной поворотной арматуры Jamesbury приведена в приложении.

Для применения в условиях агрессивных пульп и суспензий применяются как специальная, так и модифицированная арматура. Для простоты свойства пульп и суспензий необходимо разделить на несколько подвидов:

– Коррозионные среды без абразивов (например, Электролиты)

– Коррозионные среды с мягкими абразивами

– Коррозионные среды с твердыми абразивами

– Нейтральные среды с абразивами.

Поворотные клапаны широко используются для 1 и 2 групп, где воздействие на клапан и находящийся под постоянным воздействием среды затвор является минимальным.

Основным фактором, ограничивающим применение и срок службы арматуры в условиях коррозионного воздействия, является стойкость материала арматуры. Задача осложняется тем, что в металлургии химически активные среды часто содержат абразивы. Так, например, значительной абразивностью обладают отработанные электролиты никелевой промышленности.

Для работы в условиях агрессивных сред применяют наиболее коррозионно-устойчивые материалы, в частности титановые сплавы. Они хорошо стоят в условиях серной кислоты, где их стойкость выше по отношению к нержавеющей стали в 15-25 раза. Учитывая высокую стоимость и больший вес титановых задвижек, они часто заменяются титановыми поворотными заслонками.

3.2.1. Применение поворотной арматуры в производстве алюминия

Специфические среды глиноземного производства составляют пульпы, шламы и суспензии с высокой щелочностью и абразивностью и склонностью к образованию на мокрых поверхностях твердых отложений, поскольку алюминаты способны разлагаться с образованием нерастворимых соединений, таких как гидроокиси и алюмосиликаты. Плотность рабочих сред составляет 1300-1700кг/м3. Температура – от 80 до 300оС и рабочее давление 0,8-12МПа.

Основная часть аппаратов включена в непрерывный многозвенный технологический процесс, работающий круглосуточно. В таких условиях ненадежная работа арматуры приводит к большим непредвиденным остановам и потерям. Основные среды глиноземного производства приведены в табл. 3.1.

Табл. 3.2. Рабочие среды глиноземного производства

*окончательный выбор определяется расчетом.

Используется арматура диам 100-400мм, с обычным сроком использования на пульпах не более 6 мес и на чистых средах до 5-6 лет.

3.2.2. Применение поворотной арматуры в производстве никеля

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОИЗВОДСТВА НИКЕЛЯ

В настоящее время в промышленности применяется до 3000 сплавов никеля с различными металлами. Наибольшее потребление никеля составляют жаропрочные и нержавеющие стали – до 30-50%, конструкционные стали 10-15%. сплавы на никелевой основе 16-20%, гальванические покрытия и никелирование 10-18%, чугунное и стальное литье, литые жаропрочные и немагнитные сплавы –10-12%, прочее, посуда, катализаторы, электроника и др. 8-10%. В настоящее время перерабатываются 2 основных типа руд, различающиеся по химическому составу и свойствам.

– Окисленные руды, характерен огневой метод получения никеля из руды, в основном за рубежом

– Сульфидные в основном медно никелевые руды, с обязательным присутствием кобальта, металлов платиновой группы, (платина, палладий, родий, рутений, осмий, иридий) Переработка на основе флотационного обогащения, (для бедных руд 1-2,5% Ni) характерны для РФ.

Состав продуктов обогащения приведен в табл. 3.3.

Табл. 3.3. Состав продуктов при обогащении медно никелевых руд

Для извлечения никеля используют пиро и гидрометаллургические процессы

Окисленные руды при их переработке получают огневой никель для применения в черной металлургии, с небольшим рафинированием и очисткой от основных примесей (Fe, Cu, Co, S) в течение всей многостадийной обработки с получением марки Н3, Н4, по ГОСТ 849-70.

Сульфидные руды – требуют обязательного разделения меди и никеля с обязательным окончательным электролитическим рафинированием чернового металла. Получают никель высших марок вплоть до Н-0 с содержанием никеля не менее 99, 99% с извлечением до 14 ценных компонентов. Уровень производства и потребления клапанов отвечает более высоким требованиям.

Рабочие среды никелевого производства

Рабочие среды никелевого производства приведены в табл. 3.4.

Табл. 3.4. Рабочие среды никелевого производства

2. ОСНОВНЫЕ КОНТУРЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ПЕРЕРАБОТКИ СУЛЬФИДНЫХ РУД

1. Флотационное обогащение – с разделением на пирротиновый концентрат, медный концентрат и никелевый концентрат

Основные контуры флотационного обогащения – контуры подачи концентрата, добавки воздуха, пенообразователей, диспергентов, коагулянтов и т.п., отвода пены и шламов, циркуляционные схемы

Требования к процессу

Для эффективной работы флотоустановок должны соблюдаться следующие требования к регулированию процесса:

– рН оборотной воды должен поддерживаться на оптимальном уровне.

– Дозировка реагентов должна поддерживаться на стабильно постоянном и правильном уровне.

– Давление подаваемой воды должно поддерживаться на постоянном уровне и регулироваться в соответствии с требованиями процесса наиболее точно.

При несоблюдении требований потери и нестабильность процесса увеличивается.

Дополнительными требованиями являются использование контуров регулирования с широкими расходными характеристиками, что важно для воздуха, потребляемого в объеме до 50% от объема очищаемого раствора

Переработка никелевого концентрата имеет следующие процессы: плавка на штейн, завалка в печи, добавка флюса отвод газов, обработка шлака.

Основными процессами являются – добавки флюса, охлаждения печей, газоотвода и очистки, плавка никелевых концентратов на ГМК НН производится в руднотермических печах во взвешенном состоянии на подогретом обогащенном кислородом дутье.

Основными контурами являются – контуры горения, кислорода, подогрева дутья, сушки концентрата, участки пневмотранспорта подачи флюса и кокса, отвода газов и электрофильтра, водяного испарительного охлаждения

Контуры подвода флюса

В результате плавки получают небольшой выход штейна, обычно 8% от массы перерабатываемой руды. В тоже время загрузка флюса, сульфидизатора, (пирита), или гипса, известняка может потребовать такого количества, что технически и экономически будет неоправданно. Технико-экономические показатели плавки будут снижены, возрастут потери никеля со шлаками.

Контур пневмотранспорта флюса по этим причинам также является важным, поскольку точность дозирования определит погрешность заполнения печи материалом.

С учетом большего внедрения вместо гравитационных систем и систем пневмотранспорта в контролируемой среде, например, в конвертерных цехах вместо подачи воздухом используется подача контролируемого соотношения кислорода и азота по своим веткам, повышения степени автоматизации процесса, эффективность внедрения специализированных клапанов увеличивается.

Контур горения

Процесс горения топлива является одним из главных факторов, определяющие параметры работы печей при плавке никелевых руд. Качество сжигания топлива определяет температуру в печах, восстановительную способность топочных газов, производительность печей, расход топлива, извлечение металлов в штейн. Используется дорогой и дефицитный вид топлива – кокс. В фурмы должно подаваться дутье, обогащенное кислородом.

Совокупность этих параметров указывает на то, что обслуживающие печь контуры регулирования могут быть отнесены к критическим.

Контур испарительного охлаждения печей

До недавнего времени стены шахтных печей, например, на никелевых заводах изготавливали из водоохлаждаемых кессонов, шатер на колошнике выполняли также в виде огнеупорной кладки в металлическом каркасе или также из кессонов.

Кессоны шахтных печей представляли собой сварные коробчатые конструкции из листовой стали с патрубками для ввода и вывода охлаждающей воды. Перепад температуры входящей и выходящей воды обычно составлял 5-15оС. В этих условиях каждый литр воды отбирал максимально 4,18-15=63 КДж теплоты, где 4,18 – теплоемкость воды, кДж/кг оС)

Более эффективный способ отвода избыточной теплоты – испарительное охлаждение с использованием скрытой теплоты испарения воды (2253 кДж\кг), т.е. замене подогрева воды на испарение кипящей. При испарительном охлаждении каждый килограмм воды будет отбирать от охлаждаемых элементов около 2550 кДж теплоты, т.е. почти в 40 раз больше, чем при использовании кессонов. Во столько же раз уменьшается расход охлаждаемой воды. В результате получают пар, который может быть использован для технологических нужд, тогда как ранее вода нагревалась только на 10 оС, и тепло безвозвратно терялось при охлаждении.

Для реализации принципа охлаждающие элементы представляют собой сваренные из труб кессоны, объединенные 2 коллекторами – нижним для подвода воды и верхним для отвода пара.

Однако, реализация этого способа потребовала:

– использования только химически очищенной воды,

– перевода контура на работу с более высокими давлениями и температурами,

– возможности регулирования в т.ч. с учетом двухфазного состояния воды – пара – конденсата.

Сам контур стал более критическим, т.е. небольшие отклонения на входе могут вызывать большие погрешности на выходе.

Контур дутья

Интенсификации процесса плавки и снижению расхода кокса способствует подогрев дутья и обогащение воздуха кислородом. Так, нагрев дутья при агломерированной плавке ведет к экономии топлива на 15.2%, а при 400 оС – на 23,3% и к росту проплава соответственно на 10 и 15,3%. Обогащение дутья кислородом до содержания 25% позволяет повысить проплав печи на 22,2%, а расход кокса уменьшить на 17%.

3. Получение медноникелевого штейна, конвертирование

Добавка кварца и подача воздуха. Конвертирование проводят в горизонтальных конвертерах 75-100 тонн.

Основные контуры – обслуживания горизонтального конвертера, подачи воздуха, завалки добавок и флюсов, дегазации, газоотвода и газоочистки и др.

Типовые проблемы. Процесс конвертирования, чтобы кобальт сохранить в файнштейне нужно вести с неполным окислением железа. В противном случае кобальт преимущественно перейдет в конвертерный шлак. В связи с этим, цикл поддержания степени окисленности расплава в печи должен быть выдержан и отрегулирована подача дозирующих компонентов.

4. Флотационное разделение меди и никеля

Состоит в разделении на богатый никелевый концентрат и богатый медный концентрат – с передачей его в медное производство.

Основные контуры – концентрата, подачи химикатов флотации, воздуха, отвода пены и др.

Типовые проблемы Файнштейн требуется медленно охлаждать в течение до 40-80 ч, чтобы обеспечить получение достаточно крупных кристаллов и хорошее вскрытие кристаллических фаз. Длительность и непрерывность процесса предъявляет повышенные требования к устройствам дозирования и подачи химикатов, точности регулирования, низкой инерционности процесса и т.п.

Поскольку флотацию ведут в сильно щелочной среде, то материалы в т.ч. и обслуживающих основной поток клапанов должен быть устойчивым к действию щелочей.

Карбонильное разделение меди и никеля

Температура процесса – 190-220 оС, давление до 17-23 МПа. По этому процессу в реактор – бомбу загружают файнштейн с пониженным содержанием серы. Карбонил никеля возгоняется, а медь и платиноиды и кобальт остаются в осадке.

Учитывая, присутствие газовой фазы с присутствием критического по соотношению количества СО, отработке контуров подачи газа СО на реакцию должно уделяться особенное внимание в связи с возможностью дополнительного роста погрешности. Характеристики реакции приведены ниже.

Ni+4CO =Ni(CO)4

Для очистки от железа технический карбонил никеля дополнительно подвергают фракционной перегонке (ректификации). Очищенный карбонил направляют в башню разложения, обогреваемую до 200-220 оС. Продукт разложения – готовый карбонильный порошок.

Получение оксида никеля

Производится агломерирующим и окислительным обжигом.

Основные контуры – природного газа, воздуха, сушильных трубчатых печей, охлаждения, термической обработки окатышей, (сушка, окислительный обжиг и охлаждение гранул) газоотвода с подачей газа на производство серной кислоты

Получение чернового анодного никеля

– восстановительная плавка в дуговых электрических печах без наведения шлака Основные контуры – отвода газов, добавки флюсов, отвода газов

7. Получение финишного продукта – катодного никеля

– электролитическое рафинирование методами электролиза

Основные контуры – подачи электролита, поддержания концентрации и температуры.

Основные проблемы в связи с множеством примесей, таких как кобальт, железо, цинк, медь и катионы водорода, при несоблюдении режима и значительных погрешностях в регулировании они могут раньше или вместе с ним разряжаться на катоде. В связи с этим необходимо:

– Оптимизировать составы электролита совместно с электрическим режимом и сопряженными контурами регулирования.

– Обеспечить оптимальную циркуляцию электролита.

Поскольку для электролиза никелевых анодов применяют сульфатхлоридные электролиты, то их основными компонентами являются сульфаты никеля и натрия и хлорид железа. Для автоматического регулирования рН электролита в пределах 2,5-5 в него вводят борную кислоту, которая в зависимости от изменений кислотности электролита также может диссоциировать как с уменьшением рН, так и увеличением. Регулирование должно быть точным, в связи с тем, что такой контур также может быть отнесен к критическим. Реакция приведена ниже.

B3+ + 3OH - =H3BO3 = 3H+ + BO3 3-

Уменьшение рН Увеличение рН

Основные проблемы и задачи

Единственно допустимым процессом на катодах в условиях электролитического рафинирования никеля является восстановление катионов никеля. Все остальные катодные реакции ведут либо к загрязнению катодного никеля, либо снижают выход по току. Получение чистых катодных осадков на практике достигается отделением катодного пространства от общего объема загрязненного электролита с помощью катодных диафрагм и особой системой циркуляции электролита.

Загрязненный электролит – анолит непрерывно выводят из ванн на обязательную очистку от железа, кобальта, меди на специальную очистную установку. После очистки он подается в катодные диафрагмы.

Подача католита регулируется таким образом, чтобы его уровень в катодной диафрагме превышал уровень электролита на 30 – 40 мм. В результате этого, обогащенный никелем католит под действием электростатического давления проходит через поры диафрагмы и, как бы отталкивая анолит от диафрагмы, не дает примесям проникать в катодную ячейку.

Дефицит никеля при электролизе в катодном пространстве необходимо непрерывно восполнять подачей никельсодержащих материалов. Регулирование должно быть увязано с другими контурами регулирования, что делает взаимосвязь работы контуров регулирования сложной и может вызвать эффект автоколебаний и «танцующих» контуров.

Количество катодных диафрагм и анодов в одной ванне из двух никелевого электролизера – до 44 ед., столько же должно быть запитанных контуров подачи электролита и его отвода. Для подачи католита в ванны служат гребенки из фаолита или винипласта с калиброванными ниппелями, снабженными резиновыми трубочками. По ним в каждую диафрагму подают католит. Скорость подачи католита регулируют по его уровню в диафрагменной ячейке. Характеристики циркуляции католита приведены ниже:

Плотность тока катодная А\м2 – 180-350

Напряжение на ванне, В – 2,6-3,0

Температура католита, оС – 55-75

рН католита –2,1-4,8

скорость циркуляции католита на ячейку, л\ч – 20-30

расход электроэнергии на 1 т никеля, кВтч – 2400-3300

выход анодного скрапа, % – 16-18

Очистка анолита – включает 3 основные операции – очистку от железа, меди и кобальта.

Очистка от железа – FeSO4+. Проводится с переводом иона в 3-х валентное состояние с последующим гидролитическим осаждением (Fe2O3xH2O) Окислителем служит кислород воздуха. Очистку проводят в чанах с воздушным перемешиванием (пачуках). При гидролизе образуется серная кислота, для ее нейтрализации вводят карбонат никеля.

Для отделения полученных кеков от раствора используют дисковые фильтры. Дважды проводится кислотная репульпация с целью извлечения части никеля и далее материал плавят вместе с рудным сырьем в руднотермических печах.

Очистка от меди – цементацией меди никелевым порошком. Используется восстановление оксида никеля водородом. Обеспечивается отсутствие кислорода и используется специальные аппараты – цементаторы. Никелевый порошок подают на вход нагнетательных насосов, растворы снизу в цементатор. В верхней части аппарата скорость вертикального потока снижается из-за резкого расширения корпуса, в результате чего частицы твердых материалов образуют четко выраженный кипящий слой, который удерживается на глубине 2м от сливного порога. Выделившуюся цементную медь периодически выпускают из цементатора и направляются в медное производство.

Больший эффект может быть достигнут при применении специальных клапанов типа Покет Фидер, которые в меньшей степени будут сбивать режимы процесса за счет увеличения циклов выпуска меди и приближения процесса к непрерывному.

Очистка от кобальта. Проводится по процессу, близкому к очистке от железа с использованием газообразного хлора в качестве окислителя.

Реакция представлена ниже:

2CoSO4 + Cl2 + 3H2O + 3NiCO3= 2CO(OH)3 +2NiSO4 + NiCl2 +3CO2

ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Гидрометаллургические процессы наиболее распространены при производстве никеля по сравнению с производством меди. В настоящее время их применяют для переработки окисленных никелевых руд и никелевых сульфидных концентратов, пирротиновых концентратов, сульфидных полупродуктов (штейнов, файнштейнов и др.) Используются сернокислые, аммиачные и солянокислые растворы.

Основной процесс – выщелачивание с применением повышенного давления. Это позволяет вести процесс при повышенных температурах. Высокие давления и температуры ускоряют химические реакции и повышают полноту их протекания. Рост параметров безразрывно связан с совершенствованием условий гидротранспорта и регулирования сред, а повышение непрерывности процесса приводит к выраженной потребности в автоматизации и автоматическим клапанам. Используются автоклавные процессы. Их проводят в специальных герметичных автоклавах. В металлургии никеля применяются горизонтальные автоклавы.

Гидрометаллургическим способом перерабатываются окисленные никелевые руды, содержащие 1,5%Ni и 0,8%Co по аммиачной схеме. Сначала руду подвергают селективному восстановительному обжигу, при котором никель восстанавливается до металла, а железо до Fe3O4. Охлажденный огарок выщелачивают в турбоаэраторах – герметичных пневмомеханических мешалках – с растворами, содержащими 5-7% аммиака и 4-5% оксида углерода. Общий процесс с точки зрения критичности для контуров регулирования может быть отнесен к таковому по аммиаку, см. ниже.

Me + 6NH3 +CO2+1\2O2 = Me(NH3)6CO3

Гидроксид железа и большая часть кобальта остается в хвосты выщелачивания. Полученные растворы далее подвергают термическому разложению острым паром с образованием нерастворимых карбонатов никеля и кобальта. Осадок карбонатов сушат и прокаливают в термических печах, что приводит к образованию оксида никеля. Оксид никеля спекают на агломерационных машинах. Товарным продуктом технологии является спек (синтер), содержащий 88% Ni и 0,7%Co.