Конспект лекций для студентов специальности 5В070900 Металлургия Шымкент, 2020 г
жүктеу/скачать 8,06 Mb.
|
| Тема 11 Электроплавка
Лекция 31. Электротермические печи и принципы их работы Лекция 32. Физико-химические закономерности превращения материалов и виды продуктов плавки. Лекция 33. Виды электропечей, конструктивные особенности, методы расчета и характеристики План темы: 1.Физические и тепловые основы электроплавки руд и концентратов и их особенности. 2.Конструкции печей для электрической плавки 3.Электрические расчеты электрических печей 1.Физические и тепловые основы электроплавки руд и концентратов и их особенности. Дуговые электрические печи, используемые для плавки руд и концентратов на штейн и металл, получили название руднотермических дуговых печей. Руднотермические печи с успехом применяются в медноникелевой промышленности, при плавке оловянных концентратов, переработке свинцовоцинкового сырья, в кивцэтном процессе, в производстве титана, при производстве ферросплавов и ряде других процессов. Работа рудоплавильных электропечей представлена следующими основными процессами: - физико-химическими превращениями исходных материалов; - подводом, распределением и преобразованием электроэнергии; - движением твердых и расплавленных материалов; - теплообменом в шлаке и между шлаком и шихтой; - движением газов. Комплексная теория работы электропечей должна основываться на закономерностях указанных основных процессов и содержать в себе главнейшие качественные и количественные их характеристики. Исходная шихта, состоящая из руды, концентратов, оборотов и флюсов, находится в шлаковом слое ванны, толщина которого колеблется от 0,8 до 1,5 м (рис. 11.1). Электропечь представляет тепловую ванну с токоподводящими электродами, опущенными в своеобразный электролит — расплавленный шлак, со слоем штейна внизу ванны, обладающим металлической проводимостью. 2.Конструкции печей для электрической плавки Электрическая энергия, являющаяся в электропечах основным источником тепла, подводится в ванну через электроды, погруженные в шлак на глубину 0,2—0,8 м. Электрическая энергия преобразуется в тепловую в шлаковом слое ванны, при этом от 40 до 80% мощности выделяется около электродов в переходном контакте электрод — расплавленный шлак, в котором, происходит дуговой разряд в виде частично шунтированных микродуг, образующихся в газовом мешке, окружающем конец электрода. При малом заглублении электродов доля мощности, выделяемая в контакте Рис. 11.1 Схема плавки в электропечи электрод — шлак, достигает 80%, а при увеличении посадки электродов и глубины ванны эта доля снижается до 40—50%. Остальная часть мощности печи преобразуется в тепловую энергию в самом шлаке в результате его электросопротивления. Линии тока в ванне печи направлены как от электродов к штейну, так и от электрода к электроду. Поэтому имеется нагрузка горна печи как по схеме звезды, так и по схеме треугольника, причем доля треугольника почти равна доле звезды. Основная часть линий тока концентрируется в околоэлектродной зоне ванны на расстоянии от осей электродов до двух диаметров. Таким образом, токопроводящая часть шлака имеет ограниченные размеры, а шлак, прилежащий к стенкам печи, в канализации тока почти не участвует. Максимальное количество тепла в ванне выделяется у поверхности электродов в контакте электрод—шлак. Распределение мощности по отдельным электродам для электропечей рассматриваемого типа почти одинаково. Не расплавившаяся шихта, плавающая в токопроводящих участках ванны, обладая малой электропроводностью, срезает часть линий тока и тем самым повышает активное сопротивление ванны на 20—30%. Вследствие того, что основной токопроводящей и рабочей частью ванны печи, в которой сосредоточено главное тепловыделение, является около электродная зона, находящаяся от оси электродов на расстоянии в пределах до двух диаметров электрода, тепловое поле печи весьма неравномерно. Наибольшей температурой в печи обладают участки ванны в районе контакта электрод— шлак, для которых ее значение достигает 1500—1700° и выше. Наименьшей температурой характеризуются участки ванны около стенок и под электродной зоны, где температура снижается до 1250—1350°. Большое количество тепла, выделяющееся около электродов, вызывает сильный перегрев шлака, прилежащего к поверхности электродов. Вследствие перегрева шлака значительно уменьшается его объемный вес, главным образом из-за расширения газовых пузырьков, включенных в расплавленный шлак. Уменьшение объемного веса шлака, прилежащего к электродам, порождает энергичное непрерывное его всплывание на поверхность ванны и дальнейшее движение по поверхности в стороны от электродов. Это непрерывное конвекционное движение шлака от электродов к стенкам печи и обратно к электродам, происходящее в основном в верхней части ванны на глубине погружения электродов, является важнейшим рабочим процессом в электропечах, определяющим теплообмен в ванне и плавление шихты. Потоки перегретого шлака движутся около поверхности ванны от электродов к стенкам печей, и встречают на своем пути кучи плавающей шихты. Отдавая избытки своего тепла шлак, плавит шихту по поверхности, погруженной в ванну, и, смешиваясь с более холодным расплавом шихты, опускается в глубинные слои ванны. В нижней части шлакового слоя ванны на уровне концов электродов потоки шлака частично разворачиваются к электродам, доходят до них и вновь всплывают на поверхность и т. д. Таким образом, в электропечи все время циркулирует шлак по замкнутым траекториям со скоростью, достигающей 1—2 м/сек. Конвекция шлака наиболее активна в верхнем слое ванны, по толщине равной глубине погружения электродов. Под электродная часть шлаковой ванны имеет очень слабое движение и может характеризоваться как застойная зона, особенно при большой ее глубине. Движущийся от электродов горячий шлак разносит тепло во все участки ванны печи и тем поддерживает их тепловой баланс. Наиболее активно шихта плавится в верхнем электродном слое ванны, на участках, отстоящих от осей электродов не далее 1,5—2 диаметров. Разница в удельной производительности участков ванны, удаленных от электродов и близких к электродам, достигает 100%. Активное плавление шихты происходит главным образом на погруженной в шлак ее поверхности, обращенной в сторону электродов. Вследствие малой теплопроводности шихты тепло в ее глубинные слои распространяется весьма замедленно, и поэтому процесс плавления шихты обгоняет процесс ее прогрева. Распространение тепла вследствие теплопроводности внутри шихтовых откосов в электропечах имеет очень малое значение для тепловой работы печей. Ввиду концентрации основных тепловыделений в ванне газовое пространство электропечей не участвует активно в процессе нагрева и плавления шихты. Температура газового пространства электропечей обычно не высока и не превышает 600—800°. Свод таких электропечей обычно не нагревается выше 600—800°, поэтому его можно выкладывать из шамотного кирпича. Кроме конвекционного движения шлаков, в электропечах имеются и другие разновидности движения. В ванне печи разделяются шлак и штейн: капельки штейна движутся в массе шлака в виде «штейнового дождя». Конвекционное движение шлака не мешает этому процессу, происходящему, очевидно, главным образом в под электродных слоях ванны, где движение шлака весьма вялое. Для процесса отделения штейна от шлака наибольшее значение имеют удельные веса шлака и штейна и вязкость шлака. Вследствие больших возможностей по перегреву и активной обработке шлаков в электропечах содержание металлов в шлаках получается более низким, чем в других печах. Физико-химические превращения шихтовых материалов в электропечах происходят главным образом в ванне печей. Твердая шихта претерпевает главнейшие физико-химические превращения на поверхности, погруженной в шлак и обращенной в сторону электродов. Горячий электропечной шлак непрерывно движется по этой поверхности, расплавляет и химически дорабатывает плавящуюся шихту. Вначале протекают процессы диссоциации сложных сульфидов, сульфатов, карбонатов, гидратов. Далее начинается реакционное взаимодействие между сульфидами и окислами и окислами основными и кислыми, в итоге образуются основные продукты плавки — штейн и шлак. При этом в химических реакциях участвуют одновременно компоненты твердой шихты и электропечного шлака из ванны. Расплавленные смеси штейна и шлака, образующиеся в результате всех физико-химических преобразований на поверхности плавления, стекают с нее в виде пленок или слоев в ванну печи, где и разделяются по удельным весам на шлак и штейн. Сера при электроплавке удаляется только в результате диссоциации сложных сульфидов и окисления кислородом высших окислов. Окисление серы кислородом газовой фазы печи при электроплавке не имеет практического значения, поэтому электропечи обладают меньшей окислительной способностью. Степень десульфуризации при электроплавке сырых концентратов составляет 20—40%, обожженных или окисленных 5—20%. Наряду с прямым процессом восстановления шлака углеродистым восстановителем происходит и косвенное восстановление одних металлов другими, например цинка и кобальта металлическим железом. Последний процесс может происходить и в глубинных слоях ванны в результате проникновения в них капелек штейна, содержащего в себе восстановленное металлическое железо. Наличие восстановителя, плавающего в поверхностном слое шлака, не изменяет конвекционного движения в ванне и заметно не снижает его скорости. При загрузке восстановителя на поверхность ванны он разносится по ванне по траекториям конвекционных потоков преимущественно к стенкам печи, поэтому для полного покрытия всей поверхности ванны необходимо загружать восстановитель на всю центральную ее часть. При свободном доступе воздуха к поверхности ванны и слою восстановителя он активно горит и обильно выделяются газы высокой температуры. Горение восстановителя и газо выделение могут быть значительно уменьшены герметизацией печного пространства. Существенное влияние на работу электропечей оказывает вязкость шлака. При увеличении вязкости шлака скорость конвекции уменьшается и перемешивание ванны ослабевает, что ослабляет процесс восстановления шлака и ухудшает отделение штейна. Основные преимущества электропечей - высокий термический к. п. д., достигающий 60—80%; - возможность нагрева шлака до 1500—1700° и выше, позволяющая перерабатывать в электропечах тугоплавкие материалы; - активная обработка шлака, обеспечивающая пониженное содержание в нем металлов; малое количество газов и пыли; - возможность полной механизации и автоматизации работы. К недостаткам электрических печей относятся: - значительное потребление электроэнергии, достигающее 500—1000 квт-ч на тонну шихты; - ограниченные окислительные возможности и малая степень сокращения; - повышенное требования к шихте по снижению ее влажности: Первая особенность электроплавки по сравнению с другими заключается в том, что все превращения шихтовых материалов совершаются в основном в ванне печи. Вторая особенность протекания процессов физико- химических превращений шихты в электрических печах — непосредственное и весьма активное участие в этих процессах жидкого электропечного шлака. Расплавленный перегретый шлак в электропечах является основным теплоносителем, который, приходя в непосредственное соприкосновение с поверхностью шихты, погруженной в ванну, отдает ей свои избытки тепла и нагревает шихту до температуры плавления шлака и штейна. Одновременно с этим жидкий шлак вступает в химическое взаимодействие с плавящейся шихтой, в результате чего при электроплавке прямо в процессе плавления и преобразования твердой шихты образуются конечные продукты плавки. Третья особенность электроплавки — восстановление жидкого шлака углеродистым восстановителем. Физической основой процесса восстановления жидкого шлака в электропечах является конвекционное движение шлака, обеспечивающее непрерывное прохождение массы шлака через скользящий контакт с восстановителем. Главнейшими преимуществами руднотермических печей являются: - значительно меньший расход флюсов для получения жидкого шлака (вследствие более высокой температуры в зоне плавления шихты); - это способствует повышению извлечения металла и экономичности плавки; - весьма незначительные потери тепла с отходящими газами благодаря их небольшому количеству и низкой температуре; - высокая концентрация SO2 в газах и возможность его использования; - возможность механизации и автоматизации обслуживания. Руднотермические печи являются дуговыми печами смешанного действия. Они имеют электроды, погруженные в шихту и шлак. Поэтому в них, помимо нагрева дугой, основная часть тепла выделяется при прохождении тока между электродами через шихту, содержащую углерод, и расплавленный шлак. В зависимости от условий плавки доли дугового нагрева и нагрева сопротивлением могут изменяться. Отличительными особенностями руднотермических печей являются работа при высоком напряжении (до 1000 В) и большая мощность, достигающая 48 МВ-А и более. Рис. 11.2. Шестиэлектродная руднотермическая печь На рисунке 11.2 приведен продольный разрез шестиэлектродной руднотермической печи для плавки сульфидных медно-никелевых концентратов. Печь имеет в плане прямоугольную форму. Ширина печи достигает 8,7 м. Шесть электродов 1 расположены вдоль продольной оси печи. Фундамент печи железобетонный в виде отдельных столбов 3, на которые уложены балки и стальные плиты, поддерживающие подину печи. Подина имеет толщину 900—1200 мм и состоит из нескольких рядов магнезитового кирпича, выложенного обратными сводами на огнеупорной подсыпке или бетонном основании. Рис 11.3. Общий вид руднотермической печи. 1-уплотнитель; 2-электродержатель; 3-система водоохлаждения; 4-токоподвод; 5-механизм передвижения; 6-кожух электродержателя; 7-свод; 8-футеровка; 9-каркас. На рис. 11.3 показано размещение печи и трансформатора в цехе. Стены печи выкладываются в нижней части (до уровня ванны) из магнезитового или хромомагнезитового кирпича, а в верхней части (выше уровня ванны) — из шамотного кирпича. Так как наиболее высокая температура создается внутри шихты, то температура в печи над шихтой невысокая, и свод может быть выложен из шамотного кирпича. Загрузка печи боковая через свод. Штейн выпускают через летку 4 в торцовой части печи, шлак — через летку 2 в противоположном торце. Печь работает в непрерывном режиме с периодическим выпуском шлака и штейна. Руднотермические печи имеют один, два, три и шесть электродов, чаще всего самоспекающихся. Их диаметр колеблется от 0,8 до 1,4 м. Питание производится от одно- и трехфазных трансформаторов. При шести электродах используются три однофазных трансформатора, питающих каждый два электрода. Это позволяет уменьшить реактивное сопротивление короткой сети. Рис. 11.4 Щековый электродержатель Для графитированных, угольных и самоспекающихся электродов большого диаметра применяется щековой электрододержатель с дополнительным устройством для перепуска электродов (рис. 11.4). Нижняя часть электрододержателя (рис.11.4 а) состоит из нескольких щек 3, изготовленных из хромистой бронзы, плотно прижимаемых к электроду с помощью сплошного кольца 1 и нажимных винтов 2 или гидравлических сильфонных зажимов. Щеки и кольцо подвешены к цилиндру 7 на подвесках 6 и охлаждаются водой. Ток и вода к щекам подводятся медными трубами 4. Стальной цилиндр толщиной 5—10 мм плотно скреплен с рамой из швеллеров, расположенной в верхней части электрододержателя. За эту раму вся конструкция вместе с электродом подвешивается на тросах или цепях 8 к лебедке (рисунок 43 б). Подвеска и перемещение могут осуществляться также и с помощью трех гидравлических плунжеров. Для перепуска самоспекающихся электродов используются две стальные ленты 5, привариваемые диаметрально к кожуху электрода. Ленты намотаны на барабаны 9 и проходят через тормозные устройства 11, степень зажатия которых регулируется маховичками 10. При перепуске уменьшают прижим щек к электроду, и под действием собственного веса электрод опускается вниз на стальных лентах на некоторую глубину. Перепуск обычно производят, не отключая печь от сети, снижая лишь в два раза силу тока. При этом следует соблюдать правила техники безопасности. В варианте гидравлического зажима вместо лент используются зажимные щеки, оклеенные резиной, что позволяет на трении перепускать электрод. Срок службы держателей с водяным охлаждением составляет несколько лет. Для герметизации свода в местах прохода электродов устанавливают сальниковые уплотнения с песочноасбестовой набивкой. В некоторых случаях руднотермические печи делают круглыми, что имеет свои преимущества. В них легче добиться герметичности свода, выделяемая в шихте мощность равномерно распределяется по всей ванне, возможно вращение печи. Удельный расход электроэнергии на тонну шихты необожженного медно-никелевого концентрата 700—1000 кВт-ч и обожженного горячего огарка печи кипящего слоя 400—500 кВт-ч. Удельная производительность по твердой шихте 2,5—6,0 т/м2 пода печи в сутки. При увеличении напряжения эффективность печи возрастает, так как большинство потерь связано с силой тока, которая сохраняется прежней. 3.Электрические расчеты электрических печей. При расчете необходимой мощности печи расход тепла за счет электроэнергии в печи определяют из теплового баланса с заранее выбранными размерами печи или по удельному расходу электроэнергии. Кажущуюся мощность печного трансформатора (или нескольких трансформаторов) находят по формуле: P = AW/24cos φ k1 k2, (11.1) где A —производительность печи по исходной шихте, т/сут; W—удельный расход электроэнергии, кВт-ч/т; cos φ — коэффициент использования мощности трансформатора (обычно 0,8—0,9); k1 — отношение продолжительности фактической работы к календарному времени (0,935—0,945); k2 — квадрат отношения среднего фактического напряжения питающей линии к номинальному напряжению (0,9—1,0). По полученной мощности выбирают число электродов, электрическую схему питания печи и трансформатор из числа выпускаемых для питания руднотермических печей. Находят силу тока и диаметр электрода D. Длина печи берется равной 12D для печей с тремя электродами и 21D для печей с шестью электродами; ширина печи примерно равна 6D, а расстояние между электродами составляет около 3D. Контрольные вопросы: 1.Для каких производств применима электроплавка? 2.Какие электроды применяются в электроплавке? 3.Перечислите особенности электроплавки? 4.Как реагирует восстановитель при электроплавке? 5.Что является основным источником тепла? 6.Какой удельный расход электроэнергии на плавку штейна? 7.Какой скоростью движется расплав при электроплавке? жүктеу/скачать 8,06 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|