Электротермия в металлургии меди свинца и цинка
..pdfВ зависимости от характера проводимого в печи процесса, изменяется удельная мощность печи, т. е. количество энергии, приходящейся на 1 м2 поверхности ее пода.
При плавке медных концентратов, за исключением неизбеж ных потерь, вся мощность расходуется на плавление, при плавке свинцовых концентратов, помимо плавления, небольшая ее часть расходуется на восстановление окислов, при плавке цинковых и полиметаллических концент ратов доля энергии, расходуе мой на восстановление и воз гонку, сильно возрастает.
В печах небольшого разме ра обычно устанавливают три электрода в ряд, соединяя их на звезду. В больших печах (более 4—5 тыс. ква) устанав ливают 6 электродов, так как при трех электродах диаметр их был бы слишком велик. Возможна установка 4 элект родов, (как это показано на рис. 45.
Электроды предпочитают устанавливать попарно, питая каждую пару от отдельного однофазного трансформатора. Такая схема включения имеет ряд преимуществ, так как по
зволяет на каждой паре электродов поддерживать наилучший для данной части печи электрический режим и иметь один ре зервный трансформатор относительно небольшой мощности.
Приведенная на рис. 45, б схема отвечает печи для свинцо вой плавки завода Роншер, а на рис. 45, в — печи для медной плавни того же завода.
Круглая печь с тремя электродами, расположенными по уг лам равностороннего треугольника и соединенными на треуголь ник, работала в Иматре и позднее в Харьявалте. Такой же фор мы печь работает на Иртышском заводе.
Предпочтение следует отдать прямоугольным печам, особен но большой мощности, так как сооружение кожуха и выкладка футеровки в них проще.
2. ПЕЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ, ШИНЫ И КОНТАКТНЫЕ ЩЕКИ
Все современные печи .питаются трехфазным током. Как уже указывалось, удобнее пользоваться тремя однофазными транс*
6 м. М. Лакерник
форматорами и обычно печи оснащаются тремя действующими и одним резервным трансформаторами.
Трансформаторы охлаждаются иногда воздухом, но большей частью маслом с принудительной циркуляцией, охлаждаемым в трубчатом водяном холодильнике.
Трансформаторы снабжены переключателями напряжения, в большинстве случаев позволяющими изменять его под нагруз
кой.
В зависимости от эксплуатационных требований имеется 8— 20 ступеней напряжения, чаще всего через 5—8 в. В большинст ве случаев ступени напряжения меньше при низких напряже ниях (5 в) и достигают 8 в при более высоких напряжениях.
Напряжение для питания трансформаторов 6—12 тыс. в, а на шины стороны низкого напряжения 80—400 в.
Ток от трансформатора к электродам подается через жест кие медные или алюминиевые шины, подведенные к печи и да лее, от концов шин до подвески электродов, гибкими кабелями. При разделении трехфазного тока на три однофазных контура каждый токопроводящий пучок разделяется на отдельные сое диненные параллельно и тщательно шлихтованные шины. Шины крепятся на деревянных, пропитанных маслом брусьях, обес печивающих необходимую жесткость и электрическую изоляцию их одной от другой. Шины изготавливают из катаных полос с соотношением ширины и толщины 30: 1 и крепят на расстоянии их удвоенной толщины, равной обычно 10—20 мм.
Гибкий кабель сплетают из медных проволок диаметром 0,75 мм, которые сперва соединяют в пучки по 7 штук и каждые 7 пучков собирают в пакет. Двадцать пакетов (980 проволок) составляют жилу. Число жил подбирают с таким расчетом, что бы плотность тока в кабеле не превышала 1 а/мм2. Концы кабе ля крепят в. медных башмаках и присоединяют одним концом к жестким шинам, а другим к металлоконструкциям подвески электродов.
От металлоконструкций до контактных щек ток проводится полыми медными трубками, охлаждаемыми водой и работающи ми под нагрузкой 2,5 а/мм2. Контактные щеки (по 6—10 штук на каждый электрод) отливают из бронзы или меди и охлаждают водой, циркулирующей по залитым внутри трубкам.
Щеки имеют прямоугольную4форму с закругленными краями. Их площадь следует рассчитывать таким образом, чтобы через 1 см2 поверхности контакта проходило около 1 а, причем кон тактное сопротивление может быть принято равным примерно 2,5 X 10_3 ом/см2. Эта величина может меняться в зависимости от состояния поверхности контакта ц степени прижима щек к электродам. В частности, на еам'оспекающйхся электродах плогг но прилегает не более 7з Общей'поверхности контактных щек.
3. ЭЛЕКТРОДЫ
Угольные и графитированные электроды выпускают длиной до 2 м. Для электродов диаметром менее 400 мм применяют ци линдрические ниппели, для электродов большего сечения — ко нические. Конические ниппели более прочны и обусловливают лучший контакт, так как ниппель изготавливается цельным с электродом. Недостаток этого соединения заключается в том, что при поломке ниппеля весь электрод оказывается непригод ным и его можно использовать только после дополнительной обработки.
Ниппельные соединения — наиболее слабые места собранно го электродного блока, так как (несмотря на значительные уси лия, прилагаемые при свинчивании электродов) трудно обеспе чить полноценный контакт. В результате места контакта часто оказываются.электрически перегруженными, вследствие чего мо гут возникнуть местные перегревы и электричеокие дуги.
Предел прочности .на сжатие для угольных электродов равен 300—400 кг/см2 и для графитированных 250—350 кг/см2. Удель ный вес их около 2 г/см3. Удельное сопротивление угольных электродов 40—60 ом/м-мм2, графитированных 8—15 ом/м-мм2, т. е. в 4—5 раз меньше.
Применение угольных или графитированных электродов в герметизированных печах имеет особое преимущество в связи с тем, что .поверхность этих электродов гладкая и строго цилинд рическая, что упрощает герметизацию отверстий в своде.
При работе герметизированных печей под небольшим поло жительным давлением и при отсутствии в их пространстве сво бодного кислорода электроды не окисляются и расход их не пре вышает 4—5 кг/т шихты.
Для печей большой мощности применение угольных и графитированных электродов невозможно и без самоопекающихся электродов такие печи немыслимы. Ничто так не способствова ло развитию промышленных печей и руднотермических процес сов, K3IK именно снмоспекающиеся электроды.
Самоспекающийся электрод состоит из двух независимых частей:
а) несущего цилиндра -с устройством для поднятия и опу скания этого цилиндра с находящимся в нем непрерывным элек тродом, устройством для перепускания непрерывного электрода по мере его обгорания, токопроводящих частей и контактных
плит; б) собственно непрерывного самоспекающегося электрода
(рис. 46 и 47) .
Непрерывный электрод представляет собой цилиндр из же лезного листа!толщиной 2—2,5 мм. Отдельные секции цилиндра
б*
Рис. 46. Самоспекающийся электрод:
1 — самоспекающийся электрод; 2 — лебедка для подъе ма и опускания; 3 — несущий цилиндр электрода; 4 — под веска контактных щек; 5 — водоохлаждаемое кольцо для прижимания контактных щек; 6 — нажимные болты для контактных щек; 7 — контактные щеки; 8, 9, 10 — под
вод и отвод охлаждающей воды
имеют высоту 1—1,5 м. К внутренней поверхности цилиндра при варены радиальные ребра шириной 0,3—0,4 диаметра электрода. Кожух придает электроду форму, ребра проводят ток внутрь
Рис. 47. Верхняя часть самоспекающегося электрода с тормозной лентой
электрода, заполняемого пластичной, необожженной и поэтому малоэлектропроводной угольной массой, так называемой «зеле ной массой», представляющей смесь 85—90% твердых частиц антрацита различного размера и некоторого количества кокса, смолы <и связующего пека. По мере обпхрания электрода в печи на 5—25 см в сутки (в зависимости от характера плавки)
сверху приваривают новую секцию цилиндра, постепенно запол
няемую массой.
Непрерывный электрод 1 находится внутри несущего цилинд ра 2 из котельного железа толщиной 8—10 мм, внутренним диа метром на 100—150 мм больше, чем внешний диаметр непрерыв ного электрода. На верхней части несущего цилиндра имеется рама 3, на которой укреплены две стойки 4; снабженные двумя блоками 5, связанными с механизмом перемещения электродов, который служит для подъема и опускания электродов и регули рования в процессе эксплуатаций.
Подвеску производят при помощи стального троса либо це пей Галля. На обеих стойках 4 расположены два валика, на ко торые намотана стальная тормозная лента 6. Эта лента шириной 150—200 мм и толщиной 2 мм проходит через зажимные колод ки 7, регулируемые штурвалом <5, затем через обе тормозные колодки 9 и 10 и, наконец, приваривается к кожуху непрерывно го электрода 11. Таким образом, электрод висит на двух тормоз ных лентах.
Нижняя часть несущего цилиндра (рис. 46) при помощи стержней 4 поддерживает зажимное кольцо 5, состоящее из двух полуколец, соединенных между собой. 'При помощи бол тов 6 контактные щеки 7 прижимаются к непрерывному электро ду. Как зажимное кольцо, так и контактные щеки имеют наверху выступ, к которому присоединяются медные токоподводящие трубки <§, служащие одновременно для подвода воды. Все эти ча сти, разумеется, хорошо изолированы одна от другой. В нижней части электрода, приблизительно до середины контактных щек, масса коксуется частично за счет джоулева тецла, частично за счет передачи тепла из печного пространства. На 2—3 м выше контактных щек масса пластична.
По мере подгорания электродов и их перепуска массу до бавляют в электрод. Иногда это делают, забрасывая твердые блоки весом около 25 кг, которые плавятся за ючет поступающе го снизу тепла. Лучше массу предварительно расплавлять при 130° С и в кашеобразном состоянии заливать в кожух, утрамбо вывая деревянными трамбовками. Это предупреждает образова ние пустот, очень снижающих прочность электрода.
Непрерывный электрод по мере обгорания Ойу£каК)т следую щим образом: сначала ослабляют болты контактных щек. Затем ослабляют зажимные колодки тормозной ленты, и электрод скользит вниз в несущем цилиндре, поддерживаемый тормозны
ми лентами. Лучше опускать электрод три раза |
в сутки на |
10 см, чем один раз на 30 см. Затем контактные |
щеки снова |
плотно прибалчивают. Перепуск электрода можно производить' прд, нагрузкой. Описанная конструкция не единственная и имеет много различных вариантов.
Для самоспекающихся электродов применяют два вида кожу хов: из отдельных 'секторов (в ферросплавных печах) и вальцо ванный цилиндр из одного куска с приваренными ребрами. Пре имущество вторых в эксплуатации и изготовлении бесспорно.
4, КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПЕЧЕЙ
Фундамент печи
Электропечи ставят на бетонных колоннах. Это делают для охлаждения пода, так как штейн в электропечах медной плавки
на |
100° С горячее, чем штейн отражательной плавки, а в печах |
||||
для переработки цинковых и полиметаллических |
концентратов |
||||
на |
150—200° С горячее. |
например, |
стоит на |
||
|
Печь для никелевой плавки в Печенге, |
||||
84 бетонных колоннах, расположенных |
в |
шесть |
рядов по |
||
14 |
штук сечением 800. X 400 мм и высотой |
1645 мм. Кроме того, |
|||
по двум длинным стбрОнам печи ,имеется 15, а |
по |
торцовым — |
4 бетонных колЬнны, поддерживающих стяжные балки. Фундамент печи в Иматре представлял бетонную плиту раз
мером 10 X 11 м с бетонными ребрами шириной 750 мм внизу и 450 мм «наверху.
•Обычно'днища печей охлаждаются воздухом, принудительно вдуваемым в. зазоры между балками фундамента. Около печи рекомендуется сооружать приемок с-тем, чтобы в случае проры ва расплава масса могла .стечь в него.
Кожух печи и его крепление
Малые печи имеют сплошной' кожух, сваренный -или склепан ный из стальных листов’толщиной 20—25 мм. Печи мощностью 12 тыс. ква в Печенге и на Роншере не имеют сплошного кожу
ха. На бетонных колоннах уложены по две двутавровые |
балки |
№ 20—22, на которых лежат чугунные плиты размером |
1,3 X |
X 2,1 м и толщиной 40- мм. Плиты’ имеют ребра толщиной 38 мм
и высотой 100 мм.
Боковые стены печей, состоят .из таких же чугунных плит раз мером 1,5 X 2,15 м. Ребра служат для лучшего отвода тепла. Торцовые стены часто делают из водоохлаждаемых чугунных плит. Иногда кожухи печёй в нижней части выполнены в виде ящика из железных листов состенками высотой около 1 ж.-Над ними находятся чугунные плиты с ребрами или водоохлаждае
мые кессоны.
Наиболее эффектны медные кессоны полые или с залитыми в них трубками для воды. При хорошей -обработке поверхности кессонов и плотном их прилегании к кладке они весьма эффек тивны.
При сплошшых металлических кожухах (от подины до свода) орошение кожуха водой позволяет успешно отводить избыточное
гепло.
Для герметичных, работающих под давлением печей устрой ство оплошных кожухов, видимо, обязательно, так как создание достаточно плотной кладки стен, непроницаемой для газов, представляет большие трудности.
У больших печей крепление выполняется из балок № 40— 46, а у малых печей — из балок № 24—32. Скрепляющие тяги из круглого железа делают диаметром 70 мм и более. Печи мощностью 12000 ква имеют 17 поперечных и 8 продольных тяг, причем часть поперечных тяг в середине изготовлена из аусте нитной немагнитной стали.
Футеровка
Все построенные до сих пор печи для плавки медных и свин цовых концентратов футерованы магнезитовым кирпичом.
Печь в Иматре имела сначала на дне 50-мм слой песка для выравнивания заклепочных головок кожуха. Затем следовало пять слоев шамотного кирпича, положенного на плашку, и еще пять слоев шамотного кирпича, выложенных уступами так, что бы образовать обратный свод радиусом 26,6 м.
На шамотное основание уложено три слоя на плашку нор мального магнезитового кирпича общей толщиной 200 мм и два слоя клинового кирпича толщиной по 250 мм каждый.
Стены печи толщиной внизу 820 и вверху 625 мм выложены 18 рядами магнезитового кирпича, затем идут два ряда шамота, на которые опирается свод.
Между кладкой и кожухом печи остается промежуток около 50 мм, засыпаемый сухим песком. В качестве связующего ис пользуется магнезитовый порошок, замешанный на растворе сер нокислого магния. Другим связующим является смесь 1 объема жидкого стекла (35—40% силиката натрия), 1 объема отрабо танного масла и 1 объема воды, смешанных с магнезитовым порошком.
Термическое расширение кирпичной кладки частично компен сируется температурными швами, частично за счет пружин скрепляющих тяг. Число и толщина температурных швов долж ны быть выбраны так, чтобы около 50—65% термического рас ширения компенсировалось температурными швами и 50— 35% пружинами скрепляющих тяг. Самое уязвимое место фу теровки — шов между вогнутым подом и боковыми стенами. Опыт
показал, что следует избегать длинных сплошных швов, так как они легче всего разрушаются.
Опыт работающих электропечей медной и никелевой плавки
показал, что проблема выбора материала и способа футеровки решается применением магнезитового кирпича вполне удовлетво рительно.
Медная печь на заводе Роншер работает без капитальных ремонтов более 5 лет.
Подина, выложенная обратным сводом, совершенно надежна, а сравнительно легкоплавкие железистые шлаки и низкая темпе ратура газов не создают тяжелых условий службы футеровки стен и свода.
Значительно сложнее решается вопрос о прочности подины для печей свинцовой плавки. Легкоплавкий тяжелый свинец, проникая в кладку, приводит к тому, что отдельные ее части всплывают и в конечном итоге подина полностью разрушается.
Попытки выкладывать подину из крупных угольных блоков, скрепленных различными способами, не дали положительных результатов. Столь же неудачны были попытки установить меж ду внутренней и наружной частью футеровки подины стальное корыто.
Видимо, наиболее удачным следует признать решение, при нятое для свинцовой печи завода Роншер. На этом заводе при ширине печи, равной 4,5 ж, радиус кривизны подины равен 4 м. При этом создается почти плавный переход подины к стенкам. Кроме того, стык подины и стен выкладывают магнезитовыми блоками длиной 1 м и на этих блоках покоятся стены. При та ком устройстве кладка подины хорошо заклинена и переносит все деформации без разрушения стыков и отдельных частей по дины.
Аналогичные трудности испытываются с устройством подины печей для плавки коллективных концентратов. Из-за значитель ного количества образующегося металлического свинца прихо дится защищать подину от воплывания. И в этом случае уголь ные блоки оказались непригодными. Достаточно надежна маг незитовая подина, выложенная с большой стрелой прогиба и хорошо связанная со стенками.
Во всех случаях подины печей для плавки свинцовых и поли металлических концентратов должны интенсивно охлаждаться с подачей принудительного дутья.
Выбор футеровки стен печей, служащих для плавки цинковых и полиметаллических продуктов, представляет известную труд ность. Стены из обычного магнезитового и хромомагнезитового
кирпича в области шлака оказались недостаточно |
стойкими. |
В результате химического взаимодействия со шлаком |
и эрозии |
они разрушались через 3—4 месяца работы печи. |
|
Исследование различных огнеупоров в печи для плавки цин ковых концентратов производилось К. В. Ковальской и Б. А. Великиным [199].
В первую очередь исследовали высокоплотный магнезит, и пе^ риклазошпинелидный огнеупоры, характеризуемые основными параметрами, приведенными в табл. 19.
Т а б л и ц а 19
Характеристика огнеупорных кирпичей, исследованных при электроплавке
Состав, % |
К |
с^ |
X |
||
|
СЯ |
|
|
(U |
JQ |
Марка кирпича |
Размеры, мм |
S t |
х 2 « |
||
МрО СаО Сг2Оа |
|
о» |
|
|
S c £ |
Темпер начала мации.
и
р у
О о.
МГ-300 (высоко |
89,7 |
3 |
_ |
300x150x65 |
1410 |
1580 |
10,1 |
плотный магне |
|
|
|
|
|
|
|
зит) |
91,3 |
1,7 |
|
230x115x65 |
692 |
1550 |
|
МГ-1 (плотный) |
|
~20 |
|||||
МГ-1 |
93,7 |
1,7 |
— |
230x115x65 |
573 |
1530 |
|
ХМ-1 |
45,3 |
— |
21,2 |
230x115x65/55 |
359 |
1510 |
188 |
ПШС-4 |
64,0 |
— |
19,0 |
460x150x75 ' |
749' |
1570 |
14 |
МХС-3 |
<65 |
— |
I < П |
380x150x75 |
420 |
1540 |
20 |
На рис. 48 показана степень износа шлакового, пояса через 4,5 месяца эксплуатации печи. Кладка была вылокена из периклазошпинелидного' (ПШС-4), плотного магнезитового МГ-300,
Рис. 48. Степень износа шлакового пояса печи Для плавки цинковых концен тратов, выложенного из различных огнеупоров:
а. — магнезитовый (обычный) МГ-1; б — магнезитохромиторый МХС-3; в — хромо, магнезитовый ХМ-2; г — магнезитовый плотный МГ-300; д — периклазошпинелид ПШС-4
хромомагнезитового ХМ-2,. Магнезитохромитового,. (МХС-3) и обыкновенного магнезитового (МГ-1) кирпича.
Было установлено, что износ ПШС-4 примерно вдвое меньше, чем магнезита.
Шпинели'и форстерит обладают близкими к периклазу коэф фициентами расширения. При этом устраняется неоднородность