книги из ГПНТБ / Рудницкий В.Б. Автоматизация процессов рудной электроплавки в цветной металлургии

ми. Помимо усреднения химического состава исходного сырья, при шихтовке получают материал желаемого гра­ нулометрического состава и влажности, регулируя ко­ личество сухих и влажных материалов.

Подготовленные к шихтовке материалы хранят в спе­ циальном складе — шихтарнике. Каждый сорт руды, агломерат, обожженные окатыши, флюс и восстанови­ тель помещают в отдельный бункер. Шихту составляют на транспортерной ленте, проходящей под бункерами шихтарника. Окончательно смешивается шихта при пе­ ревалках с транспортера на транспортер на пути от ших­ тарника до печных бункеров.

Помимо твердой шихты в электропечах перерабаты­ вают значительное количество конвертерных шлаков, которые рассплавленными заливают в электропечь для извлечения из них цветных металлов.

Процесс рудной электроплавки

Приоритет в развитии теории и практики электро­ плавки медно-никелевых руд в значительной мере при­ надлежит советским ученым и производственникам. За­ кономерности процессов рудной электроплавки в цвет­ ной металлургии исследуют и изучают в институтах «Гипроникель», Ленинградском горном, «Гинцветмет», «ВНИИцветмет»; на предприятиях «Печенганикель», Норильском горно-металлургическом комбинате, «Североникель» и др. Этому вопросу посвящены работы [1,6—16] и др.

Однако большинство исследований в основном посвя­ щены технологическим, энергетическим и другим вопро­ сам рудной электротермии. Недостаточная изученность руднотермических печей как объектов автоматизации, отсутствие математических описаний процессов рудной электроплавки в известной мере сдерживают разработ­ ку и внедрение систем автоматического регулирования и управления.

Профессором Д. А. Диомидовским на основе теоре­ тических и экспериментальных исследований создана комплексная теория работы электропечей, отражающая основные закономерности процессов рудной электроплав­ ки, которые хорошо согласуются с данными практики. Комплексная теория работы руднотермических электро-

печей, созданная Д. А. Диомндовским, базируется на за­ кономерностях следующих основных процессов, проте­ кающих при электроплавке руд, концентратов и шла­ ков: а) физико-химические превращения исходных материалов; б) преобразование электрической энергии в тепловую; в) движение твердых и расплавленных ма-

части ванны расположен слой штейна, обладающий ме­

Физико-химические превращения шихтовых мате­ риалов протекают главным образом на поверхности мас­

сивов шихты, погруженных в шлак н в самом шлаковом слое ванны. Конвекционные потоки перегретого шлака, соприкасаясь с поверхностью шихты, отдают ей избыток своего тепла и нагревают шихту до температуры плавле­ ния штейна и шлака. При нагревании шихты до темпе­ ратуры 1000° С протекают процессы диссоциации слож­ ных сульфидов: петландита 3NiFeS2->Ni3S2+3FeS + S; халькопирита 2CuFeS2->Cu2S-f-2FeS+S и пирротина Fe7S8-V7FeS + S.

сульфидами и окислами. Расплавившиеся сульфиды ни­ келя, кобальта, меди, железа взаимно растворяясь, об­ разуют основной продукт электроплавки — штейн, в ко­ тором растворяется часть мегнетита Fe30 4 . Окисленное железо и другие основные окислы, вступая во взаимо­ действие с Si02, образуют силикаты типа m7We0-Si02, которые, смешиваясь в расплавленном состоянии, обра­ зуют другой продукт — шлак. Расплавленная смесь штейна и шлака разделяется в ванне печи по удельным весам.

Отличительной особенностью технологического про­ цесса рудной электроплавки является то, что в химиче­

нимает жидкий электропечной шлак, который постоянно омывает поверхность погруженных в ванну откосов. При взаимодействии электропечного шлака с плавящей­ ся шихтой непосредственно в районе плавления обра­ зуются конечные продукты плавки.

Энергетический процесс рудной электроплавки вклю­ чает преобразование электрической энергии в тепло­

трод — шлак и в самом слое шлака вследствие его элек­ тросопротивления.

Важнейшей характеристикой процесса преобразова­ ния электрической энергии в тепловую в руднотермиче­ ских печах является электрическое поле ванны. Электри­ ческое поле характеризуется сильным сгущением изопотенциальных поверхностей около осей электродов. Токопроводящей частью ванны служит околоэлектрод-

пая зона, находящаяся от осп печи на расстоянии не бо­ лее двух диаметров электрода. В этой зоне и преобра­ зуется электрическая энергия в тепловую. Более уда­ ленные участки шлаковой ванны в канализации тока практически не участвуют.

Электрический ток в ванне проходит по двум путям: от электродов через шлак к слою штейна (нагрузка пе­ чи по схеме «звезда») и от одного электрода по шлаку к другому электроду (нагрузка печи по схеме «треуголь­ ник»), Соотношение нагрузок по схемам «звезда» и «треугольник» при неизменном расстоянии между электродами зависит от глубины погружения электро­ дов в шлаковую ванну. При увеличении погружения электродов доля нагрузки по схеме «звезда» увеличи­ вается, а по схеме «треугольник» уменьшается.

Соотношение мощностей, выделяемых в переходном контакте электрод — шлак и в самом слое шлака, зави­ сит от глубины погружения электрода. При значитель­

уменьшении заглубления электродов эта величина воз­ растает от 50 до 80%. Остальная часть электроэнергии преобразуется в тепловую в слое шлака вследствие его электросопротивления.

Движение материалов и продуктов в электропечи

существенно влияет на режим плавки. Неравномерность преобразования электроэнергии в тепловую по объему шлаковой ванны приводит к различным температурам отдельных ее участков. Перегрев шлака около электро­ дов порождает характерное конвекционное движение шлака в электропечи. Более легкие массы перегретого шлака всплывают около электродов на поверхность и распространяются по ванне во все стороны от элек­ тродов. Скорость движения конвекционных шлаковых потоков достигает 1—2 м/сек. Встречая на своем пути откосы плавающей шихты, потоки перегретого шлака от­ дают им избыток тепла и расплавляют шихту на поверх­ ности, погруженной в ванну.

Теплообмен и плавление шихты в руднотермических печах тесно связаны с активным конвекционным движе­ нием шлака в ванне, направленным от центра печи к пе­ риферии и обеспечивающим перенос тепловой энергии

из более горячих зон печи в более холодные. При этом роль теплопроводности весьма незначительна.

Конвекционное движение шлака, теплообмен, распре­ деление температур в ванне и плавление шихты зависят от заглубления электродов в шлаковую ванну, а также от расположения и погружения шихтовых массивов. Соответственно изменяя заглубление электродов, распо­ ложение и погружение шихты, можно существенно влиять на перечисленные процессы.

и удаляются через систему газоходов в дымовую трубу. Движение газов органически не связано с тепловым ре­ жимом электропечи, но оказывает существенное влия­ ние на ее эксплуатацию.

Продуктами электроплавки сульфидных медно-нике­ левых руд и концентратов являются штейн, отвальный шлак, газы и пыль.

Шт е й н является промежуточным продуктом метал­ лургического производства. Его направляют в конвер­ тер для дальнейшей переработки. Штейн в основном со­ стоит из сульфидов никеля (Ni3S2), меди (Cu2S) и желе­ за (FeS). Штейны электроплавки медно-никелевых руд и концентратов содержат 7—15% Ni и 3—10% Си. Тем­ пература плавления штейнов колеблется от 1000 до 1200° С. Вследствие специфических особенностей элек­ троплавки штейн из печи выпускают перегретым до 1150—1300° С. Электропроводность расплавленных штей­

дуктом, содержание металлов в нем незначительно (0,06—0,25% Ni; 0,03—0,10% Cu; 0,025-0,030 Со). От­ вальные шлаки в основном состоят из кремнезема Si02 (30—45%), закиси железа FeO (25—45%), окиси маг­

от 0,1 до 5,0% SO2 и небольшое количество СО2. Одним из преимуществ электроплавки является небольшое количество технологических газов. Однако ввиду неудов­ летворительной герметизации, печей на практике име­ ются 15—30-кратные подсосы воздуха, что, с одной сто­ роны, в результате повышения скорости газа в подсвод­

и снижает эффективность отсоса газов из нее. Запыленность отходящих газов характеризуется со­

держанием пыли (ее массы) в единице объема газа. Ко­ личество выносимой пыли зависит от гранулометриче­ ского состава шихты, качества ее подготовки, разреже­ ния в газоходной системе, скорости отходящих газов, условий загрузки и других факторов.

2. КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕКТРОПЕЧНОГО АГРЕГАТА

Конструктивные элементы руднотермической печи

На медно-никелевых заводах СССР плавку руд и концентратов осуществляют в мощных трехэлектрод­ ных и шестпэлектродных руднотермических электропе­ чах прямоугольной формы.

Конструкция современной руднотермической электро­

электропечь мощностью 33000 ква, с шестью набивны­ ми самоспекающимися электродами диаметром 1100 мм, расположенными в одну линию.

Основными конструктивными элементами руднотер­ мической печи являются фундамент, подина, стены, свод, кожух и крепление печи, приспособление для загрузки шихты, устройство для выпуска продуктов плавки, газоходная система, устройство для ввода в печь электриче­ ской энергии.

Электропечи устанавливают на железобетонном фундаменте, выполненном в виде отдельных столбов или лент, что способствует хорошему воздушному охлажде­ нию подины печи и позволяет осуществлять контроль за ее состоянием и температурой. На фундаментные опоры укладывают металлические балки и стальные плиты, на

Рис. 2. Продольный (а) и поперечный (б) разрезы руднотермической электро­

печи т«па РПЗ-ЗЗ-ІІІ:

/ — каркас печи; 2 — футеровка; 3 — свод; 4 — контактные щеки; 5 — шинопакет;

9 — нижнее кольцо пружинно-гидравлического устройства; 10 — телескопическая

которые в виде обратного свода помещают железобе­ тонное основание, поддерживающее огнеупорную клад­ ку подины печи.

Продольные и торцовые стены электропечи опирают на подину. Ванну печи выполняют из огнеупорного маг­ незитового или хромомагнезитового кирпича. Кладку верхней части стен выше возможного уровня расплава выкладывают из шамотного кирпича. Размеры рабочего пространства печи составляют: длина—22,5 м, шири­ на — 5,5 м, высота — 4,6 м.

На руднотермических печах применяют свод ароч­ ного типа, выполненный из шамотного кирпича. В сво­ де имеются отверстия для прохода электродов, загру­ зочных шихтовых точек, для вытяжных газоходов, для замера глубины ванны и заливки конвертерного шлака.

Крепление электропечи состоит из железного кожу­ ха, охватывающего стены и подину, и вертикальных ко­ лонн двутавровых балок. Колонны противоположных продольных стенок стянуты верхними и нижними тяга­ ми, проходящими под сводом и под подиной. В послед­ ние годы для увеличения кампании печей кожух печи частично выполняют водоохлаждаемым. Внутрь плит — кессонов, изготовленных из черновой меди, закладывают змеевики из стальных труб.

Устройства для загрузки твердой шихты в печь со­ стоят из чугунных или стальных труб, соединяющих от­ верстия в своде со скрепковыми транспортерами или бункерами, расположенными над печью. Загрузочные течки размещают по всей длине печи в несколько парал­ лельных рядов — вдоль стенок и между стенками и электродами с расчетом загрузки основной части шихты ближе к электродам. Шихту в печные бункера подают ленточными стационарными и реверсивными транспор­ терами, расположенными по обе стороны печи.

Жидкий оборотный шлак заливают по специальным желобам через отверстия в своде или в торцовых стен­ ках. В печи обычно имеются четыре шпуровых отверстия для выпуска штейна и четыре для выпуска электропеч­ ного шлака, расположенные на разных уровнях в про­ тивоположных торцовых стенках печи.

Образующиеся в печи газы отводятся из рабочего

средоточепные по всей длине подсводного пространст­ ва, присоединяют к общему газоходу — коллектору. По коллектору печные газы направляются в дымовую трубу, через которую они выбрасываются в атмосферу.

Электрооборудование электропечной установки

В электрооборудование электропечной установки входят: печные трансформаторы с устройством для пе­ реключения ступеней напряжения под нагрузкой; корот­ кая сеть, соединяющая вторичные выводы печных транс­ форматоров с электродами печи; плавильная ванна с электродами; вспомогательные цепи и аппараты, слу­ жащие для защиты, . контроля и управления электро­ печью.

Руднотермические электропечи получают питание от трехфазной сети переменного тока. Конструкция пла­ вильной ванны электропечи в значительной мере опреде­ ляет систему электропитания и токоподвода. Трехэлек­ тродные руднотермические печи получают питание от трехфазных печных трансформаторов, а шестиэлектрод­ ные печи запитывают от двух трехфазных пли трех од­ нофазных трансформаторов.

Печные трансформаторы руднотермических печей

для плавки медно-никелевого сырья обычно работают со схемой соединения Д/Д, а также допускают переключе­ ние на схему A /А- Соединение вторичной обмотки трансформатора «треугольником» имеет то преимущест­ во, что в случае короткого замыкания между электрода­ ми ток короткого замыкания распределяется на две фа­ зы трансформатора, что уменьшает механические уси­ лия в обмотках и ограничивает их нагрев по сравнению с соединением обмоток на «звезду».

Конструкция печных трансформаторов обеспечивает сохранение постоянной мощности на нескольких высших ступенях напряжения, что является необходимым усло­ вием экономичной и высокопроизводительной работы электропечных установок при изменениях технологиче­ ского режима плавки, так как позволяет выбрать тре­ буемый режим по напряжению без снижения мощности.' На низших ступенях напряжения мощность трансформа­ тора снижается пропорционально напряжению.

Новые шестиэлектродные руднотермические печи комплектуют тремя однофазными трансформаторами. При этом каждую пару электродов подключают после­ довательно к одному трансформатору. Рассмотренную

ответствующей защитой и обеспечивающего отключение токов короткого замыкания в высоковольтной сети. Вы­ соковольтный выключатель, установленный в цепи печ­ ного трансформатора, имеет оперативное назначение (включение и отключение печи в ее рабочих режимах), а также обеспечивает автоматическое отключение элект-