книги из ГПНТБ / Серебряный Я.Л. Электроплавка медно-никелевых руд и концентратов

3

Рис. 7U. Схема включения электроизмерительных приборов:

1 — трансформатор напряжения; 2 — высоковольтные предохранители; 3 — сеть высокого напряжения; 4 — трансформатор тока; 5 — защитное заземле­ ние; 6 — ваттметр; 7 —амперметр; 8 — вольтметр

измерительных приборов и дают возможность относить измеритель­ ные приборы на значительное расстояние от места измерения (сосре­ доточить все приборы на пульте управления печи).

§ 23. Автоматическое управление электродами

При изменении уровня ванны печи или состава шлака и его тем­ пературы изменяется электрическое сопротивление шлака, по кото­ рому проходит ток. В соответствии с законом Ома (/ = U/R), из­ менение сопротивления при постоянной величине фазового напря­ жения влечет за собой возрастание или уменьшение силы тока между электродами. Следовательно, мощность-, потребляемая печью, также изменяется. Изменяя глубину погружения электродов в расплав удается привести мощность к заданной величине. Управление элек­ тродами печи можно осуществлять вручную или автоматически. При ручном управлении электродами рабочему на пульте приходится многократно опускать и поднимать электроды, чтобы выдержать заданный электрический режим работы печи. При этом подаваемая на печь мощность будет неодинакова во времени. Автоматическое регулирование положения электродов свободно от недостатков руч­ ного способа. Его применение позволяет улучшить работу печи, строго выдержать заданную мощность, уменьшить расход электро­ энергии и электродов.

Для управления положением электродов электропечи рудной плавки применяют бесконтактные регуляторы мощности типа БРМ-1, которые обеспечивают повышенную точность регулировки электри­ ческого режима печи. Принцип действия регулятора БРМ-1 основан на измерении и регулировании электрического сопротивления печи (на каждом электроде). Электронная схема регулятора сравнивает

121

фазы с заданным сопротивлением и подает команду на перемещение электрода вверх или вниз до приведения сопротивления в соответ­ ствие с заданным.

В состав регулятора БРМ-1 входят датчики тока и напряжения, регулирующее устройство и исполнительные механизмы (гидравли­ ческие или электромеханические). Регулятор выполнен на транзи­ сторах и в нем полностью отсутствуют подвижные контакты, что значительно повышает его эксплуатационную надежность и выгодно отличает от других систем регулирования мощности руднотермиче­ ских печей, например, релейно-контакторных регуляторов. Регуля­ тор БРМ-1 обеспечивает поддержание заданной мощности на фазу одним электродом в случае, если другой электрод находится в ниж­ нем концевом положении, либо остановлен из-за неисправности. Точ­ ность поддержания вводимой в печь мощности составляет ±2% .

Глав а VII

П Р А К Т И К А Э Л Е К Т Р О П Л А В К И М Е Д Н О -Н И К Е Л Е В Ы Х Р У Д

И К О Н Ц Е Н Т Р А Т О В

В обязанности персонала, обслуживающего электропечи для плавки медно-никелевых руд и концентратов, входит следующее:

1)поддержание оптимального электрического режима работы электропечи;

2)поддержание в печи необходимой высоты шлакового и штейнового слоев;

3)своевременная загрузка в печь руды и концентрата;

4)заливка в печь жидкого конвертерного шлака;

5)выпуск расплавленных продуктов плавки;

6)уход за электродами и их наращивание;

7)контроль за технологией плавки;

8)ремонт печи.

Все перечисленные операции составляют единый комплекс, ка­ чество выполнения которого зависит от состояния оборудования, организации работы на печном переделе, квалификации обслуживаю­ щего персонала и целого ряда других факторов. Рассмотрим каждую операцию в отдельности.

§ 24. Электрический режим работы печи

Электрический режим работы печи характеризуется следующими параметрами: рабочей мощностью, напряжением'и силой тока. Элек­ трический режим, при котором достигается наиболее высокая произ­ водительность печи при минимальном расходе электроэнергии на тонну проплавленной шихты, называется оптимальным. Определение

122

оптимального режима работы печи — важнейшая задача производ­ ства. Пути решения этой задачи указал М. С. Максименко.

Электрическая энергия в горне печи может преобразоваться в теп­ ловую энергию в электрических дугах, горящих над ванной шлако­ вого расплава, в переходном контакте электрод —шлак и в ванне шлака, в которую погружены электроды.

Обозначим количество тепловой энергии, выделяющееся в элек­ трической дуге или в контакте электрод—шлак, р, а буквой q— тепло, выделяющееся при прохождении тока непосредственно через расплав (шлак). В зависимости от особенностей технологии М. С. Макси­ менко рекомендовал применение двух электрических режимов ра­ боты электропечей: электродугового режима при значительном пре­ вышении р над q и режима, при котором соотношение между р и q может быть различным.

Первый — электродуговой режим следует применять для бесшлаковых энергоемких процессов (для производства 75%-ного ферро­ силиция, выплавки анодного никеля), второй — для процессов, при которых образуется значительное количество шлаков (например, для плавки сульфидного медно-никелевого сырья). При плавке медно­ никелевых руд и концентратов выбор соотношения между р и q зависит от глубины погружения обратного конуса шихты (откоса) в шлаковую ванну, которая определяется насыпной массой шихты, плотностью шлака и высотой конуса над уровнем зеркала ванны. При плавке неокомкованного флотоконцентрата и рудной мелочи, а также при плавке окатышей и агломерата малой насыпной массы (1,3—1,4 т/м3) откосы шихты погружены в шлаковую ванну на не­ значительную глубину (не более 500—700 мм). В этом случае для обеспечения высокого проплава электроплавку следует вести на электрическом режиме, при котором большая часть тепла р выделя­ лась бы в верхних слоях ванны (в пределах глубины погружения шихты в ванну), а тепло q, обеспечивающее необходимый перегрев шлака и штейна, выделялось бы в нижних слоях ванны.

Плавку кусковой шихты с большой (до 3 т/м3) насыпной массой ведут, создавая на поверхности шлаковой ванны откосы шихты, по­ груженные в шлаковый расплав на глубину 1300—1500 мм. В этом случае для интенсивного плавления шихты требуется установить электрический режим, который обеспечивал бы необходимый подвод тепла к глубоко погруженным в шлак откосам шихты и создавал условия для надлежащего перегрева шлака, т. е. q должно быть значительно больше р.

Необходимое соотношение между р и q достигается за счет из­ менения глубины погружения электродов в шлаковый расплав. При погружении электродов в шлак снижается мощность, выделяе­ мая в контакте электрод—шлак (р) и увеличивается доля мощности, выделяемой в шлаке (q). Наоборот, при уменьшении заглубления электрода в расплав возрастает р и снижается q. Величина погру­ жения электрода в шлаковую ванну зависит от рабочего напряжения, силы тока, электропроводности шлакового расплава и диаметра элек­ трода.

123

Рабочее напряжение и сила тока определяются параметрами печ­ ного трансформатора, электропроводность шлака — его составом и температурой. Для уяснения влияния рабочего напряжения на ве­ личину погружения электродов рассмотрим электрическую цепь, состоящую из электродов А и В, погруженных в шлаковую ванну на одинаковую глубину (рис. 71).

Для упрощения примем, что весь ток в этой цепи проходит по пути АавВ. Мощность, выделяемая в расплаве на участке Аа, будет

Из формулы (16) следует, что при неизменном удельном сопро­ тивлении шлака и постоянном сечении проводника для увеличения значения R необходимо увеличить слой шлака между электродом и штейном (увеличить длину проводника /), т. е. необходимо умень­ шить глубину погружения электродов в шлаковый расплав (поднять электрод). И наоборот, для сохранения постоянного значения Р при снижении рабочего напряжения необходимо увеличить силу тока, снизив значение R, что достигается увеличением погружения элек­ тродов в шлаковую ванну.

124

Из формулы Р — IU следует, что при постоянном значении на­ пряжения для увеличения мощности, выделяемой в печи, необходимо повысить силу тока, увеличив глубину погружения электродов, а для снижения мощности нужно снизить силу тока, уменьшив по­ гружение электродов в расплав. Таким образом, изменив величину рабочего напряжения (или силу тока), можно изменить погружение электродов в шлаковый расплав и установить такое соотношение между мощностями р и q, при котором обеспечивается максимальный проплав шихты.

Выясним, как влияет электропроводность шлака на величину погружения электрода. Так как для данного электрического режима работы печи напряжение и сила тока — величины постоянные, то согласно закону Ома / = U/R сопротивление R = гх -J- г2 части печи Аа (рис. 71) тоже должно быть постоянным. Из формулы (16) следует, что для сохранения постоянного значения R при росте удельного сопротивления (5 — постоянная величина) необходимо уменьшить слой шлака между электродом и штейном (уменьшить длину проводника), т. е. необходимо увеличить погружение электро­ дов в шлак. При снижении удельного сопротивления погружение электродов в шлак уменьшается. Так, кислые шлаки имеют большее удельное сопротивление р, чем железистые. Поэтому при работе на кислых шлаках при одинаковых напряжении и силе тока электроды будут погружены на большую глубину, и доля мощности q, выделяю­ щейся в шлаковом расплаве, будет больше. На заводах стремятся работать на кислых шлаках, содержащих 42—43% S i02 и обеспечи­ вающих необходимую электропроводность шлака, достаточный пере­ грев и минимальные потери металлов.

Так как факторы, влияющие на распределение мощности в ванне печи, многообразны, очень трудно произвести точный расчет элек­ трического режима, обеспечивающего оптимальное соотношение между р и q. Параметры электрического режима для вновь строя­ щихся электропечей устанавливают на основании оптимального ре­ жима работы действующих. Самый ответственный параметр электри­ ческого режима — напряжение. Как указывалось в § 18, печные трансформаторы имеют несколько ступеней напряжения (табл. 15). Это позволяет практическим опытом установить рабочее напряже­ ние, при котором достигается оптимальная глубина погружения электродов в расплав и, следовательно, необходимое распределение в ванне печи мощности р и q. Для иллюстрации влияния величины напряжения на показатели электроплавки рассмотрим ряд примеров из заводской практики.

В 1956 г. на комбинате «Североникель» вместо одного трехфазного трансформатора мощностью 7500 кВА на одной из печей были уста­ новлены и параллельно включены два таких же трансформатора сум­ марной мощности 15 000 кВА. Ступени линейного напряжения со­ ставили 460—390—356—330 В, сила тока при напряжении 460 В осталась на уровне 16 000 А. Ниже приведены данные С. К. Кара­ петяна и А. П. Скибина, характеризующие работу этой печи на раз­ личных ступенях напряжения:

125

* За 100% приняты показатели работы электропечи до реконструкции.

Из этих данных следует, что с увеличением линейного напряже­ ния повышается производительность печи и снижается удельный расход электроэнергии. Особенно эффективна работа печи на на­ пряжении 420 В, при котором глубина погружения электродов в шлак составляет 550—650 мм. При таком погружении основная часть энергии выделяется в верхних слоях шлака, что обеспечивает интен­ сивное плавление погруженных в него откосов шихты. В то же время в зоне штейна поддерживается нормальная температура и пере­ грев штейна не наблюдается.

Указанное подтверждается результатами замеров падения на­ пряжения на участках электрод—шлак и шлак—подина при работе

ние напряжения на участке электрод—шлак увеличивается, а на участке шлак—подина уменьшается. Поскольку мощность, выделяе­ мая на участке цепи, пропорциональна падению напряжения на этом участке, то с повышением фазового напряжения возрастает доля мощности р, выделяемая в контакте электрод—шлак, и сни­

Как следует из табл. 16, при работе на ступени линейного напря­ жения 420 В р составляет 87%, а q 13%. В данном случае полу­ ченное соотношение между р и q соответствует характеру проплав­ ленной шихты, которую из-за большого количества мелкой фракции (40%—5 мм) и высокой влажности (до 6%) загружают в печь в виде конусообразных откосов высотой не более 500 мм. Погружение отко­

126

сов в расплав не превышает 500—600 мм, т. е. оно приблизительно равно погружению в расплав электродов. Следовательно, на печах комбината «Североникель» электрический режим выбран правильно, так как значительное преобладание р над q обеспечивает подвод тепла в верхние слои шлаковой ванны и способствует интенсивному плав­ лению шихты.

В настоящее время электропечи комбината «Североникель» осна­ щены трехфазными трансформаторами мощностью 30 000 кВА со ступенями линейного напряжения 550—500—458—420—390 В. Опти­ мальный режим работы печей достигается при ступени линейного напряжения 500—550 В и силе тока 31 500 А.

Рассмотрим пример из практики электроплавки на комбинате «Печенганикель». В 1956 г. мощность трансформаторов одной из печей этого комбината была увеличена 1 до 25 200 кВА в результате повышения вторичного напряжения с 266 до 341,5 В. Исследование работы двух печей одинаковой мощности (20 000 кВА), но с различ­ ным фазовым напряжением (266 и 350 В) показало преимущества электрического режима работы печи на повышенном напряжении. Ниже приведены показатели электроплавки при различных фазовых напряжениях.

Как следует из этих показателей, с увеличением фазового напря­ жения уменьшается погружение электродов в расплав и сокращается количество тепла, выделяемого в шлаке (с 69 до 46%). Это понижает перегрев штейна (с 1220 до 1205° С). В результате уменьшения пере­ грева штейна и сокращения электрических потерь в короткой сети (за счет снижения на 25% величины силы тока) возросла производи­ тельность печи и снизился удельный расход электроэнергии. Перевод электропечи (1961 г.) на повышенное напряжение (341,5 В) создал устойчивый электрический режим нагрузки печных трансформаторов, так как с уменьшением глубины погружения электродов в шлак резко сократилось число токовых толчков и коротких замыканий, которые возникли при нарушении технологии электроплавки, когда концы

глубоко погруженных в шлак электродов приближались к слою штейна.

127

Продолжая работу по дальнейшей интенсификации рудной элек­ троплавки на комбинате «Печенганикель», Г.. И. Таловиков, Ю. Л. Денисюк, А. П. Фомин предложили схему реконструкции печных транс­ форматоров, обеспечивающую увеличение мощности печей с 25 200 до 31 800 кВА за счет увеличения рабочего напряжения с 341,5 до 683 В и соответствующего снижения силы тока (см. табл. 15). В 1963 г. электропечи были переведены на новый электрический режим. Сравне­ ние показателей работы печей, имеющих одинаковые мощность (25 000 кВА) и состав шихты, но различное напряжение, показало (табл. 17), что повышение напряжения с 341,5 до 583 В увеличивает производительность печи на 5% и снижает удельный расход электро­ энергии на 4,1%.

Снижение удельного расхода электроэнергии объясняется тем, что при двойном увеличении напряжения и соответственном умень­ шении-силы тока потери в короткой сети были снижены в 2,9 раза; кроме того, увеличилась доля мощности, выделяемой в контакте электрод—шлак. Последнее обстоятельство обусловило уменьшение тепловыделений в нижней части шлаковой ванны и некоторый пере­ грев верхней части. В результате этого повысилась интенсивность процесса плавки.

С повышением напряжения заглубление электродов в расплав уменьшилось с 700—800 до 300—350 мм; по этой причине сократился расход электродной массы (примерно на 20%) и резко уменьшилось количество поломок рабочих концов электродов. Было установлено, что при содержании в шлаке кремнезема менее 40% заглубление элек­ тродов в шлаке становится меньше 150 мм и возникает открытая электрическая дуга. Работа печи в дуговом режиме сопровождается слепящим светом дуги и резким треском, что создает тяжелые усло­ вия труда на загрузочной площадке.

Были испытаны режимы работы печи на мощности 27 MBA и фазовом напряжении 622 и 658 В, подтвердившие преимущества плавки на повышенном напряжении. Вместе с тем выявилось серьез-

128

ное осложнение, связанное с уменьшением заглубления электродов

вшлаковую ванну: из-за охлаждения нижних слоев шлаковой ванны

иштейна увеличились настыли на подине в области штейнового

торца печи. В связи с этим режим плавки на напряжении 583 В был признан наиболее рациональным. Хорошие технико-экономичес­ кие показатели работы электропечей на повышенном напряжении позволили изготовить трансформаторы для новых электропечей комбината «Печенганикель» со ступенями рабочих напряжений до 743—800 В (табл. 15). Испытания режимов работы одной из печей на напряжении 760 и 684 В и мощности 33 MBA показали, что работа печи на напряжении 760 В характеризовалась малым заглублением электродов (150—200 мм) и требовала содержания кремнезема в шлаках не менее 42—43%; в противном случае возникает дуговой режим плавки. Напряжение 684 В обеспечивало более спокойный режим плавки, при этом по сравнению с плавкой на напряжении 492 В удельный расход электроэнергии уменьшился'на 3,3%, соот­ ветственно увеличилась производительность печи, зуглубление электродов уменьшилось с 800—1000 до 300—400 мм.

Большую работу по разработке электрического режима плавки агломерированного медно-никелевого концентрата провели нориль­ ские металлурги. В 1962 г. мощность трансформаторов одной из печей была увеличена с 32 до 45 MBA, а линейное напряжение с 348 до 552 В (см. табл. 15). Однако работать стабильно на мощности печи более 28 МВт не представилось возможным, так как сильно перегревалась штейновая ванна, что создавало угрозу аварии. Ис­ следования, выполненные Г. М. Шмелевым, показали, что для пре­ дотвращения перегрева штейновой ванны электрический режим должен обеспечить заглубление электрода примерно на 300 мм, что соответствует напряжению на участке электрод—подина 270 В. Г. М. Шмелев установил, что при напряжении на электроде 290— 470 В с уменьшением заглубления последнего до 180 мм между элек­ тродом и шлаком возникает мощная электрическая дуга. При напря­ жении на участке электрод—подина 450—290 В и заглублении элек­ трода более 250—300 мм дуговой разряд отсутствует. Эти данные были приняты за исходные при реконструкции трансформаторов ЭОЦНК 21000/35.

В 1967— 1968 гг. мощность печей НГМК, оснащенных тремя одно­ фазными трансформаторами, была увеличена с 33 до 45 МВт за счет повышения рабочего напряжения с 492 до 743 В. Высота общей ванны составила 2,8 м, в том числе высота штейна 0,9 м. Испытания пока­ зали, что с повышениеммощности печи прямо пропорционально увеличился удельный проплав шихты и снизился удельный расход электроэнергии. Так, при повышении мощности с 28 до 36 и 45 МВт удельный проплав соответственно увеличился с 8,6 до 12,4 и 16,85 т/(м2 - сутки) (т.е. на 49 и 96%), а удельный расход электроэнер­ гии снизился с 563 до 501 и 465 кВт-ч/т (т. е. на 11 и 17%). При ра­ боте печи на повышенной мощности и напряжении 743 В, обеспечиваю­ щем заглубление электродов 300 мм, перегрева продуктов плавки не происходило.

В 1970— 1971 гг. состав шихты электропечей Норильского ком­ бината существенно изменился. В плавку стало поступать сырье с повышенным содержанием сульфидов (26—28% серы и —41% железа и агломерат с содержанием 8—12% серы и 33—36% железа) вместо ранее поступавшего в плавку агломерата с содержанием 4—6% серы и 25—26% железа. Такое сырье обладает высокой элек­ тропроводностью, и плавка его при рабочем напряжении на фазе выше 600 В сопровождается возникновением электрической дуги непосредственно в шихте. По этой причине величина рабочего напря­ жения на электропечах НГМК была снижена до 500—600 В.

Приведенные примеры показывают, что выбор рационального электрического режима открывает широкие возможности улучшения технико-экономических показателей электроплавки. В табл. 18 приведены рациональные электрические режимы электроплавки на отечественных медно-никелевых заводах (применительно к характери­ стике печных трансформаторов).

§ 25. Глубина ванны шлака и штейна

Глубина шлаковой ванны оказывает существенное влияние на ре­ жим электроплавки. Она должна обеспечивать высокие технико­ экономические показатели плавки. До 1949 г. электропечи рудной плавки работали с глубиной общего расплава не более 1200 мм. При этом глубина штейновой ванны составляла 500—600 мм, шлаковой 600—700 мм. Такое соотношение шлакового и штейнового слоя небла­ гоприятно влияло на режим плавки, так как электропечи из-за частого «закорачивания» электродов (т. е. касания электродов поверх­ ности штейна) работали неспокойно. Малая высота шлаковой ванны не обеспечивала хорошего отстаивания штейна от шлака, поэтому в отвальном шлаке содержалось много никеля (0,2—0,25%). Продукты

130