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

плавки, особенно штейн, сильно перегревались (см. § 24), что затруд­ няло их выпуск.

В 1949 г. на комбинате «Печенганикель» под руководством И. И. Суровова был освоен режим электроплавки с глубокой ванной

1)возросла тепловая инерция печи, так как с ростом глубины ванны увеличилось количество тепла, аккумулированного ванной расплава (это уменьшило колебания температуры ванны при загрузке шихты и обеспечило более ровный ход печи);

2)электрический режим плавки стал более спокойным, так как

уменьшилась возможность «закорачивания» электродов штейном;

3)при большом объеме шлаковой ванны заливка в печь оборот­ ного конвертерного шлака незначительно изменяла состав шлака;

4)увеличение высоты шлакового слоя создало благоприятные условия для отстаивания и отделения штейна от шлака, что снизило потери металлов со шлаками;

5)улучшились условия выпуска штейна из печи, так как умень­ шился его перегрев (кроме того, снижение температуры штейновой ванны и нижних слоев шлака способствует улучшению использова­ ния тепла, а следовательно, повышает проплав).

Переход на работу с глубокой шлаковой ванной (2000 мм, штейн +

+шлак) создал предпосылки для увеличения мощности электропечей комбината «Печенганикель» с 12 до 21 МВт. Работа печи на глубокой ванне в сочетании с повышением мощности печных трансформаторов на 70% обеспечила увеличение производительности печи более чем на 100% и снижение удельного расхода электроэнергии на 15— 16% (при одинаковом составе шихты).

Ниже приведены данные Г. М. Шмелева, характеризующие по­ ложительное влияние увеличения шлаковой ванны на показатели плавки агломерата в электропечах Норильского комбината.

В настоящее время на всех комбинатах электроплавку медно-нике­ левых руд и концентратов ведут с глубокой шлаковой ванной (1500— 1800 мм). Заводские технологические инструкции по электроплавке

предусматривают глубину расплава в печи, которая приведена в табл. 19.

Как показывает опыт, лучшие показатели проплава достигаются при работе на глубине ванны, соответствующей технологической ин­ струкции. Снижение или превышение высоты ванны отрицательно влияет на работу печей. Так, при прочих равных условиях (постоян­ ные мощность, напряжение, состав шлака и т. д.) значительное сни­ жение глубины шлаковой ванны (на 250—400 мм) приводит к неспо­ койной работе электропечи, (особенно при высокой штейновой ванне),

Работа на шлаковой ванне, превышающей оптимальную глубину, также нежелательно, так как ведет к охлаждению нижних слоев шлака и штейна. При этом появляются условия для настылеобразования на подине, а при плавке высокомагиезиальной шихты между штейном и шлаком выделяется промежуточный слой «грязи», который возникает при кристаллизации в шлаке тугоплавких соединений типа оливина [(MgFe)-Si04] и форстерита (Mg2Si04). «Грязь» затрудняет выпуск продуктов плавки, что в конечном итоге приводит к снижению производительности печи, а также ухудшает условия осаждения корольков штейна и увеличивает потерю металла со шлаком.

Грубое нарушение технологии электроплавки — стремление неко­ торых плавильщиков добиться увеличения проплава за счет снижения уровня ванны. Действительно, снижая глубину шлаковой ванны, можно загрузить в печь больше шихты, но при этом печь перегру­ жается шихтой и ванна охлаждается. Это значит, что следующая смена проплавит меньше шихты и израсходует больше электроэнер­ гии на 1 т проплавленного материала.

Режим и показатели электроплавки зависят и от глубины штей­ новой ванны. Эта глубина устанавливается из расчета предотвраще­ ния перегрева штейновой ванны электрическим током, протекающим в штейне по схеме «звезда». При неглубокой ванне (<500 мм) перегрев штейна может вызвать разрушение подины и аварии при его вы­ пуске. Кроме того, при выборе высоты штейновой ванны стремятся иметь определенный резерв штейна для обеспечения бесперебойной работы конвертерного передела. При высоком уровне штейновой

132

ванны (900— 1000 мм), ее поверхность приближается к электродам и соприкасается со слоем шлака, температура которого выше,' чем слой шлака, контактирующего с поверхностью штейна при нормаль­ ном уровне штейновой ванны (600—800 мм). В этих условиях верхние слои штейна перегреваются и активнее реагируют с магнетитом:

FeS + 3 F e 30,i + 5Si02 = 5 [(Fe0)2-Si02] + S 0 2.

Выделяющийся при реакции сернистый газ флотирует частички штейна в шлаковую ванну и содержание никеля в шлаке возрастает,

при превышении уровня штейновой ванны выше установленного мощность электропечи снижают до 5—20 МВт. Лишь после выпуска избытка штейна печь переводят на нормальный режим работы.

Постоянный контроль за уровнем общей и штейновой ванны, рав­ номерное удаление из печи продуктов плавки — необходимые условия высокопроизводительной работы электропечи. На заводах уровень ванны замеряют как вручную, так и электромеханическими приспособлениями. На рис. 72 приведена схема электромеханичес­ кого уровнемера «Эмур-1», применяемого на электропечах комбината «Печенганикель».

Принцип действия уровнемера основан на контактном методе измерения уровня ванны с помощью измерительного электрода. Изме­ рительным электродом 4 служит стержень из качественной стали диаметром 80 мм. Электрод заключают в обойму из изоляторов и закрепляют в каретке 1, которая перемещается по вертикальной стойке 3, расположенной над сводом печи. На стойке нанесены деле­ ния в сантиметрах. Перемещение каретки осуществляется с помощью

133

троса, прикрепленного к реверсивной лебедке 7. Измерительный электрод получает питание от однофазного трансформатора 6 мощ­ ностью 20 кВА. При опускании измерительного электрода до уровня зеркала ванны амперметр 5 регистрирует наличие тока в цепи элек­ трода. При контакте со штейном сила тока в цепи мгновенно возра­ стает, что вызывает резкое отклонение стрелки прибора. В момент резких отклонений стрелки амперметра следует визуально отметить положение указателя 7 каретки на шкале стоики. Это положение будет соответствовать положению шлака и штейна.

1 — контрольныйломик; 2 — замсрочный ломнк; А — расстояние между подиной и тягой (длина контрольного ломнка); В — рас­ стояние между зеркалом ванны н тягой; А —В — общий уровень ванны .относительно пода

Управление уровнемером может быть как автоматическим, так и ручным. Электрическая схема уровнемера позволяет передавать сведения о глубине ванны на пульт печи и записывать их самопишу­ щим прибором. Применение электромеханического уровнемера по­ зволяет ликвидировать трудоемкую ручную операцию по замеру глубины ванны шлака и штейна, устранить простои печи для замера ванны, более тщательно контролировать режим плавки.

Вручную уровень жидких продуктов плавки замеряют стальным ломиком через замерочное отверстие в своде печи. Длина замерочного ломика около 5 м, диаметр 19 мм. К тому концу ломика, который не вводится в печь, под прямым углом приварена короткая планка (рис. 73). Для замера уровня ванны ломик вертикально опускают в расплав; при этом планка на ломике должна касаться поперечной тяги. Ломик выдерживают в ванне 30—40 с, по извлечении из рас­ плава на нем остается корка шлака. Причем конец ломика, находив­ шийся в штейне, покрыт тонкой коркой шлака, а часть ломика, со­ прикасавшаяся со шлаковым слоем, покрыта толстой коркой. Переход

134

от тонкой корочки шлака к толстой и есть граница между штейновым и шлаковым слоями; она хорошо видна на ломике. Извлёченный из ванны ломик укладывают на площадке рядом с контрольным, длина которого соответствует расстоянию между поперечной тягой и поди­ ной. Планку на замерочном ломике совмещают с концом контроль­ ного ломика и по рискам, нанесенным на контрольном ломике, отсчи­ тывают глубину шлакового и штейнового слоя относительно подины печи. Применение контрольного ломика исключает ошибки при определении глубин слоев продуктов плавки. Глубину общей ванны (шлак + штейн) замеряют через каждый час, штейновой ванны 1—2 раза в смену.

§ 26. Загрузка твердой шихты в электропечь

Система загрузки электропечи шихтой должна обеспечивать: максимальный проплав шихты при экономичном расходе электро­ энергии, минимальные потери металлов с отвальными шлаками, безо­ пасные условия работы, защиту стен печи от воздействия конвек­ ционных потоков шлакового расплава, возможность полной механи­ зации и автоматизации загрузки.

Шихту загружают в электропечь с помощью скребковых или катучих реверсивных ленточных транспортеров и системы загрузочных течек. Подробное описание загрузочных устройств дано в гл. V, § 15.

Стремление обеспечить максимальный проплав при высоком тепловом коэффициенте полезного действия электропечи отразилось на характере загрузки шихты в печь. Плавку ведут, загружая шихту на поверхность шлаковой ванны в виде конических куч-откосов, плавающих в расплаве. Условие плавучести откоса шихты подчи­ нено закону Архимеда: масса откоса шихты должна быть равна массе шлака, вытесненного объемом погруженной в расплав части откоса. Эту зависимость можно выразить формулой

Р = Ѵр,

где р — масса откоса, т;

V — объем погруженной части откоса, м3; р — плотность шлака, т/м3.

При плавлении откоса уменьшается объем V погруженного в рас­ плав конуса шихты. При этом нарушается равновесие между массой откоса и массой шлака в объеме погруженной в расплав части откоса. В результате откос будет погружаться в расплав до тех пор, пока не будет достигнуто условие плавучести. При погружении откоса в рас­ плав обнажается поверхность шлаковой ванны и возрастают потери тепла с отходящими газами. Для уменьшения теплопотерь и получег ния высокого проплава необходимо, чтобы зеркало шлаковой ванны было всегда по возможности полно закрыто шихтой. Откосы нужно располагать в ванне печи один возле другого без разрывов. При таком расположении основания плавающих откосов будут перекрывать друг друга и их положение в ванне будет устойчивым. Поэтому загру­ зочные течки следует размещать в своде печи таким образом, чтобы

135

откосы шихты располагались на ванне в соответствии с изложенными требованиями.

На шестиэлектродных печах шихту не загружают лишь в участки ванны между электродами и торцовыми стенками печи из-за необхо­ димости иметь нормальные условия для выпуска продуктов плавки. В эти участки загружают шихту только в случае аварии при выпуске продуктов плавки, когда возникает необходимость в быстром охлаж­ дении расплава. Количество шихты, загружаемой в печь, должно строго соответствовать плавильной способности печи. Если загрузка шихты в печь будет превышать ее плавильную способность, то про­ изойдет перегрузка с охлаждением ванны; недогрузка же печи будет сопровождаться перегревом продуктов плавки и высоким расходом электроэнергии.

Погруженные в расплав откосы шихты плавятся за счет тепла шла­ ковой ванны. Плавлению способствует конвекционное движение шла­ ковых потоков, которые омывают поверхность откосов, особенно со стороны электродов. Опытным путем установлено, что поверхность откоса, соприкасающегося с расплавленным шлаком, покрыта кор­ кой спекшейся шихты, которая препятствует проникновению в откос горячих газов. По этой причине, а также из-за низкой теплопро­ водности шихты температура внутри откоса как в погруженной в расплав части, так и над поверхностью ванны не превышает 150— 200° С (табл. 9). Находящаяся на поверхности ванны шихта контак­ тирует с горячими газами подсводового пространства и подготавли­ вается к плавке: с поверхности откосов испаряется влага шихты и могут протекать процессы термического разложения высших суль­ фидов.

В зависимости от расположения откосов в ванне печп относительно электрода различают следующие системы загрузки шихты в печь: боковую, центральную, «на электрод». Применение той или иной системы загрузки целиком определяется физическими свойствами шихты: ее объемной массой, крупностью и влажностью. При плавке шихты из руды и обожженных окатышей рекомендуется центральная загрузка, при плавке агломерата— загрузка на электрод. Рассмот­ рим указанные системы загрузки подробнее.

Боковая система загрузки

При боковой системе загрузки откосы располагают на ванне с та­ ким расчетом, чтобы они опирались на боковые стены печи (рис. 74). При таком расположении откосы защищают стены от воздействия конвекционных потоков шлака; однако между электродами и проти­ воположными откосами имеется значительный участок открытой ванны, который является источником теплопотерь за счет излучения. Поэтому данная система загрузки характеризуется самым низким показателем по проплаву шихты. Другой существенный недостаток боковой загрузки — медленный сход шихты у стен. Это обстоятель­ ство способствует образованию настыли на уровне поверхности рас­ плава, мешающей дальнейшему поступлению шихты в печь. Боко­

136

вую загрузку электропечей применяли в 40—50-тых годах при освое­ нии процесса рудной электроплавки. В настоящее время на всех оте­ чественных заводах эту систему загрузки не применяют.

Центральная система загрузки

При центральной системе загрузки откосы шихты располагают вокруг электрода таким образом, чтобы между электродами й основа­ нием конусов откосов на поверхности ванны оставался кольцевой зазор шириной 150—300 мм (рис. 75). Этот прилегающий к электроду

участок шлаковой ванны самый горячий. В нем происходит энергич­ ная циркуляция конвекционных потоков шлака, которые, контакти­ руя с поверхностью откосов, расплавляют шихту. Замеры показали, что 60—65% шихты при загрузке на откосы скатывается с откосов в шлаковую ванну в зазор между откосами и электродом, где интен­ сивно плавится, а 35—40% шихты остается на откосе.

При центральной загрузке термически неподготовленную шихту необходимо загружать на откосы с разрывом столба шихты в течке. Для этого загрузчик открывает шиберы (затворы) течек и загружает откосы до заданной высоты, а затем перекрывает течку. Правильный выбор высоты откосов над поверхностью ванны обеспечивает необ­ ходимое покрытие ванны шихтой и заглубление откосов в расплав, что позволяет защитить футеровку от воздействия конвекционных по­ токов. Расчет высоты откосов можно сделать, исходя из формулы

137

По данным института «Гипроникель», отношение h3 : hB при плавке агломерата равно 0,5; при плавке шихты комбината «Печенганикель» — примерно 1,5; при плавке шихты комбината «Североникель» — примерно 2.

Согласно теории электроплавки при глубокопогруженных отко­ сах конвекция шлака, обеспечивающая как активное плавление шихты, так и разрушение стен печп, происходит в слое шлака, тол­ щина которого примерно равна трехкратной глубине погружения

при плавке, например, шихты комбината «Пененганикель» ha соста­ вит: 1800 : 1,5 = 1200 мм. Зная значения /гв и угла естественного откоса шихты а (табл. 20), можно определить площадь основания от-

число откосов для покрытия поверхности ванны.

Устанавливая высоту откоса, следует также заботиться и о том, чтобы между сводом и шихтой оставалось достаточное пространство для прохода газов к газоходам. В противном случае в подсводовом пространстве может возникнуть положительное давление газов, ко­ торые будут выделяться через неплотности в своде, ухудшая условия труда на загрузочных площадках. На практике высоту откоса над уровнем ванны устанавливают, либо подбирая соответствующее по­ ложение загрузочного патрубка, опущенного под свод печи, либо визуально, наблюдая за положением конуса шихты относительно свода печи.

Решающее влияние на выбор высоты откосов оказывает качество шихты, ее крупность и влажность. При переработке одной кусковой руды (80% класса — 5 0 + 1 0 мм) влажностью до 3% высоту откоса можно поддерживать до 1000—1100 мм. При плавке такой руды от­

138

косы шихты устойчивы и их опрокидывания не происходит. При электроплавке шихты влажностью выше 3%, содержащей много руд­ ной мелочи и окатышей (свыше 20%' класса — 10 мм), откосы неустой­ чивы, легко разрушаются и опрокидываются. Это объясняется тем, что при загрузке в печь шихтовых материалов основная часть мелкой фракции шихты задерживается на откосах, а крупные фракции ска­ тываются в ванну.

Поскольку мелочь шихты содержит больше влаги, чем ее крупная фракция, то из-за сегрегации откосы имеют большую влажность, чем исходная шихта. При наличии в шихте влажной мелочи (особенно при высоком содержании в шихте магнезии) на поверхности откоса часто образуется спеченная корка, препятствующая нормальному сходу шихты. При этом откосы зависают над ванной, так как их нижняя часть, погруженная в расплав, подплавляется со стороны электрода конвекционными потоками шлака. В случае обрушения зависшей части откоса влажная шихта погружается в расплав, что вызывает взрыв. Взрывы разрушают свод печи й создают опасные условия труда для обслуживающего персонала.

Особенно сильные взрывы происходят при погружении в расплав всего откоса. Такое явление возникает при значительном односторон­ нем подплавлении откоса или зависании в результате резкого сни­ жения уровня ванны. При этом центр тяжести плавающего откоса смещается вверх, откос теряет устойчивость и опрокидывается.

Технологические трудности, связанные с переработкой влажной шихты с высоким содержанием мелочи (больше 20% класса— 10 мм), вынуждают вести электроплавку таких материалов с откосами малой высоты (не более 500 мм). С уменьшением высоты откоса снижается глубина его погружения в ванну. При разрушении таких низких откосов взрывов не происходит, так как шихта распределяется на поверхности ванны, не погружаясь в глубь расплава.

С уменьшением высоты откосов снижается количество шихты, которое находится на поверхности ванны и в расплаве, поэтому шлаковая ванна несколько перегревается и повышается температура отходящих газов. В результате уменьшается проплав шихты и воз­ растает удельный расход электроэнергии. Однако снижение проплава возмещается увеличением времени безаварийной работы печи, так как ликвидация взрывов рбзко сокращает простои печи для ремонта свода.

Так, на комбинате «Североникель» до строительства фабрики окускования флотоконцентрата его перерабатывали в смеси с кус­

влажность шихты достигала 6%. Переработка такой шихты при за­ грузке ее в печь высокими откосами (1000—1200 мм) сопровождалась частыми взрывами, разрушавшими своды электропечей. Простои электропечей из-за ремонтов сводов достигали нескольких суток в ме­ сяц. С переходом на загрузку шихты откосами малой высоты (до 500 мм) аварийные простои из-за ремонтов сводов почти полностью прекратились.

139

Другим надежным способом ликвидации взрывов в печи при пере­ работке шихты, содержащей значительное количество влажной ме­ лочи, можно считать раздельную плавку руды и концентрата в одной электропечи. (В настоящее время этот способ загрузки применяют на комбинате «Печенганикель» при остановке на ремонт фабрики окускования концентрата).

Сущность способа заключается в следующем: при приготовлении шихты концентрат (15—20%) и руду (80—85%) не смешивают, а от­ дельно разгружают в специальные отсеки, сооруженные в бункерах над электропечами. Отсюда концентрат, имеющий влажность 4—5%, как материал богатый и мелкий, подают в-головную часть печи, уда­ ленную от шлаковых шпуров, а руду грузят на остальные откосы.

Материалы подают в печь скребковыми транспортерами. Сначала загружают рудную шихту, затем концентрат. Перед загрузкой кон­ центрата шиберы на загрузочных трубах, подающих шихту на руд­ ные откосы, перекрывают. Таким образом в печи создают два вида откосов — рудные и концентратные. Высоту рудных откосов под­ держивают на уровне 1200 мм от поверхности ванны, высоту концеитратных откосов на уровне 500 мм. Поскольку насыпная масса кон­ центрата и высота его откоса меньше аналогичных параметров для руды, то концентратные откосы погружены в ванну расплава на глу­ бину в 2,5—3 раза меньшую, чем рудные. В связи с этим при разру­ шении концентратных откосов не образуется взрывов, так как кон­ центрат распределяется на поверхности ванны, не погружаясь в рас­ плав.

Следует отметить, что даже'при плавке сухой и крупнокусковой шихты во избежание нарушения технологии электроплавки следует очень точно соблюдать заданную высоту откосов. При чрезмерно вы­ соком откосе его заглубление в расплав может превысить толщину шла­ кового слоя (1600—1800 мм) и шихта будет соприкасатся со штейном. В этом случае возможно бурление ванны, а иногда даже фонтаниро­ вание штейна на поверхность ванны в результате флотации его частиц пузырьками сернистого газа, образующегося при взаимодействии

ванны резко возрастает и нарушается нормальный электрический режим работы печи (возникает открытая электрическая дуга). При бурлении ванны ухудшаются условия разделения штейна и шлака, увеличиваются потери металлов.

К числу других нежелательных явлений, возникающий при работе на чрезмерно высоких откосах шихты, относятся: «перекос» электро­ дов, поломка рабочего конца электрода, увеличение заглубления электрода в шлаковую ванну. Отклонение оси электрода от верти­ кали или «перекос» электрода возникает следующим образом. При высоких откосах 0 1400 мм) их основания вплотную приближаются к электроду и оказывают на него определенное давление. Если от­ косы, окружающие электрод, имеют равную высоту, то и давление, оказываемое ими на электрод, будет одинаковым: электрод распола­ гается в ванне строго вертикально.

140