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

имущество этого процесса перед агломерацией. Оно позволяет при электроплавке окатышей иметь более стабильный состав штейна

иподдерживать на заданном уровне потери металлов со шлаками. Поскольку крупность окатышей более однородна, чем агломерата,

атеплопроводность соответственно выше, то при плавке окатышей использование тепла отходящих газов (с учетом их использования для сушки и подогрева шихты) будет выше, чем при плавке агло­ мерата. . .

2.Незначительное гидравлическое сопротивление слоя окаты­ шей на ленте конвейерной машины позволяет применять мельничные вентиляторы, вместо используемых при агломерации эксгаустеров,

что снижает стоимость оборудования и энергетические затраты.

3.Меньшее разрежение в вакуум-камерах конвейерных машин снижает вынос пыли в вакуумную'систему, что способствует умень­ шению безвозвратных потерь металлов.

4.Передельные расходы при окатывании и обжиге значительно ниже, чем при агломерации.

Ксерьезным недостаткам технологии обжига окатанного кон­ центрата относятся:

1.Низкая удельная производительность конвейерной машины по готовой продукции, так как до 70% ее полезной площади отво­ дится под зоны сушки и охлаждения.

2.При существующем состоянии, технологии окатыши имеют низкую механическую прочность, что обусловливает повышенное

содержание мелочи в готовой продукции.

§8. Обжиг сульфидных концентратов

впечах кипящего слоя

Для получения при электроплавке богатых штейнов сульфидные флотоконцентраты целесообразно подвергать окислительному об­ жигу. Наиболее совершенна для обжига сульфидных материалов печь кипящего слоя.

Кипящий слой возникает при продувке воздуха через слой мелкозернистого материала, находящегося на решетке пода печи. Воздух, подаваемый с определенной скоростью, пронизывает слой материала многочисленными восходящими струйками и приводит его во взвешенное состояние, похожее по внешнему виду на кипение жидкости. В таком состоянии слой приобретает подвижность и теку­ честь жидкости. В кипящем слое поверхность каждой частицы омы­ вается воздухом, поэтому обжиг сульфидов в печах кипящего слоя протекает гораздо интенсивнее и полнее, чем в других аппаратах.

Химические реакции, происходящие при окислительном обжиге концентрата в кипящем слое, аналогичны реакциям, приведенным на с. 31.

Обжиг сульфидов, в основном сульфида железа, сопровождается значительным выделением тепла. Этого тепла с избытком хватает на то, чтобы вести обжиг без дополнительного расхода топлива. Температура в слое поддерживается в пределах 600—650° С.

40

Устройство пёчи кипящего слоя показано на рис. 10. Печь пред­ ставляет собой цилиндрическую или прямоугольную рабочую ка­ меру. Под печи оборудован соплами для подачи воздуха, располо­ женными с таким расчетом, чтобы обеспечить равномерную подачу воздуха на всей площади печи. Конструкция сопел такова, что ча- -стицы шихты не просыпаются в воздушную камеру. Печь кипящего

4,67 м. Под печи снабжен 256 соплами. В печь подают 1000 м3/мин

§ 9. Шихтовка

Медно-никелевые руды, поступающие на металлургический завод из различных рудников или из различных участков одного рудника, отличаются друг от друга содержанием ценных металлов, составом пустой породы и влажностью. Но наилучших технико-экономических показателей при электроплавке можно достичь лишь при работе на рудном сырье и концентрате усредненного химического состава.

Для усреднения рудного сырья руды различных сортов смеши­ вают в заданной пропорции. Для улучшения состава рудного сырья к нему добавляют вспомогательные материалы —- флюсы и восста­ новитель (каменный уголь,, коксик). Полученная смесь материалов

41

называется шихтой, а сам процесс смешения — шихтовкой. Ших­ товка — это заключительная операция подготовки руды к плавке.

При смешении материалов стремятся получить шихту такого химического состава, чтобы при плавлении ее достичь максимального проплава при высоком извлечении металлов в штейн. Например, при плавке высокомагнезиального сырья повышается расход элек­ троэнергии и резко снижается производительность печи. Шихтуя такое сырье с маломагнезиальной рудой, добиваются повышения производительности электропечи и снижения расхода электро­ энергии.

При плавке шихты с низким содержанием кремнекислоты повы­ шаются потерн металлов с отвальными шлаками, нарушается элек­ трический режим плавки. Добавляя в шихту кремнистые флюсы или смешивая малокремнистое рудное сырье с высококремнистым, получают шихту, которая при плавлении образует шлаки с низким содержанием ценных металлов.

Помимо усреднения химического состава исходного сырья, шихтовкой получают материал оптимальной крупности (30— 40 мм). Если в шихте много мелочи, то ухудшаются показатели плавки, увеличиваются потери металлов из-за повышенного пыле­ выноса. При содержании в шихте более 20% мелкого материала класса — 10 мм откосы шихты, погруженные в шлаковый расплав электропечи, неустойчивы (склонны к разрушению и опрокидыва­ нию).' При этом могут произойти взрывы, вызывающие обрушение свода печи и создающие опасные условия труда..

Смешивая в определённой пропорции крупнокусковой материал с рудной мелочью, добиваются желаемого гранулометрического состава шихты.

Как уже отмечалось, жесткие требования предъявляются к со­ держанию в шихте влаги. Во избежание взрывов при падении отко­ сов влажность кусковой руды не должна превышать 3%. При отсутствии фабрики окускования допускается переработка флотоконцентрата влажностью не более 5—6%. Влажность шихты регули­ руют, дозируя сухой и влажный материалы.

Подготовленные к шихте материалы хранят в специальном складе — шихтарнике. Обычно шихтарник представляет собой зда­ ние прямоугольной формы, внутри которого имеются отсеки-бункера. Емкость шихтарника — пяти-, шестидневный запас сырья.

Неокускованный концентрат влажностью 5—6% во избежание слеживания и зависания при складировании хранят в металличе­ ском бункере, на стенке которого установлен вибратор, или в верти­ кальных цилиндрических трубах диаметром 2 м, вмонтированных в бункера. Чтобы руда в зимнее время не смерзалась, рудный склад обогревают.

Над бункерами по рельсовому пути движется реверсивный транспортер для загрузки сырья в любой бункер склада. Руда и концентрат разгружаются из бункеров тарельчатыми питателями. Шихта составляется на транспортерной ленте, проходящей под бункерами склада дробленой руды и других шихтовочных материа­

42

лов. На ленту одновременно из нескольких бункеров загружается руда различных сортов, обожженные окатыши, агломерат, кварце­ вый флюс, восстановитель (коксовая мелочь, угольный штыб), твердый конвертерный шлак. Окончательно шихта смешивается при перевалках с транспортера на транспортер на пути от шихтарника до печных бункеров.

Помимо -твердой шихты, электропечи перерабатывают опреде­ ленное количество конвертерного шлака, который в расплавленном состоянии заливают в электропечь для извечения из него цветных металлов. При наличии электропечей для обеднения конвертерного шлака в руднотермические печи направляют обедненный конвертер­ ный шлак, который играет роль железосодержащего флюса, повы­ шающего электропроводность печного шлака.

Таблица 8

Примерное содержание, %, твердых и жидких компонентов

'в шихте электроплавки

*В процентах от твердой шихты.

**При остановке на ремонт печи для обеднения конвертерных шлаков.

Г л а в а III

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О РУДНОЙ ЭЛЕКТРОПЛАВКЕ

Если через твердые тела или жидкость пропускать электрический ток, то в результате их сопротивления электрическая энергия пре­ вращается в тепловую. Сопротивление электрическому току могут оказывать, например, нихромовый нагреватель, расплавленный шлак, ионизированный сильно нагретый слой газов, в котором происходит дуговой разряд, и т. д.

Количество тепла, выделяемого при превращении электрической энергии в тепловую, определяется по формуле Джоуля—Ленца:

где Q — количество тепла, кал;

/ — сила тока, протекающего через данное сопротивление, А; R — величина сопротивления, Ом;

t — время, с.

Так как по закону Ома произведение IR равно напряжению U, то формулу (1) можно преобразовать:

пIW

Q= IÖÖ5 ккал •

Для подсчета энергии в киловаттах (кВт) за время Т используют формулу

кВт-ч.

Поскольку 1 кВт • ч эквивалентен 860 ккал, то количество тепла Qlt выделенного за Т ч, составит

Qi — 8 6 0 Toöo ^ к к а л -

Электронагрев широко применяется в различных отраслях тех­ ники, особенно важен он в металлургии, где в ряде производств электропечи — основной тип металлургических печей. Электропе­ чами называются печи, в которых тепловая энергия, необходимая для их работы, получается за счет электроэнергии. По способу пре­ образования электрической энергии в тепловую электропечи делят на четыре группы (рис. 11):

1.Печи сопротивления, в которых электроэнергия преобразуется

втепло при прохождении через твердые или жидкие тела, включен­ ные в электрическую цепь.

2.Дуговые электропечи, в которых электрическая энергия пре­ вращается в тепло при горении электрической дуги в газовой среде.

44

3.Индукционные печи, в которых электроэнергия превращается

втепло при прохождении через твердые и жидкие тела, находящиеся

вбыстропеременном магнитном поле или электрическом поле.

4.Печи смешанного действия, в которых преобразование элек­ трической энергии в тепло происходит частично в газовой среде (че­ рез дугу), частично в твердой или жидкой (через сопротивление).

Т — время, ч.

Количество тепла, выделяемого в ванне печи, имеющей три од­ нофазных трансформатора номинальной мощностью Р кВА при их загрузке до Рпом, подсчитывают по формуле

Первая промышленная руднотермическая электропечь мощностью 3000 кВА, предназначенная для плавки медных концентратов, была построена в 1928 г. норвежским металлургом Йенсом Вестли. В 1934 г. по его проекту в Финляндии была построена еще одна электропечь для плавки медных концентратов мощностью 9000 кВА.

Приоритет в развитии теории и практики электроплавки медно­ никелевых руд и концентратов принадлежит советским ученым и про­ изводственникам.

45

В1935—1938 пѵ коллектив инженеров под руководством проф.

М.С. Максименко изучил процесс электроплавки тугоплавких медно­ никелевых концентратов Монче-Тундры (Кольский полуостров).

М. С. Максименко впервые дал наиболее правильное объяснение процессов, происходящих в печи. Им обоснованы пути преобразова­ ния электрической энергии в тепловую, рекомендованы электриче­ ские режимы для бесшлакового и шлакового процессов плавки. Результаты этих исследований легли в основу проектов электропе­ чей комбината «Североникель», освоенных и пущенных в эксплуата­

цию в 1940— 1942 гг.

В1946 г. вступили в строй электропечи комбината «Печенганикель», который был передан Советскому Союзу по условиям мирного договора с Финляндией (1944 г.).

В1944— 1973 гг. рабочие и инженеры комбинатов «Североникель»

и«Печенганикель» в содружестве со специалистами института «Гипроникель» изучали и усовершенствовали процесс электроплавки, в ре­ зультате чего удалось повысить мощность печей и улучшить технико­ экономические показатели плавки. В 1959—1970 гг. были построены мощные электропечи для плавки агломерированного медно-никеле­ вого концентрата на Норильском комбинате.

Внастоящее время электроплавка — это хорошо изученный и освоенный процесс. Изучению процесса электроплавки во многом способствовали работы профессора Д. А. Диомидовского, который на основании исследований, основанных на применении метода мо­ делирования производственных печей огневыми и водяными моде­ лями, сделал важнейшие теоретические обобщения работы рудно­ термических электропечей (1956 г.).

Созданная Д. А. Дпомидовским комплексная теория работы электропечей отражает основные закономерности процессов рудной электроплавки, которые хорошо согласуются с данными практики. Согласно его исследованиям работа руднотермических электропечей складывается из ряда процессов, важнейшим из которых является плавление шихты, сопровождающееся физико-химическими превра­ щениями исходных материалов. Процессу плавления шихты под­ чинены все другие происходящие в печи процессы: закономерности подвода, распределение и преобразование электроэнергии, конвекция шлака, теплообмен между шлаком и шихтой. В 1960—1968 гг. от­ дельные положения теории - электроплавки получили дальнейшее развитие в работах Г. И. Платонова, Г. С. Нуса, Г. М. Шмелева и сотрудников лаборатории электроплавки института «Гипроникель». Ниже излагаются общие положения теории работы электропечей.

Электропечь для плавки сульфидных медно-никелевых руд и концентратов схематично можно представить в виде тепловой ванны,

вкоторой имеется два расплавленных слоя (рис. 12). Толщина верх­ него шлакового слоя составляет 1700—1900 мм, толщина нижнего

штейнового 600—800 мм.

Загруженная на ванну печи исходная твердая шихта (руда, окатыши, агломерат, флюсы и т. д.) погружена в шлаковый слой ванны в виде конических куч-откосов. Плавление шихты осуществ­

46

ляется за счет тепла, основным источником которого служит элек­ троэнергия. Электрический ток при напряжении до 680 В и силе тока до 30 000 А подводится в рабочее пространство печи при по­ мощи трех или шести угольных электродов, концы которых на 300— 500 мм погружены в шлаковый слой ванны.

Согласно исследованиям М. С. Максименко, ток в ванне электро­ печи может проходить двумя путями:

1. От электродов через шлак в слой штейна (нагрузка печи по схеме «звезда»).

Рис. 12. Схема плавки в элек­ тропечи:

1 — шихта; 2 — движение га­ зов; 3 — восстановление шлака

2. От одного электрода по шлаку к другому электроду (нагрузка печи по схеме «треугольник»).

Соотношение между нагрузкой по схеме «звезда» и по схеме «треугольник» зависит от величины погружения электродов в шла­ ковую ванну, ее высоты и наличия в печи откосов шихты.

Г. М. Шмелев, исследуя механизм прохождения тока в промыш­ ленной печи Норильского комбината, установил, что при наличии в ванне печи откосов шихты ток протекает в основном по схеме «звезда» и лишь частично по схеме «треугольник».

В шлаковой ванне происходит преобразование электрической энергии в тепловую, при этом от 40 до 80% тепла выделяется у по­ верхности электродов в переходном контакте электрод—шлак, остальная часть — в шлаковой ванне, участвующей в канализации тока.

Значительное выделение тепла в контакте электрод—шлак объ­ ясняется наличием вокруг рабочего конца электрода газового слоя так называемого «газового мешка», через который электрический ток проходит в виде большого числа мелких точечных разрядовмикродуг.

«Газовый мешок» образуется следующим образом. В результате механического давления потока электронов шлаковый расплав от->

47

талкивается от электрода; образовавшаяся пустота заполняется газом от сгорания электрода и газом, выделяющимся из шлака. Га­ зовый слой обладает высоким электросопротивлением, поэтому про­ хождение по нему электрического тока связано с большим падением напряжения иа этом участке цепи и выделением соответствующей доли тепла.

Количество выделяемого в контакте электрод—шлак тепла за­ висит от погружения электродов в шлаковую ванну печи. Так, на­ пример, при малом погружении электродов в контакте электрод—. шлак преобразуется в тепловую энергию до 80% мощности печи, при большом погружении 40—50%; остальная часть электроэнергии преобразуется в тепловую в самом шлаке в результате его электро­ сопротивления (см. с. 126).

Распределение электрической энергии в ванне электропечи можно характеризовать электрическим полем. Электрическое поле водяной модели трехэлектродной прямоугольной печн, работающей со зна­ чительным погружением электродов в слой шлака, показано на рис. 13 (данные Д. А. Дномидовского). Тонкими линиями изображены изопотенциальные поверхности одинакового падения напряжения и указаны величины напряжения в процентах от фазового. Толстыми линиями изображены линии прохождения тока в шлаковом слое ванны. Особо выделено падение напряжения на поверхности, от­ стоящей от электродов на 100 мм, поскольку оно определяет падение напряжения в контакте электрод—шлак.

В электрическом поле печи всегда сильно сгущены изопотен­ циальные поверхности вокруг осей электродов. На рис. 13 видно, что токопроводящей частью ванны служит околоэлектродная зона, находящаяся от оси печи на расстоянии в пределах двух диаметров электрода (причем 90% токовых линий проходит от оси электрода на расстоянии в пределах одного диаметра). В этой зоне и происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Участки шла­ ковой ванны, удаленные от оси электродов более чем на два диаметра электрода, в канализации тока не участвуют и не имеют собственных тепловыделений.

Общая зона активных тепловыделений составляет 30—40% от полного объема ванны.

Следует отметить, что подобное распределение электрической энергии в ванне печи характерно для случая, когда в ванне отсут­ ствуют непроводящие ток откосы шихты. Д. А. Диомидовский по­ казал, что при загрузке неэлектропроводной шихты вблизи электро­ дов погруженные в ванну конусы шихты «срезают» линии тока и тем самым уменьшают общий ток в печи. В результате изменяется электрическое поле печи.

Это положение Д. А. Диомидовского проверил на моделях и на промышленных печах Норильского комбината Г. М. Шмелев. Он установил, что наличие в ванне печи нетокопроводящей шихты зна­ чительно влияет на картину распределения электроэнергии.. В ус­ ловиях работы печи со значительным погружением шихты в расплав зона активного тепловыделения располагается от поверхности

48

ванны на расстоянии 0,5—0,75 диаметра электрода и составляет 14—20% от общего объема ванны.

Чтобы получить более точную картину распределения мощности в ванне печи, Г. М. Шмелев построил на диаграммах, характери­ зующих электрическое поле печи, линии объемных мощностей

Из сопоставления рис. 14, а и б следует, что увеличение уровня ванны и заглубление шихты при неизменном заглублении электродов (h3 = 0,232d3) позволяет концентрировать основной очаг выделения энергии у поверхности электродов и тем самым предохранить нижний слой расплава от перегрева.