Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энерготехнологические параметры выплавки ферросплавов в электропечах. Монография
.pdf
номпереводе печейна более высококремнистыйсплав ФС75, энер-
100
5100
Содержание кремния в сплаве, %
Степень извлечение кремния, %
готехнологическийкритерий работыферросплавнойпечиснижается
с 0,2706 до 0,2411(– 11 %). Это происходитвследствие ухудшения
нетолькостепени извлечениякремния, но иэлектрическихпараметроввыплавки.Поэтому,величиныэнерготехнологическогокритерия
работыпечимощностью29МВ∙Аухудшаютсяпосравнениюданным
параметромдлятиповойпечи16,5МВ∙А,какпривыплавкеферросилицияФС45,такипривыплавкеФС75.
90
80
привыплавкенакусковойшихтеразличныхмарокферросилиция
икремнияуглеродотермическимпроцессомдля34-хэлектропечей
В ещёболеесложных условиях работаютпечианалогичной мощности при выплавкекремния технической чистотыуглеродотермическимпроцессом.Извлечениекремнияна кусковойшихтеневысокоев
среднемоколо0,70. В некоторыхособых технологических вариантах
выплавки, при использовании комплексной шихты и специальных
восстановителей, возможно извлечение кремния до 0,86. При мощности печи16,5 МВ∙А энерготехнологический критерийработыпечи
y = -0,0062x2 + 0,392 x + 91,09
70
60
025507
Рисунок4.1–Изменениестепениизвлечениякремния
(коэффициенткорреляцииR=0,902)
2
R
= 0,814
91
не превышает уровня 0,2122 [18]. Однако, на практике в этих печах
стараютсяработатьсболееглубокойпосадкойэлектродоввшихту,для
повышения теплового КПД из-за большой энергоёмкости процесса
восстановлениякремния. Какследствие,рабочеенапряжениеневысокоеи активная мощность печи не более 10,3–11,6 МВт,для мощноститрансформатора16,5МВ∙А.Поэтому,энерготехнологическийкритерий работыпечипри выплавке кремния в трёхфазных печахочень
невысокийисоставляет0,1876–0,2096[147].Сравнивая,работупечей
мощностью 16,5МВ∙А, выплавляющих кремнийи ферросилиций типовой марки ФС45 можноотметить, что величины энерготехнологического критерия работы печи различаюся весьма значительно, как
0,3109(дляФС45)и0,1876–0,2096длякремния.Соответственно,печь
снизкойвеличинойэнерготехнологического критерия работает более
энергозатратным процессом, что соответствует высокому удельному
расходу электроэнергии 12,6–13,1 МВт·ч/т кремния и более до 14–
16МВт·ч/т,против4,7–4,8МВт·ч/тферросилицияФС45.
Извлечение марганца. Выплавкауглеродистогоферромарганца в
электропечах осуществляется шлаковым процессом с закрытой дугой,какфлюсовым,такибесфлюсовымспособом.Прииспольовании
сравнительнобедногомарганцевогосырьяпрепочтителенфлюсовый
способ.Дляэтогоприменяютмарганцевыйконцентратиагломератс
относительно невысоким содержаниеммарганца 34–43 % Mn и менее.Привыплавкеферромарганца,дляповышенияактивностиоксида
марганцаMnOисвязываниякремнезёмаSiO
вводятизвестняк.Приэтомосновностьшлака(CaO+MgO)/SiO
рудногосырьявшихту
2
2
составляетоколо1,1–1,3, прикратности шлака1,3–1,6. При использованииотносительнобедногомарганецсодержащегосырьяизменение
содержанияMn в нём на (–1%) приводит в среднемкуменьшению
извлечениеведущегоэлементавсплавна0,54–0,94%иувеличению
удельного расхода электроэнергии на 50–70 кВт·ч/т ферромарганца
[148].Использованиеболеебогатыхпомарганцушихтовыхматериалов(сучётомподшихтовкиимпортныхруд),весьмаэффективно,так
как существенно повышает извлечение марганца в сплав. Так, для
печи РПЗ–63 (мощность трансформатора 63 МВ∙А), повышение на
1%Мnвсырье,увеличиваетизвлечениемарганцавсплавна1,5%.
Приэтомдля диапазона34–43% Mnв марганецсодержащемсырье,
зависимостьизвлеченияведущегоэлементавсплав,поданнымработы[148],имеетследующийвид:
92
η
=17,1+1,5<Mn>, (4.2)
Mn
где:η
–извлечениемарганцавсплав;
Mn
<Mn>–содержаниемарганцавсырье,%.
Такжепри эксплуатациипечей типа РПЗ–63 навыплавкеферромарганцаимеетсяследующаязависимостьвлиянияосновностишлаканаизвлечениемарганца:
η
где:В
–основностьшлака:(CaO+MgO)/SiO2.
шл
=532+1056∙В
Mn
–451,4(Вшл)2, (4.3)
шл
Тенденция ухудшения качества марганцевого рудного сырья
поведущемуэлементуприводиткуменьшению степениизвлечения
всплависоответственнокснижениюэнерготехнологическогокритерияработыферросплавнойпечи.
Рассмотрим влияние извлечениямарганца в сплав на примере работы печи РПЗ–63 при получении углеродистого ферромарганца
флюсовым процессом. Основные параметры выплавки следующие
[44]:мощностьтрансформатора– 81МВА;коэффициентмощности с
УПК–0,935;электрическийКПД–0,881(тепловойКПД–0,52).Величина энерготехнологическогокритерия ферросплавной печи изменяется
следующимобразом,присниженииизвлечениямарганцавсплав:
ИзвлечениеMnвсплав,ηMn 0,65 0,70 0,75
Энерготехнологическийкритерий 0,2167 0,2333 0,2500
Снижениеизвлечениямарганцавсплавна5%илис0,75до0,70,
приводиткснижениюэнерготехнологическогокритерияработыферросплавнойпечис0,2500до0,2333илина6,7%,апридальнейшем
сниженииизвлечениядо0,65–на13,3%.
Марганец,какведущий элементсплава,имееттемпературуплавления 1244 ºС (1517 К) и высокую температуру кипения 2150 ºС
(2423К).Темнеменееонхарактеризуетсяаномальновысокойупругостьюпара.Длядиапазонатемпературвреакционнойзонепечипотеримарганцаотиспарениязначительны.Необходимоотметить,что
поданнымработы[149]длядиапазонатемператур1550–1750Квпарогазовойфазе,надрасплавомMnO,обнаружено,чтоиспарениепроисходит пореакции диссоциациинагазообразныймарганеци молекулярныйкислород.
Вцелом,дажепринормальныхусловияхплавкисзакрытойдугой,
потеримарганцавулётсоставляют10–13%.Приуменьшениизаглу-
93
бленияэлектродоввшихту,принеправильномэлектрическомрежиме
работыпечииповышеннойплотноститокаэлектрода,улётмарганца
можетбытьв1,5–2разавыше.
Следовательно,привыплавкеферромарганцараспределениеведущегоэлементапроисходитпосхеме:всплав–вшлак–вулёт.Всреднем извлечениемарганца сплав может составлять от 0,65 до 0,78 и
выше,взависимостиоткачествамарганецсодержащегосырья,основностишлака,отношениятвердогоуглеродавосстановителякмарганцу в шихте, содержаниякремния и квалификации обслуживающего
персонала.
Извлечение хрома. Выплавка углеродистого феррохрома произ-
водитсяв электропечахшлаковымпроцессом.Дляэтогоиспользуют
хромовуюруду(48–53% Cr
),углеродистыевосстановители (кок-
2O3
сик,полукоксы,спецкоксигазовые угли),кварцит, боксит,металлодобавки и оборотные отходы. Избыток твердого углерода в шихте
составляет2–10 %оттеоретического.Извлечениехромав сплавдостаточновысокое0,88–0,92.
Извлечениеведущегоэлементавзначительноймерезависитоткачестварудногосырьяиегоподготовки.Основнымфакторомхорошегоизвлеченияявляетсясодержаниеоксидахрома(Cr
содержанииврудеоколо50%Сr
получаетсядостаточностабиль-
2O3
)вруде.При
2O3
ноеи высокоеизвлечениехромадо 0,90–0,92.При снижениисодержанияСr
вруднойчастишихтыинарушениитехнологиивыплав-
2O3
ки,извлечениехромав сплав– ниже.По данным работы[105], для
печеймощностью14МВ·Апривыплавкеуглеродистогоферрохрома
полученаследующаязависимостьизвлеченияхромавсплавотсодержанияоксидахромавруднойсоставляющейшихты:
η
где:
–извлечениехромавсплав,%;
ηCr
(Сr
–содержаниеоксидахромавруде,%.
2O3)руд
Приснижениисодержания (Сr
=41,52+0,94(Сr2O3)
Cr
2O3)руд
, (4.4)
руд
врудной части шихты(хромоваяруда,концентрат,окатыши,брикеты)соответственноуменьшаетсяизвлечениехрома всплав икакследствиенижезначениеэнерготехнологическогокритерияработы печи.Такжедополнительно на
извлечениехромавлияетсодержаниежелезаикремнезёмавруде,коэффициентизбыткауглеродавшихте,доляоборотныхотходовисодержаниекремнезёмавшлаке.
94
Извлечение никеля. Выплавка ферроникеля в электропечах из
окисленныхникелевыхрудявляетсяоднойизстадий комплексатехнических решений. Технологическая схема производства чернового
ферроникеля включает предварительный нагрев и обжиг шихты из
окисленныхникелевыхруд,известняка,восстановителя(антрацит)во
вращающихсянаклонных печахпри температуре 700–850ºС. Далее
горячийогарок загружают в электропечь.Затем полученныйчерновойферроникельрафинируютот серыв ковше,а такжев кислородныхконвертерахскислойфутеровкойоткремнияихромаисосновнойфутеровкойотфосфора,соответственно.
Вотличиеотвыплавкиферросилиция,ферромарганца,феррохрома,выплавкаферроникеля(3–16%Ni)осуществляетсямногошлаковым процессом с кратностьюшлакаравной 5–7. Основность шлака
около0,6.
Окисленные никелевые руды бедны по содержанию никеля. Например, Побужское месторождение (Республика Украина) – 0,90–
1,0 % Ni; Буруктальское месторождение (Российская Федерация) –
1,0–1,2 % Ni; Новая Каледония, Океания, (Франция) – 2,22 % Ni;
Индонезия–2,31%Ni[150].
Извлечение никеля в огарок составляет до 99 %. При выплавке
ферроникелявэлектропечахуглеродотермическимпроцессомпринимаетсявыходчерновогоферроникеля–14%ивыходшлака–77%.
Поданнымработы[151]извлечениеникеляприплавкеврудовосстановительнойпечиопределяетсяпоследующемувыражению:
η
где:
–извлечениеникелявсплав;
ηNi
–выходферроникеля,%;
а
FeNi
Ni
={а
[Ni]–aшл(Ni)
FeNi
}/<Ni>
шл
(4.5)
руд,
[Ni]–содержаниеникелявсплаве,%;
–выходшлака,%;
a
шл
–содержаниеникелявшлаке,%;
(Ni)
шл
>–содержаниеникелявруднойчасти,%.
<Ni
Врезультатевыплавкиизвлечениеникелясоставляетдо0,93–0,95
взависимостиоткачестварудногосырья.
Таким образом, при выплавке рассмотренных сплавов кремния,
хрома,марганца и никеля в электропечи,извлечениеведущего элементавсплаввзначительноймерезависитотсодержанияеговрудномматериале, степени подготовкишихты, и уровня освоения печ-
95
нойтехнологии,какдлябесшлакового,шлаковогоимногошлакового
углеродотермическогопроцесса.
При выплавке различных марок ферросилиция извлечение ведущегоэлементаснижаетсясповышениемсодержаниякремниявсплаве,вследствиевозрастанияулётаSiO ивыводежелеза изсистемыв
процессевосстановлениякремнезёма.
Привыплавкеуглеродистогоферромарганцаизвлечениеведущего
элементавсплав впервуюочередьзависитотсодержаниямарганца
врудном сырье. Такжезначительноевлияние оказываетосновность
шлака и оптимальный электрический режим, который не позволяет
перегретьрасплаввпечи,вследствиизначительногоулётамарганца.
Длявыплавкиферрохромаиферроникеля,с учётомтехнологическихособенностейпроцесса,извлечениеведущегоэлемента всплав
зависитотегосодержанияврудномсырьеистепениподготовкишихтовыхматериалов,сушкиипредварительногонагревапередподачей
впечь.
Ферросплавнаяпечь,работающаянепрерывнымуглеродотермическимпроцессом,относится книзкошахтным электропечнымагрегатам.Глубинаванныпечиотносительноневеликаисоставляет2,0–2,4
диаметраэлектрода.Этоопределяетосновнуюдолютепловыхпотерь
через колошник печи сотходящимигазами и излучением,несмотря
нато,чтопроцессвыплавкипроисходитвреакционнойзонеподслоемшихтысзакрытойдугой.
Рудовосстановительный,углеродотермическийпроцессполучения
ферросилиция, ферромарганца, феррохромаи кремния в электропечаххарактеризуетсябольшимколичествомотходящихгазовнагретых
дотемпературы500–850ºСивыше.Например,привыплавке1баз.т.
45%-ного ферросилиция выделяется850 м
выплавке75%-ногоферросилиция –1400 м
мическогосостава:80,7%CO;14,5%H
Теплотасгораниягазаоколо5,6МДж/м
По данным работы [153] для закрытых печей мощностью
16,5МВ∙АпривыплавкеферросилицияФС45выходотходящихгазов
3
составляет2200–2500м
/час.Дляпечибольшеймощности21,5МВ∙А
привыплавкеФС65выходгазоввозростаетдо2300–3000м
3
отходящихгазов,апри
3
[152], следующегохи-
1,9%СО2;2,3%(O2+N2).
2;
3
.
3
/час.
96
Привыплавкеферросилициявоткрытыхэлектропечах,благодаря
подсосу воздуха в пространство над колошником, происходит разбавлениеотходящихгазовв 80–100 раз[154].Поэтому общееколичествогазоввзависимостиотмощностипечиувеличиваетсядо200–
3
350тыс.м
/часитемпературагазовойсмесиснижается.
ТепловойКПДпечиопределяетсянаосновестатейрасходатеплового баланса плавки, который составляется на базе материального
баланса.Всоответствиистепловымбалансомвыплавкикремнистых
сплавов,такиестатьирасхода,какфизическоетеплогазов, потенциальная энергия отходящих газов и тепло на излучение колошника,
составляютвсуммеоколо44–48%.Приэтомпотеритеплакожухом
ваннынаходятсявпределах1,5–3,5%,в зависимостиотиспользуемой мощности и вариантов футеровки печи. Другие статьи расхода
(тепло на восстановление оксидов, тепло сплава и шлака) при выплавкебесшлаковымпроцессомсоставляютвсумме46–50%.
Для шлакового процесса, например для выплавки углеродистого
ферромарганцавэлектропечи,статьирасхода(теплонавосстановлениеоксидов,теплосплава,теплошлакаихимическоетеплоуглерода
ферромарганца)составляют около50–52 % от общей суммы затрат
тепла. При этом состав отходящихгазов следующий: 80–90 % CO;
4–6%H
новысокаядо9–10МДж/м
;2–10%СО2;0,04–0,08%O2.Теплотасгораниягазадоволь-
2
3
[155].
В целом тепловой КПД низкошахтной ферросплавной электропечи, с учётом основных потерь тепла, имеет невысокие значения.
Например,для бесшлаковогопроцессавыплавкиферросплавоввоткрытыхпечахонсоставляетоколо0,46–0,52.Приэтомдлязакрытых
печеймощностью10–30МВ·АтепловойКПДравен0,42–0,47,адля
печеймощностью60–75МВ·Асоставляет0,44–0,48[156].
Для шлаковогопроцесса выплавки ферросплавов тепловой КПД
достигаетмаксимальногоуровня0,52–0,54(длякруглыхпечей)и0,52
(дляпечейспрямоугольнойванной),поданнымработы[157].
Рассмотримэнерготехнологическиепараметрывыплавки75%-ного
ферросилицияв отечественныхизарубежныхэлектропечахскруглой
ваннойсмощностьютрансформаторавдиапазоне8,5–49,5МВ∙А(8,5–
16,0 МВ∙А – 8 печей; 16,5–22,5 МВ∙А – 15 печей; 23,0–49,5 МВ∙А –
14печей).ТепловойКПДпечейвзависимостиотрежимаработыизменялсяот0,390до0,525.Результатытакогоанализапечейопубликованы
вработах[130,158].Печинебольшойисреднеймощностиимеютот-
97
носительновысокиеистабильныевеличинытепловогоКПД,воснов-
0,55
Тепловой КПД печи
ном диапазоне 0,470–0,500 и не более 0,525. Данные по изменению
энерготехнологическогокритерия работыферросплавной электропечи
от теплового КПД приведены на рисунке 4.2. Повышение теплового
КПД от0,450 до 0,500 увеличивает энерготехнологическийкритерий
работыферросплавнойпечиотвеличины0,2730до0,3200приблизких
величинахстепениизвлеченияведущегоэлементавсплав.
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
y = 0,94 x – 0,15
2
R
= 0,691
Энерготехнологический критерий
0,15
0,35 0,40,450,5
Рисунок4.2–Изменениеэнерготехнологическогокритерияработы
ферросплавнойпечивзависимостиоттепловогоКПДпривыплавке
75%-ногоферросилициядля37-миэлектропечей(коэффициент
корреляцииR=0,831)
Ухудшения тепловойработыванны ферросплавной печи отрицательно влияют на энерготехнологический критерий. В связи с тем,
чтовеличинытепловогоКПДнеоченьвысоки,какдругиеэнергетические параметры,то данная величинаоказываетзначительное влияние как на удельныйрасходэлектроэнергии, так и производительностьпечногоагрегата.
98
Некоторому увеличению теплового КПД способствует достаточный и высокий уровень колошника, глубокая посадка электродов
вшихтуиоптимальноеположениерабочегоконцаэлектродаотносительноподины печи.В большинствеслучаевданное расстояниенаходится вдиапазоне 0,6–0,9 диаметра электродапечии определяетсявеличинойраспадаэлектродов,чтоподробнопроанализированов
работе [108]. Это необходимо для оптимального токораспределения
в ванне печи, которое выражается как соотношение минимального
удельногорасхода электроэнергиина1баз.тсплаваимаксимальной
производительностипечногоагрегата.Положениеэлектродав ванне
ферросплавной печи характеризуется множеством факторов, основныеизкоторых:электрическийрежим;составшихтовыхматериалов;
технологияведения процесса выплавки и особенности конструкции
печи.
ТепловойКПДферросплавнойпечи,привыплавкесзакрытойдугой,является весьмазначимымпараметром,ввиду егонаименьшего
значения(таблица4.1).Средидругихсоставляющихвеличинвсистеме энерготехнологического критерия, тепловой КПД в 1,5–2,0 раза
меньше, чем такие величины как извлечение ведущего элемента в
сплав, коэффициентмощности, электрический КПД и коэффициент
загрузкитрансформатора.Следовательно,доляеговлияниянаработу
низкошахтнойпечизначительновыше.
Наиболее типичными факторами, которые влияют на снижение
теплового КПД, являются увеличение потерь тепла из-за неудовлетворительного обслуживания колошника, сложности визуального
контроля в подсводом пространстве закрытой печи, вынужденные
простои,технологическиенарушения,работаназавышенномнапряжении,ухудшениекачествашихты, невысокаяквалификация персоналаидругие.
Необходимоотметить,чтоувеличениерабочегонапряжения,сверх
оптимальной величины, с одной стороны повышает электрический
КПД, коэффициент мощности и мощность в ванне печи. Однако,с
другойстороны,этоприводиткуменьшениюзаглубленияэлектродов
вшихту,перераспределениюмощностивванневверхниегоризонты
иразогревуколошника.КакрезультатпроисходитснижениетепловогоКПД,котороевыражаетсявзахолаживанииподины,ктрудностям
выпускарасплава из печии увеличении удельного расходаэлектроэнергии.Поэтомуэлектрическиепараметрывыплавкиферросплавов
99
(коэффициентмощности,электрическийКПД)итепловойКПДвлияютнаработупечиразнонаправлено.
Для сравнения рассмотрим выплавку ферромарганца по величинетепловогоКПДвэлектропечиив доменнойпечиуглеродотермическим процессом. Обычно тепловой КПД электропечи в лучшем
случаенепревышает0,500–0,520.Вцеломдоменнаяпечь,каквысокошахтный агрегат, имеетболеевысокий тепловойКПД, чемнизкошахтная электропечь. Тепловой КПД доменной печи при выплавке
ферромарганцанеменее0,650поданнымработы[127].
Выплавкаферромарганцавдоменнойпечи,вотличиеотвыплавки
чугуна,состоитвтом,чтовосстановлениеведущегоэлемента–марганца происходит толькос участием твёрдого углеродабез влияния
СО.Степень использованияуглеродаввосстановлениименьше, поэтому расход кокса больше. Температура колошниковых газов при
выплавкеферромарганца вышена150–200 ºС и более, чемпри выплавкечугуна[159].Припереводедоменныхпечейсвыплавкичугунанавыплавкууглеродистого ферромарганцатепловойКПД снижаетсяс 0,80–0,85до0,65 [15].Дляулучшенияработыдоменнойпечи
привыплавкеферромарганцаиспользуетсягорячеедутьё стемпературой 1100–1400 ºС, согласно данным работы [160] и обогащённое
кислородомдо 21–24%,а такжедругиекоксозамещающиетехнологии.
Следуетотметить, что для улучшения приходной части тепловогобаланса выплавкиферросплавов рациональнымявляется сушкаи
предварительныйподогревшихтовыхматериаловдо650–1000ºСпередзагрузкойв электропечь [161].Этопозволяет снизить удельный
расход электроэнергиина 20–25%.Аналогичныетехнологиисушки
иподогревашихтыиспользуютсядлявыплавкиферроникелянаПобужском ферроникелевом комбинате (Республика Украина). Также
технологииподогревашихты применяются для выплавки углеродистогоферрохрома на заводе компании«Outokumpu» («Оутокумпу»)
вТорнио,Финляндияидля выплавкиуглеродистого ферромарганца
назаводефирмы«ТюоДэнкиКогё»вКасима,Япония.
Таким образом, на примере опыта выплавки ферросплавов шлаковыми бесшлаковым процессом в электропечах показано, что тепловойКПДявляется самой малой величиной в системе энерготехнологического критерия работы ферросплавной печи и его влияние
являетсянаиболеевесомымнатехнологическийпроцессвыплавки.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]