Файл: Серебряный Я.Л. Электроплавка медно-никелевых руд и концентратов.pdf

На рис. 18 приведен график нагрева чистого металла. Нагрев металла до температуры плавления характеризуется наклонной прямой АБ. Пока металл весь не расплавился, температура его не будет повышаться. На графике процессу плавления соответствует горизонтальный участок БВ, показывающий, что для металла тем­ пературный интервал начала и конца плавления равен нулю. Лишь после полного расплавления металла происходит дальнейший подъем его температуры (участок ВГ).

Процесс плавления шлака про­ текает несколько иначе. Если ме­ талл плавится при постоянной

Г/

Время

котекучего.

Рассмотрим, например, как протекает нагрев смеси окислов СаО и S i0 2. Из рис. 19 следует, что при нагреве смеси до 740° С подъем температуры выражается прямой линией (участок АБ). При 740° С образуется силикат окиси кальция CaO-Si02; образование этого силиката сопровождается выделением тепла, ускоряющего повыше­ ние температуры. Кривая подъема температуры становится круче (участок БВ). При 1400° С начинается плавление шлака. Он раз­ мягчается и постепенно переходит в вязкое тестообразное состояние. В связи с этим под температурой плавления шлака понимается тем­ пература начала его размягчения. Плавится же силикат не при ка­ кой-то постоянной температуре, как металл, а при медленно воз­ растающей температуре (участок кривой ВГ более пологий). При 1512° С плавление заканчивается — весь силикат становится жидким. Эта температура называется температурой жидкоплавкости.

Интервал температур начала размягчения (плавления) и жидко­ плавкости носит название интервала переохлаждения. Для'силиката окиси кальция интервал переохлаждения равен 1400—1512° С, для силиката закиси железа 1.150— 1200° С.

Шлаки, имеющие большой интервал между началом и концом плавления, называются «длинными». К ним относятся шлаки с вы-

63

соким содержанием кремнезема (42—45%). При затвердевании эти шлаки способны вытягиваться в нити. Железистые шлаки с малым содержанием кремнезема (меньше 36% S i02) обладают малым ин­ тервалом переохлаждения и называются «короткими».

Рассмотрим влияние важнейших шлакообразующих окислов на температуру плавления шлака. Чистые окислы имеют очень высокую

плавлении кислых и основных окислов получаются химические со­ единения и сплавы, температура плавления которых значительно ниже температуры плавления окислов. Так, соединение (!Fe0)2-Si02 имеет температуру плавления 1244° С, MgO-SiÖ2 1543° С, А120 3- •Si02 1545° С. У сплавов, состоящих из трех и более окислов, температура плавления может быть еще ниже. Так, тройной сплав FeO-CaO-Si02 плавится при 980° С.

Основные компоненты шлака по-разному влияют на его темпе­ ратуру плавления. Наиболее легкоплавкими являются железистые шлаки; чем выше содержание в шлаках закиси железа, тем ниже их температура плавления.

Окись кремния повышает температуру жидкотекучести шлака. Кроме того, кремнистые шлаки требуют для своего перегрева до­ полнительного расхода тепла. Окись кальция в небольших количе­ ствах уменьшает температуру плавления шлака, при повышен­ ных (выше 13%) — увеличивает. Увеличение содержания глинозема в шлаках выше 10% также увеличивает температуру плавления шлака. Особенно резко возрастает температура плавления шлака при содержании окиси магния более 13— 14%. Шлаки с 20—22%

теплоемкость и энтальпия (теплосодержание). Т е п л о е м к о с т ь ю называется количество тепла в калориях, необходимое для нагрева­ ния единицы массы данного вещества на один градус. Теплоемкость шлака зависит от теплоемкости составляющих его компонентов. Ниже приведена теплоемкость основных компонентов шлака.

Компоненты.......................................... FeO CaO SiOa А120 3 MgO Теплоемкость, ккал/(кг .град) . . . . 0,138 0,179 0,197 0,227 0,243

Из приведенных данных следует, что чем выше содержание MgO в шлаке, тем больше тепла потребуется затратить на нагрев шлака до определенной температуры. Данные заводской практики пол­ ностью подтверждают это положение. Так, для плавления 1 т твер­ дой шихты, образующей шлаки с содержанием 12—13% MgO, требуется затратить 720 кВт-ч. При содержании в шлаках 24% MgO расход электроэнергии возрастает до 900 кВт-ч/т твердой шихты. Увеличив содержание в шлаке FeO и S i02, можно понизить его теп­ лоемкость, а следовательно, снизить затраты тепла на его нагрев и плавление.

Э н т а л ь п и е й ( т е п л о с о д е р ж а н и е м ) называется количество тепловой энергии, заключающейся при определенной

64

температуре в единице массы вещества. Энтальпия шлака подсчиты­

вается по формуле

Qi met,

где Qi — энтальпия шлака, ккал;

т— масса шлака, кг;

с— теплоемкость шлака при данной температуре;

ккал/(кг -град); і — температура, °С.

Энтальпия 1 кг шлака рудной электроплавки в зависимости от его состава в интервале 1300— 1450° С составляет 400—490 ккал.

Понятие «температурный интервал плавления шлака» неразрывно связан с такими важными свойствами шлака, как вязкость и элек­ тропроводность. Вязкость обусловливается внутренним трением между соседними слоями шлакового расплава и зависит от силы сцепления между молекулами шлака. Единицей измерения вязкости служит пуаз (П). Чтобы дать представление об этой единице, укажем, что вода при 20,5° С имеет вязкость 0,01 П, глицерин — 7,8 П. От величины вязкости шлака зависит ход процессов теплопередачи в ванне печи, полнота отстаивания штейна от шлака и условия вы­ пуска шлака из печи.

Согласно теории электроплавки, теплопередача в электропечи осуществляется конвекцией. Линейная скорость конвекционных потоков зависит от вязкости шлаков. Если шлак вязкий, малопод­ вижный, то ои медленно перемешивается в околоэлектродной зоне, а поэтому значительно перегревается; температура шлака растет, вязкость уменьшается. Только в перегретом и жидкотекучем шлаке могут возникнуть энергичные конвекционные потоки, способные интенсивно оплавлять откосы шихты.

В нормально работающей печи шлак всегда перегрет до жидко­ текучего состояния (3—10 П). Это обстоятельство, а также наличие отстойной подэлектродной зоны, способствует хорошему отделению штейна от шлака и получению бедных отвальных шлаков.

Вязкость шлаков определяет условия выпуска шлака из печи. Вязкость перегретых и легко вытекающих из печи шлаков составляет 3—8 П, а густых, недостаточно перегретых и плохо вытекающих из печи шлаков — порядка 15—20 П. В вязких шлаках условия для оседания корольков штейна плохие, что влечет за собой повышенные потерн металлов. При вязкости 30—40 П выпуск шлака через шпуровое отверстие невозможен.

Величина вязкости шлака зависит от его состава и температуры (рис. 20). Решающее влияние на вязкость и температуру плавления шлаков оказывает окись магния.

•По данным О. М. Каткова, увеличение содержания окиси магния

с13—14 до 24% влечет за собой резкое возрастание температуры плавления шлака (с 1200 до 1420° С) и его вязкости. Причина этого явления заключается в том, что при увеличении содержания в шлаке окиси магния происходит кристаллизация тугоплавкой минеральной

составляющей шлака — оливина (MgFe)2-Si04, уменьшающей жид-

I

котекучесть и ускоряющей затвердевание шлака. Значит, чем выше содержание в шлаке MgO, тем «короче» шлак.

С увеличением в шлаках содержания кремнезема повышается

62% SiO, — в 20—30 раз. Закись железа снижает температуру жид­ котекучести шлаков и их вязкость. Наибольший разжижающий эф­ фект дает закись железа в интервале температур 1375—1300°С. Так, с увеличением в шлаках содержания-FeO с 27 до 30% вязкость шлака при 1350° С снижается в 2 раза, при 1325° С — в 2,5 раза.

Увеличение содержания глинозема в шлаках электроплавки в пределах 7— 14% сопровождается снижением температуры плав­ ления шлака и уменьшением его вязкости. При дальнейшем увели­ чении содержания глинозема (свыше 13— 14%) вязкость шлака увеличивается при всех температурах.

В заводских шлаках содержится 3—8% окиси кальция. Уве­ личение содержания окиси кальция до 5% не влияет на вязкость шлака. При температурах ниже 1375° С повышение содержания СаО до 10% вызывает уменьшение вязкости шлаков.

Электропроводность •— важнейшее свойство шлака, определяю­ щее электрический режим процесса электроплавки и в первую оче­

66

редь величину фазового напряжения (гл. VII). Металлургические шлаки в твердом состоянии обладают очень малой электропровод­ ностью, приближаясь к диэлектрикам; в расплавленном состоянии шлаки являются хорошими проводниками. При 1350—1400° С абсолютное значение электропроводности шлаков от плавки медно­ никелевых руд изменяется в пределах 0,2—0,5 Ом-1-см-1, а элек­ тросопротивление— в пределах 5,0—2,0 Ом-см.

Электропроводность в значительной степени зависит от хими­ ческого состава шлака и его температуры. Так, с увеличением со­ держания окислов железа проводимость шлака возрастает (рис. 21). По данным О. М. Каткова, при 1300° С с увеличением в шлаке за­ киси железа с 27 до 34% электропроводность шлака повышается в 2,8 раза.

Кремнезем же, наоборот, резко понижает электропроводность шлаков, особенно при высоких концентрациях. При 1400° С увели­

температуре увеличение в шлаке содержания окиси магния с 11 до 15% повышает электропроводность в 1,6 раза. С ростом содержа­ ния MgO с 15 до 24% электропроводность шлака снижается на 25%. Содержание окиси кальция в пределах 2,6—5,0% снижает электро­ проводность шлака, дальнейшее повышение содержания окиси каль­ ция увеличивает ее. Независимо от состава шлака, его удельная электропроводность с ростом температуры резко повышается. При­ чину влияния химического состава шлака на его электропровод­ ность объясняет электролитическая теория расплавленных шлаков.

Электропроводность шлака оказывает решающее влияние на электрический режим работы печи. При постоянном фазовом на­ пряжении, если изменяется электропроводность шлака, необходимо изменять глубину погружения электродов в расплав. При повышении электропроводности шлака (сильно железистые шлаки), согласно закону Ома (/ = U/R), возрастает сила фазового тока, так как умень­ шается сопротивление шлакового слоя. Для сохранения заданной мощности печи приходится уменьшать глубину погружения элек­ тродов в шлак (гл. VII, § 24). При снижении электропроводности (кислые шлаки) происходит противоположное явление: возрастает сопротивление шлака, снижается сила тока. Для сохранения преж­ ней мощности печи увеличивают глубину погружения электродов

врасплав и тем самым снижают сопротивление шлакового слоя.

Сизменением глубины погружения электрода перераспределяется тепло, выделяемое в контакте электрод—шлак в шлаковом расплаве, что сказывается на энергетическом состоянии ванны печи и величине проплава. Для поддержания нормальной мощности печи и оптималь­ ного погружения электродов в расплав при значительном изменении электропроводности шлака изменяют ступени напряжения трансфор­ матора (гл. VII, § 24).

Для хорошего отделения штейна от шлака необходимо, чтобы шлак обладал возможно меньшей плотностью. Чем меньше плотность