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

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.

Участки печи, не имеющие собственных тепловыделений, снаб­ жаются теплом благодаря теплообмену в ванне печи, который про­ исходит в основном в результате конвекционного движения шлака, переносящего тепловую энергию из горячих зон в более холодные.

Конвекция шлака возникает в результате неравноценности в теп­ ловом отношении различных участков шлаковой ванны. Как уже

о

0,5 -

М % УроОень Ванны

О

Рис. 14. Распределение напряжения (%), тока и объемной мощности [в относительных объем­ ных единицах (о/е)] в вертикально-поперечном сечении ванны с учетом погружения шихты в расплав и формы рабочего конца электрода:

отмечалось, максимальное количество тепла выделяется в области контактов электрод—шлак. В этих участках слой шлака, прилегаю­ щий к поверхности электродов, сильно перегрет. Плотность пере­ гретого шлака значительно уменьшается, так как увеличивается объем многочисленных газовых пузырьков, растворенных в расплав­ ленном шлаке. Поэтому возникает разница в плотностях шлака в слоях, прилегающих к поверхности электрода и отдаленных от него участках ванны. Более легкие массы перегретого шлака непрерывно ■

50

всплывают около электродов на поверхность и растекаются по зер­ калу ванны во все стороны от электрода (рис. 15). Встречая на своем пути откосы плавающей шихты, потоки перегретого шлака отдают им избыток своего тепла и расплавляют шихту на поверхности кучи, погруженной в ванну. Потоки шлака, смешиваясь с холодным рас­ плавом шихты, опускаются в нижние глубинные слои ванны.

Д. А. Диомидовский, изучая вопросы конвекционного теплооб­ мена в лабораторной электропечи, показал, что на уровне концов электродов одна часть нисходящих потоков шлака разворачивается

- Д - О

ч т

к электродам, дойдя до них, перегревается в контактной зоне элек­ трод—шлак и вновь поднимается на поверхность ванны. Другая часть охлажденного шлака, смешанного с расплавленной порцией шихты, опускается в нижние слои ванны, где конвекция выражена очень слабо. Здесь происходит разделение штейна и шлака.

Таким образом, в верхней части шлаковой ванны, равной величине погружения электрода, непрерывно циркулирует шлак по замкну­ тым траекториям (см. рис. 15). Линейная скорость движения шлако­ вого потока составляет 1—2 м/с. Нижний, подэлектродный слой шла­ ковой ванны можно считать застойным, так как он почти не участвует в конвекционном движении, особенно, если ванна очень глубока.

Потоки горячего шлака по мере движения от электродов отдают избыток своего тепла более холодным частям ванны и тем самым поддерживают их тепловой баланс. Участки печи, в которые посту­ пает мало горячего шлака или он сильно охлажден, испытывают недостаток тепла (углы печи, удаленная поверхность стен). В них происходит образование настылей.

Таким образом, конвекционное движение шлака — важнейший рабочий процесс в электропечах: оно обеспечивает теплообмен в ванне и плавление шихты. Согласно Д. А. Диомидовскому, активное плавление шихты происходит в слое ванны, измеряемом глубиной погружения электродов, т. е. в зоне, где имеется энергичная цирку­