Объединительная электропечь — технологическое долголетие
09.02.2009 14:05
Основной причиной долголетия обеднительных шлаковых электропечей является простота конструкции и надежность работы этих печей при удовлетворительных показателях обеднения шлака и экологической безопасности технологии. Недостатком обеднительных электропечей является усиленное настылеобразование на подине печи, снижающее показатели обеднения шлака и затрудняющее эксплуатацию печи. Именно этот недостаток в первую очередь устраняется применением постоянного тока с поляризацией донной фазы практически без изменения конструкции печи и условий эксплуатации.
При оценке роли и значения обеднительных шлаковых электропечей (ОШЭП), в частности в металлургии тяжелых цветных металлов, обращает внимание прежде всего «живучесть» этого типа печей в течение длительного времени практически без изменения конструкции и условий эксплуатации, притом что основное технологическое оборудование, от которого шлаки поступают на обеднение, все время многократно совершенствовалось и видоизменялось.
Основной причиной долголетия ОШЭП, с нашей точки зрения, является простота конструкции и надежность работы этих печей при удовлетворительных показателях обеднения шлака и экологической безопасности технологии. Интенсификация процесса обеднения с помощью, например, барботажной технологии представляется в данном случае необоснованно усложненной и избыточной. При сопоставлении затрат на электроснабжение ОШЭП и газоочистку при барботажной технологии следует учитывать неоспоримое преимущество ОШЭП с точки зрения экологической безопасности, обусловленное малым количеством отходящих газов.
Действительным недостатком ОШЭП является усиленное настылеобразование на подине печи, снижающее показатели обеднения шлака и затрудняющее эксплуатацию печи. Именно этот недостаток в первую очередь устраняется применением постоянного тока с поляризацией донной фазы (ПДФ) практически без изменения конструкции печи и условий эксплуатации. Шлаки цветной металлургии во многих случаях содержат значительное количество ценных металлов. Для их извлечения шлак направляют на дальнейшую переработку, которая в промышленных условиях до последнего времени осуществляется в обеднительных электропечах или отстойниках переменного тока.
При больших объемах переработки твердых (лежалых) отвальных шлаков с целью доизвлечения из них ценных компонентов, очевидно, целесообразно плавку осуществлять в высокопроизводительных печах типа ПВ, Ausmelt и т. п., а полученные при этом жидкие шлаки обеднять в электропечах. Механизм извлечения металлов из жидких шлаков при их обеднении в электропечи заключается в следующем. В обеднительную электропечь заливают перегретый шлак и загружают твердый восстановитель (коксик, антрацитовый штыб, клинкер и др.).
Ценные металлы или сульфиды металлов, находящиеся в шлаке, нагреваются и отстаиваются, а оксиды ценных металлов частично восстанавливаются углеродом восстановителя. В тех случаях, когда необходим лишь отстой шлака для осаждения механической взвеси ценных компонентов, а восстановление оксидов металлов не требуется, процесс осуществляется в электроотстойниках без подачи восстановителя. Расплав сульфидов металлов (штейн) или ценные металлы вследствие разности в плотностях шлака, штейна и металла скапливаются на подине в виде сплошного слоя — донной фазы, обладающей металлической электрической проводимостью. Если оксидов железа в шлаке больше, чем оксидов ценных цветных металлов, то в обеднительных печах преимущественно восстанавливаются оксиды железа. В результате образуется тугоплавкий металлический сплав, состоящий в основном из железа. Этот сплав, имеющий высокую температуру плавления, намерзает на подине печи в виде настылей. При этом возникают осложнения при выпуске из печи штейна или других продуктов плавки, так как настыль преграждает доступ расплава к шпуровым отверстиям.
В результате производительность печи снижается, и эксплуатация ее становится затруднительной. При наличии штейна в печи металлический сплав растворяется в штейне и образуется металлизированный штейн, что способствует уменьшению намерзания металлического сплава в виде настылей на подине печи. Однако во избежание осаждения металлического железа на подину требуется, чтобы температура штейна была не ниже 1200°C. Настыль в печи может образовываться и при малых содержаниях железа в шлаке в результате намерзания ценных металлов и самого шлака на переохлажденной подине. Таким образом, во всех случаях для исключения избыточного настылеобразования на подине параметры печи должны обеспечивать достаточный прогрев нижних слоев шлака и донной фазы.
Однако эта задача оказывается не такой простой, как может показаться на первый взгляд. Дело в том, что особенностью обеднительных электропечей и отстойников является относительно низкая удельная мощность на 1 м2 пода, что связано с пониженным удельным расходом электроэнергии при переработке жидких шлаков и достаточно большими габаритами установки из-за необходимости обеспечения требуемого времени пребывания шлака в печи и размещения электродов в рабочем пространстве. Причем диаметр электродов вынужденно завышается именно в целях предотвращения чрезмерного настылеобразования. Действительно, достаточного нагрева донных слоев расплава можно достигнуть лишь при значительном приближении рабочих концов электродов к подине, т. е. при глубоком погружении электродов в шлак. Поскольку обедняемые шлаки отличаются высоким содержанием в них металлов и, следовательно, относительно большой удельной электрической проводимостью, то при глубоком погружении электродов в шлак и прочих равных условиях (геометрических размерах, заданных мощности и производительности печи) электрическое сопротивление ванны оказывается существенно уменьшенным, а ток — увеличенным. Это приводит к необходимости увеличивать пропускную способность токоведущих элементов, включая увеличение диаметра электродов и, соответственно, габаритов печи, что приводит к уменьшению удельной мощности на 1 м2 пода и, следовательно, способствует настылеобразованию.
Таким образом, усиленное настылеобразование представляется неотъемлемым свойством рассматриваемых печей. В то же время шлаковая электропечь является практически единственным отстойным аппаратом, позволяющим одновременно создать условия для отстоя шлака и наиболее эффективного нагрева подины путем погружения электродов в шлаковый расплав. Создается своего рода порочный круг, из которого в условиях эксплуатации промышленных электропечей переменного тока полностью выйти не удается.
Частичное решение этой задачи заключается в углублении электродов в расплав путем снижения напряжения и увеличения тока в эксплуатируемых печах переменного тока без изменения их мощности, габаритов и диаметра электродов, если при этом повышение плотности тока в электродах оказывается в допустимых пределах. Расчет основных параметров в этом случае изложен в работе. Примером такого решения является осуществленная по предложению и под руководством автора реконструкция электропечного агрегата опытно-промышленной установки для переработки шлака Кировградского медеплавильного комбината.
В результате реконструкции в соответствии с выполненным расчетом проблема выпуска продуктов
плавки из печи в связи с избыточным настылеобразованием была снята. Однако и в этих условиях выявился ряд затруднений, связанных с неравномерным распределением настыли по площади подины, что вызвано спецификой эксплуатации промышленных электропечей переменного тока. Решение этой задачи в значительной мере связано с возможностью управлять распределением концентраций электрических, температурных и скоростных полей в объеме ванны расплава. В промышленных печах переменного тока эта возможность ограничена требованием симметрии токов в трехфазной системе электроснабжения. Вопрос снимается при переходе на постоянный ток, так как при любой несимметрии на стороне выпрямленного тока сохраняется симметрия на стороне трехфазного переменного тока.
В печах переменного тока для размыва настылей приходится значительно приближать электроды к подине печи, при этом зона растекания тока от электродов к донной фазе укорачивается и сужается, что приводит к неравномерному размыву настыли: интенсивному под электродами и менее интенсивному в остальных зонах. При определенных условиях это может привести к разъеданию самой подины под электродами и вместе с тем не устранить затруднений с выпуском донной фазы из печи. Задача заключается в том, чтобы, с одной стороны, обеспечить протекание тока преимущественно между электродами и донной фазой (металлом, штейном), а не между электродами — для того, чтобы сместить по возможности зоны выделения джоулева тепла ближе к подине и, с другой стороны, удалить концы электродов от подины для удлинения и расширения зон растекания тока, чтобы выровнять поверхность подовой настыли. Эти, на первый взгляд, противоречивые требования, действительно практически не реализуемые в промышленных печах переменного тока, могут быть выполнены в печах постоянного тока с поляризацией донной фазы.
Из теории, подтвержденной лабораторными экспериментами, известно, что при протекании постоянного тока через шлаковый расплав в результате электролиза достигается положительный эффект извлечения металлов из шлака. Однако применительно к электротехнологическим процессам металлургии тяжелых цветных металлов попытки воспроизвести этот эффект в укрупненном масштабе до последнего времени не удавались: заметного обеднения шлака не происходило, причем длительной работе электропечи препятствовало значительное зарастание рабочего пространства печи подовыми настылями. Проведенный анализ показал, что при укрупнении масштаба существенно изменялась схема ввода электроэнергии в шлаковый расплав. В лабораторных опытах положительные результаты были получены при токоподводе с помощью подового электрода, тогда как в укрупненных установках аналогичная конструкция не применялась. Причины этого являются общими для электропечей переменного и постоянного тока и представляют значительный интерес, так как связанная с ними проблема имеет принципиальное значение в электрометаллургии тяжелых цветных металлов.
Целесообразная с точки зрения рационального распределения вводимой мощности схема с подовым электродом не получила распространения в отрасли в связи с трудностью обеспечения длительной надежной работы электропроводящей графитовой (угольной) подины и контактного узла токоподвода к ней в отсутствие защитной настыли на подине при наличии высокотемпературной жидкотекучей и агрессивной донной фазы (штейна, металла), вызывающей быстрый выход из строя токоподвода. Поэтому по общепринятой схеме электроэнергия вводится в ванну через верхние электроды, углубленные в шлаковый расплав. При этом, как показано выше, проявляется другая крайность — возникает проблема избыточного настылеобразования на подине, препятствующего нормальной эксплуатации печи.
Проблема полностью решается с помощью рудно-термической шлаковой электропечи постоянного тока с поляризацией донной фазы (печи ПДФ). В этой печи графитированные или самоспекающиеся электроды объединены в разнополярные группы, одна из которых погружена в жидкометаллическую донную фазу, а другая — в шлаковый расплав. Это позволяет:
— осуществить идею подового электрода, не нарушая уплотняющей защитной настыли, но исключая ее избыточное образование на подине;
— сконцентрировать выделение мощности, вводимой в печь, преимущественно вблизи электродов, погруженных в шлак, что создает условия для местного перегрева шлакового расплава, способствующего интенсивной отгонке летучих компонентов шлака (цинка, свинца и т. п.) при неизменности температур на периферии расплава и, следовательно, без снижения стойкости футеровки;
— при катодной поляризации донной фазы в прианодных областях совместить зоны местного перегрева и естественного барботажа, возникающего за счет образования оксида углерода в результате электролиза, что дополнительно интенсифицирует восстановление металлов и возгонку летучих.
В этих условиях представляется весьма вероятным, что удачная по простоте и надежности конструкция ОШЭП будет еще долго востребована промышленностью, служа примером полезного технологического долголетия.