Электротермия в металлургии меди свинца и цинка

говой разряд отсутствует. По Д. А. Диомидовскому, как уже от­ мечено выше, в печи имеется специфический дуговой разряд, осцилогра'ммы которого могут быть и не характерными для обычного дугового разряда.

Г Ф. Платонов исследовал электрическое поле в ванне печи при отсутствии дугового разряда на установке, аналогичной мо­ дели Диомидовского, и показал, что зона активного тепловыде­ ления я этом случае несколько меньше, чем по Д. А. Диомидов­ скому: размеры ее достигают 1,1—1,4 диаметра электрода от его оси. По Г Ф. Платонову, увеличение расстояния между элект­ родами сверх 1,1—1,4 диаметров электродов <не приводит к су­ щественному изменению сопротивления печи, которое в основном зависит от глубины погружения электродов в шлак, диаметра электродов и высоты шлаковой ванны. Нагрузка по схеме «звез­ да» в 3—5 раз больше, чем по схеме «треугольник», тогда как из работы Диомидовского следует, что они примерно равны. Следует отметить, что в указанных исследованиях при опреде­ лении соотношения токов «звезды» и «треугольника» имеется принципиальное различие методологического характера, причем исходные положения в том и другом случае недостаточно тео­ ретически обоснованы.

Температурные поля, закономерности плавления шихты и влияние способа загрузки на электрическое сопротивление ван­ ны Г. Ф. Платоновым не исследовались.

Приведенные данные показывают, что изучение закономер­ ностей шлаковой электроплавки находится еще в начальной ста­ дии. Это объясняется сравнительной новизной этого процесса, сложностью тепловых, электромагнитных, гидродинамических и массообменных процессов, протекающих в печи, а также чрез­ вычайной трудностью проведения экспериментов в промышлен­ ных условиях. Вместе с тем необходимость углубленного изуче­ ния этих процессов очевидна, так как до настоящего времени надежного метода расчета основных параметров электропечей (напряжения на электродах, геометрических размеров электро­ дов, величины заглубления их в шлак, размеров рабочего про­ странства печи) не существует.

В предложенных различными авторами [233] полуэмпирических методах расчета, основанных на элементарных электротех­ нических соотношениях, вся трудность учета перечисленных вы­

ему физическому смыслу, вероятно, не являются постоянными и которые следовало бы назвать «коэффициентами незнания». Это в особенности относится к определению размеров рабочего про­ странства печи, при котором не принимаются во внимание важ­

где р — среднее удельное сопротивление плавильного горна — величина, определяемая как произведение сопротивле­ ния печи R на я и диаметр электрода D; р — считается •постоянной для печей данной технологии и определяет­ ся из опыта их работы. По Б. В. Парфановичу, р = = 1,6 ом • см.

Тогда

3,14-75

Полезное напряжение между электродом и подиной опреде­ ляется по формуле

Un = V R P d = /0,0067.691,2 • 1000 = 67 в.

Затем, оценив ориентировочно индуктивное сопротивление на один электрод х = 2- 10“3 ом, а г\ = 0,96, определим линейное напряжение на зажимах трансформатора

= 128 в.

“ '■73/ Ш Ч ш 7 2 - 10'

Размеры рабочего пространства печи определяются разме­ рами плавильного горна, диаметр которого рассчитывают из выражения:

У20

Для прямоугольных печей шлакового процесса с электродами, расположенными в линию, распад электродов I = d = 205 см. Ширина рабочего пространства В = 1,8 d = 1,8- 205 ~ 379 см.

Таким образом, для рассматриваемого примера результаты расчетов по Д. А. Диомидовскому и Б. В. Парфановичу близки между собой. Вместе с тем следует отметить, что напряжение,

которое, по Д. А. Диомидовскому, не является величиной строго определенной, а выбирается в известной мере произвольно, по Б. В. Парфановичу — величина вполне определенная для печей данной технологии и определяется мощностью печных транс­ форматоров, размерами печи, свойствами шихты и характери­ стикой короткой сети.

Однако эта определенность в то же время свидетельствует об ограниченности метода. Постоянство эмпирических расчетных величин р, ДР, w для печей данной технологии объясняется тем, что в основу всего эмпирического метода Андре и Маркрамера положено условие геометрического подобия печей.

Рассмотрим выражение (3). При р = const сопротивление

геометрического подобия всей ванны печи, по которой проходит

Только в том случае, если все размеры изменяются пропорцио­ нально, R будет обратно пропорционально линейному размеру.

Поскольку тепловой поток, необходимый для плавления шихты и приходящийся на единицу поверхности границы плав­ ления, должен оставаться неизменным для печей данной техно-* логии, постоянство АР и w по определению прямо означает не­ обходимость соблюдения геометрического подобия печей.

Таким образом, приведенный эмпирический метод Б. В. Парфановича не позволяет рассчитать печь новой технологии или печь с произвольно выбранным соотношением геометрических

размеров.

Оба метода не позволяют определить оптимальные геомет­ рические и электрические параметры с точки зрения интенси­ фикации процесса, его экономичности и увеличения продолжи­ тельности межремонтных кампаний печи.

Для получения такого, более совершенного метода расчета необходимо определить комплекс физических факторов, суще­ ственных для процесса, соответствующий максимально дости­ жимой скорости физико-химических реакций в диффузионной и

геометрические и электрические параметры установки, способ загрузки шихты, напряжение и материал футеровки, соответст­ вующие определенному раньше комплексу физических факторов.

Для уточнения существующих методов расчета необходимо определить количественную зависимость сопротивления печи от всех геометрических параметров рабочего объема и физических свойств расплава, а также распределение температур, скоро­ стей и падений напряжения в ванне печи в зависимости от гео­ метрических и электрических параметров.

Все перечисленные переменные связаны сложной зависи­ мостью, которая может быть выражена только системой интег- ро-дифференциальных уравнений, аналитическое решение кото­ рой в настоящее время практически невозможно.

Это решение можно получить экспериментальным путем, ис­ пользуя методы подобия и моделирования.

Как указывалось выше, работы в этом направлении ведутся, и хотя они еще не завершены, но полученные результаты обна­ деживающие. Можно полагать, что на основе разработанных методов моделирования появится возможность рассчитать зави­ симость электрического сопротивления от геометрических пара­ метров печи при неравномерном температурном поле и более обоснованно выбирать размеры печи.

Это позволит усовершенствовать метод расчета Д. А. Диомидовского, остающийся пока единственным методом расчета пе­ чей для новой технологии электроплавки.

Глава III

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ МЕДНЫХ И ЦИНКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ

1.ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ МЕДНЫХ РУД

В1903 г. Ватье [238] около г. Гренобля (Франция) начал

опыты в прямоугольной печи размером 1,75 X 1,90 м и высотой 0,9 м.

и шлак, содержащий 27% Si02, 42% FeO, 10% MnO, 5% А120з, 10% СаО и 0,1% Си. Расход энергии составил 500 квт-ч на 1 г шихты.

Шиловский [239] в 1912 г. пытался в лабораторном масшта­ бе получить из смеси обожженной и необожженной руды ме­ таллическую медь в результате взаимодействия между окисью меди и ее сульфидом. Получалась смесь штейна и очень грязной черной меди, причем в штейн переходило 85%, а в черновую медь 10% Си.

Волков [240] в 19Ю г. в лабораторной печи плавил руду, со­ державшую около 8% Си, 6% Fe2C>3, 7% А120з, 12% СаО, 6% MgO и 3% S. Он получил шлак с 0,15% и штейн с 61% Си.

В период с 1908 по 1912 г. [241] в Савойе (Франция) в печи мощностью 200 кет проводили исследования по плавке окислен­ ных медных рУд Конго, содержавших 28—79% Si02, 4— 13% А120 з, 4—16% Fe20 3, 1% СаО. 2—18% MgO, 6—21% CuO. 2—7% СоО, до 0,1% S, 2—10% кристаллизационной и 7—32%

свободной водыПлавку вели с добавкой 25% восстановителя, в качестве ко­

торого использовали древесный уголь, кокс и антрацит. В со­ ответствии с сильно колеблющимся составом руды и шлаки по­ лучались весьма переменного состава — с содержанием 48—

и без них. Соответственно различным условиям плавки получа­ лись и резко отличные результаты. Так, черновая медь содер­ жала от 84% Си и 16% Fe до 99,5% Си и 0,3% Fe, а шлак со­ держал от 0,52 до 1,91% Си. Лучшие результаты были получе­ ны при шлаке, содержавшем 35% Si02, 22% СаО + MgO и 25% FeO.

Все описанные опыты не привели к промышленному осу­ ществлению процесса электроплавки медных концентратов.

Внедрение этого процесса было осуществлено норвежским металлургом Йенсом Вестли [242—244].

Вестли начал опыты по электроплавке концентрата в 1912 г. в однофазной печи мощностью 100 кет с двумя верхними элек­ тродами. В последующем он применил трехфазный ток и по­ строил печи с тремя электродами, расположенными в ряд или по треугольнику, иногда с четвертым вспомогательным электро­ дом, а некоторые с шестью электродами, подключенными к трем однофазным трансформаторам.

С 1916 по 1919 г. в эксплуатации находились круглая печь мощностью 300 ква и прямоугольная 600 ква. Последующие опы­

ными отражательной плавке, — с непрерывной загрузкой шихты на откосы.

Полученные результаты позволили спроектировать и при­ ступить к строительству печи мощностью 3000 ква. Эта печь была достроена только через 10 лет — в 1928 г., в ней плавили флотационные концентраты, содержащие 20% Си. При этом впервые были применены самоспекающиеся электроды, кото­ рые в значительной мере позволили более широко внедрить электроплавку.

В 1935 г. в Иматре компания Оутокумпу построила печь мощностью 9000 ква для переработки медных концентратов.

Печь была круглой формы (рис. 50) и электроды в ней были расположены по углам равностороннего треугольника [245,

а — общая схема установки: 1 — лебедка для подъема и опускания самоспекающихся электродов; 2 — автомати­

246]. Перерабатывалась смесь обожженного и необожженного концентратов. Печь эксплуатировалась с 1936 до 1944 г.

В период второй мировой войны завод был эвакуирован из Иматры в Харьявалту и эксплуатировался там с 1945 до 1951 г. В 1951 г. в связи с переходом на плавку во взвешенном состоя­ нии электроплавка была прекращена.

2.ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИИ ЦИНКА

В1885 г. братья Коулс предложили обогревать обычную го­ ризонтальную реторту, пропуская через шихту электрический ток. Реторту дополнительно теплоизолировали. Сзади реторта закрывалась угольной пластиной, а другой ее конец прикры­ вался графитовым тиглем, имевшим отверстие, соединяющее его

сретортой, и служившим конденсатором. К' пластине и тиглю присоединялись шины от генератора. Шихта, состоявшая из окисленной цинковой руды, перемешанной с кусками графита, служила телом сопротивления для электрического тока. Выде­ ляющиеся пары цинка конденсировались в тигле, а газы выво­ дились наружу.

По мере протекания процесса количество присутствующего в шихте графита непрерывно уменьшалось и процесс прерывал­ ся. Таким образом, хорошая идея, не нашедшая правильного аппаратурного оформления, не была реализована. Эта идея впоследствии была использована при разработке процесса ди­ стилляции цинка в шахтных электропечах.

Из практики дистилляционных печей известно, что большая

реторты.

Исходя из этого был предложен ряд процессов, предусма­ тривающих подогрев твердой шихты в первой стадии и расплав ление — во второй.

Дорземаген [247] пытался объединить получение цинка и кар­ бида кремния. Процесс оказался технически выполнимым, но экономически не мог конкурировать с раздельным получением этих продуктов и не нашел применения.

В 1900 г. Стансфильд [248] проводил опыты по расплавле­ нию в электропечи смешанных руд Брокен-Хилл с целью пред­ варительной отгонки и извлечения свинца и благородных ме­ таллов. Печь его конструкции не нашла практического приме­ нения.

Сальгью [249], который первый понял значение предвари­ тельного восстановления перед плавкой, предложил ряд конст­ рукций, предусматривающих получение окиси цинка, а не ме­