книги / Электротермия в металлургии меди, свинца и цинка
..pdfговой 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
ше факторов переносится на |
так |
называемые |
«постоянные |
коэффициенты» (для данного |
типа |
производства), |
которые, в |
частности для печей с большой |
глубиной шлаковой ванны, по сво |
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
нейшие процессы многошлаковых рудоплавильных электропе чей— конвективный теплообмен при интенсивном массообмене (плавлении, возгонке и т. п.) и гидродинамика расплава в связи
сестественной конвекцией и электродинамическими силами.
Впоследнее время [234—237] проводится работа по м а тем а тическому описанию и разработке основ точного и приближен
ного моделирования печей с глубокой шлаковой ванной.
Ниже приводится пример расчета осно'вных параметров руд нотермических шлаковых печей для свинцовой плавки по методу Д. А. Диомидовского [212], основанному на сочетании эмпири ческих и теоретических положений, и по эмпирическому методу Андре и Маркрамера, предложенному Б. В. Парфановичем [233].
Электротехнические соотношения, положенные в основу ме тода Андре и Маркрамера, детально рассмотрены в работах
Г.Ф. Платонова [228, 229].
Металлургический и тепловой расчеты показали, что для
плавки агломерата, содержащего 2% Си, 36% РЬ и 7,5% Zn, в количестве 75 г в сутки удельный расход электроэнергии состав ляет 600 квт-ч/т шихты.
Мощность печных трансформаторов определяется по формуле
|
|
24 cos 9 KiK2 |
’ |
|
где |
Р — мощность печного трансформатора, ква; |
|||
|
А — производительность печи, |
т/сутки-, |
||
|
w — удельный расход электроэнергии, квт-ч/т; |
|||
cos <р — коэффициент мощности установки; |
||||
К\, |
Аг— коэффициенты |
иопользования и нагрузки транс- |
||
|
форматоров. |
|
|
|
Приняв cos ф = 0,9; Ai = 0,975; А<> = 0,96, получим |
||||
|
______ 75 - 600 |
= |
2400 ква. |
|
|
Р = |
|
||
|
2 4 - 0 , 9 0,975 -0,96 |
|
|
Задавшись ориентировочно минимальным линейным рабочим напряжением «а клеммах трансформатора 80 в и максимальным 130 в, определяем силу тока для трехэлектродной печи при ус ловии сохранения мощности на всех ступенях напряжения транс форматора:
/ u O V ( * |
2400 |
1000 |
= |
17 340 |
а; |
|
|
3 |
- |
80 |
|
|
|
|
2400 |
• |
1000 |
= |
11 627 |
а. |
|
3 • |
|
130 |
|
|
|
Приняв для угольных электродов на основании опытных дан ных допустимую плотность тока Д = 5 а/см2, находим диаметр электродов
D = |
4 |
17 340 |
|
| / т Ь / 3 - 14 - 5 |
= 6 6 С М . |
Округляя в большую сторону, принимаем диаметр электрода
D = 70 см.
Далее, на основании данных Д. А. Диомидовского, получен ных моделированием электрических полей в ванне печи и учиты вающих размеры зон активных тепловыделений и размещения твердой шихты, принимаем для прямоугольной печи расстояние
между осями |
электродов |
I = 3D = 210 |
см. |
Ширина |
рабочего |
|
пространства |
В = бЬ = 420 см. Длина |
рабочего пространства |
||||
L = |
12D = 840 см. Таким |
образом, основные |
параметры печи |
|||
определены. |
|
|
|
|
|
|
По Б. В. Парфановичу, полезная мощность на один электрод |
||||||
где |
Р — мощность, определяемая по формуле (1); |
|
||||
|
п — число электродов; |
|
|
|
||
|
г] — электрический к. п. д. электропечной установки, учиты |
|||||
|
вающий потери в короткой сети, контакте |
электродо- |
||||
|
держатель — электрод и электроде. |
|
|
|||
|
Приняв т] =0,96 и cos |
ф = 0,9, получим |
|
|
||
|
|
р э |
. 0,96 • 0,9 = |
691,2 |
кет. |
|
3 Далее определяем диаметр электрода по формуле
(2)
где Рэ— мощность, вт\ Ар — так называемая средняя плотность энергии на электро
де; эмпирическая величина, определяемая как отноше ние полезной мощности на один электрод к поверхно сти полушара, диаметр которого равен диаметру электрода; она считается постоянной для печей данной технологии и составляет, по практическим данным, для свинцовоплавильных печей 75 вт/см2.
Затем определяется омическое сопротивление ванны, отне сенное к одному электроду по формуле
Р
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
R = — |
= 0,0067 ом. |
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:
d = 1,126 ] / Т |
С М , |
|
|
где w — средняя плотность энергии |
плавильного горна, также |
||
считается постоянной для печей |
данной |
технологии; |
|
она определяется из практических данных как отноше |
|||
ние полезной мощности на один электрод |
к площади |
||
круга, характеризующего размер зоны, в которой про |
|||
исходит плавление. |
|
|
|
По Б. В. Парфановичу, w = 20 вт/см. |
|
|
|
Получим |
|
|
|
d = l , 1 2 6 l / 69j;2 • 10°2. = |
205 см. |
|
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
печи R обратно пропорционально одному |
из размеров печи — |
диаметру электрода D, а это возможно |
лишь при соблюдении |
геометрического подобия всей ванны печи, по которой проходит
электрический ток. |
Смысл этого положения становится ясным |
||
из анализа простейшего выражения для |
сопротивления линей |
||
ного проводника |
|
|
|
где р |
— удельное |
электрическое сопротивление; |
|
/ |
— длина проводника; |
проводника. |
|
S |
— площадь |
поперечного сечения |
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
кинетической |
областях. Затем |
рассчитывают удельный расход |
электроэнергии и мощность |
трансформатора в соответствии |
|
с заданной |
производительностью печи и, наконец, определяют |
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.
Ток подавался двумя угольными |
электродами |
диаметром |
|
300 мм. |
|
|
|
Шихта содержала 5,1% Си, 28,5% Fe, 7,6% Мп, 4,1% S, |
|||
27,7% Si02, 4% |
А120з, 7,3% СаО. При плавке 1 т/час получили |
||
медный штейн, |
содержащий около |
48% Си, 24% |
Fe, 23% S, |
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—
62% Si02, 9—20% А120 з, |
12—18% СаО, |
4—14% MgO, |
1— |
|||||
5% FeO, 1—2% MnO, 0,2—0,4% Си и 0,2—0,7% Со. |
Си, |
1— |
||||||
Получавшаяся черновая |
медь |
содержала 65—94% |
||||||
23% Fe |
и 1 —11% Со. |
Расход |
энергии |
был |
равен |
1000— |
||
1200 квт-ч/т руды при расходе электродов около 9 кг/т руды. |
||||||||
Лайон и Кини [238] в 1915 г. провели |
плавку |
медных |
кон |
|||||
центратов, содержавших |
10—35% |
Си. |
с 97% |
Si02, гематит |
||||
В качестве флюсов применяли |
кварц |
|||||||
с 52% Fe и известь с 63% СаО. |
|
различных |
флюсов |
|||||
Была |
исследована плавка с добавкой |
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
ты проводили |
на печи мощностью 900 ква. |
|
В отличие |
от своих предшественников, Вестли |
вел плавку |
с электродами, погруженными в шлак, и методами, |
аналогич |
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
чески управляемая загрузочная тележка; 3 |
— загрузочный бункер с подводящей трубой; 4 — электроды; 5 — токовые |
|||||
шнны; 6 — однофазный трансформатор; |
б |
— схема печи; |
7 — газоход; 8 — железный кожух; 9 |
— выпускные жело |
||
ба |
для медного |
штейна; 10 — ковш для |
медного штейна; |
И — фундамент печи; 12 — шлаковые |
отверстия и желоба; |
|
13 |
- загрузка |
оборотных продуктов; |
|
14 — масляный выключатель; 15 — щит с приборами |
для обслуживания |
|
|
|
|
|
|
печи |
|
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
часть цинка выделяется в первой половине процесса |
и значи |
|
тельно |
меньшая часть — во второй половине. Причем |
в этот |
второй |
период требуется наибольшая термическая |
нагрузка |
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