Научная статья на тему 'Исследование режима трансформации электрической энергии в тепловую в ванне печи при электротермической выплавке ферросилиция из клинкера вельцевания ачисайской руды'

Исследование режима трансформации электрической энергии в тепловую в ванне печи при электротермической выплавке ферросилиция из клинкера вельцевания ачисайской руды Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
173
36
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КЛИНКЕР ВЕЛЬЦЕВАНИЯ / ФЕРРОСИЛИЦИЙ / ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ / ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ / ДУГОВОЙ РЕЖИМ / РЕЖИМ ТРАНСФОРМАЦИИ / ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ / ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКАЯ ПЛАВКА / WAELZ CLINKER / FERROSILICON / ELECTRIC ENERGY / THERMAL ENERGY / TRANSFORMATION VIEW / CURRENT-VOLTAGE CHARACTERISTICS / ELECTROTHERMAL MELTING / ARC VIEW

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Колесников Александр Сергеевич, Капсалямов Бауыржан Ауесханович

Актуальность работы обусловлена необходимостью переработки техногенного сырья, в частности отхода вельцевания цинксодержащих материалов клинкера, с целью вовлечения его в техно-логический цикл получения ферросилиция марок ФС20 и ФС25 и коллективных свинцово-цинковых возгонов. В связи с этим важной характеристикой переработки рудного или техногенного сырья электроплавкой является оптимальный тип электрического режима (дуговой, сопротивления, смешанный), обеспечивающий максимальный выход продукта с минимальными экономическими показателями. Цель работы определение типа электрического режима и влияние его на технологические показатели плавки клинкера вельцевания. Основные экспериментальные данные получены с привлечением современных методов физико-химического анализа, в частности химико-аналитических методов и методом осциллографирования. В результате исследований выяснено, что электроплавка клинкера вельцевания на ферросилиций характеризуется наличием дугового разряда, в котором выделяется 22,7 % подводимой к печи мощности, при этом основная часть энергии (75 %) выделяется в расплаве.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Колесников Александр Сергеевич, Капсалямов Бауыржан Ауесханович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The relevance of the research is conditioned by the necessity of processing technogenic raw materials, in particular waelz waste of zinc-containing materials clinker, for involving technogenic raw materials into technological cycle of producing a ferrosilicon brands FS20 and FS25 and collective lead-zinc sublimates. In this regard, the important characteristic of processing ore or technogenic raw materials by electric melting is the optimal type of electric mode (arc, resistance, mixed), providing the maximum output with minimum economic indicators. The main aim of the study is to determine the type of electric mode and its influence on technological parameters of waelz clinker melting. The methods used in the study. Basic experimental data are obtained by using modern methods of physical-chemical analysis, in particular chemical analytical methods and method oscilloscope. The results. Electric melting of waelz clinker on ferrosilicon is characterized by the presence of an arc discharge, which allocates 22,7 % of capacity supplied to the furnace, the major part of energy (75 %) is allocated in the melt.

Текст научной работы на тему «Исследование режима трансформации электрической энергии в тепловую в ванне печи при электротермической выплавке ферросилиция из клинкера вельцевания ачисайской руды»

УДК 621.365:621.745.5

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА ТРАНСФОРМАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ В ВАННЕ ПЕЧИ ПРИ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ВЫПЛАВКЕ ФЕРРОСИЛИЦИЯ ИЗ КЛИНКЕРА ВЕЛЬЦЕВАНИЯ АЧИСАЙСКОЙ РУДЫ

А.С. Колесников*, Б.А. Капсалямов

Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова* ТОО «Производственное объединение литейных заводов» E-mail: kas164@yandex.ru

Актуальность работы обусловлена необходимостью переработки техногенного сырья, в частности отхода вельцевания цинксодер-жащих материалов - клинкера, с целью вовлечения его в технологический цикл получения ферросилиция марок ФС20 и ФС25 и коллективных свинцово-цинковых возгонов. В связи с этим важной характеристикой переработки рудного или техногенного сырья электроплавкой является оптимальный тип электрического режима (дуговой, сопротивления, смешанный), обеспечивающий максимальный выход продукта с минимальными экономическими показателями. Цель работы - определение типа электрического режима и влияние его на технологические показатели плавки клинкера вельцевания. Основные экспериментальные данные получены с привлечением современных методов физико-химического анализа, в частности химико-аналитических методов и методом осциллографирования. В результате исследований выяснено, что электроплавка клинкера вельцевания на ферросилиций характеризуется наличием дугового разряда, в котором выделяется 22,7 % подводимой к печи мощности, при этом основная часть энергии (75 %) выделяется в расплаве.

Ключевые слова:

Клинкер вельцевания, ферросилиций, электрическая энергия, тепловая энергия, дуговой режим, режим трансформации, вольт-амперные характеристики, электротермическая плавка.

Анализ тенденции развития минерально-сырьевой базы республики Казахстан показывает снижение содержания металлов в сырье и ухудшение технологических свойств. Практически отсутствуют мономинеральные легкообогатимые руды. Сейчас сырьевая проблема металлургии не может быть решена только на основе переработки природного сырья. Необходимо системное вовлечение в сферу производства техногенного и вторичного сырья независимо от его отраслевой принадлежности и переход от отраслевого сырья к единому технологическому, при переработке которого можно получать не только цветные металлы, но и продукты, относящиеся к черной металлургии, химической отрасли и производству строительных материалов, характеризующихся новыми технологическими свойствами и обладающих добавочной стоимостью. Необходимость такого подхода связана также с тем, что доля минерального сырья в структуре сырьевых источников этих отраслей составляет более 70 % [1]. Исходя из этого к категории единого технологического сырья, способного расширить сырьевую базу для металлургии, можно отнести около 5 млрд т. твердых отходов металлургического передела, накопленных в Казахстане [2], в частности клинкер вельцевания оксидных цинксодержащих руд, который является потенциальным источником получения Zn, Pb и ферросплавов.

При электротермическом способе переработки природного и техногенного сырья важным вопросом является определение типа электрического режима или типа трансформации

Колесников Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент ЮжноКазахстанского государственного университета имени М. Ауэзова. E-mail: kas164@yandex.ru Область научных интересов: металлургия, электротермия, комплексная переработка техногенного и минерального сырья, промышленная экология, нефтегазовое дело. Капсалямов Бауыржан Ау-есханович, д-р техн. наук, доцент, директор по развитию ТОО «Производственное объединение литейных заводов». E-mail: 19575859@rambler.ru Область научных интересов: металлургия, электротермия, комплексная переработка техногенного и минерального сырья, промышленная экология.

электроэнергии в тепловую и влияние ее на технологические показатели получения целевого продукта [3, 4]. Нами для переработки крупнотоннажного отхода вельцевания цинксодержащих материалов - клинкера - предложена его электротермическая переработка с получением ферросилиция и переводом 2п, РЬ в возгоны [5]. Для определения типа электрического режима и влияние его на технологические показатели плавки клинкера вельцевания нами было проведено осциллографирование процесса с использованием осциллографа марки С1-55. Исследования проводились на укрупненной лабораторной печи, схема которой приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки исследования режима электроплавки клинкеров вельцевания Ачисай-ской цинковой руды: 1 - графитированный электрод; 2 - трансформатор ОСУ-80; 3 - тиристор-ный регулятор; 4 - летка; 5 - зонт печи; 6 - хромомагнезитовая футеровка; 7 - кожух печи; 8 -отверстие для вывода газов в систему улавливания возгонов; 9 - углеграфитовая подина; 10 -нижний токоподвод; 11 - отверстие для загрузки шихты; 12 - изложница; 13 -двухлучевой осциллограф С1-55; 14 - эстакада; 15 - замок; 16 - аппарат прожига летки; 17 - механизм перемещения электрода; 18 - крышка; 19 - гибкая часть короткой сети; 20 -медные клинья

Печным агрегатом, в котором происходил процесс переработки клинкеров вельцевания, являлась однофазная электропечь, питающаяся от трансформатора ОСУ-80 (2). Футеровка электропечи - хромомагнезитовая (6), подина углеграфитовая (9). Ванна электропечи имела форму квадрата размером 0,3*0,3 м, Высота ванны электропечи - 0,45 м. Объем ванны -0,0405 м3, площадь пода - 0,09 м2. Футеровка печи и подина были заключены в кожух толщиной 1,3 мм. Пространство между кожухом печи и футеровкой было заполнено листовым асбестом. В верхней части футеровки была установлена крышка из огнеупорного материала (18) с отверстиями: для засыпки шихты (2 отверстия), для ввода электрода и для отвода отходящих газов (8). Расплав сливался через летку (4). Для слива шлака и ферросплава в нижнюю часть подины устанавливалась металлическая изложница (12) с толщиной стенок и днища 0,01 м, для транспортировки изложницы из ниши на охлаждение печь была снабжена наклонной эстакадой (14). Температура на колошнике, отходящих газов измерялась при помощи термопары ПП-1 в паре с милливольтметром МПП- 154М, а расплава на выпуске (эпизодически) вольфрам-рениевой термопарой. Газы из электропечи через газоход направлялись в пылевую камеру для

улавливания цинка, свинца. Очищенный газ выбрасывался в трубу посредством дымососа. Пыль, осаждаемая в камере, собиралась в подвесных мешках. Электрод использовали графити-рованный, диаметром 10 см (1). Наращивание электрода происходило при помощи графитовых ниппелей. Механизм поддерживания электрода состоял из кольцеобразной опоры, в пространство между которой и электродом вбивались железные конические клинья. Опора через изолятор соединялась со штангой механизма перемещения электрода (17). Выше кольцеобразной опоры находилось токоподводящее кольцо-замок (15). В пространство между кольцом и электродом вбивались медные конические клинья (20). Токоподводящее кольцо соединялось через гибкую короткую медную сеть с шиной, идущей от трансформатора ОСУ-80. Вторая шина от трансформатора через медную шпильку-токоподвод (10) соединялась с углеграфитовой подиной.

Между трансформатором и электропечью было установлено терристорное устройство (3), позволяющее регулировать мощность от 0 до 60 кВт. Контролирующие устройства (амперметры и вольтметры) были установлены на входе и выходе из трансформатора. Для определения типа электрического режима при переработке клинкера проводили осциллографирование процесса при помощи осциллографа марки С1-55 (13). В этот период тиристорный блок отключался, и регулирование мощностью печи осуществлялось положением электрода.

На первом этапе исследований были сняты осциллограммы тока (/) и напряжения (и) в период розжига печи на коксике (рис. 2), из которого следует, что в начальный период розжига печи имеются значительные отклонения линий и и J от синусоид. Так, при J = 750 А и и = 40 В на кривой напряжения имеются два пика (точки А и Б), которые соответствуют напряжению зажигания и гашению дуги, а на кривой тока при переходе его через нуль имеется промежуток времени (Ах), когда кривая тока стремится занять горизонтальное положение.

Подобный характер изменения тока и напряжения относится к неустойчивому дуговому разряду с сравнительно холодным газовым промежутком и низкой степенью ее ионизации [6]. Об этом свидетельствует и форма вольт-амперной характеристики (рис. 3), которая имеет сложный и нелинейный характер с большим гистерезисом.

и

К)

Ь"

У

800 IА

Рис. 2. Осциллограмма силы тока (/) и напряжения (и) розжига печи на коксе:

I - начало розжига (/ = 750 A, и = 40 B);

II - окончание розжига (J=800A, U=40B)

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики розжига печи на коксе: I - начало розжига (/ = 750 Л, и = 40 B); II - окончание розжига (/ = 800 Л, и = 40 B)

После прогрева печи в течение 2 часов кривые V и J имеют небольшие искажения. О наличии стабильной дуги в печи свидетельствует некоторая ассиметричность трапециевидного характера кривой V, на которой сохраняется неравенство VI > и2 в течение каждого полупериода. При этом ^/-характеристика имеет также нелинейный характер. Однако он более близок к линейному в сравнении с начальным периодом розжига печи. Таким образом, собранная установка позволяет фиксировать различные фазы дугового разряда.

На рис. 4 приведена информация о характере кривых V и J в различные периоды электроплавки клинкера (1,5-2 % 2п, 0,1-0,2 % РЬ, 13-16 % СаО, 2-3 % МеО, 16-20 % 8102, 3-5 % А1203, 20-23 % Реобщ., 16-17 % С). Из рис. 4 следует, что в период загрузки шихтой в печи работала неустойчивая электрическая дуга, характерными признаками которой являлись искажения напряжения (особенно при максимальных значениях), наличие периода Лт на кривой J и явно нелинейный характер ^/-характеристики. Окончание плавки клинкера характеризуется меньшим искажением V и / (рис. 4).

В этот период вольт-амперная характеристика при амплитудных значениях / = 700 А и V = 40 В также носит нелинейный характер. Однако он имеет гораздо меньше отклонений от прямолинейного характера в сравнении с периодом загрузки, поэтому окончание процесса плавления также характеризуется наличием дугового разряда. В середине периода электроплавки клинкера (20 минут после расплавления) кривые V и / также имеют отклонения от синусоидальной формы, а V- /-характеристика носит нелинейный характер (рис. 4).

А I II III

А у, А

Рис. 4. Осциллограмма (А) силы тока (/) и напряжения (V) и вольт-амперные характеристики (Б) электроплавки клинкера вельцевания с получением ферросилиция: I - начало розжига (/ = 650 А, V = 50 В ); II- окончание расплавления шихты (/ = 700 А, V = 40 В); III - середина плавки шихты (/ = 1000 А, V = 28 В)

Отмеченные проявления свидетельствуют о том, что при электроплавке клинкера электропечь работает в смешанном режиме, когда энергия в ванне выделяется и в расплаве, и в дуговом разряде. Такой режим обеспечивает степень перехода в сплав на 88-90,6 а Бе от 96,2 до 97% и характеризуется отношением глубины погружения электрода в расплав (кЭ) к диаметру электрода (^Э) равным ЛЭ/а?Э=0,37-0,43.Подобные исследования проведены нами на опытной установке НПФ «Казхиминвест» мощностью 72 кВт и диаметром электрода 20 см с использованием осциллографа С1-55. Кривые V и / периода розжига печи (рис. 5) имеют значительные отклонения от синусоидального характера (точки А, Б и В на кривой V и Лт на кривой /). Эти признаки, а также нелинейность V-/ динамической характеристики свидетельствуют о наличие в печи электрической дуги. Иные кривые V и / были получены в период плавки клинкера (рис. 5).

Рис. 5. Осциллограмма (А) силы тока (/) и напряжения (V) и вольт-амперные характеристики (Б) процесса получения ферросилиция из клинкера вельцевания Ачисайской руды: I - розжиг печи (/ = 1750 А, V = 45 В); II - электроплавка клинкера (/ = 2000 А, V = 36В)

В этот период кривая тока (/ампл = 200 А) не имеет каких-либо искажений. О наличии дуги в печи свидетельствуют только искажения кривой напряжения (V,, = 36 В). Форма V в этом случае близка к трапеции. ^-/-характеристика плавки клинкера имеет отклонения от прямой в интервале V от 14 до 36 В и / от 600 до 1200 А (рис. 5). Подобная ^-/-характеристика и кривые V, / свидетельствуют о том, что при электроплавке клинкера основная масса электроэнергии преобразуется в тепловую по закону Джоуля - Ленца, а доля тепловой энергии, выделяемой в дуговом разряде, значительно меньше [7]. Баланс напряжения печи при электроплавке клинкера вельцевания (Vпеч) можно представить как сумму напряжения, теряемого в электроде (V:,,,), контакте электрод-щека ^^Щ), напряжения закрытой дуги и напряжения, теряемого в

расплаве (Vраспл). В соответствии с [7] при некоторых допущениях:

Vэл =рх 1ЭЛ хёэл (1)

Vрacnл = Яраспл X / = р1х\ х Кр х / (2)

7Л~

где р - удельное электросопротивление электрода (ом-см); 1ЭЛ - длина электрода (см); ¿эл - плотность тока в электроде (ом/см2); р - эквивалентное удельное сопротивление расплава, равное такому удельному сопротивлению однородной среды, сопротивление растекания тока по котором при тех же геометрических размерах такое же, как и по относительно неоднородному расплаву (ом-см); г - радиус электрода (см); Нр - глубина расплава в ванне печи (см); Кр -коэффициент учитывающий отклонение электрического поля в расплаве от плоскопараллель-

ного, определяется из зависимости Кр=/(кр/ёэл). Из [7] следует, что иэ-щ не превышает 0,35 % от

ипеч-

В нашем случае: т 200

иэл =-^ х 1эл хр =-- х 1000 х 0,08 х 10"2 = 0,51 (3)

эл 3,14 х г2 3,14 х 102 ( )

= 32 х 0,35 х 10~2 х 2 = 0,22В (4)

15 (5)

и = 0,6 х-х 0,42 х 2000 = 24В

распл , 3,14 х 100 ,

Поэтому идуг = 32 - 24 - 0,51 - 0,22 = 7,27 В. Следовательно подводимая к печи мощность при последовательно соединенных проводниках будет распределятся следующим образом: в контакте электрод-щека - 0,68 %; в электроде - 1,6 %;

в расплаве (Рр) - 75 %;

в дуговом разряде (Рд) - 22,72 %, т. е. соотношение Р^Рд = 3,3.

Таким образом, проведенные исследования позволили установить следующее:

• Электроплавка клинкера вельцевания на ферросилиций характеризуется наличием дугового разряда, в котором выделяется 22,7 % мощности, подводимой к печи;

• Основная часть энергии (75 %) выделяется в расплаве и характеризуется расходом энергии в 2700 кВт-час на 1 тонну ферросплава.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Комплексное использование руд и концентратов / В.А. Резниченко, М.С. Липихина, А.А. Морозов и др. - М.: Наука, 1989. - 172с.

2. Туркебаев Э.А., Сыдыков Г.Х. Комплексное использование сырья и отходов промышленности. - Алма-Ата: Казахстан, 1988. - 140 с.

3. Платонов Г.Ф. Параметры и электрические режимы металлургических электродных печей. - М.-Л.: Энергия, 1965. - 151с.

4. Струнский Б.М. Руднотермические плавильные печи. - М.: Металлургия, 1972. - 368 с.

5. Колесников А.С. Технология получения ферросплава и возгонов цветных металлов из отхода: моногр. - Саарбрюкен (Германия): LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. - 212 c.

6. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. - М.: Машиностроение, 1970. - 335 с.

7. Сисоян Г.А. Электрическая дуга в электрической печи. - М.: Металлургия, 1974. - 304 с.

Поступила 10.11.2014

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.