CC BY
38
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
