СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ШЛАКОВ В ЭЛЕКТРОПЕЧИ Российский патент 1997 года по МПК C22B7/04 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к переработке шлаков в электропечах, и может быть использовано в черной металлургии.

Известен способ переработки шлаков в электропечи, включающий загрузку шлака и подачу напряжения переменного тока на электроды, погруженные в шлак, рабочие концы которых находятся на некотором расстоянии от подины (Серебрянный Я.Л. Электроплавка медно-никелевых руд и концентратов. М. Металлургия, 1974, с. 233-237, рис. 77, 96). Недостатками этого способа являются значительные потери ценных компонентов шлака и избыточное настылеобразование на подине печи, что также приводит к снижению производительности способа.

Наиболее близким к заявленному является способ переработки шлаков в электропечи, включающий загрузку шлаков и подачу напряжения на электроды разной полярности, установленные через один и объединенные в две группы, одна из которых установлена на подину печи (Описание изобретения к авт.св. СССР N 1704536, кл. F 27 B 3/08, опублик. БИ N 45-46, 1993). При этом требуемую полярность электродов, определяющую направление электрокапиллярных сил, находят экспериментально исходя из условий минимального содержания ценных металлов в шлаке.

К числу недостатков известного способа следует отнести прежде всего низкую производительность из-за повышенных потерь ценных компонентов с отвальным шлаком, что обусловлено невозможностью полного использования обедняющих эффектов перемешивания и последующего отстаивания расплава, а также повышенный расход электродов из-за несимметричного обгорания и обломов электродов.

Указанные недостатки обусловлены рядом следующих факторов, вытекающих из самой сущности способа.

Энергетические и гидродинамические процессы, протекающие у электродов разной полярности, несимметрично заглубленных в расплав, существенно различны. Так, при протекании постоянного тока через шлаковый расплав на электродах с положительным потенциалом выделяются отрицательно заряженные ионы кислорода, которые разряжаются на электродах и, взаимодействуя с углеродом электродов, образуют газообразный оксид углерода CO. В результате выделения газа происходит барботаж расплава, увеличивающий циркуляцию расплава у углеродов с положительной полярностью. При этом электроды выгорают, за счет чего расходуются в расплаве, приобретая заостренную конусообразную форму.

На электродах с отрицательным потенциалом, наоборот, взаимодействие ионов кислорода не происходит, поэтому барботаж практически отсутствует и циркуляция расплава у электрода уменьшается. Кроме того, у электродов несимметрично заглубленных в расплав, резко различаются условия естественной тепловой конвекции, так как у электродов, установленных на подину, джоулево тепло практически не выделяется и вся мощность печи в основном приходится на электроды, погруженные в шлаковый расплав. При этом в зависимости от полярности электродов возможны варианты, в которых вследствие суммирования процессов барботажа и естественной конвекции интенсивность перемешивания расплава у электродов может ослабляться, что уменьшает интенсивность осаждения частиц ценных компонентов и, следовательно, ухудшает обеднение шлакового расплава.

В связи с тем, что у электродов с отрицательным потенциалом взаимодействие ионов кислорода с углеродом не происходит, регулярный сход этих электродов отсутствует и форма их концов, погруженных в расплав, с течением времени не изменяется. Однако происходит выгорание этих электродов в газовом пространстве печи за счет кислорода подсасываемого воздуха, причем особенно интенсивно на уровне зеркала шлаковой ванны, где температура газового пространства максимальна. При этом поскольку сход электродов отсутствует, наступает момент, когда на уровне зеркала ванны их диаметр настолько уменьшается, что погруженные в расплав части электродов обламываются и практически теряются, так как не могут быть использованы по назначению. В итоге это приводит к неоправданно повышенному общему расходу электродов.

Технический результат, достигаемый при реализации способа, повышение производительности процесса за счет создания условий более глубокого обеднения шлака по ценным компонентам, а также уменьшение расхода электродов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе переработки шлаков в электропечи, включающем загрузку шлаков и подачу напряжения на электроды разной полярности, установленные через один и объединенные в две группы, одна из которых установлена на подину печи, периодически изменяют полярность групп электродов одновременно с изменением взаимного заглубления их в расплав.

Проведенные исследования неожиданно позволили установить следующее.

Периодическое одновременное изменение полярности и взаимного заглубления электродов в расплав дает возможность, во-первых, поддерживать полярность объединенного нижнего электрода слоя металла или штейна и электродов, погруженных в шлаковый расплав, что, как показали проделанные эксперименты, создает условия для максимального использования эффектов электрокапиллярного движения частиц и их осаждения под действием сил тяжести с целью более глубокого обеднения шлака и повышения выхода годного, и, во-вторых, позволяет устранить избыточный расход электродов, вызванный обломами нерасходуемой части электродов, подключенных к отрицательному полюсу источника тока.

В этом случае, как показали исследования, все электроды оказываются в равных условиях и периодически одинаково обгорают как в шлаковом расплаве, так и в газовом пространстве печи на уровне зеркала ванны. При обгорании электродов в шлаковом расплаве для поддержания электрических параметров (силы тока, мощности) на заданном уровне электроды периодически перемещают по вертикали вниз, компенсируя их расход. При сходе электродов выгорание их в газовом пространстве на уровне зеркала шлаковой ванны распределяется по длине электродов и поэтому не приводит к критическому уменьшению диаметра электродов и обламыванию их рабочих концов, погруженных в расплав. В результате непроизводительный расход электродов резко сокращается.

Для каждого состава шлака минимальная частота одновременного изменения полярности и взаимного заглубления электродов в расплав определяется экспериментально, исходя из условий максимального суммарного экономического эффекта от обеднения шлака и сокращения расхода электродов, что составляет предмет "ноу-хау" для заявляемого изобретения.

Из анализа уровня техники известен способ выплавки ферросплавов в электропечи постоянного тока с симметричным заглублением электродов в расплав за счет подачи разных потенциалов на электроды, при котором загрузку в печь руды и углеродистого восстановителя ведут синхронно, чередуя подачу с изменением полярности с частотой 2 30 раз в 1 ч таким образом, что у электрода, имеющего в данный момент положительный потенциал, в загрузочную воронку вводят углеродистый восстановитель, а у электрода, имеющего отрицательный потенциал, рудную часть (авт.св. СССР N 501076, кл. C 21 C 5/52; C 21 C 7/00).

Однако в данном случае изменение полярности электродов предусмотрено лишь с целью обеспечения равномерности распределения шихты по электродам.

В заявляемом же способе изменение полярности осуществляют одновременно с изменением взаимного заглубления электродов в расплав, что позволяет не только добиться равномерности расхода электродов, что несущественно, но и резко сократить их общий расход.

Проверку способа и сопоставление его со способом-прототипом проводили на шестиэлектродной закрытой прямоугольной обеднительной печи номинальной мощностью 250 кВА с электродами диаметром 100 мм, расположенными по длинной оси ванны, в которой перерабатывали конвертерный шлак, содержащий, мас. медь 5,8; свинец 3,75; цинк 4,12; железо 28,5; диоксид кремния 29,8; оксид кальция 8,4; кислород остальное и пр.

Пример 1 (по способу ближайшего аналога). Способ осуществляли следующим образом. После набора шлакового расплава на электроды подали напряжение постоянного тока, равное 92 В (эта величина была определена экспериментально исходя из условия поддержания на подине печи уплотняющей настыли при мощности 330 кВт).

Для данного состава перерабатываемого шлака экспериментально определили оптимальную полярность, сопоставив вариант с отрицательным потенциалом электродов, погруженных в шлаковый расплав, и положительным потенциалом донной фазы (таблица, опыт 1а) и, наоборот, вариант с положительным потенциалом электродов и отрицательным потенциалом донной фазы (опыт 1б). В результате плавки был получен шлак следующего состава, медь 0,46; свинец 0,55; цинк 1,8, общий расход электродов при этом составил 42,4 кг/1000 кВт.ч.

Пример 2 (по предложенному способу). После набора шлакового расплава того же состава, что в примере 1, аналогично последнему, на электроды подали напряжение постоянного тока, равное 92 В. После этого были произведены предварительно две серии испытаний. В первой серии с поляризацией: отрицательная донная фаза, положительные электроды в расплаве (опыт 2). Во второй серии с обратной поляризацией: положительная донная фаза, отрицательные электроды в расплаве (опыт 3). В каждой серии осуществили одновременно изменение полярности электродов и их взаимное заглубление в расплав с постепенно увеличивающейся частотой 18, 24 и 30 раз/сут. Анализ полученных результатов показал, что для данного состава перерабатываемого шлака оптимальными полярностями оказались отрицательный потенциал донной фазы и положительный потенциал электродов, погруженных в шлаковый расплав, при минимальной частоте одновременного изменения полярности и взаимного заглубления электродов в расплав 24 раз/ сут (опыт 2).

При меньшей частоте содержание ценных компонентов в шлаке было значительно выше (например, содержание составило, мас. медь 0,42; цинк 1,5), а при большей частоте практически не изменяется. Кроме того, при меньшей частоте имела место неодинаковость форм рабочих концов электродов разной полярности, что при длительной эксплуатации приводит к облому нерасходуемой части электродов.

Итак, в результате плавки по выбранному варианту (опыт 2) был получен шлак следующего состава, медь 0,31; свинец 0,48; цинк 0,9. Общий расход электродов при этом составил 27,5 кг/1000 кВт.ч.

Таким образом, предложенный способ обладает существенными преимуществами по сравнению с ближайшим аналогом: низким содержанием ценных компонентов в отвальном шлаке, а также значительно уменьшенным расходом электродов.

Использование: цветная металлургия, может быть использовано при переработке шлаков в электропечах и в черной металлургии. Сущность изобретения: при переработке шлаков в электропечи, включающем загрузку шлаков и подачу напряжения на электроды разной полярности, установленные через один и объединенные в две группы, одна из которых установлена на подину печи, периодически изменяют полярность групп электродов одновременно с изменением взаимного их заглубления в расплав. 1 табл.

Способ переработки шлаков в электропечи, включающий загрузку шлаков и подачу напряжения на электроды разной полярности, погруженные в расплав, установленные через один и объединенные в две группы, одна из которых установлена на подину печи, отличающийся тем, что периодически изменяют полярность групп электродов одновременно с изменением взаимного заглубления их в расплав.