РУДНО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОПЕЧЬ Российский патент 1997 года по МПК F27B1/09 

Изобретение относится к области электротермического оборудования, предназначенного для переработки сырья цветной металлургии, а именно германийсодержащих материалов: зол от сжигания энергетических углей, пылей тепловых и электростанций, возгонов от циклонной плавки углей и углистых сланцев (алевролитов, аргиллитов).

В патентной и научно-технической литературе отсутствуют данные о параметрах рудно-термических печей для плавки германийсодержащего сырья. Из известных электропечей по технической сущности к изобретению близки закрытые электропечи, предназначенные для переработки окисленных никелевых и медно -никелевых руд соответственно на ферроникель и медно-никелевый штейн, а также электропечи для переработки оловянных концентратов на металлическое олово, свицово-оловянный припой и гартлинг (сплав железо мышьяк олово). Эти электропечи и процессы, осуществляемые в них, как и восстановительно-сульфидирующая электроплавка германийсодержащего сырья относятся к категории многошлаковых и являются аналогами изобретения.

Известна закрытая рудно-термическая печь для плавки окисленной никелевой руды на ферросплав [1] имеющая общую электрическую мощность 48 МВА, удельную мощность 150-175 кВА/м², пределы изменения напряжения на электродах 297-500 В, отношение ширины плавильного пространства к его высоте 0,51, отношение высоты пространства над расплавом к глубине расплава 0,52. Печь имеет огнеупорный свод с отверстиями для электродов, загрузки шихты и удаления технологических газов. Подина, боковые стенки от подины до уровня расплава и газовое пространство футерованы различными типами оксидных огнеупорных материалов. Выпуск шлака и металла осуществляется раздельно через леточное и шпуровое отверстия соответственно.

Эта печь непригодна для переработки германийсодержащего сырья по следующим причинам. Из-за низкой удельной мощности увеличивается продолжительность пребывания материала в печи, что приводит к повышению удельного расхода электроэнергии, образованию излишнего количества сульфидно-металлического сплава. Недостаточное отношение высоты плавильного пространства к ширине печи приводит к снижению производительности печи из-за повышения температуры отходящих газов и увеличению расхода электроэнергии. Подина из оксидных огнеупоров не имеет требуемой стойкости к коррозии и пропитке сульфидно-металлическим сплавом, что приводит к сокращению продолжительности кампании.

Известна электропечь для переработки оловянных концентратов на металлическое олово, свинцово-оловянный припой и гартлинг [2] имеющая мощность 1,4 МВА, удельную мощность 146 кВА/м², пределы изменения напряжения на электродах 62-130 В, отношение диаметра плавильного пространства к его высоте, равное 0,57, отношение высоты пространства над расплавом к глубине расплава, равное 0,67. Подина печи футерована угольными блоками, боковые стенки от подины до уровня расплава хромомагнезитом, пространство над расплавом шамотным кирпичом. Свод водоохлаждаемый с обмазкой из огнеупорного бетона на внутренней поверхности. Другие конструктивные особенности подобны предыдущему аналогу. Эта печь не пригодна для переработки германийсодержащего сырья по тем же причинам, что и в предыдущем аналоге. Исключение составляет футеровка подины из угольных блоков, чем достигается увеличение стойкости подины, но боковые стенки печи, футерованные от подины до уровня расплава хромомагнезитом, не отвечают требованиям к стойкости.

Из известных рудно-термических печей по технической сущности и достигаемому положительному эффекту наиболее близки печи для переработки медно-никелевых руд и концентратов на штейн [3] Эти печи, взятые за прототип, имеют общую мощность в пределах 20-40 МВА, пределы изменения напряжения на электродах в зависимости от общей мощности от 60 до 500 В, удельную мощность 200-400 кВА/м², отношение ширины (диаметра) плавильного пространства к его высоте в пределах 0,5-0,6, отношение высоты пространства над расплавом к глубине расплава в пределах 1,7-2,6. Печи имеют футеровку подины и боковых стенок из хромомагнезита, пространства над расплавом из шамота.

Авторами было экспериментально установлено, что для восстановительно -сульфидирующей электроплавки германийсодержащего сырья удельная мощность соответствует значениям, характерным для плавки на штейн, т.е. в пределах 200-400 кВА/м² поверхности шлаковой ванны, поэтому печи для плавки на штейн правомерно принять в качестве прототипа. В связи с этим авторами был сооружен ряд трехэлектродных электропечей с последовательно повышающейся мощностью от 0,25 до 4 МВА по прототипу и испытана их пригодность для восстановительно-сульфидирующей плавки германийсодержащего сырья.

В ходе испытаний электропечей с электрическими и геометрическими параметрами по прототипу (табл.1) было выявлено, что ни те, ни другие в полной мере не отвечают всему комплексу технологических и технико-экономических требований, предъявляемых к агрегату для восстановительно-сульфидирующей плавки германийсодержащего сырья. Так, электропечи 0,25 и 0,56 МВА, удовлетворяя техническим требованиям по извлечению германия и кратности обогащения возгонов, имели высокие расходы электроэнергии и электродов, низкую удельную производительность и недостаточную кампанию из-за высоких химических и тепловых нагрузок на футеровку и металлические конструкции. Печи 0,9-4 МВА имели недостаточное извлечение германия и кратность обогащения возгонов, а также сравнительно низкую удельную производительность и повышенный расход электроэнергии. Все печи по прототипу требовали использования дорогостоящих огнеупоров и металлоконструкций, рассчитанных на повышенные химические и тепловые нагрузки.

Задачей настоящего изобретения является создание рудно-термической электропечи для восстановительно -сульфидирующей плавки, преимущественно германийсодержащего сырья, обеспечивающей повышение производительности, извлечения, кратности обогащения возгонов, снижение удельных расходов электроэнергии и электродов.

Поставленная задача решается следующим образом. В известной рудно -термической электропечи для восстановительно-сульфидирующей плавки, преимущественно германиевого сырья, содержащей стенки, подину и свод, образующих плавильное пространство, причем подина и стенки в нижней части футерованы углеродистыми огнеупорами, а в верхней части оксидными огнеупорами, согласно изобретению, отношение диаметра плавильного пространства к его высоте равно 1,5-1,6, а отношение высоты стенки, футерованной оксидными огнеупорами, к высоте стенки, футерованной углеродистыми огнеупорами, равно 1,11-1,21.

Поддержание отношения диаметра плавильного пространства к его высоте в пределах 1,5-1,6 обеспечивает:
высокую производительность электропечи, не менее 6-7 т/м²,
низкий удельный расход электроэнергии в пределах 600-800 кВт ч/т шихты.

Поддержание высоты стенки, футерованной оксидными огнеупорами, к высоте, занятой углеродистыми огнеупорами, в пределах 1,11-1,21 обеспечивает:
скорость нагрева шихты на поверхности расплава в пределах 8-12 град/мин, чем достигается извлечение германия в возгоны не менее 90% и кратность обогащения возгонов в пределах 25-35 крат;
удельные расходы электродной массы в пределах 5-6 шт/т шихты из-за уменьшения обгара электродов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показан поперечный вертикальный разрез круглой печи и вид сверху на свод.

Рудно-термическая электропечь имеет плавильное пространство, образованное сводом 1, стенками 2 и подиной 3. Печь имеет ванну 4 для расплава с погруженными в него электродами 5. Свод имеет отверстия для загрузки шихты 6, электродов 7, газохода 8 для отвода смеси газов, возгонов и пыли. Стенки имеют летку 9 для выпуска шлака и шпуровое отверстие 10 для выпуска сульфидно-металлического сплава. Внутренняя поверхность стенок футерована оксидными огнеупорами 11 в верхней части до уровня ванны. Нижняя часть стенок ниже уровня ванны и подина футерована углеродистыми огнеупорами 12. Параметры плавильного пространства характеризуются внутренними диаметром (шириной) D и высотой H, расположением оксидной футеровки стенок высотой h_ок, углеродистой высотой h_уг. Электроды на виде сверху на печь круглой формы расположены по диаметру распара d_р под углом 120^o. При прямоугольной форме печи (на чертеже не показана) электроды расположены в линию на равном расстоянии друг от друга.

Работа печи осуществляется следующим образом. Шихтовые материалы, включающие сырье, флюсы, сульфидизатор, восстановитель в виде смеси или в окускованном виде подаются дозатором через загрузочное отверстие 6 по центру печи, образуя на поверхности слой твердой шихты. Толщина его поддерживается такой, чтобы скорость нагревания твердых материалов составляла 8-12 град/мин. Эти пределы обеспечивают совокупностью отношений D/H и h_ок/h_уг. Твердые материалы по мере расплавления на границе "твердая шихта-шлак" опускаются к этой границе, а твердый слой непрерывно пополняется сверху подачей свежих порций шихтовых материалов через загрузочное отверстие. По мере нагревания и проплавления материала в слое твердой шихты осуществляются реакции восстановления и сульфидирования, в результате которых сульфиды германия переходят в газовую фазу, окисляются над слоем твердой шихты, осаждаются на поверхности частиц механического уноса и удаляются из печи через отверстие в своде 8 в систему пылеулавливания (на схеме не показана). Остальные компоненты после частичного восстановления и сульфидирования шихты образуют расплав, разделяющийся на два слоя: шлак и сульфидно-металлический сплав. Жидкие продукты плавки удаляются из печи соответственно через леточное 9 и шпуровое 10 отверстия. Тепло, необходимое для осуществления процессов восстановления, сульфидирования, нагревания и плавления, выделяется в слое жидкого шлака при прохождении электрического тока через электроды 5 из углеродистого материала. Жидкий шлак служит тепловыделяющим элементом. Количество тепла, подаваемого в слой шлака, регулируется силой тока через электроды при изменении глубины погружения электродов в шлак и поддержанием напряжения на них.

Пример 1. В круглой закрытой рудно-термической печи с графитированными электродами диаметром 0,3 м, диаметром плавильного пространства 2,1 м, отношением высоты стенки занятой оксидным огнеупором к высоте стенки из углеродистого огнеупора, равным 1,11 1,19, оборудованной трансформатором мощностью 1 МВА с диапазоном рабочих напряжений в пределах 200-240 В изменили отношение диаметра плавильного пространства к его высоте в пределах 1,2-2,0. Результаты испытаний приведены в табл.2. Они показывают, что оптимальным диапазоном D/H рудно-термической печи являются величины 1,5-1,6. Ниже этих пределов возрастают удельные расходы электроэнергии (из-за повышенных потерь тепла с отходящими газами и через кладку печи) и электродной массы (из-за внешнего обгорания электродов), снижается удельная производительность печи (из-за снижения теплового КПД), уменьшается извлечение германия в возгоны (из-за повышения потерь германия с сульфидно-металлическим сплавом и шлаком). При повышении отношения D/H выше 1,6 резко снижается удельная производительность печи (из-за возрастания числа коротких замыканий электродов на сульфидно-мателлургический сплав) и кратность обогащения возгонов (из-за повышения механического износа шихтовых материалов), увеличивается расход электродной массы (из-за возрастания число поломов электродов).

Пример 2. В рудно-термической печи по примеру 1 с отношением D/H, равным 1,55, изменяли отношение высоты стенки, футерованной оксидными огнеупорами к высоте стенки занятой углеродистыми огнеупорами в пределах 0,9-1,5. Результаты испытаний приведены в табл.3. Они показывают, что оптимальные отношения h_ок/h_уг в рудно-термической печи в пределах 1,11-1,21 отвечают требованиям, предъявляемым к агрегату для восстановительно-сульфидирующей плавки германийсодержащего сырья. Уменьшение отношения h_ок/h_уг ниже 1,11 приводит к повышению удельного расхода электроэнергии и снижению стойкости свода (из-за высокой температуры отходящих газов), падению извлечения германия и кратности обогащения возгонов (из-за высокой скорости нагрева слоя твердой шихты на поверхности расплава, что приводит к повышению потерь германия со шлаком и сульфидно-металлическим сплавом). В результате изменения (уменьшения) стойкости свода увеличиваются удельные капзатраты на смену металлоконструкций и футеровки свода и уменьшается кампания печи. Повышение отношения h_ок/h_уг не более 1,21 приводит к снижению удельной производительности печи, повышению расхода электроэнергии (из-за увеличения числа коротких замыканий электродов на сплав и числа выпусков), повышению расхода электродов (из-за ускоренного обгара электродов и увеличению частоты облома электродов), возрастанию тепловых и химических нагрузок на футеровку ванны и металлоконструкции кожуха печи. В результате снижается длительность кампании.

Таким образом, изобретение позволяет разработать параметры печи, предназначенной для восстановительно -сульфидирующей плавки германийсодержащего сырья. На основании изобретения разработана и испытана круглая рудно-термическая печь с углеродистой футеровкой подины мощностью 4 МВА со следующими геометрическими и электрическими параметрами:
удельная мощность 328 кВА/м²
диаметр ванны 4 м
высота плавильного пространства 2,6 м
отношение D/Н 1,54
отношение высоты стенок, занятых оксидным огнеупором к высоте, занятой углеродистым огнеупором 1,13
рабочее напряжении 281 В
В результате испытаний печи достигнуты следующие показатели:
производительность 8 т/м³ сутки
удельный расход электроэнергии 600-800 кВт-ч/т шихты
удельный расход электродов 5-6 кг/т шихты
извлечение германия 90%
кратность обогащения возгонов 28,9
продолжительность кампании 1 годп

Использование: электротермическое оборудование, предназначенное для переработки сырья цветной металлургии, а именно - германийсодержащих материалов: зол от сжигания энергетических углей, пылей тепловых и электростанций, возгонов от циклонной плавки углей и углистых сланцев (алевролитов, аргиллитов). Сущность: рудно-термическая электропечь для восстановительно-сульфидирующей плавки, преимущественно германиевого сырья, содержит стенки, подину, свод, образующие плавильное пространство, подина и стенки в нижней части футерованы углеродистыми огнеупорами, а в верхней части - оксидными огнеупорами, причем отношение диаметра плавильного пространства к его высоте равно 1,5-1,6, а отношение высоты стенки, футерованной оксидными огнеупорами, к высоте стенки, футерованной углеродистыми огнеупорами, равно 1,11-1,21. 1 ил., 3 табл.

Рудно-термическая электропечь для восстановительной сульфидирующей плавки, преимущественно германиевого сырья, содержащая стенки, подину и свод, образующие плавильное пространство, причем подина и стенки в нижней части футерованы углеродистыми огнеупорами, а в верхней части оксидными огнеупорами, отличающаяся тем, что отношение диаметра правильного пространства к его высоте равно 1,5 1,6, а отношение высоты стенки, футерованной оксидными огнеупорами, к высоте стенки, футерованной углеродистыми огнеупорами, равно 1,11 1,21.