Электропечь для переработки шлаков Советский патент 1993 года по МПК F27B3/08 

СЛ С

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности, к электропечам для переработки шлаков. Цель - увеличение -производительности. В электропечи электроды объединены в две группы, подключенные к источникам тока разной полярности, одна из которых установлена на подину печи, причем электроды разной полярности установлены через один За счет установки группы электродов на подину слой металла (штейна) приобретает общий потенциал и представляет собой объединенный нижний электрод Зона растекания тока существенно смещается вниз, что приводит к повышению температуры в нижних слоях ванны и позволяет уменьшить настылеобразование. Увеличение производительности достигается обеспечением максимальной скорости осаждения механической взвеси за счет совпадения направлений сил тяжести и электрокапиллярных сил и предотвращением избыточного настылеобрээования. 1 табл. 1 ил.

-J

О 4 СП

ы

CN

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к проектированию и эксплуатации шлаковых электропечей, и может найти применение в черной металлургии и химической промышленности.

Шлаки цветной металлургии, особенно конвертерные шлаки, во многих случаях содержат значительное кояичестпо ценных металлов. Для их извлечения шлак направляют на дальнейшую переработку, которая в промышленных условиях осуществляется в электропечах переменного тока. Механизм извлечения металлов из жидких шлаков при их обеднении в электропечи заключается в следующем. В электропечь заливают шлак и загружают твердый восстановитель (коксик, антрацитовый штыб, клинкер и другие). Сульфиды металлов, находящиеся в шлаке, нагреваются и отстаиваются, а окислы ценных металлов частично восстанавливаются углеродом восстановителя. Расплав сульфидов металлов (штейн) или восстановленный металл вследствие разности в удельных сесэх шлака, штейна и металла скапливается на подине в виде сплошного слоя - донной фазы. Поскольку окислов железа в шлаке больше, чем окислов ценных цветных металлов, то преимущественно восстанавливаются окислы железа. В результате образуется тугоплавкий металлический сплав, состоящий в основном из железа. Этот сплав, имеющий высокую температуру плавления, намерзает на подине печи в виде настылей. При этом возникают осложнения при выпуске из печи штейна или других продуктов плавки, так как настыль преграждает доступ штейна (металла) к шпуровым отверстиям, В результате производительность печи снижается. При наличии штейна в печи металлический сплав растворяется в штейне и образуется металлизированный штейн, что способствует уменьшению намерзания металлического сплава в виде настылей на подине печи. Тем не менее предотвращение чрезмерного настылеобразования на подине является одной из основных проблем при эксплуатации обеднительных электропечей для переработки шлаков. Объясняется это тем, что во избежание осаждения металлического железа на подину печи требуется, чтобы температура штейна была не менее 1200°С. Такую температуру слоя штейна (без перегрева шлака) можно обеспечить лишь при значительном приближении рабочих концов электродов к подине. Поскольку обедня- емые шлаки отличаются высоким содержанием в них окислов железа и, следовательно, большой удельной электропроводностью, то при указанном выше глубоком погружении электродов в шлак и прочих равных условиях (геометрических размерах, заданных мощности и производительности

печи) электрическое сопротивление ванны оказывается существенно уменьшенным, в свлзисчем напряжение сниженным, а сила тока - увеличенной. При этом электрический КПД и конус ФИ резко падают. Это приводит к необходимости увеличивать пропускную способность токоведущих элементов, включал увеличение диаметра электродов и габаритов печи, что сопровождается уменьшением удельной производительности пе5 чи, ростом удельного расхода электроэнергии, т.е. увеличением капитальных эксплуатационных затрат на единицу выпускаемой продукции. На практике идут на компромисс, ограничивая увеличение ге0 ометрических размеров токоведущих элементов и габаритов печи разумными пределами, в результате чего обеднитель- ные печи характеризуются повышенным иастылеобразованием на подине, затрудня5 ющим нормальную эксплуатацию печи и поэтому снижающим ее производительность. Известна электропечь переменного тока для переработки шлаков, выполненная в виде футерованной шахты с коксовой на0 садкой и электродами, расположенными в противоположных стенках шахты (авт.св. СССР № 836471, кл. F 27 В 1/00). Недостатком этой конструкции является низкая производительность из-за повышенных потерь

5 ценных-компонентов с отвальным шлаком, что обусловлено невозможностью использования соединяющих эффектов электролизашлаковой ванны и электрокапиллярного движения.

0 Наиболее близкой к предлагаемой печи является обедпительная печь для переработки шлаков, содержащая корпус, загрузочные устройства и электроды.

Данная конструкция (прототип) пред5 ставляет собой обеднительную электропечь, футерованную огнеупором, с электродами, подключенными к источнику переменного тока, рабочие концы которых находятся на некотором расстоянии от под0 ины. Недостатком такой конструкции является низкая производительность из-за повышенных потерь ценных компонентов со шлаком вследствие невозможности использования обедняющих эффектов электролиза

5 шлаковой ванны и электрокапиллярного движения, а также из-за избыточного настылеобразования, препятствующего нормальной эксплуатации печи. Целью изобретения является увеличение производительности печи.

Цель достигается тем, что в известной электропечи для переработки шлаков, содержащей корпус, загрузочные устройства и электроды, согласно изобретению электроды объединены в группы, подключенные к источнику постоянного тока, одна из которых установлена на подину печи.

Отличием предлагаемой печи от прототипа является установка одной группы элементов на подину печи, подключение этой группы к одному полюсу источника тока и подключение другой группы электродов к другому полюсу.

Наличие отличительных по отношению к прототипу признаков подтверждает соответствие предлагаемого технического решения критерию новизны,

На чертеже показана многоэлектродная руднотермическая печь постоянного тока. Печь состоит из футерованного корпуса 1, загрузочных устройств 2, электродов 3, из которых одна группа 4 установлена на уплотненной в результате предварительного ошлаковйния новой печи защитной на- стылью b подине 6 и подключена к одному полюсу источника тгжа, например к положительному, а другал группа электродов 7 подключена к другому полюсу, например к отрицательному. Потенциал на электроды подается через контактные щеки 8 источники питания. Концы электродов группы 4 погружены в слой металла или штейна 9 на подине печи, а электроды группы 7 погружены в шлаковый расплав 10. Ошлакование футеровки является обычной операцией перед пуском новой печи, осуществляемой с целью уплотнения швов кладки путем засыпки твердого дробления шлака или заливки жидкого шлака.

Печь работает следующим образом.

После набора шлакового расплава 10 на электроды через контактные щеки 8 подают напряжение постоянного тока, величину которого регулируют и подбирают таким образом, чтобы при заданной мощности обеспечить поддержание на подине 6 уплотняющей настыли 5. При данном составе шлака этим определяется положение электродов группы 7 в рабочем пространстве печи по вертикали. В ванну загружают восстановитель, например кокс, способствующий восстановлению металлов из окислов химическим путем. В установившемся режиме электрический ток между электродами 4 и электродами 7 протекает через шлаковый расплав преимущественно по пути: электроды 4 - слой металла или штейна 9 - электроды 7 и частично - непосредственно между электродами 4 п 7. При этом выделяющееся главным образом в

шлаке джоулево тепло перегревает расплав. Химически восстановленный металл (или штейн) вследствие разницы плотностей накапливается в расплавленном состо- 5 янии в слое 9. Часть восстановленного металла остается в шлаке в химически растворенном состоянии и в виде механической взвеси. При протекании постоянного тока через шлаковый расплав в результате

0 электролиза происходит дополнительное обеднение шлака, при котором частицы металлов выделяются из химического раствора и вместе с остальными каплями металлов, содержащимися в шлаке, под дей5 ствием сил тяжести и электрокапиллярных сил тяжести и электрокапиллярных сил оседают на подине печи. Полярность электродов групп 4 и 7 определяют экспериментально, исходя из условия мини0 мального содержания ценных металлов в шлаке, которое обеспечивается при совпадении направлений сил тяжести и электрокапиллярных сил.

Электрическое поле, наложенное на

5 шлак, способствует его обеднению с одной стороны вследствие электролитического выделения металла из химического раствора, а с другой - в результате направленного действия на заряженные капли металла или

0 штейна и их переноса к одному из электродов. При данной поляризации электродов направление движения металлической взвеси зависит как от ее состава, так и от состава шлака и окислительного потенциа5 ла газовой фазы и может изменяться на прямо противоположное. Максимальная скорость осаждения механической взвеси достигается при совпадении направлений сил тяжести и электрокапиллярных сил, сле0 довательно последние должны быть направленыпо вертикали вниз при соответствующей поляризации.

Сравнение предлагаемого решения не только с прототипом, но и с другими техни5 ческими решениями в области шлаковой электротермии не позволило выявить в них признаки, отличающие предлагаемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию

0 существенные отличия.

Наличие в предлагаемом решении новых признаков по сравнению с прототипом неожиданно позволило получить значительное увеличение производительности

5 печи. За счет установки группы электродов 4 на подину слоя металла приобретает общий потенциал и представляет собой объединенный нижний электрод. При этом по сравнению с прототипом зона растекания тока существенно смещается вниз, приближаясь к подине, что приводит к повышению температуры в нижних слоях ванны и, следовательно, позволяет уменьшить настыле- образование при неизменных значениях мощности, геометрических параметров печи сопротивления ванны, напряжения и силы тока (для чего следует лишь соответственно уменьшить заглубление электродов группы 7 в расплав).

Таким образом, по сравнению с прототипом удается увеличить производительность печи как за счет дополнительного извлечения ценных металлов в результате электролиза и действия электрокапиллярных сил, так и вследствие предотвращения избыточного настылеобраэования без снижения основных технико-экономических показателей работы печи (КПД, косинуса ФИ, капитальных, и эксплуатационных затрат).

Необходимость установки на подину именно группы электродов, а не одного из них, объясняется следующими причинами. Применение многоэлектродных печей вызвано тем, что величины диаметра электродов и плотности тока в них имеют ограничения, поэтому в общем случае использование групп электродов неизбежно.

При этом целесообразно в данной цепи применять электроды одинаковой конструкции и размеров (диаметра), а в печи посто- янного тока должны быть равные количества электродов разной полярности. Исследования показали, что в противном случае либо усложнится конструкция печи, либо снизится ее производительность.

Действительно, при неодинаковых электродах затрудняется обслуживание печи, что связано с необходимостью иметь различные электродные хозяйства (детали механизмов перемещения электродов, электрододержателей, кожухов самоспекающихся электродов, уплотнений электродных отверстий в своде печи). При одинаковых электродах, но неравных количествах электродов в группах с разной полярностью наблюдается ограничение пропускной способности группы с меньшим количеством электродов, а следовательно, производительность печи будет недоиспользована. Установлено, что если при наличии одинаковых электродов и равных их количествах в группах разной полярности на подину устанавливается только часть группы электродов одной полярности (например, один электрод), то полезный эффект работы печи снижается, так как часть тока растекается по обычной схеме прототипа, т.е. в верхних слоях ванны между электродами разной полярности, не

установленными на подину. При этом ослабляется как эффект обеднения шлака за счет электрокапиллярных сил, так и эффект размыва настылей за счет приближения к подине зон растекания тока. Таким образом,

изобретение позволяет повысить извлечение ценных компонентов шлака, увеличить производительность печи и упростить ее конструкцию.

В таблице приведены результаты экспериментальных исследований зависимости показателей работы печи от рода источника тока и положения электродов в рабочем пространстве.

Исследования проводили на шестиэлектродной закрытой прямоугольной обедни- тельной электропечи номинальной мощностью 250 кВА с электродами диаметром 100 мм, расположенными по длинной оси ванны, в которой перерабатывали конвертерный шлак, содержащий, мас.%: 5,8 меди. 3,75 свинца, 4,12 цинка, 28,5 железа, 29,8 диоксида кремния, 8,4 оксида кальция, остальное кислород и прочие,

Как следует из данных, приведенных в

таблице, при выполнении конструкции печи согласно изобретению производительность печи по шлаку значительно увеличилась (примерно в 2 раза) при одновременном уменьшении потерь ценных металлов с отвальным шлаком.

Таким образом, предлагаемая печь обладает существенными преимуществами по сравнению с прототипом: простотой и надежностью конструкции, повышенной производительностью, низким содержанием ценных компонентов в отвальном шлаке.

По сравнению с базовым образцом, в качестве которого выбрана обеднительная

электропечь для переработки конвертерных шлаков НПО Джезказганцветмет, предлагаемая печь позволяет увеличить производительность печи мощностью 9 мВт в 2 раза и получить экономический эффект в размере 450

тыс, руб. в год.

(56) Авторское свидетельство СССР № 727951, кл. F 27 В 3/08, 1977,

Серебряный Я.Л. Электроплавка медно- никелевых руд и концентратов. М.: Металлургия, 1974, с. 233-237, рис. 77. 96.

Продолжение таблицы

Формула изабретения ЭЛЕКТРОПЕЧЬ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ШЛАКОВ, содержащая корпус, загрузочные устройства и электроды, подключенные к источнику тока, отличающаяся тем, что, с целью увеличения производительно-.

сти, электроды объединены в две группы, подключены к источникам тока разной полярности, причем одна из групп электродов установлена на подину печи,1 электроды разной полярности установлены через один.