Руднотермические печи

В руднотермических (рудовосстановительных) печах проводят

восстановительные электротермические процессы, с помощью которых получают чистые металлы или сплавы металлов из руд, содержащих эти металлы в виде окислов или сернистых соединений. Так, из FeO получают чугун (процесс, аналогичный доменному), из МnО – марганец, из SiO2 – кремний, из МоО3 – молибден, из СаО (извести) – карбид кальция СаС2 и т. д.

Во многих случаях получают не чистые металлы, а их сплавы с железом – ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром,

силикомарганец и др.). Они имеют меньшую температуру плавления, их легче и дешевле получать. Такие сплавы широко применяются при производстве сталей, как легированных, так и обычных углеродистых.

Широко применяются также в промышленности получаемые в этих печах фосфор (удобрения), карбид кальция (производство ацетилена, некоторых сортов удобрений), никелевый штейн (получение металлического никеля). Более ограниченный характер носит производство в руднотермических печах других материалов, таких, как малоуглеродистые ферросплавы и чистые кремний, марганец, хром (применяются для получения некоторых высоколегированных сталей), алунд и карборунд (абразивные материалы), электрографит, (графиковые электроды для ДСП) и др.

Руднотермические печи имеют следующие отличительные черты:

1. Удельное электрическое сопротивление шихты в нагретом состоянии сравнительно велико (холодная шихта, как правило, неэлектропроводна).

2. В отличие от ДСП, в которых по существу проводится лишь один процесс – выплавка электростали (все варианты этого процесса могут быть осуществлены в одном типе печи), в руднотермических печах проводится множество различных технологических процессов, оказывающих существенное влияние на электрические и геометрические параметры и конструктивные особенности печей.

3. Энергоемкость проводимых в руднотермических печах процессов весьма велика и достигает 2000–10 000 кВт⋅ч/т продукта (против 600–1000 кВт⋅ч/т при выплавке стали).

4. Для многих руднотермических процессов (получение массовых ферросплавов, чугуна, карбида кальция, фосфора, никелевого штейна) характерны крупные объемы производства, поэтому необходимы очень мощные печи (до 100 MB⋅А).

5. Печи работают непрерывно, капитальный ремонт возможен один раз в 1,5–2 года, поэтому требуется высокая надежность конструкций печи, а в местах, подвергающихся нагреву, – усиленное водяное охлаждение.

6. Электрический режим печей (кроме рафинировочных печей с открытой дугой) сравнительно спокоен, так как последовательно или параллельно с дугой включено сопротивление шихты; кроме того, сама дуга горит устойчиво (большие токи, хорошая тепловая изоляция

вокруг дуги), толчки тока невелики, эксплуатационные короткие замыкания отсутствуют.

Из всего многообразия процессов можно выделить следующие пять основных групп процессов:

1. Бесшлаковые и малошлаковые процессы – получение ферросилиция, ферромарганца, углеродистого феррохрома, карбида кальция.

Печи для этих процессов (рис. 2.87.) трехфазные, непрерывного действия, неподвижные: загрузка осуществляется сверху, порциями; выпуск металла производится периодически через летки 8, которые забиты пробками и пробиваются или прожигаются электрической дугой перед выпуском. Обычно печь в плане – круглая (меньшие тепловые потери; электроды расположены по треугольнику, следовательно, меньше перенос мощности), но применяются и прямоугольные печи с размещенными по длинной оси прямоугольника тремя или шестью электродами. В первом случае печь имеет две или три летки, во втором – всегда три летки (против каждого электрода) с выпуском металла поочередно из каждой летки. Электроды 1 погружены в шихту, они зажаты электрододержателями 2, висящими на цепях лебедок.

Дуга горит в газовом пузыре 5 у нижних концов электродов 1 в шихте; пузыри возникают из-за давления выделяющихся газов и оформляются спекшейся шихтой, образующей стенки «тигля» 4, опирающиеся на жидкий металл (расплав) 6, на котором и горит дуга; на внутренней поверхности «тигля» температура равна температуре плавления металла. Именно в стенках «тигля» протекают реакции восстановления; восстановленный металл расплавляется на внутренней поверхности «тигля» и каплями стекает вниз. Ток проходит не только по дуге, но и от электрода к расплаву через стенки «тигля» (спекшаяся шихта является хорошим проводником), шунтируя ток дуги. Последовательно с другой включен расплав; в нем также выделяется джоулева теплота, но она невелика, так как электрическое сопротивление металлического расплава мало. Кроме того, ток проходит по «треугольнику» непосредственно от электрода к электроду через шихту 3, однако ввиду высокого сопротивления холодной шихты этот ток невелик.

По мере расплавления шихты в «тигле» ее место занимает опускающаяся вниз вокруг электродов шихта. Остальные участки шихты (у стен шахты печи, между электродами) остаются неподвижными и не участвуют в реакциях, образуя гарнисаж, защищающий футеровку от перегрева. Загрузку шихты поэтому следует проводить вокруг электродов, а не по всей площади колошника, образуя вокруг них конусы 10. Благодаря этим конусам газы (СО) отклоняются от электродов и выходят на колошнике на некотором расстоянии от электрододержателей 2. В противном случае последние, несмотря на водяное охлаждение, быстро вышли бы из строя в результате воздействия горящих струй окиси углерода.

Так как восстановителем является углерод (кокс), стенки шахты печи 9 и ее подина 7 могут быть изготовлены из угольных блоков, выдерживающих большую по сравнению с керамическими материалами температуру.

Условия работы у открытого колошника и у леток тяжелые (жара, пыль, необходимость вручную регулировать состав шихты). Отсюда вытекает настоятельная необходимость закрытия колошника печи, ее герметизации и механизации загрузки печи и выпуска металла.

2. Многошлаковые процессы – получение никелевого штейна из

сернистых руд (рис. 2.88.), фосфора и др.

Печи для многошлаковых процессов также непрерывного действия, прямоугольные (для никелевого штейна – с тремя или шестью электродами 1) или круглые (для фосфора), неподвижные, с

для металла и шлака находятся на разных уровнях. На поверхности расплава 7 плавает толстый слой расплавленного шлака 9, ток проходит через дугу 5 и шлак на расплав. Загрузка шихты через устройства 2 осуществляется на поверхность шлака, шихта 10 плавает на нем и растворяется в шлаке, восстановленный металл стекает в расплав. Благодаря этому не требуется ухода за колошником, что облегчает закрытие и герметизацию печи. Такие печи перекрыты сводом 3 и герметизированы, имеют вытяжку газов 4, так как либо их газы ядовиты, либо нужный продукт получается в виде пара (фосфор), который надо сконденсировать и собрать.

3. Рафинировочные процессы – получение безуглеродистых или малоуглеродистых ферромарганца и феррохрома, металлического кремния и никеля.

4. Блок-процессы – получение электрокорунда, ферровольфрама, карбида бора.

Конструкция и электрооборудование руднотермических печей

Печи для бесшлаковых и многошлаковых процессов состоят из

следующих основных элементов.

Ванна печи. Ванна состоит из прочного цилиндрического или прямоугольного кожуха, усиленного горизонтальными и вертикальными поясами жесткости, футерованного изнутри магнезитовой или угольной футеровкой и установленного на бетонном фундаменте. Кожух у печей для бесшлаковых процессов открыт сверху или перекрыт металлическим охлаждаемым водой сводом; у печей для многошлаковых процессов он перекрыт арочным керамическим сводом. Подина ванны очень толстая и обладает большой тепловой инерцией. Ванна печи снабжена несколькими летками для выпуска сплава и шлака. Закрытые печи снабжаются газоотводом и системой газоочистки.

Электроды. Обычно печь имеет три электрода, расположенных по треугольнику (круглые печи) или вытянутых в линию (прямоугольные печи); в последнем случае на крупных печах применяют шесть электродов. Электроды – самоспекающиеся, они состоят из стального кожуха, сваренного из листа, и заполняющей его массы (кокс в смеси с каменноугольной смолой и пеком). Внизу, в ванне печи, электроды расходуются, причем кожух расплавляется. По мере обгорания и распыления концов электродов они опускаются, наполняющая их масса попадает во все более горячую зону и спекается, превращаясь в твердый угольный электрод. По мере укорочения электрода к его верхней части приваривают новую секцию кожуха, заполняемую новой порцией массы. Такие самоспекающиеся электроды достигают 2000 мм в диаметре и образуют столб длиной 10–15 м и массой до 5 т.

Конструкция рафинировочных печей аналогична конструкции ДСП. Разница заключается в том, что обычно рафинировочные печи имеют неподвижную шахту, стоящую рядом с печью на фундаменте, в которой передвигаются стойки с электрододержателями. Этот вариант конструкции возможен, так как эти печи обычно не имеют свода и работают с открытым колошником.

Токоподводы. Так как токи фаз составляют несколько десятков тысяч ампер и доходят до 100 000 А и даже больше, токоподводы выполняются для уменьшения индуктивности из перешихтованных шин (чередование прямых и обратных шин или чередование фазных шин) или охлаждаемых водой медных труб. Они состоят из трех частей – перешихтованного участка от выводов печного трансформатора до неподвижных литых медных башмаков, в которых закреплена гибкая часть токоподвода – пакеты гибких кабелей или лент, обеспечивающих свободное перемещение электрододержателей относительно неподвижного токоподвода. Другой конец гибкой петли токоподвода зажат в подвижных башмаках, жестко связанных медными водоохлаждаемыми трубами со щетками электрододержателей.

Электрическое оборудование, обслуживающее крупные руднотермические печи, отличается от оборудования ДСП тем, что отсутствует реактор, так как режим относительно спокоен, дуги более устойчивы и хорошо теплоизолированы. Трансформаторы, как правило, выполняются с переключением ступеней напряжения под нагрузкой, регулирование режима осуществляется как перемещением электродов, так и переключением ступеней трансформатора. Ввиду перешихтовки токоподводов трансформаторы тока со стороны НИ установить нельзя. Несмотря на перешихтовку, индуктивность токоподводов весьма велика и коэффициент мощности установки низок (0,8–0,7); кроме того, велика неравномерность нагрузки по фазам, особенно в прямоугольных печах (перенос мощности).

Для улучшения коэффициента мощности и доведения его до приемлемого значения (0,9–0,95) применяются те или иные схемы компенсации мощности с

между фазами со стороны ВН, при этом реактивная энергия не поступает в сеть, а циркулирует в трансформаторе Т и короткой сети, вызывая дополнительные потери. При продольно- емкостной компенсации (рис. 2.89.) конденсаторы С включаются в разрез токоподвода последовательно с дугами. Так как напряжение на стороне НН мало и

конденсаторов для компенсации, причем они были бы в значительной степени недоиспользованы, их включение осуществляется в специальные повышающие трансформаторы T1–Т3, включаемые в токоподвод последовательно.

При продольно-емкостной компенсации мощность электропечного трансформатора можно уменьшить, так как она покрывает лишь активную составляющую, однако при этом появляются еще три однофазных повышающих трансформатора.