В руднотермических печах металл и шлак выпускают

Обновлено: 18.05.2024

EPOS-process – процесс прямого восстановления. НПП электроплазменного оборудования и систем «ЭПОС» разработало технологию и оборудование рудовосстановительной плавки, названной технология EPOS-process, с высокими техническими и экономическими показателями. Процесс реализован на плазменной шахтной рудовосстановительной печи.

Есть три действующих печи, работающие по EPOS – process, мощностью 70 КВт, 250 КВт и 1500 КВт.

Принцип работы:

Использование плазменных горелок, позволяющих работать под шихтой, с изменяемой геометрией плазменного факела. Плазмотроны работают на горячих, неочищенных газах из печи, без ограничений по температуре, и рассматриваются как один из важных инструментов для управления технологическим процессом;

В качестве основных восстановителей работают контролируемая и управляемая водород – и оксидуглеродная среда;

Используется высокая шахта, в которой проходят процессы сушки, предварительного подогрева и твердофазного восстановления, созданы условия для правильного протекания восстановительных процессов в твердой фазе;

Применение рециркуляции горячих газов по максимально короткому контуру печи, через плазмотрон и специально организованную систему рециркуляции, обеспечивающую рециклинг компонентов колошниковых газов, полное использование восстановительных и тепловых возможностей плазмообразующих газов из атмосферы печи;

EPOS-process проходит при отсутствии дополнительного избыточного окислителя, на выходе из печи СО₂ и пары Н₂О;

Используется специальной формы управляемая реакционная зона, в которой происходит восстановление и расплавление полученного металла и шлаков, завершаются химические реакции;

Используется “самодостаточный” брикет, содержащий рудный материал, углеродистый восстановитель в соотношениях, сбалансированных для полного восстановления компонентов руды для данного процесса и конструкции рабочей зоны.

Совокупность решений EPOS-process дает извлечение полезных компонентов из руды до 95% и экономию энергии до 2х и более раз в сравнении с действующими РВП.

Переработка железной руды

Наиболее перспективной схемой переработки промышленных отходов и получения сплавов металлов из рудных материалов являются плазменные шахтные печи в силу того, что применение такой схемы переработки связано с более полным извлечением полезных компонентов и высоким КПД установки в целом.

Меньшие энергетические затраты на единицу продукции обусловлены тем, что тепло отходящих газов идет на подогрев загружаемых материалов, восстановительный газ СО и Н₂ используется повторно и дожигается до полного СО₂ и Н₂О в реакциях восстановления.

Проходя через столб холодной шихты, газ очищается от вредных примесей, пыли. На выходе используется высокоэффективное средство очистки, которое позволяет снизить количество выбросов до уровня, в сотни раз ниже предельно допустимого.

Плазменной переработке подвергается брикетированное сырье, где оптимально подобрано соотношение перерабатываемых материалов и восстановителя, при управляемых режимах обработки материала (температура, химический состав среды в объеме плавильного пространства). Тепло химических реакций регенерируется благодаря теплопередаче загружаемому материалу. Большая часть газов циркулирует по замкнутому контуру, многократно участвуя в процессе восстановления. Продукты переработки используются безотходно в металлургии, машиностроении, строительной индустрии.

В плазменной рудовосстановительной установке “ЭПОС-Инжиниринг” используются плазмотроны собственной конструкции, защищенные патентами.

Особенности плазмотрона

Плазмотрон проверен в работе на плазменных печах и имеет уникальные, недостижимые другими способами технологические возможности, а именно:

Ограничений по мощности плазмотронов данной схемы нет. Плазмотрон специальной конструкции выполнен с графитовыми наконечниками, и в состоянии работать в зоне восстановления и плавления даже в контакте с шихтой. Графитовые электроды при соблюдении правил эксплуатации исключают попадание воды в расплав при нарушении герметичности плазменного узла.

Применение плазмотронов другой конструкции, например, медных, охлаждаемых, возможно в плазменных шахтных печах (плазмотроны у нас имеются), но – нецелесообразно по ряду существенных причин.

Впервые реализована схема процесса и печи с конструкцией плазмотрона, работающего под слоем шихты в контакте с ней, с дугой, каскадом горящей на руду, без подового электрода, схема замкнутой рециркуляции запыленного горячего неочищенного газа с его подачей дымососами в плазмотрон. Плазмотроны не имеют ограничений по ресурсу.

В плазменной шахтной руднотермической печи в процессе плавки полностью используется химическая и тепловая энергия восстановителя, с малыми выбросами газа и пыли в систему газоочистки. Выброс газа и пыли меньше в сотни раз по сравнению с обычной руднотермической печью за счет улавливания их шахтой и рециркуляции газов по контуру печи. Коэффициент извлечения металла достигает 95% от содержания исходного металла в сырье, удельный расход энергии снижается до 2,0-2,5 раз.

По оценкам независимых специалистов, в российской металлургии подобная конструктивная схема печи и технология руднотермической плавки применяется впервые, и пока EPOS – process не имеет аналогов.

Плавка на штейн

Медный штейн состоит в основном из сульфидов меди и железа (Cu₂S + FeS = 80—90 %) и других сульфидов, а также оксидов железа, кремния, алюминия и кальция. Плавку на штейн или выплавку штейна осуществляют для того, чтобы путем расплавления шихты получить два жидких продукта — штейн и шлак и тем самым отделить медь, переходящую в штейн от оксидов шихты, которые образуют шлак. Выплавку штейна производят несколькими способами: в отражательных, шахтных и электродуговых печах и автогенными процессами.

Плавка в отражательных печах

Плавка в отражательных печах — наиболее распространенный процесс получения медного штейна.

Отражательные или пламенные печи делают длиной 30—40, шириной 8—10, высотой от пода до свода 3,5—4,5 м (рис. 237). Под печи, опирающийся на фундамент, выполняют из динасового кирпича либо путем наварки из кварцевого песка, толщина пода составляет 0,6—1,5 м. Стены выкладывают из магнезитохромитового или магнезитового кирпича. Свод печи делают арочным из динасового кирпича, распорно-подвесным в форме арки или подвесным, который может быть плоским или трапециевидной формы (два последних свода — из магнезитохромитового кирпича). На рис. 237 показана печь с подвесным сводом трапециевидной формы. Для выпуска штейна служат шпуры периодического действия, которые после окончания выпуска закрывают глиняной пробкой; иногда для выпуска штейна предусматривают сифонные устройства.

Для выпуска шлака служат шлаковые окна в конце печи. Высота расположения порога шлакового окна определяет высоту слоя расплава в печи, она равна 0,8—1,2 м, в том числе высота слоя штейна 0,4—0,6 м.

Отапливают печь природным газом, мазутом или угольной пылью. Горелки или форсунки обычно располагают в один ряд в передней торцовой стенке. Воздух, подаваемый для горения, нагревают до 200—400 °С и обогащают кислородом до 28—30 %. Газообразные продукты сгорания проходят до задней стенки и через газоход уходят в боров. Температура газов на небольшом расстоянии от передней стенки достигает 1550—1600 °С, а в хвостовой части снижается до 1250—1300 °С. Шихту загружают через несколько отверстий в своде печи, расположенных близ боковых стен по длине печи.

Плавка

Как отмечалось, основную часть штейна выплавляют из сырых (необожженных) концентратов. В шихту при этом вводят немного флюсов — известняка и кварца. Загружаемая шихта ложится (рис. 238) откосами вдоль стен (при плавке огарка она растекается по поверхности шлака). Шихта и поверхность жидкой ванны нагреваются факелом, образующимся при сгорании топлива.

По мере нагрева шихта плавится и стекает с откосов в слой шлакового расплава, где протекает разделение штейновой и шлаковой фаз — капли штейна опускаются через слой шлака. Происходит это поскольку штейн и шлак нерастворимы друг в друге, а плотность штейна (4,2—5,2 г/см 3 ) заметно выше плотности шлака (2,6—3,2 г/см 3 ).

Основными химическими реакциями в ванне являются: разложение (термическая диссоциация) высших сульфидов (реакции приведены выше при описании обжига концентратов), окисление образующейся при разложении сульфидов серы и окисление части FeS за счет реагирования с оксидами железа. При этом удаляется 45—55 % серы, содержавшейся в шихте. (При переплаве огарка, не содержащего высших сульфидов, основными реакциями являются: окисление части FeS оксидами железа и восстановление Cu₂O: Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeО; при этом из шихты удаляется менее 20—25 % серы.)

Благородные металлы (золото и серебро) плохо растворяются в шлаке и практически почти полностью переходят в штейн.

Штейн отражательной плавки на 80—90 % (по массе) состоит из сульфидов меди и железа Cu₂S и FeS. Остальная часть представляет собой оксиды других металлов. Штейн содержит 15-55 % Cu, 15-50 % Fe, 20-30 % S, 0,5-1,5 % SiO₂, 0,5-3,0 % Al₂O₃, 0,5-2,0 % (СаО + MgО), около 2 % Zn и небольшие количества Au и Ag. Шлак состоит в основ­ном из SiO₂, FeО, СаО и Al₂O₃ и содержит 0,1-0,5 % Cu.

Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96—99,5 %. Количество шлака составляет примерно 1,1—1,5 т/т штейна. Недостатки процесса — необходимость расходования топлива и то, что не используется теплотворная способность сульфидов.

Плавка в электрических руднотермических печах

Плавка в руднотермических печах является близким аналогом отражательной плавки. Выплавку медного штейна ведут в прямоугольных закрытых сводом электрических печах с тремя или шестью расположенными в линию угольными электродами, концы электродов погружены в шлак. Шихту загружают в печь через отверстие в своде вблизи электродов. Тепло, необходимое для плавления шихты выделяется при прохождении тока от электродов через шлаковый расплав, толщину слоя шлака в печи поддерживают в пределах 1,4—1,8 м.

Процесс в руднотермической печи аналогичен процессу в отражательной печи — происходит плавление шихты и разделение расплава на штейн и шлак. Химизм электрической и отражательной плавок полностью сходен. Штейн и шлак выпускают из печи периодически через шпуры. Расход электроэнергии изменяется от 380 до 600 кВт • ч/т шихты. Существенным недостатком процесса, как и процесса отражательной плавки, является необходимость постороннего источника тепловой энергии, и то, что не используется теплотворная способность сульфидов шихты (тепло, которое могло бы быть получено при их сжигании в печи).

Плавка в шахтных печах

Шахтная печь имеет вытянутое по вертикали рабочее пространство. При плавке загружаемые сверху шихтовые материалы опускаются вниз, а им навстречу движутся горячие газы, образующиеся внизу у фурм, где происходит горение сульфидов шихты и топлива (кокса) и где плавится шихта, разделяющаяся затем на штейн и шлак. Для обеспечения газопроницаемости столба шихты необходимо применять кусковые материалы Крупностью 20—100 мм, поэтому мелкие концентраты и руды предварительно подвергают брикетированию или агломерации.

Известны четыре разновидности шахтной плавки: восстановительная, пиритная, полупиритная и медно-серная. В восстановительной плавке, применявшейся для переработки окисленных руд, тепло для плавления шихты получалось за счет сжигания кокса. В пиритной плавке необходимое тепло выделялось при сгорании в печи сульфидов шихты; руда для такого процесса должна содержать не менее 75 % пирита FeS₂. В настоящее время применяют две разновидности процесса: медно-серную и полупиритную плавку, при которых тепло получается как от горения в печи сульфидов шихты, так и топлива (кокса).

Медно-серная плавка

Ее особенностью является то, что помимо штейна в качестве продукта получают элементарную серу, выделяемую из отходящих газов. В качестве шихты применяют кусковые высокосернистые руды и высокосернистые окускованные концентраты.

Шахтная печь для медно-серной плавки показана на рис. 239. В поперечном (горизонтальном) сечении печь имеет прямоугольную форму. Нижнюю часть шахты (ее стены) собирают из плоских полых водоохлаждаемых коробок — кессонов. На внутренней стороне кессонов нарастает слой застывшего шлака (гарнисаж), который работает как футеровка. Кессонированная часть шахты сделана сужающейся книзу. В нижней ее части установлены фурмы для подачи воздуха, а ниже фурм имеется желоб с порогом для выпуска штейна и шлака.

Верхнюю часть печи выкладывают из шамота и для герметизации заключают в железный кожух. В своде шахты печи находятся двухконусные загрузочные устройства, подобные засыпному аппарату доменной печи. Они обеспечивают герметизацию рабочего пространства печи в процессе загрузки шихты; при загрузке очередной порции шихты вначале опускают верхний конус при поднятом нижнем, а затем опускают нижний конус при поднятом верхнем. Это исключает попадание в печь воздуха и тем самым предотвращает окисление паров серы в отходящих из печи газах. Газы отводят через отверстия (рис. 239, 5) в продольной стенке и газоход.

Штейн и шлак выпускают из печи через желоб непрерывно в отстойный горн (на рис. 239 не показан). Он представляет собой футерованное внутри железное корыто с двумя—четырьмя шпурами для периодического выпуска штейна и желобами для непрерывного удаления шлака.

Шихта медно-серной плавки состоит из высокосерных окускованных концентратов и кусковых медных руд, флюсов (известняка и кварца) и 10—12 % мелкого кокса. Через фурмы вдувают воздух, иногда с добавкой кислорода, расход дутья такой, чтобы весь кислород расходовался в нижней части печи.

В нижней части шахты при медно-серной плавке формируется окислительная зона (среда), а в верхней — восстановительная. В окислительной зоне, где есть кислород поступающий из фурм дутья, происходит горение кокса (С + O₂ = СO₂) и сернистого железа (2FeS + 3O₂ = 2FeО + 2SO₂) с выделением тепла, благодаря чему температура в зоне составляет 1000—1100 °С, а у фурм достигает 1500 °С. При таких температурах плавятся сульфиды и остальная шихта с образованием штейна и шлака. По мере их выпуска из печи шихта опускается навстречу потоку горячих газов.

В поднимающихся газах кислород постепенно расходуется на перечисленные реакции горения и вверху формируется восстановительная зона (зона без кислорода). Здесь происходит восстановление SO₂ и СO₂ углеродом:

Протекают также другие побочные процессы с образованием газообразных СS₂, COS, Н₂S. Формирующийся из продуктов этих реакций колошниковый газ дополнительно обогащается в восстановительной зоне парами элементарной серы в результате термической диссоциации высших сульфидов CuS и FeS₂. Для сохранения серы в парообразном состоянии в процессе дальнейшей обработки газа температура газа на выходе из печи должна быть не менее 450—500 °С. Из газа сначала осаждают пыль, а затем из него извлекают серу (около 80 % ее общего количества в газе).

В результате медно-серной плавки получают бедный штейн, содержащий 6—15 % меди. Чтобы повысить содержание меди этот штейн подвергают сократительной плавке. Плавку осуществляют в таких же шахтных печах. Штейн загружают кусками размером 30—100 мм вместе с кварцевым флюсом, известняком и коксом. Расход кокса составляет 7—8 % от массы шихты. При этом железо переходит в шлак, а содержание меди в штейне повышается до 25—40 %. Несмотря на сложность такого двустадийного процесса он окупается за счет получения элементарной серы.

Полупиритная плавка

Полупиритная плавка схожа с медно-серной, но ее проводят без улавливания серы из отходящих газов. Шахтная печь для полупиритной плавки отличается от показанной на рис. 239 тем, что шахта по всей высоте выполнена из водоохлаждаемых кессонов и верх печи не герметизирован, а шихту загружают через шторы (дверцы) в стенах расположенного над шахтой шатра (колошника), служащего для отвода газов. Шихтой служат кусковые концентраты и руды, известняк, кварц и 5—10 % кокса. К шихте предъявляют менее жесткие требования, руда может содержать меньше серы (пирита) и больше пустой породы; в шихту вводят оборотные материалы (шлак, бедный штейн). Расход дутья поддерживают таким, чтобы по всей высоте печи была окислительная атмосфера (был избыток кислорода).

Содержание меди в штейне в зависимости от состава перерабатываемого сырья составляет 15—50 %. Вся сера в отходящих газах находится в виде SO₂.

В последние годы начали применять дутье, обогащенное кислородом (до 28—30 %), что вызывает улучшение показателей плавки; в частности снижается расход кокса.

Автогенные процессы

Дефицит энергетических ресурсов, неиспользование теплотворной способности сульфидов шихты, необходимость расходования дополнительного топлива при низком тепловом к.п.д. отражательной плавки и электроплавки, невозможность выделения серы из отходящих газов вследствие ее низкого содержания в газах привели к тому, что начиная с 50-х годов начался постепенный переход к автогенным процессам выплавки штейна из медных сульфидных руд.

Автогенной называют плавку без затрат топлива, осуществляемую за счет тепла, получаемого при окислении составляющих шихты. При переплаве сульфидного сырья автогенность обеспечивается за счет сгорания сульфидов шихты. В последние годы в нашей стране и за рубежом разработаны, внедрены и внедряются ряд автогенных процессов переработки сернистых медных руд. Сжигание сульфидов при этом может производиться в факеле или в расплаве.

Плавка в жидкой ванне (ПЖВ)

Процесс плавки в жидкой ванне, разработанный А.В.Ванюковым, осуществляют в шахтной печи (рис. 240), стены которой выполнены из медных водоохлаждаемых плит, а под и свод из огнеупоров. Длина печи составляет 10—30, ширина 2,5—3 и высота 6—6,5 м. Фурмы для подачи дутья расположены в боковых стенах в ряд по всей длине печи на высоте 1,5—2 м от пода. Шихту загружают через расположенные в своде воронки. Выпуск штейна и шлака происходит непрерывно и раздельно через сифоны, расположенные в противоположных торцах печи.

Процесс малочувствителен к качеству шихтовых материалов, можно переплавлять как кусковые руды крупностью до 50 мм, так и мелкие концентраты без их сушки. Дутьем служит обогащенный кислородом воздух, для обеспечения авто- генности процесса содержание кислорода в дутье должно составлять 40—45 % при влажности шихты 1—2 % и 55—65 % при влажности 6—8 %.

Процесс ПЖВ непрерывный. Дутье, как это видно из рис. 240, подают в объем расплава и в расплаве, что отличает этот процесс от других, происходит окисление сульфидов за счет реагирования с кислородом дутья. Расплав в печи условно делится на две зоны: зону выше фурм, где идет интенсивный барботаж (перемешивание поднимающимися пузырями газа) и подфурменную, где расплав находится в относительно спокойном состоянии. В верхней (надфурменной) зоне протекают процессы окисления сульфидов с выделением тепла, нагрева и плавления шихты за счет этого тепла, укрупнения мелкой сульфидной взвеси в шлаковом расплаве. Крупные капли сульфидов, как более тяжелые, движутся через слой шлака вниз, образуя на поду печи слой штейна.

В получаемом штейне содержание меди достигает 45—55 %. Достоинством процесса является то, что его удельная производительность (удельный проплав шихты, 60—80 т/(м 2 × сут)) значительно выше, чем у других процессов выплавки штейна; так этот удельный проплав более чем в 12 раз превышает проплав отражательной плавки. Процесс пригоден для плавки на штейн медно-никелевых, никелевых и других сульфидных руд.

Плавка во взвешенном состоянии или процесс взвешенной плавки

При этом способе сульфиды шихты сгорают, двигаясь в потоке кислородосодержащего дутья, т.е. сгорают в факеле во взвешенном состоянии. В качестве дутья используют обогащенный кислородом воздух и иногда кислород. Шихту предварительно необходимо измельчать и просушивать. Находит применение ряд разновидностей этого процесса.

Способ фирмы “Оутокумпу” (Финляндия), применяемый в ряде стран, предусматривает использование обогащенного кислородом (до 31%) и подогретого до ~200°С воздуха. Печь имеет вертикальную плавильную шахту и расположенную под ней горизонтальную удлиненную отстойную камеру. Через специальную горелку в своде шахты в нее подают дутье и измельченную шихту. При движении вниз в факеле сгорают сульфиды шихты, обеспечивая температуру в шахте ~1400°С. Образующиеся в факеле сульфидно-оксидные капли падают на поверхность шлака в отстойной камере, и здесь происходит разделение расплава на шлак и штейн. Горячие газы из шахты движутся через отстойную камеру вдоль поверхности расплава, подогревая его. Далее газы проходят котел-утилизатор, и из них извлекают элементарную серу. Штейн содержит до 60 % меди.

Плавку во взвешенном состоянии на кислородном дутье или кислородно-факельную плавку применяют на заводах в Казахстане, Канаде и США. Печь горизонтальная, вытянутая вдоль движения факела, выполнена из огнеупоров. Стены, свод и газоотвод оборудованы водоохлаждаемыми устройствами. В торцевой стене печи установлены две горизонтально расположенные горелки, подающие кислород и просушенную шихту. Температура факела при сгорании сульфидов в кислороде достигает 1500—1600 °С, образующиеся в факеле капли сульфидно-оксидного расплава оседают в шлаковую ванну, в которой происходит отставание штейна от шлака. Штейн содержит до 50 % Cu, отходящие газы до ~ 80 % SO₂, серу из газов улавливают.

Процесс “Норанда”, разработанный в Канаде, является непрерывным барботажным процессом, схожим с отечественным процессом ПЖВ. Его осуществляют в горизонтальной цилиндрической печи, вдувая через 50—60 расположенных в ряд фурм обогащенный кислородом (до 37 %) воздух в объем расплава, где происходит окисление сульфидов и разделение штейна и шлака. Шихту загружают через торцевую стенку печи, штейн выпускают периодически через шпуры.

Дуговые руднотермические печи

Дуговые электрические печи, используемые для плавки руд и концентратов на штейн и металл, получили назва­ние руднотермических дуговых печей. Благодаря рабо­там отечественных и зарубежных металлургов и электропечестроителей руднотермические печи с успехом применяются в медноникелевой промышленности, при плавке оловянных концентратов, переработке свинцово­цинкового сырья, в кивцэтном процессе, в производстве титана, при получении силикоалюминия и ряде других процессов. Главнейшими преимуществами руднотермических печей по сравнению с отражательными являются:

• значительно меньший расход флюсов для получения жидкого шлака (вследствие более высокой температуры в зоне плавления шихты); это способствует повышению извлечения металла и экономичности плавки;
• весьма незначительные потери тепла с отходящими газами бла­годаря их небольшому количеству и низкой температу­ре;
• высокая концентрация SO₂ в газах и возможность его использования;
• возможность механизации и авто­матизации обслуживания.

Руднотермические печи являются дуговыми печами смешанного действия. Они имеют электроды, погружен­ные в шихту и шлак. Поэтому в них, помимо нагрева ду­гой, основная часть тепла выделяется при прохождении тока между электродами через шихту, содержащую уг­лерод, и расплавленный шлак. В зависимости от условий плавки доли дугового нагрева и нагрева сопротивлени­ем могут изменяться. Отличительными особенностями руднотермических печей являются работа при высоком напряжении (до 1000 В) и большая мощность, достигаю­щая 48 МВ-А и более.

На рис. 154 приведен продольный разрез шестиэлек­тродной руднотермической печи для плавки сульфидных медно-никелевых концентратов. Печь имеет в плане пря­моугольную форму. Ширина печи достигает 8,7 м. Шесть электродов 1 расположены вдоль продольной оси печи. Фундамент печи железобетонный в виде отдельных стол­бов 3, на которые уложены балки и стальные плиты, под­держивающие подину печи. Подина имеет толщину 900—1200 мм и состоит из нескольких рядов магнезитового кирпича, выложенного обратными сводами на огнеупор­ной подсыпке или бетонном основании. Стены печи вы­кладываются в нижней части (до уровня ванны) из маг­незитового или хромомагнезитового кирпича, а в верх­ней части (выше уровня ванны) — из шамотного кирпича.Так как наиболее высокая температура создается внут­ри шихты, то температура в печи над шихтой невысокая, и свод может быть выложен из шамотного кирпича. За­грузка печи боковая через свод. Штейн выпускают через летку 4 в торцовой части печи, шлак — через летку 2 в противоположном торце. Печь работает в непре­рывном режиме с периодическим выпуском шлака и штейна.

Руднотермические печи имеют один, два, три и шесть электродов, чаще всего самоспекающихся. Их диаметр колеблется от 0,8 до 1,4 м. Питание производится от од­но- и трехфазных трансформаторов. При шести электро­дах используются три однофазных трансформатора, питающих каждый два электрода. Это позволяет умень­шить реактивное сопротивление короткой сети. На рис. 155 показано размещение печи и трансформатора в цехе.

Для угольных и самоспекающихся электродов боль­шого диаметра применяется щековой электрододержатель с дополнительным устройством для перепуска элек­тродов (рис. 156). Нижняя часть электрододержателя (рис. 156, а) состоит из нескольких щек 3, изготовленных из хромистой бронзы, плотно прижимаемых к электроду с помощью сплошного кольца 1 и нажимных винтов 2 или гидравлических сильфонных зажимов. Щеки и коль­цо подвешены к цилиндру 7 на подвесках 6 и охлажда­ются водой. Ток и вода к щекам подводятся медными трубами 4. Стальной цилиндр толщиной 5—10 мм плот­но скреплен с рамой из швеллеров, расположенной в верхней части электрододержателя. За эту раму вся кон­струкция вместе с электродом подвешивается на тросах или цепях 8 к лебедке (рис. 156, б). Подвеска и переме­щение могут осуществляться также и с помощью трех гидравлических плунжеров. Для перепуска самоспекаю­щихся электродов используются две стальные ленты 5, привариваемые диаметрально к кожуху электрода. Лен­ты намотаны на барабаны 9 и проходят через тормозные устройства 11, степень зажатия которых регулируется маховичками 10. При перепуске уменьшают прижим щек к электроду, и под действием собственного веса элек­трод опускается вниз на стальных лентах на некоторую глубину. Перепуск обычно производят, не отключая печь от сети, снижая лишь в два раза силу тока. При этом следует соблюдать правила техники безопасности. В ва­рианте гидравлического зажима вместо лент использу­ются зажимные щеки, оклеенные резиной, что позволяет на трении перепускать электрод. Срок службы дер­жателей с водяным охлаждением составляет несколь­ко лет.

Для герметизации свода в местах прохода электро­дов устанавливают сальниковые уплотнения с песочно­асбестовой набивкой.

В некоторых случаях руднотермические печи делают круглыми, что имеет свои преимущества. В них легче добиться герметичности свода, выделяемая в шихте мощ­ность равномерно распределяется по всей ванне, возмож­но вращение печи.

Ниже приводится тепловой баланс руднотермической печи, перерабатывающей 200 т/сут необожженного мед­но-никелевого концентрата и твердый конверторный шлак, получающийся из штейна данной печи:

Удельный расход электроэнергии на тонну шихты не­обожженного медно-никелевого концентрата 700—1000 кВт-ч и обожженного горячего огарка печи кипяще­го слоя 400—500 кВт-ч. Удельная производительность по твердой шихте 2,5—6,0 т/м 2 пода печи в сутки. При уве­личении напряжения эффективность печи возрастает, так как большинство потерь связано с силой тока, кото­рая сохраняется прежней.

При расчете необходимой мощности печи расход теп­ла за счет электроэнергии в печи определяют из тепло­вого баланса с заранее выбранными размерами печи или по удельному расходу электроэнергии. Кажущуюся мощность печного трансформатора (или нескольких трансформаторов) находят по формуле P = AW/24cos φ k₁ k₂,
где A — производительность печи по исходной шихте, т/сут;
W — удельный расход электроэнергии, кВт-ч/т;
cos φ — коэффициент использования мощности транс­форматора (обычно 0,8—0,9);
k₁ — отношение продолжительности фактической работы к календарному времени (0,935—0,945);
k₂ — квадрат отношения среднего фактического на­пряжения питающей линии к номинальному на­пряжению (0,9—1,0).

По полученной мощности выбирают число электро­дов, электрическую схему питания печи и трансформа­тор из числа выпускаемых для питания руднотермиче­ских печей. Находят силу тока и диаметр электрода D. Длина печи берется равной 12D для печей с тремя электродами и 21D для печей с шестью электро­дами; ширина печи примерно равна 6D, а расстояние между электродами составляет около 3D.

Конструкции рудовосстановительных печей

Конструкцию рудовосстановительных печей рассмотрим на примере двух разновидностей подобных печей — прямоугольной стационарной и круглой вращающейся.

Конструкция прямоугольной стационарной печи. На рисунки 1 показана шести электродная прямоугольная (в плане) стационарная рудотермическая печь для плавки медных и никелевых руд.

Фундамент печи выполнен в виде железобетонных столбов 1, на которые уложены двутавровые балки, а на них чугунные литые плиты. На плиты опирается подина 2. Футеровка ванны и стен 3 выполнена из хромомагнезитового кирпича с наружным теплоизоляционным слоем из шамота. В футеровку стен вмонтированы водоохлаждаемые кессоны. Кладка ванны и стен заключена в кожух из листовой стали толщиной 20-25 мм. Кожух охвачен каркасом состоящим из вертикальных колонн 19, связанными продольными балками и поперечными подпружиненными стяжками 5.

Свод 4 арочный из шамотного кирпича или жаропрочного бетона и опирается на подпятовые балки, уложенные на продольных стенах печи. В своде имеется шесть отверстий для электродов 20, расположенных вдоль продольной оси печи; 36 отверстий с двух сторон от электродов для загрузочных течек 16 и шесть отверстий диаметром 1м для газоотводов 7 (для печи длиной 22-23,5 м и шириной 6-6,5 м).

Электроды самоспекающиеся диаметром 1100 мм снабжены несущим цилиндром 9, механизмом перемещения 13 и перепуска 11 электродов, электрододержателем с контактными щеками 17. Электроэнергия к электродам поступает от двух трехфазных или трех двухфазных трансформаторов через шинопакет 8, гибкие шины, медные водоохлаждаемые трубки 6 и контактные щеки 17. Перемещение электродов ограничивают кольцевые прерыватели 10 и 12.

Шихта подается конвейером 14 в печные бункера 15 и далее по течкам 16 и через стальные или чугунные мундштуки 18 в печь. Газы из подсводового пространства отводятся через футерованный газоход 7 в систему газоочистки. Шлак и штейн выпускают через кессонированные шпуровые отверстия (летки), расположенные на противоположных торцовых стенах на разном уровне.

Конструкция круглой вращающейся рудовосстановительной печи

На рисунке 2 показана конструкция круглой закрытой рудовосстановительной печи мощностью 33МВ·А с вращающейся ванной (РКЗ-33). Ниже приведены основные размеры некоторых мощных рудовосстановительных печей:

Кожух печей выполняют из листовой стали толщиной 15—30 мм и усиливают снаружи вертикальными ребрами и горизонтальными поясами жесткости, днище кожуха выполняют плоским. К верху кожуха закрытых печей приварен кольцевой желоб песочного затвора.

Футеровку верха стен делают из шамота, а для низа стен и пода футеровку выбирают в зависимости от состава продуктов плавки. Так, для выплавки кремнистых сплавов и углеродистого ферромарганца футеровку делают из угольных блоков, для выплавки углеродистого феррохрома — из магнезитового кирпича.

В большинстве ферросплавных печей рабочим слоем футеровки служит так называемый гарнисаж, т. е. настыль, образованная из проплавляемой руды, шлака и сплава. Для ферросплавных печей характерна подина большой толщины (до 2,5 м).

При такой толщине подины обеспечивается большая тепловая инерция и облегчаются условия сохранения устойчивой температуры в плавильной зоне печи при кратковременных простоях.

Свод печи

У строившихся ранее открытых печей через колошник выделяется много тепла и отходящих газов, что вызывает нагрев оборудования и затрудняет работу персонала; кроме того, над печью бесполезно сгорает содержащийся в отходящих газах СО. Эти недостатки устраняются, если печь накрыта сводом, обычно водоохлаждаемым.

Свод может быть шестисекционным, т. е. состоять из шести секций — плоских металлических водоохлаждаемых коробок (кессонов); секции монтируют в сводовом кольце. Снизу такой свод футерован огнеупорным бетоном, имеются три отверстия для электродов и при необходимости отверстия для загрузочных воронок. В своде имеются два отверстия для отвода печных газов к газоочистке. Имеется также несколько отверстий, оборудованных взрывными клапанами, которые необходимы, поскольку газ в печи, содержащий много СО, при попадании воздуха может взрываться. В закрытых печах предусматривают уплотнение между сводом и ванной в виде песочного затвора.

Печь своим днищем через двутавровые балки опирается на железобетонную плиту 2, а плита на ходовые колеса и круговой рельс, заложенный в фундамент.

Вращение печи осуществляют приводом, воздействующим на зубчатый конический венец 17, закрепленный на железобетонной плите 2 . Горизонтальное смещение плиты предотвращается центральной опорой 19 со сферическим роликоподшипником.

Конструкция механизма вращения ванны

Вращение ванны осуществляют от привода, который на разных печах неодинаков. На рисунке 3 показан механизм вращения ванны с цилиндрическими редукторами и открытой конической передачей (он применен на печи, показанной на рисунке 2).

К железобетонной плите 1 болтами прикреплен зубчатый венец 2, входящий в зацепление с конической зубчатой шестерней 3. Вращение шестерни 3 обеспечивают электродвигатель постоянного тока 8, через три двухступенчатых редуктора 5, 6, 7 и соединительные муфты 4- При вращении шестерни 3, воздействующей на венец 2 плиты 1, ходовые колеса катятся по круговому рельсу.

Конический зубчатый венец (литой) изготовляют из отдельных секторов, собираемых после обработки на станках. Круговой рельс изготовляют также из отдельных стальных профилей квадратного сечения.

Конструкция электрододержателя

Электрод рудовосстановительных печах подвешен (зажат) в двух местах — вверху в зажимных кольцах механизма перепуска электродов и внизу в электрододержателе. Последний предназначен для подвода тока к электроду, зажима электрода и его перемещения по вертикали. На рис. 2.100 показан электрододержатель с самоспекающимся электродом.

Электрододержатель состоит из несущего цилиндра 5, восьми контактных щек 4 и нажимного кольца 9, снабженного зажимами 3. Несущий цилиндр (мантель), обеспечивающий подвеску (зажим) и перемещение электрода, выполнен из стального листа толщиной 10-16 мм, его диаметр превышает диаметр электрода на 150—200 мм и в зазор между ними сверху подают вентилятором воздух. Снизу цилиндр заканчивается кольцевой траверсой 7, к которой подвешены нажимное кольцо и контактные щеки (кольцо с помощью четырех водоохлаждаемых труб, а каждая щека на стальной тяге, эти подвески на рис. 2.100 не показаны).

Зажим электрода в кольце, т. е. прижатие восьми контактных щек к электроду осуществляют с помощью зажимов 3 кольца 9. Ток к щекам подводят по медным водоохлаждаемым трубкам. Щеки отливают из меди или сплавов на основе меди — бронзы или томпака, имеющих малое удельное электрическое сопротивление и высокую теплопроводность. Щеки делают полыми или с залитыми внутри трубками для охлаждающей воды. Нажимное кольцо также водоохлаждаемое, его отливают из немагнитной стали или бронзы.

Самоспекающийся электрод имеет кожух из стального листа с вертикальными ребрами. В кожух сверху засыпают электродную массу; при опускании электрода она нагревается и под щеками спекается, имея далее свойства угольного электрода.

Детали устройства электрододержателя даны на рисунки 4. Для подвески нажимного кольца 5 к траверсе 9 несущего цилиндра служат трубы 6, для подвески щек 2 тяги 8. Для прижатия щек к электроду 1 ранее применяли зажимы типа «нажимной винт-гайка» с ручной регулировкой усилия зажатия. В настоящее время применяют сильфоны 4, наполняемые для создания усилия зажатия маслом под регулируемым дистанционно давлением. Усилие зажатия передается на щеки через бугели 3. При сбросе давления зажатие прекращается.

На участке между траверсой 9 и кольцом 5 иногда устанавливают полые водоохлаждаемые плоские экранирующие коробки 7, охватывающие электрод по всему периметру сечения.

Конструкция механизма перепуска электродов

По мере сгорания электродов возникает необходимость их перепуска, т. е. смещения электродов вниз относительно контактных щек. Применяемый на современных печах механизм перепуска электродов (рисунок 5 ) состоит из двух зажимных колец 16 и 19 и трех или четырех гидроцилиндров 17. Нижнее зажимное кольцо 16 закреплено на траверсе 13, присоединенной к верху несущего цилиндра 11, а. верхнее кольцо 19 опирается на штоки 18 гидроцилиндров 17, закрепленных на нижнем кольце. Каждое зажимное кольцо содержит по шесть одинаковых пружинно-гидравлических зажимов. Электроды зажимаются пружинами 22, которые упираясь одним концом в корпус 24 гидроцилиндров, жестко закрепленных на зажимном кольце, другим концом через бугели 21 оказывают давление на обрезиненные (для повышения коэффициента трения), шарнирно подвешенные к кольцу щеки 20.

Перепускают электрод следующим образом. В исходном положении пружины зажимают электрод. Верхнее зажимное кольцо находится в нижнем положении. При включении магнита двухпозиционного золотника 34 масло из напорной линии подается по трубопроводам через гибкие шланги 26 под плунжеры 25 гидроцилиндров 24 ; плунжеры, выдвигаясь из гидроцилиндров, с помощью тяг 23 отводят бугели 21 от щек 20, высвобождая электрод 1. При этом пружины 22 сжимаются.

Далее поднимают верхнее кольцо 19. При срабатывании трехпозиционного золотника 32 масло подается в поршневые полости гидроцилиндров 17, поршни 18 выдвигаются, поднимая кольцо 19, а из штоковых полостей гидроцилиндров 17 масло вытесняется на слив через золотник 32 и подпорный клапан 36. Затем зажимают электрод в кольце 19, обесточивая управляющий соленоид золотника 34, его возвращают в исходное положение и тем самым сообщают полости гидроцилиндров 24 со сливом, при этом пружины 22 зажимают электрод. (Подпорный клапан 37 позволяет удерживать рабочую жидкость в трубопроводах, обеспечивая тем самым работоспособность системы).

Далее разжимают зажимы нижнего кольца 16 и электрододержателя. Для этого включением двухпозиционного золотника 33, аналогичного золотнику 34, сжимают пружины нижнего кольца 16, освобождая электрод и снимают давление в сильфонах 4 электрододержателя. После этого опускают верхнее кольцо 19 с электродом. Для этого реверсивный золотник 32 включается в направлении, противоположном предыдущему. Рабочая жидкость поступает в штоковые полости гидроцилиндров 17, благодаря чему верхнее зажимное кольцо с электродом опускается вниз на величину хода гидроцилиндра 17. Из поршневой полости цилиндров 17 рабочая жидкость через золотник 32 и подпорный клапан 36 сливается в бак. В заключении перепуска зажимают электрод в нижнем кольце и в электрододержателе. Для этого цилиндры нижнего зажимного кольца через золотник 33 сообщают со сливом, и пружины вновь зажимают электрод, а в сильфоны 4 подают масло под давлением, вследствие чего сильфоны зажимают электрод в электрододержателе.

Управляют перепуском электродов дистанционно с пульта управления печи. Положение верхнего кольца механизма перепуска контролируют по сигнальным лампам. Перепуск при нормальном ходе печи осуществляется 2-3 раза в сутки и продолжается несколько минут.

В процессе перепуска электрода при отжатии пружин одного из зажимных колец нежелательно самопроизвольное опускание электрода под действием собственной силы тяжести вследствие повышенного износа 2 и 20. Поэтому электрод должен удерживаться в покое под действием зажимного усилия пружин электрододержателя и только одного зажимного кольца 16 или 19.

Конструкция механизма перемещения электродов

В рассматриваемом механизме верхняя траверса 13 несущего цилиндра жестко соединена с двумя или тремя подвижными гидроцилиндрами 15, которые перемещаются по неподвижным плунжерам 14 ‘, последние своими сферическими (с целью лучшей самоустановки при перекосах) головками упираются в опорные стаканы, установленные на перекрытии 41 здания цеха. Для подъема электродов в гидроцилиндр 15 подается рабочая жидкость насосом 39 (с приводом от электродвигателя 38) через обратный клапан 35, реверсивный трехпозиционный золотник 31, дроссель 29 и обратный клапан 27. При этом гидроцилиндры 15 движутся вверх по плунжерам 14 вместе с траверсой 13, несущим цилиндром и электродом. Для опускания электрода производят слив жидкости из цилиндра 15 через обратный клапан 28, дроссель 30 и золотник 31 ; при этом цилиндр 15 и электрод опускаются.

Настройкой дросселей 29 и 30 на определенный расход жидкости получают различные скорости подъема и опускания электрода. Давление в гидросистеме определяется настройкой предохранительного клапана 40- Для предохранения загрязнения штоков гидроцилиндров они защищены гофрированными кожухами, размещенными между траверсой 13 и перекрытием 41 (на рис. 2.101 не показаны) Вертикальность перемещения несущего цилиндра 11 и, следовательно, электрода 1 обеспечивается направляющим цилиндром, имеющим два ряда центрирующих роликов 10 и 12.

Конструкция пневматического механизма перепуска электродов

Наряду с гидравлическими механизмами перепуска электродов применяются и пневматические при сохранении прежнего гидравлического привода механизма перемещения электродов.

Пневматический механизм перепуска (рисунок 6) состоит из группы неподвижных кольцевых полок 3, между которыми с зазором 20 мм установлены подвижные кольца 2.

Сверху и снизу подвижного кольца уложены эластичные резинотканевые баллоны 4. Каждое подвижное кольцо, охватывающее электрод 1, зажато посредством пружинного механизма 5.

Перепуск электродов осуществляется следующим образом. В нижние баллоны подвижных колец через пневматический распределитель 6 из сети подается сжатый воздух, а верхние баллоны соединяются с атмосферой. По мере наполнения сжатым воздухом нижних баллонов происходит подъем подвижных колец на величину зазора. После выбора зазора распределитель 6 соединяет верхние баллоны с воздушной сетью, а нижние — с атмосферой, и происходит опускание подвижных колец совместно с электродом на величину зазора (20 мм).

Плазменные руднотермические печи постоянного тока

Электропечи рудовосстановительные шахтные плазменные (РШПП), предназначены для получения ферросплавов (например, ферросиликомарганца МнС17 по ГОСТ 4756-91), первородных металлов непрерывным процессом методом восстановления входящих в ферросплав металлов из моношихты, в виде брикетов, с оптимизированным составом компонентов для металлургического передела по ТУ 0732-010-55978394-04.

Краткое описание преимуществ процесса получения ферросплавов в плазменной шахтной печи.

Преимуществами шахтной схемы печи является эффективная регенерация тепла, улавливание возгонов (могут достигать до 20% от объема выпуска), более полное использование восстановителя, меньшая требовательность к шихте, экологичность (герметичная система), лучшие весогабаритные характеристики, в разы меньшая технологическая себестоимость производства продукции.

Плазменные руднотермические печи обеспечат Вам следующие преимущества:

• Экономия энергии – до 50%;
• Увеличение процента извлечения полезных компонентов из руды – с 70% до 95%;
• Снижение выбросов – в 10 раз;
• Снижение технологической себестоимости производства в 2-3 раза;
• Расход плазмообразующего газа через плазмотрон может быть изменён от 0 до 100 % от требуемого;
• Мощность плазмотрона изменяется плавно, от десятков киловатт до десятков мегаватт;
• Плазмообразующие газы могут быть как восстановительными, так и окислительными, а также защитными;
• Газы могут быть взяты прямо из печи, и отправлены через плазмотрон обратно в печь;
• Технолог сам задаёт и управляет формой выделения мощности.

В плазменной технологии использован метод восстановления в твердой фазе, идея хорошо сбалансированного брикета, шахтная схема печи.

Новыми составляющими технологии «EPOS-process» являются: использование плазменных горелок особой конструкции вместо электродов РВП, применение специального профиля шахты, технология и схема рециркуляции горячих газов печного пространства по контурам печи через плазмотрон и систему рециркуляции, полное использование восстановительных возможностей плазмообразующих газов и влаги из атмосферы печи, без окислителей.

При этом используются металлургические плазмотроны запатентованной конструкции, предназначенные для работы под слоем шихты, не боящиеся контакта с электропроводящей шихтой и расплавом, с отсутствием ограничений по длительности непрерывной работы.

Наш опыт изготовления печей:

На собственной опытной базе для отработки технологии восстановительных плавок нами в течение 2007-2018 гг. изготовлено и опробовано уже 4 поколения печей, на которых отработаны технологии производства ферросилиция, ферросиликомарганца, ферромарганца, стали (чугуна), а также сложная технология одностадийной восстановительной плавки титаномагнетита, ильменита, с получением восстановленного железа и титанистого шлака высокой концентрации.

Последняя технология указывает на уникальные возможности вовлечения месторождений титаномагнетита в оборот, как для производства стали и сплавов, так и для формирования хорошей сырьевой отечественной базы для производства титана и его соединений.

Читайте также:

  
• Сухая пайка для металла
  
• Инсталляции из металла на стену
  
• Лазерная сварка листового металла
  
• Металлические строительные конструкции определение
  
• Металл инь в ба цзы