» » Теоретические основы рудной электроплавки
28.05.2015

Основными процессами, протекающими при электроплавке руд, концентратов и шлаков являются;
а) физико-химические превращения исходных материалов;
б) преобразование электрической энергии в тепловую;
в) движение твердых и расплавленных материалов и продуктов;
г) теплообмен в различных зонах печей;
д) движение газов.
Рассмотрим развитие основных процессов применительно к наиболее распространенной разновидности рудной электроплавки — плавке сульфидных медных и медно-никелевых руд и концентратов на штейн.
Исходная шихта, загружаемая в электропечь через отверстия в своде, погружается в слой жидкого шлака, толщина которого составляет от
0,8 до 1,8 м. Электропечь, по существу своей работы, представляет тепловую ванну с токоподводящими электродами, опущенными в своеобразный электролит — расплавленный шлак со слоем штейна внизу ванны, обладающим металлической проводимостью. Основные процессы электроплавки развиваются преимущественно в ванне печи и в слоях шихты, приближенных к ванне (рис. 8). Преобразование электроэнергии в тепловую энергию происходит в ванне в переходном контакте электрод-шлак и в самом шлаке вследствие его электросопротивления. Выделяющееся тепло нагревает в первую очередь массы шлака, прилежащие к электродам, что обусловливает энергичное движение нагретого шлака от электродов к стенкам печи. Нагретый шлак, встречая на своем пути массивы погруженной шихты, передает ей тепло, вызывая тем самым процессы термического преобразования шихты и ее плавление. Кроме теплового воздействия на шихту, движущийся шлак вступает с шихтой в химическое взаимодействие. Жидкие продукты плавления шихты — штейн и шлак — поступают в ванну печи, где и происходит отстаивание штейна И шлака. Образующиеся газы всплывают на поверхность ванны и собираются в газовом объеме электропечи. При плавке плотной, малопроницаемой шихты может происходить накопление газов под шихтой и периодические их выбросы.
Физико-химические превращения исходных материалов происходят главным образом в ванне печей на поверхности массивов шихты, погруженной в шлак и обращенной в сторону электродов. Горячий электропечной шлак непрерывно движется по этой поверхности, нагревает, расплавляет и химически «дорабатывает» плавящуюся шихту.
Шихта, загруженная в электрическую печь, состоит обычно из следующих минералов и химических соединений:
1) сульфидов CuFeS2, (NiFe)S, CuS, CU2S. NiS, FеS2, Fe7S8, FeS, ZnS, PbS, FeAsS и др.;
2) сульфатов CuSO4, NiSO4, ZnSO4, CaSO4, BaSO4 и др.;
3) окислов и ферритов Fe3O3, Ре3O4, CuO, NiO. ZnO, МеО*Fе3Оз, SiO2, Al2O3, CaO, MgO, МnО2, H2O и др.;
4) карбонатов СаСО3, MgCO3, ВаСО3 и др.;
5) силикатов mMеО*nSiO2.
В зависимости от особенностей рудного сырья и характера подготовительных операций, проводимых с материалами перед электроплавкой, в исходной шихте могут встречаться весьма разнообразные количественные соотношения указанных выше соединений. Чаше всего встречаются шихтовые смеси с преобладанием в них сульфидов и окислов.
В ванне электрической печи в первую очередь протекают процессы разложения сложных химических соединений и образования более простых и термически устойчивых, к этим процессам относятся диссоциация сложных сульфидов и некоторых окислов, диссоциация сульфатов, карбонатов и гидратов. В результате первой стадии нагрева шихты до 1000° состав ее существенно упрощается и представляется следующими соединениями:
1) сульфидами Cu2S, Ni3S2, FeS, ZnS, PbS;
2) окислами и ферритами Fе2О3, Fе3O4, Сu2О, NiO, ZnO, МеО*Fе2О3, SiO2, Al2O3, СаО, MgO, МnО;
3) силикатами mМеО*nSiO2.
С некоторым отставанием во времени, по сравнению с процессами диссоциации, развиваются процессы взаимодействия между различными химическими соединениями шихты и жидкого шлака, наиболее важными :i3 которых являются реакции между сульфидами и окислами и между окислами основными и кислыми, в итоге чего образуются продукты плавки — штейн и шлак. Эти процессы возникают еще при нагреве шихты до-1000°, но особо активное развитие получают при последующем нагреве и растворении шихты в жидком шлаке при температуре 1100—1500°.
Основные реакции, происходящие при электроплавке, могут быть изображены следующими химическими уравнениями:
реакции штейнообразования:
Теоретические основы рудной электроплавки

Физико-химические процессы, протекающие при электроплавке руд и концентратов, имеют свои особенности, отличающие электроплавку от других процессов, например от отражательной плавки.
Первая особенность электроплавки заключается в том, что все превращения шихтовых материалов совершаются в основном в ванне печи при непосредственном весьма активном участии расплавленного шлака. Расплавленная шлаковая масса взаимодействует с твердой шихтой одновременно с процессом нагрева и плавления шихты, в то время как в отражательной печи эти процессы разделены и в пространстве и во времени. Активное реакционное взаимодействие сульфидов шихты, окислов и ферритов шлака весьма благоприятно сказывается на составе штейна и шлака, получающихся при электроплавке. Штейн обогащается основными металлами в результате усиленного окисления серы «твердым» кислородом, а шлак обедняется вследствие восстановления окислов и разрушения ферритов. Окисление сульфидов на открытой поверхности шихты, не погруженной в шлак, кислородом из газовой фазы электропечей практического значения не имеет ввиду низкой температуры газового пространства печи и малой концентрации кислорода. Степень десульфуризации в электропечах почти такая же, как в отражательных, и составляет от 5 до 40%.
При нагреве и плавлении шихты и взаимодействии ее с жидким шлаком образуются газы и пары: CO2, Н2О, SO2, Sпap и др. Эти газы выделяются в слое расплавленного шлака и главная их масса, всплывая на поверхность, поступает в газовую полость печи. Часть мелких газовых пузырьков, усваиваемых шлаком, уносится конвекционными потоками к электродам, где газовые включения содействуют всплыванию перегревающегося шлака на поверхность ванны.
Участие в плавлении шихты жидкого шлака, все время омывающего поверхность плавления, исключает в процессе электроплавки возможность накопления на откосах тугоплавких составляющих шихты. В отличие от отражательной плавки, где это явление весьма развито, в электропечах все тугоплавкие компоненты шихты механически вымываются жидким шлаком и быстро усваиваются ванной. Поэтому в электрических печах значительно проще перерабатываются руды и концентраты с повышенным содержанием MgO, Äl2O3, Ре3О4 и других тугоплавких составляющих. Энергичное движение шлака в ванне электропечей не ухудшает разделения шлака и штейна, а, наоборот, содействует этому процессу, поскольку ликвидируются застойные участки в ванне, лучше прогревается масса шлака и шлак активно химически обрабатывается сульфидами, металлами и восстановителем.
Второй важной особенностью электроплавки является энергичное восстановление шлаков углеродистым восстановителем, вводимым в твердую шихту или загружаемым на зеркало ванны. Физической основой этого процесса является конвекционное движение шлака, обеспечивающее непрерывное прохождение массы шлака через так называемый скользящий контакт с восстановителем. Усиленное восстановление окислов, ферритов и некоторых силикатов, находящихся в шлаках, совместно с интенсивным перемешиванием шлаков и промывкой их сульфидным или металлическим дождем, образующимся из капелек осаждающихся штейнов или сплавов, при значительном перегреве всей массы шлака создает условия для глубокой доработки шлаков в электропечах. Проведенные исследования и заводская практика показывают, что чем больше время пребывания шлака в ванне электропечей, тем больше извлечение из этого шлака цветных металлов и тем беднее получаются отвальные шлаки. Для получения хороших отвальных шлаков необходимо выдерживать жидкий шлак в восстановительных условиях ванны электропечей от 6 до 24 час.
Основными продуктами электроплавки являются штейны, шлаки, газы и пыль.
Штейны, получающиеся при электроплавке, содержат от 10 до 40% мели и никеля и 23—27% серы. Температура плавления штейнов 1000—1300°, причем более низкую температуру плавления имеют штейны, содержащие сульфид никеля. Удельный вес штейнов 4,5—5,5; он возрастает при увеличении содержания меди и никеля. Электропроводность расплавленных штейнов весьма значительна и находится в пределах от 100 до 1000 ом-1 - см-1. Для медных штейнов электропроводность уменьшается с увеличением содержания в них меди.
Электропечные шлаки представляют собой железокальциевомагниевые силикаты и свойства их в основном определяются тройными диаграммами состояния FeO—СаО—SіO2 и FеО—MgO—SіО2. Кроме перечисленных окислов, в шлаках обычно присутствует глинозем. Химический состав шлаков: 25—45% FеО; 30—46% SiO2; 2—10% СаО; 2—24% MgO; 5—15% Al2O3; 0.1—0,47о Си + Ni. Температура плавления шлаков 1150— 1400°, причем более высокая отвечает шлакам с высоким содержанием окиси магния. Удельный вес шлаков от 2,5 до 4,0; вязкость от 10 до 100 пуазов. Большое влияние на работу электропечей оказывает электропроводность шлаков, которая по сравнению с электропроводностью штейна очень мала и составляет всего лишь 0,1—1,0 oм-1*-cм-1. Электропроводность шлаков увеличивается с повышением содержания закиси железа и уменьшается при повышении кислотности шлака. Сравнительные данные по электропроводности материалов и продуктов электроплавки представлены на рис. 9 и в табл. 2.
Теоретические основы рудной электроплавки

Газы, образующиеся при электроплавке, содержат от 0,5 до 6% SO2, небольшое количество СО2 и остальное — кислород и азот. При восстановительной электроплавке с добавкой в шихту угля или кокса в газах cодержится заметное количество СО, которая, при условии герметизации течей, может быть использована путем дожигания отходящих газов в теплоиспользующих устройствах. Температура газов на выходе из печи 200—400.
Пыль, уносимая электропечными газами, по своему составу близка к составу исходной шихты. Количество уносимой пыли при плавке необожженной шихты составляет 0,25—0,5%, а при плавке обожженных материалов 1—1,5%.
Преобразование электрической энергии в тепловую в рудоплавильных электропечах происходит также в шлаковом слое ванны.
Теоретические основы рудной электроплавки

Важнейшей характеристикой этого процесса является электрическое поле, исследование которого проводилось на моделях и заводских печах. Электрическое поле трехэлектродной прямоугольной электропечи, работающей со значительным погружением электродов в слой шлака, показано на рис. 10 в трех плоскостях; в плане печи, в продольном разрезе по осям электродов и в поперечном разрезе по крайнему электроду. Тонкими линиями изображены изопотенциальные поверхности или поверхности одинакового падения напряжения, величина которого, выраженная в процентах от фазового напряжения, нанесена на эти линии. Толстыми линиями изображены линии прохождения тока в шлаковом слое ванны, построенные как векторы, перпендикулярные изопотенциальным поверхностям. Особо выделено падение напряжения на поверхности, отстоящей от электродов на расстоянии -100 мм, поскольку оно определяет падение напряжения в переходном контакте электрод — шлак. Как видно из рис. 10, электрическое поле характеризуется сильным сгущением изопотенциальных поверхностей чашеобразной формы около осей электродов, что показывает, что канализация тока осуществляется участками ванны, отстоящими от осей электродов не более чем на два диаметра электрода. Более удаленные от электродов объемы ванны в канализации тока почти не участвуют.
Электрический ток проходит в ванне по двум направлениям; от электродов к слою штейна и от электрода к электроду. Следовательно, по характеру прохождения тока имеет место нагрузка печи как по схеме «звезда», так и по схеме «треугольник». Соотношение нагрузки по схеме «звезда» и «треугольник» зависит от погружения электродов в слой шлака и от расстояния между электродами. При увеличении погружения электродов доля нагрузки по схеме «звезда» заметно увеличивается, а по схеме «треугольник» уменьшается.
Теоретические основы рудной электроплавки

Как уже упоминалось, электрическая энергия преобразуется в тепловую в шлаковом слое ванны в переходном контакте электрод — шлак и в самом слое шлака. Природа переходного контакта электрод — шлак представляется дуговым разрядом особого рода в виде большого числа мелких точечных, частично шунтированных микродуг, образующихся в газовых мешках, окружающих концы электродов. Доля мощности, выделяющаяся в переходном контакте электрод — шлак, определяется падением напряжения на этом участке. При значительном погружении электродов в шлак падение напряжения, а следовательно, и доля мощности, выделяемая в контакте электрод — шлак, составляет 40—50%. При уменьшении заглубления электродов эта величина возрастает от 50 до 80%. Остальная часть электроэнергии преобразуется в тепловую в самом шлаке за счет его электросопротивления. Так как при увеличении погружения электродов в слой шлака тепловыделение не концентрируется на поверхности ванны, а переносится в ее глубокие слои, тепловая работа электропечей становится более эффективной и производительной. Это вызвало в последние годы переход на режим работы с большой глубиной ванны и значительным погружением электродов.
Шихта, погруженная в слой шлака, срезает часть линий тока и увеличивает активное сопротивление ванны, что приводит к чрезмерному заглублению электродов вплоть до закорачивания их на слой штейна.
Исследование электрического поля в совокупности с выявленным влиянием на него погруженной в ванну шихты позволяет подойти к определению рациональных размеров электропечей. Размеры электропечей следует определять в функции от диаметра электродов, при этом около двух диаметров электродов во все стороны от осей следует оставлять на образование токопроводящей части ванны. Кроме того, в печи необходимо предусматривать дополнительное пространство (около одного диаметра на сторону) для размещения шихты и предохранения футеровки от разрушения горячим шлаком. На основании характеристики электрического поля основные размеры прямоугольных электропечей можно определять в функции от диаметра электрода D по приблизительным данным, приведенным в табл. 3.
Теоретические основы рудной электроплавки

Движение материалов и продуктов в электропечах является очень важным процессом, существенно влияющим на протекание электроплавки. Отмеченная выше неравномерность частей ванны в тепловом отношении вызывает перегрев шлака около электродов, что в свою очередь порождает характерное конвекционное движение шлака в электропечах (рис. 11). Шлак, перегретый около электродов и содержащий к тому же большое количество газовых пузырьков, имеет значительно меньший удельный вес, чем шлак холодный. Вследствие этого горячий шлак всплывает на поверхность и распространяется по ванне во все стороны от электродов. У стенок печи потоки шлака разворачиваются в горизонтальной и вертикальной плоскостях по стенкам и, достигнув плоскости концов электродов, поворачиваются к ним и совершают обратное движение в этой части ванны. Подэлектродная часть ванны почти не участвует в конвекционном движении, являясь застойной зоной. Скорость движения конвекционных шлаковых потоков достигает 1—2 м/сек.
Теоретические основы рудной электроплавки

Загруженная в ванну печи нерасплавленная шихта не меняет общего характера движения шлака, но существенно влияет на направление отдельных потоков, отклоняя их в стороны от обычного направления (рис. 12). Плавление шихты в основном происходит по поверхностям, соприкасающимся с потоками перегретого шлака. Омывая встречную поверхность шихты, горячий шлак передает поверхностному слою шихты избыток тепла, нагревает его и вызывает процессы физико-химических превращений и плавления. Если в шихте или на поверхности ванны имеется кокс или уголь, то движущиеся поток» горячего шлака, непрерывно контактируя с восстановителем, подвергаются активному восстановлению на скользящем контакте. Массивы плавающей шихты по мере их подплавления снизу потоками нагретого шлака постепенно оседают и погружаются в ванну. При неравномерной загрузке недостаточно газопроницаемой шихты наблюдаются случаи скопления газов в ванне, а также опрокидывания откосов шихты в ванну, вызывающие выбросы расплава и хлопки.
Теоретические основы рудной электроплавки

Теплообмен и плавление шихты в рудоплавильных электропечах тесно связаны с активным конвекционным движением шлака в ванне, направленным от центра печи к периферии и обеспечивающим перенос тепловой энергии из более горячих зон печи в более холодные; роль теплопроводности весьма незначительна. Несмотря, однако, на движение шлака, тепловое поле электропечей неравномерно и максимальные температуры концентрируются в околоэлектродной зоне (рис. 13), где температура достигает 1500°. По мере удаления от электродов температура шлака падает как по направлению к стенкам печи, так и по глубине ванны, достигая в крайних точках 1200°. Подэлектродный слой шлака характеризуется почти изотермическим состоянием с ограниченным значением температуры.
Неравномерность теплового поля электропечей, работающих с толстым слоем шлака, является их характерной особенностью, препятствующей перегреву слоя штейна или сплава. Разогреть штейн или сплав на поду печи можно только при уменьшении загрузки шихты, глубокой посадке электродов и ограничении толщины шлакового слоя.
Неравномерность теплового поля электропечей обусловливает крайнюю неравноценность в тепловом отношении отдельных участков ванны. Скорость плавления шихты по мере удаления места ее загрузки от электродов значительно падает. Удельная производительность по проплаву твердой шихты участков ванны, расположенных у боковых стенок, почти в два раза меньше участков, расположенных у электродов (рис. 14).
Конвекционное движение шлака, теплообмен, распределение температур в ванне и плавление шихты зависят от заглубления электродов в ванну, а также от расположения и погружения шихтовых массивов. Соответственно изменяя заглубление электродов, расположение и погружение шихты, можно существенно корректировать все перечисленные процессы. Наиболее рациональной является работа при значительном заглублении электродов и загрузке шихты на всю поверхность ванны с максимальным количеством ее около электродов. Расположение шихтовых массивов и погружение их в ванну должно быть увязано с заглублением электродов.
Тепловой баланс электрических печей представлен следующим соотношением отдельных статей. Приход на 80/90% состоит из тепла, выделяемого от превращения электроэнергии; остальные 20/10% искрываются теплом, вносимым шихтой и экзотермическими реакциями. В расходе тепла основными статьями являются: тепло, уносимое шлаком и штейном — 50/70%, тепло, уносимое газами, — 15/30% и тепло, теряемое во внешнюю среду, — 10/20%. Термический к. п. д. электрических печей высок и достигает 60/80%).
Движение газов органически не связано с тепловой работой электропечей. Однако при форсировании плавки или при необходимости герметизации печного пространства вопросы газовой механики могут оказывать серьезное влияние на эксплуатацию. Количество газов, образующихся в процессе электроплавки, при нормальной работе печей ограничено и определяется только процессами превращения шихты, горения электродов и подсосом наружного воздуха. Наибольшее количество газов обычно образуется в результате подсоса воздуха, особенно при недостаточном регулировании давления и недостаточной герметизации печного пространства. В принципе возможна плавка в агрегатах без свода и без газового пространства над ванной, как это происходит в некоторых ферросплавных печах с открытым колошником. Свод и газовое пространство над ванной электропечей медной и никелевой плавки приходится устраивать главным образом по соображениям техники безопасности и санитарии для организованного удаления газов, содержащих SO2 или СО. Скорость движения газов в подсводовом пространстве электропечей составляет 2—3 м/сек.