Руднотермические печи

Руднотермические печи (РТП) применяются в металлургии черных металлов и других отраслях для получения ферросплавов – сплавов железа с кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом и др. РТП являются дуговыми печами сопротивления, имеют высокую единичную мощность и относятся ко второй категории по надежности электроснабжения. Нагрев перерабатываемых материалов производится за счет теплоты, возникающей при протекании тока по электродам, шихте, электрической дуге и распла-ляемому материалу. Дуга горит под слоем электропроводной шихты, теплота выделяется в дуговом разряде и преимущественно при прохождении тока через шихту в расплавленных материалах.

Номенклатура продуктов, получаемых в РТП, весьма широка: они могут выпускаться из печи в виде пара, газа, жидкости-расплава или твердого тела, извлекаемого целым слитком. Сырьем для получения ферросплавов служат руды или концентраты. При производстве основных сплавов: ферросилиция, ферромарганца и феррохрома пользуются рудами с большим содержанием металла. Первоначально руду вследствие малого содержания в ней полезного компонента обогащают, получая концентрат с высоким содержанием оксидов основного элемента.

Ферросплавы получают восстановлением оксидов соответствующих металлов, используя восстановители: углерод, кремний и алюминий. Реакции восстановления углеродом требуют подвода большой теплоты.

Значительное место в сфере использования РТП занимает получение электроплавленных огнеупоров, идущих на футеровку. Сырьем здесь являются глинозем, циркон и кварцевый песок. Получаемые методом плавки открытой дугой огнеупоры: корунд и бакор разных марок в печах ОКБ-2130, ДС-0,5 имеют высокую чистоту и плотность. Удельный расход электроэнергии при их получении находится в пределах 1800-2300 кВт·ч на тонну. Здесь перечислены только основные наиболее массовые и энергоемкие производства, тогда как перечень других процессов, осуществляемых в РТП, значительно шире и включает производство графита, сероуглерода и многих других веществ. Общими признаками РТП являются следующие:

– удельное электрическое сопротивление шихты сильно меняется при повышении температуры, в холодном состоянии шихта не электропроводна;

– в расплавленном состоянии шихта представляет собой ионный раствор, проводимость которого также зависит от температуры и вещественного состава. Объем расплава и шихты, участвующих в проведении тока, меняется при изменении температуры. Это определяет возможность параллельного существования проводников разного рода – нелинейного активного сопротивления шихты и расплава и электрической дуги;

– температура преобразования шихты составляет 1200-2200 К, что определяет высокие удельные расходы электроэнергии на выпуск единицы продукции и наличие мощного энергетического хозяйства;

– непрерывный режим работы в течение 1-2 лет;

– электрический режим работы относительно спокоен (в отличие от ДСП): толчки тока и эксплуатационные короткие замыкания отсутствуют.

Разнообразие конструкций РТП вызвано многообразием и сложностью химического состава перерабатываемого сырья, а также большим ассортиментом производимой продукции. Целесообразно выделить несколько основных типов процессов и схем печей.

1. Бесшлаковые или малошлаковые (рис. 4.11) предназначены для получения ферросплавов, карбида кальция. В рабочем пространстве трехфазной неподвижной печи находятся электроды 1, удерживаемые электрододержателями 2, погруженными в шихту 3. Дуги горят с торцов электродов на расплав в газовой полости 5, в так называемом «тигле». По мере оплавления стенок «тигля» увеличивается глубина ванны 6 и происходит оседание шихты. Загрузка шихты производится вокруг электродов, где образуются конические уплотнения 10, предотвращающие прорыв газов. Стенки шахты печи 9 и ее подину 7 изготовляют из угольных блоков. Слив металла производят через летку 8, пробиваемую по мере накопления расплава.

Рис. 4.11. Схема печи для бесшлакового и малошлакового

процесса

2. Многошлаковые процессы (рис. 4.12) используются для получения фосфора. РТП для этих процессов неподвижные с тремя или шестью электродами круглой или прямоугольной формы с выпуском через раздельные летки металла 6 и шлака 8. На поверхности расплава находится слой шлака. Ток проходит по электродам 1 через дуги 5, шлак 9 и расплав 7. Загрузку шихты 10 производят через устройства 2 в своде 3, герметизирующем рабочее пространство. Образующиеся газы удаляются через вытяжку 4.

Рафинировочные печи имеют подобную структуру рабочего пространства и отличаются периодичностью работы: загрузка – слив при наклоне печи.

3. Блокпроцессы применяются для получения электрокорунда, ферровольфрама. Ввиду высокой температуры расплава вылить его из печи не представляется возможным, он застывает на небольшой глубине, и по мере подсыпки шихты и ее расплавления дугой происходит наращивание слитка. После заполнения ванну откатывают, остужают и блок извлекают для последующей разделки, дробления, резки алмазными пилами.

Рис. 4.12. Схема печи для многошлакового процесса

4. Выплавка огнеупоров ведется открытой дугой с постепенной подсыпкой шихты. С целью уменьшения науглероживания расплава необходимо выдерживать определенную длину дуги, покрывать боковую поверхность электродов обмазками, предотвращающими их осыпание в расплав и обгорание. Слив расплава производится периодически по мере наполнения печи.

В РТП применяются электроды трех видов: угольные диаметром до 1200-1400 мм, графитированные диаметром до 800 мм и самоспекающиеся диаметром до 2000 мм или прямоугольные размером 3200×850 мм. Самоспекающиеся электроды представляют собой круглый или прямоугольный кожух из стали толщиной 1,5-5 мм, заполняемый сверху пастообразной электродной массой. При входе в печь под действием тока и теплоты печи электродная масса спекается и допускает плотность тока до 7,6 А/см². По мере сгорания кожух электрода наращивается и заполняется массой, что обеспечивает непрерывную работу печи.

Сопротивление нагрузки руднотермических печей значительно ниже, чем у ДСП, поэтому вторичное напряжение печных трансформаторов ниже, а токи при тех же мощностях в 1,5-2 раза больше. Это приводит к тому, что короткая сеть руднотермических печей более мощная и сложная. В ней применяются меры по обеспечению симметричности загрузки фаз, снижению активного и индуктивного сопротивлений.

На рис. 4.13 показана короткая сеть РДП РКЗ-48Ф. Охлаждение трубчатого пакета шин производится водой, протекающей внутри токоведущих труб. Конфигурация короткой сети выполнена так, чтобы проводники с противоположным направлением тока были расположены как можно ближе друг к другу. Это снижает величины реактивных сопротивлений и падений напряжений в короткой сети.

Наиболее мощные РТП с прямоугольной ванной имеют шесть электродов, расположенных в линию, и питаются либо двумя трехфазными, либо тремя однофазными трансформаторами. В этом случае каждый трансформатор питает два соседних электрода.

Первичное напряжение печных трансформаторов составляет 6, 10 или 35 кВ. Энергетические характеристики некоторых печей приведены в табл. 4.6.

Для повышения коэффициента мощности РТП снабжаются автоматически управляемыми компенсирующими устройствами. Мощные РТП отечественного производства оснащены установками продольно-емкостной компенсации реактивной мощности. Печи зарубежного производства имеют установки поперечной компенсации реактивной мощности.

Рис. 4.13. Схема короткой сети руднотермической печи:

1 – трансформатор; 2 – гибкие компенсаторы;

3 – пакет трубчатых шин; 4 – неподвижный

башмак; 5 – гибкие ленты; 6 – подвижный

башмак; 7 – электроды

При выборе мощности компенсирующих устройств учитывают возможность использования РТП в качестве регуляторов нагрузки энергосистем при одновременном снижении в «час пик» активной и реактивной мощности.

Таблица 4.6

Характеристики руднотермических печей

Современная руднотермическая печь РТП3-10М (рис. 4.14) предназначена для выделения благородных металлов из богатых продуктов в виде компактного слитка методом бесколлекторной плавки. Рекомендуемая массовая доля благородных металлов в направляемом на руднотермическую плавку продукте должна составлять более 15 % (плавка в накопительном режиме). Оптимальна массовая доля благородных металлов для ведения плавки без промежуточного слива шлака 30-50 %. При суммарном содержании благородных металлов в сплаве менее 15 % требуется проведение специальных исследований по подбору технологических и реагентных режимов плавки. Важным компонентом шихты является оборотный шлак, загрузка которого на плавку производится после расплавления пусковой шихты. Количество оборотного шлака может составлять до 50-90 % от общего количества шлака, в зависимости от массовой доли и химического состава неблагородной части проплавляемого золотосодержащего продукта. Чем более чистым от примесей является продукт, тем в большей степени шлаковая ванна может быть химически инертной средой, обеспечивающей ионную проводимость между погруженными рабочими электродами и создающей условия для нормального разделения фаз расплава с отстаиванием металла в донной части печи.

Издробленный шлак может быть использован при наборе ванны следующей плавки или перерабатывается на концентрационном столе типа СКО-0,5, СКО-2 и др.

Рис. 4.14. Печь серии РТП3-10М

Для осуществления питания печи необходим однофазный понижающий печной трансформатор мощностью до 100 кВА с входным напряжением 380 В, с возможностью получения на выходе плавно регулируемого напряжения от 10 до 100 В (РОТМ 100/0,5 УХЛ 4), или ступенчатого переключения напряжения от 10 до 100 В (трансформаторы типа РОТМ), или ступенчатого переключения напряжения (печные трансформаторы типа ТПО, ОСУ, ОСЗ, ТСЗИ). Технические характеристики РТП3-10М см. табл. 4.7.

Линия трансформатор-печь должна выдерживать пиковый ток до 1000 А. На практике достаточно соединить клемму каждого электрододержателя с соответствующим выходом питающего трансформатора тремя жилами медного сварочного кабеля сечением 3×70 мм². Линия трансформатор-печь должна быть как можно короче во избежание непроизводительного перерасхода электроэнергии и перегрузки трансформатора.

Корпус печи должен быть подсоединен к общему контуру заземления (или зануления).

Помещение площадью 20-30 м² должно соответствовать требованиям, предъявляемым к помещениям для проведения плавки (стены и пол из негорючего материала, пол неэлектропроводный), и требованиям к сохранности металла. Помещение должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией, освещением, средствами пожаротушения (порошковый огнетушитель, асбестовое одеяло, песок).

Таблица 4.7

Основные технические характеристики руднотермической

печи РТП3-10М конструкции ОАО «Иргиредмет»

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1. Малахова, Т. Ф. Печи сопротивления [Электронный ресурс] : методические указания к лабораторным занятиям и самостоятельной работе по дисциплине «Основы электротехнологий» для студентов направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», образовательная программа «Электроснабжение», всех форм обучения / Т. Ф. Малахова. ФГБОУ ВО «Кузбас. гос. техн. ун-т им. Т. Ф. Горбачева», каф. электроснабжения горн. и пром. предприятий. – Кемерово, 2016. – 16 с. – Электронный ресурс :

http://library.kuzstu.ru/meto.php?n=1621.

2. ГОСТ 17677-82. Общие технические условия. – М.: Изд-во стандартов, 1996.

3. Правила устройства электроустановок. – 7 изд. – М.: НТЦПБ, 2012. – 584 с.

Дополнительная литература

1. Болотов, А. В. Электротехнологические установки. [Текст] : учеб.для вузов / А. В. Болотов, Г. А. Шепель. – М. : Высшая школа, 1988.

2. Шеховцов, В. П. Электрическое и электромеханическое оборудование [Текст] / В. П. Шеховцов. – М. : Форум-Инфра М, 2004.

3. Свенчанский, А. Д. Электрические промышленные печи [Текст] / А. Д. Свенчанский. – М.: Металлургиздат, 1975.

4. ГОСТ Р 12.1.009-2009. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Термины и определения. – М.: Изд-во стандартов, 2009.

5. Потапов, Л. А. Теоретические основы электротехники: краткий курс [Электронный ресурс]: учеб. пособие / Л. А. Потапов. – СПб : Лань, 2016. – 374 с.