Электропечь для переработки шлаков

 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к проектированию и эксплуатации шлаковых электропечей. Цель изобретения - повышение производительности печи постоянного тока за счет интенсификации возгонки летучих ценных компонентов шлака вследствие совмещения зон местного перегрева и барботажа при электролизе расплава. Электропечь для переработки шлаков содержит корпус, загрузочные устройства, электроды, объединенные в группы, подключенные к разным полюсам источника тока, одна из которых установлена на подину печи и подключена к отрицательному полюсу источника тока, а электроды другой группы, погруженные в шлаковый расплав, подключены к положительному полюсу и расположены подряд. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к проектированию и эксплуатации шлаковых электропечей, и может быть также использовано в черной металлургии и химической промышленности.

Известна обеднительная электропечь для переработки шлаков, футерованная огнеупором, с электродами, подключенными к источнику переменного тока, рабочие концы которых находятся на некотором расстоянии от подины (Серебряный Я.Л. Электроплавка медно-никелевых руд и концентратов. М. Металлургия, 1974, с. 233-237, рис. 77, 96).

Недостатком такой конструкции являются низкая производительность из-за повышенных потерь ценных компонентов со шлаком и избыточного настылеобразования на подине печи.

Наиболее близкой к предлагаемой является печь для переработки шлаков, содержащая корпус, загрузочные устройства и электроды разной полярности, установленные через один и объединенные в две группы, одна из которых установлена на подине печи (авт. св. N 1704536, кл. F 27 В 3/08, опубл. Б.И. N 45-46, 1993).

Требуемую полярность электродов, определяющую направление электрокапиллярных сил, находят экспериментально, исходя из условий минимального содержания ценных металлов в шлаке.

К числу недостатков известной электропечи следует отнести прежде всего низкую производительность из-за повышенных потерь ценных компонентов с отвальным шлаком, что обусловлено невозможностью полного использования обедняющих эффектов отгонки летучих ценных компонентов шлака, например, цинка и свинца.

Указанные недостатки обусловлены рядом следующих факторов, вытекающих из самой сущности устройства.

При установке электродов через один соседние электроды несимметрично заглублены в расплав и имеют разную полярность, что ослабляет интенсивность отгонки летучих компонентов шлака. Объясняется это следующим. Физико-химические процессы, происходящие у электродов разной полярности, несимметрично заглубленных в расплав, существенно различны. Так, у электродов, установленных на подину, джоулево тепло практически не выделяется и вся мощность печи, в основном, приходится на электроды, погруженные в шлаковый расплав, у которых образуются зоны местного перегрева шлака. При протекании постоянного тока через шлаковый расплав в результате электролиза на электродах с положительным потенциалом (анодах) выделяется отрицательно заряженные ионы кислорода, которые разряжаются на электродах и, взаимодействуя с углеродом электродов и твердого восстановителя, образуют газообразный восстановитель - оксид углерода CO. Последний дополнительно восстанавливает ценные металлы из шлака и вызывает барботаж, усиливающий циркуляцию расплава.

На электродах с отрицательным потенциалом (катодах), наоборот, взаимодействие ионов кислорода с углеродом не происходит, поэтому барботаж практически отсутствует и циркуляция расплава у электродов уменьшается. При этом в случае анодной поляризации электродов, установленных на подину, и катодной поляризации электродов, погруженных в шлаковый расплав, вследствие пространственного разъединения зон местного перегрева шлака и барботажа расплава интенсивность отгонки летучих компонентов шлака ослабляется. Кроме того, интенсивность отгонки летучих компонентов дополнительно ослабляется в результате удаления друг от друга зон местного перегрева шлака у электродов, погруженных в шлак и установленных через один. В результате этого обеднение шлакового расплава ухудшается.

Цель изобретения повышение производительности печи за счет созданий условий, обеспечивающих более глубокое обеднение шлака по ценным компонентам.

Цель достигается тем, что в известной электропечи для переработки шлаков, содержащей корпус, загрузочные устройства, электроды, объединенные в группы, подключенные к разным полюсам источника тока, одна из которых установлена на подину печи, согласно заявляемому изобретению, электроды, установленные на подину, подключены к отрицательному полюсу источника тока, а электроды, погруженные в шлаковый расплав, подключены к положительному полюсу и расположены подряд.

Проведенные исследования неожиданно позволили установить следующее.

Подключение установленных на подину электродов к отрицательному полюсу источника тока, а электродов, погруженных в шлаковый расплав, к положительному полюсу и расположение последних подряд дает возможность, во-первых, совместить зоны местного перегрева и барботажа шлака у каждого положительно заряженного электрода и, во-вторых, частично совместить эти зоны у разных положительно заряженных электродов друг с другом, что, как показали проведенные эксперименты, создает условия для максимального использования эффекта восстановления и возгонки ценных летучих металлов с целью более глубокого обеднения шлака и повышения выхода годного.

В этом случае, как показали исследования, в области расположенных подряд положительно заряженных электродов, погруженных в шлаковый расплав, достигается максимальные местный перегрев и барботаж шлакового расплава. В результате отгонка из шлака ценных летучих компонентов резко усиливается.

Для каждого технологического процесса взаимное расположение групп электродов разной полярности и расположение электродов, установленных на подину печи, определяется экспериментально, исходя из условий максимального суммарного экономического эффекта от обеднения шлака, что составляет предмет "ноу-хау" для заявляемого изобретения.

На чертеже показана заявляемая электропечь для переработки шлаков.

Печь содержит футерованный корпус 1, загрузочные устройства 2, электроды 3, из которых одна группа 4 установлена на уплотненной в результате предварительного ошлакования новой печи защитной настылью 5 подине 6 и подключена к отрицательному полюсу источника тока, а другая группа электродов 7 подключена к положительному полюсу. Потенциал на электроды подается через контактные щеки 8 источника питания. Концы электродов группы 4 погружены в слой металла или штейна 9 на подине печи, а электроды группы 7 погружены в шлаковый расплав 10.

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 и исключить избыточное настылеобразование, препятствующее нормальной работе печи. 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. При этом выделяющееся главным образом в шлаке в зоне расположения электродов 7 джоулево тепло перегревает расплав. Химически восстановленный металл (или штейн) вследствие разности плотностей накапливается в расплавленном состоянии в слое 9. Часть восстановленного металла остается в шлаке в химически растворенном состоянии и в виде механической взвеси.

При катодной (отрицательной) поляризации электродов 4 и, соответственно, донной фазы 9, и анодной (положительной) поляризации электродов 7 на анодах будет выделяться кислород с последующим его взаимодействием с углеродом электродов и восстановителя и образованием оксида углерода, дополнительно восстанавливающего из шлака цветные металлы.

Кроме этого, в результате электролиза цветные металлы и железо восстанавливаются из шлака электрохимическим путем на катодах в последовательности, определяемой величиной изменения свободной энергии Гиббса. При этом графитовые аноды 7 будут расходоваться, а графитовые катоды 4 нет; в прианодных областях 7 образуются зоны барботажа газа, причем, как сказано выше, в тех же зонах будет выделяться и подавляющая часть вводимой мощности, так как на них приходится основная доля электрического сопротивления шлаковой ванны. Поскольку аноды 7 расположены подряд, то зоны местного перегрева шлака и интенсивного барботажа расплава не только совмещаются у каждого электрода группы 7, но и частично совмещаются в промежутках между электродами группы 7. Это приводит к резкой интенсификации возгонки летучих компонентов (например, цинка, свинца) без существенного изменения температур на периферии ванны и, следовательно, без снижения стойкости футеровки, т.е. к дополнительному обеднению шлака и извлечению из него ценных летучих металлов без капитальных и эксплуатационных затрат.

Проверку устройства и сопоставление его с устройством прототипа проводили на шестиэлектродной закрытой прямоугольной обеднительной печи номинальной мощностью 250 кВА с электродами диаметром 100 мм, расположенными по длинной оси ванны, в которой перерабатывали конвертерный шлак, содержащий, мас. медь 5,8, свинец 3,75, цинк 4,12, железо 28,5, диоксид кремния 29,8, оксид кальция 8,4, кислород и прочие остальное.

Пример 1 (по прототипу). Работу устройства осуществляли следующим образом. После набора шлакового расплава на электроды подавали напряжение постоянного тока, равное 92 В (эта величина была определена экспериментально, исходя из условия поддержания на подине печи уплотняющей настыли при мощности 230 кВт).

Для данного состава перерабатываемого шлака экспериментально определяли оптимальную полярность, сопоставив вариант с отрицательным потенциалом электродов, погруженных в шлаковый расплав, и положительным потенциалом донной фазы (таблица, опыт 1а) и, наоборот, вариант с положительным потенциалом электродов и отрицательным потенциалом донной фазы (опыт 1б), который и оказался оптимальным. В результате плавки по этому варианту был получен шлак следующего состава, мас. медь 0,46; свинец 0,55; цинк 1,8.

Пример 2 (по заявляемому устройству).

После набора шлакового расплава того же состава, что и в примере 1, аналогично последнему на электроды подавали напряжение постоянного тока 92 В. После этого проведены испытания с положительным потенциалом электродов, погруженных в шлак и расположенных подряд, и отрицательным потенциалом донной фазы.

Для данного состава перерабатываемого шлака, сопоставив различные варианты взаимного расположения электродов, установили, что оптимальным является вариант, приведенный на схеме в таблице, опыт 2. В результате плавки по этому варианту был получен шлак следующего состава, мас. медь 0,31; свинец 0,29; цинк 0,49.

Таким образом, заявляемое устройство, в котором одна группа электродов, подключенная к отрицательному полюсу источника тока, установлена на подину печи, а вторая группа, подключенная к положительному полюсу, погружена в шлаковый расплав и электроды в ней расположены подряд, позволяет интенсифицировать отгонку из шлака летучих компонентов и осаждение металлической взвеси в донную фазу, а также ликвидировать избыточное настылеобразование на подине печи.

Формула изобретения

Электропечь для переработки шлаков, содержащая корпус, загрузочные устройства, электроды, объединенные в группы, подключенные к разным полюсам источника тока, одна из которых установлена на подину печи, а другая погружена в шлаковый расплав, отличающаяся тем, что электроды, установленные на подину печи, подключены к отрицательному полюсу источника тока, а электроды, погруженные в шлаковый расплав, подключены к положительному полюсу источника тока и расположены подряд.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2