Способ выплавки ферросилиция в рудотермической печи

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при выплавке ферросилиция в рудотермической печи (РТП). В способе осуществляют непрерывную загрузку в печь шихты с углеродистой восстановительной смесью и ее электротермическую плавку. При этом плавку осуществляют в условиях оптимального соответствия электрического режима работы и геометрических параметров рудотермической печи по соотношениям, полученным в процессе эксплуатации печей, использующих в составе углеродистой восстановительной смеси ископаемые угли в количестве 50% по углероду. Изобретение позволяет выплавлять ферросилиций при минимальном удельном расходе сырья и электроэнергии путем оптимизации геометрических размеров РТП и электрических режимов плавки, которые определяют в зависимости от соотношения в углеродистой восстановительной смеси ископаемых углей. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к углетермическому способу выплавки ферросилиция в рудотермической печи.

Известен способ выплавки ферросилиция в рудотермической печи (далее РТП), включающий непрерывную загрузку в печь шихты с углеродистым восстановителем и ее электротермическую плавку, при этом расчет геометрических размеров печи и ее электрических параметров для выплавки ферросилиция производят по формулам, определяемым путем статистической обработки фактических данных при условии использования в качестве углеродистого восстановителя коксового орешка [1-4]. Попытки использования в качестве восстановителя углеродистых материалов (ископаемых углей), имеющих более высокое удельное электросопротивление, приводили к несоответствию геометрических размеров печи, установленному электрическому режиму плавки.

В связи с этим недостатком известного способа выплавки является ограничение в использовании в качестве углеродистого восстановителя ископаемых углей.

Задачей изобретения является разработка способа выплавки ферросилиция с минимальными удельными расходами сырья и электроэнергии, позволяющего использовать в составе восстановительной смеси ископаемые угли.

Задача решается тем, что углеродистая восстановительная смесь содержит коксовый орешек и ископаемые угли в количестве 50% по углероду, а плавку осуществляют в условиях оптимального соотношения параметров электрического режима работы - реактивного и активного сопротивления фазы, полного сопротивления и полной мощности фазы, фазного напряжения и силы тока с низкой стороны трансформатора и геометрических параметров печи внутреннего диаметра ванны и ее глубины, диаметра и длины самоспекающегося электрода, диаметра распада электродов.

При этом при использовании в восстановительной смеси длиннопламенного и бурого угля коэффициент избытка углерода поддерживают на уровне 0,98, а погружение электродов в шихту при выплавке высококремнистого ферросилиция осуществляют на глубину в 1,67 раза больше диаметра электрода.

Это позволило увеличить мощность в дуге за счет увеличения сопротивления в шихте (R_ш) с 3÷5 мОм (при работе на коксе) до 10÷5 мОм (при работе с использованием ископаемых углей). Замена коксового орешка углями на 50% по углероду позволила дополнительно перераспределить мощность в рабочем пространстве РТП: доля мощности, выделяемая в дуге, увеличилась с 44 до 61%; доля мощности, выделяемая в шихте, снизилась с 18 до 8%.

Выбор геометрических размеров РТП и электрических режимов ее работы осуществляют по нижеприведенным соотношениям.

1. Внутренний диаметр ванны определяют по оптимальной плотности активной мощности в сечении ванны (р_в=510 кВт/м²) при минимальном удельном расходе электроэнергии. Зависимость описывается уравнением (1):

где: d_в - внутренний диаметр ванны, м;

Р - активная мощность печи, кВт.

2. Диаметр распада электродов определяют, исходя из оптимального значения удельной мощности в сечении диаметра распада (р_р=2465 кВт/м²) при минимальном удельном расходе электроэнергии. Зависимость описывается уравнением (2):

где: d_p - диаметр распада электродов, м;

Р - активная мощность печи, кВт.

3. Выбор реактивного и активного сопротивлений производят на основании следующих закономерностей:

- реактивное сопротивление фазы определяют по зависимости, которая описывается уравнением (3):

где: Р - активная мощность печи, кВт;

Х_ф - реактивное сопротивление фазы, мОм,

оптимальное отношение активного сопротивления фазы (R_ф) к реактивному сопротивлению (Х_ф) определяют по уравнению (4):

- полное сопротивление фазы (Z_ф) - по уравнению (5):

Cosφ=0,8.

Полная мощность фазы составит:

, МВА

4. Диаметр самоспекающегося электрода в зависимости от полной фазной мощности описывается уравнением (6):

где: S_ф - полная фазная мощность, МВА;

Х_ф - реактивное сопротивление фазы, мОм.

5. Фазное напряжение с низкой стороны трансформатора определяли по зависимости, которая описывается уравнением (7):

где: S_ф - полная фазная мощность, кВА;

U_ф - фазное напряжение трансформатора с низкой стороны, В.

6. Силу тока с низкой стороны трансформатора определяем, преобразовав уравнение (7), по уравнению (8):

где: I - сила тока с низкой стороны, кА.

7. Длину электрода и глубину ванны (Н), которая соответствует длине электрода, определяем по уравнению (9)

где: R - электрическое сопротивление электрода, Ом;

ρ - удельное электрическое сопротивление ококсованной части электрода, Ом·мм²/м;

L - длина электрода, м;

S=π·d_э ²/4 - площадь поперечного сечения электрода, мм²;

d_э - диаметр электрода, мм.

8. Поверочный расчет диаметра электрода произвели по допустимой плотности тока по уравнению (10):

где: I - сила тока в электроде, А;

d_э - диаметр электрода, см;

j - плотность тока в электроде, А/см².

Оптимальные геометрические и электрические параметры печей, полученные на основании разработанного способа, представлены в таблице 1.

Таблица 1
Оптимальные геометрические и электрические параметры
Р, кВт	Хф, мОм	Zф,мOм	Cosφ	S, кВА	Uф, В	Iф, А	dэ, М	Н, м	dp, м	dв, м	J, А/см2
15000	0,87	1,449	0,8005	18738	95,2	65639	1,166	2,77	2,784	6,121	6,16
16000	0,887	1,478	0,8005	19987	99,2	67139	1,179	2,84	2,876	6,322	6,16
17000	0,903	1,505	0,8005	21236	103,2	68579	1,191	2,90	2,964	6,516	6,16
18000	0,919	1,531	0,8005	22485	107,1	69964	1,203	2,96	3,050	6,705	6,16
19000	0,934	1,556	0,8005	23734	111,0	71300	1,215	3,01	3,134	6,889	6,16
20000	0,948	1,581	0,8005	24984	114,7	72592	1,226	3,07	3,215	7,068	6,16
21000	0,962	1,603	0,8005	26233	118,4	73843	1,236	3,12	3,294	7,243	6,16
22000	0,976	1,626	0,8005	27482	122,1	75055	1,246	3,17	3,372	7,413	6,16
23000	0,989	1,648	0,8005	28731	125,6	76232	1,256	3,22	3,448	7,580	6,16
24000	1,001	1,669	0,8005	29980	129,2	77376	1,265	3,27	3,522	7,743	6,16
25000	1,014	1,689	0,8005	31229	132,6	78489	1,275	3,32	3,594	7,902	6,16

Способ выплавки ферросилиция реализуют в рудотермической печи, которая иллюстрируется чертежами, а именно: на фиг.1 - разрез А-А фиг.2; на фиг.2 показан вертикальный диаметральный разрез печи.

Печь включает стальной цилиндрический кожух 1, выполненный кирпичной кладкой, оснащенный снизу ванной 2 с углеродной футеровкой. Во внутреннюю полость ванны вертикально помещены три самоспекающиеся угольные электроды 3, смещенные по окружности на 120° относительно друг друга. Перемещение электродов осуществляют электрическими лебедками либо гидроподъемниками, при этом регулировку заданной силы тока в электроде осуществляют путем перемещения электрода в вертикальной плоскости, а именно: для повышения тока электрод опускают, а для уменьшения тока электрод поднимают. Загрузку печи производят сверху через труботечки. Доставку шихты к труботечкам осуществляют с помощью раздаточной тележки. В нижней части ванны предусмотрены ледки 4 для выпуска расплава. Печь питается электроэнергией от индивидуального 3-фазного трансформатора, который оснащен устройством переключения ступеней трансформации под нагрузкой.

Ввод печи в эксплуатацию осуществляют традиционным способом путем предварительного спекания электродов за счет сжигания в мангалах угольной смеси в режиме подачи воздуха. Далее производят загрузку шихты в печь с углеродистым восстановителем и осуществляют ее электротермическую плавку. Основным параметром управления электрическим режимом, для конкретного состава восстановительной смеси, является полное фазное сопротивление на низкой стороне трансформатора, которое выдерживается автоматической системой управления технологическими процессами (АСУТП) рудотермической печи, состоящей из следующих подсистем:

- управление перемещением и перепуском электродов;

- управление масляным выключателем и защитой трансформатора печи;

- управление процессом дозирования сырья и адресной загрузкой печи;

- контроля электрических и тепловых параметров и учета сырья.

Автоматизированная система позволяет гибко перестраивать модель управления технологическим процессом в зависимости от текущих задач.

Предлагаемая конструкция рудотермической печи для выплавки ферросилиция позволяет увеличить производительность на 15,0-17,0%, снизить удельный расход электроэнергии на 12,0-15,0%, повысить извлечение кремния в сплав на 5,0-7,0%

Предлагаемая рудотермическая печь с используемой мощностью 18 и 21МВт испытана в условиях ОАО «Кузнецкие ферросплавы» и предложена к внедрению на ферросплавных заводах при выплавке ферросилиция.

Измерения, выполненные на действующей печи, при ее работе с загрузкой коксовым орешком на 100% и при 50% замене коксового орешка ископаемыми углями, представлены в таблице 2.

Таблица 2
№ п/п	Наименование параметра	Единица измере-ния	Доля замены кокса углем, 0%	Доля замены кокса углем, 50%
1	Сила тока в электроде	А	65000	62500
2	Фазное напряжение на электроде	В	98	101,3
3	Полное фазное сопротивление в печи	мОм	1,51	1,62
4	Полное фазное сопротивление в шихте	мОм	3,2	12,8
5	Фазная активная мощность в дуге	кВт	2400	3300
6	Удельный расход электроэнергии	кВт·ч/т	10330	8104
7	Суточная производительность печи	т/сут	35,7	47,9
8	Cosφ		0,813	0,851

Измерения выполнены при одинаковых входных параметрах.

Основные результаты плавок ферросилиция марки ФС75 представлены в таблице 3.

Таблица 3
ПОКАЗАТЕЛИ	ВАРИАНТЫ
БАЗОВЫЙ	ПРЕДЛАГАЕМЫЙ
Производительность печи при выплавке сплава марки ФС75, баз. т/час
Удельный расход электроэнергии, кВт·ч/т
Извлечение кремния, %	84,6	90,7

Источники информации

1. Ольдзиевский С.А., Кравченко В.А., Нежурин В.И., Борисенко И.А. Математическое моделирование электрических полей печей рудной электротермии. - М.: Металлургия, 1990. - 112 с.

2. Жучков В.И., Розенберг В.Л., Елкин К.С., Зельберг Б.И. Электрические параметры и конструкции рудовосстановительных электропечей. - Челябинск: Металлургия, 1994. - 192 с.

3. Струнский Б.М. Расчеты рудотермических печей. - М.: Металлургия, 1982. - 192 с.

4. Гаврилов В.А., Поляков И.И., Поляков О.И. Оптимизация режимов работы ферросплавных печей - М.: Металлургия, 1996. - 176 с.

5. Восстановительная смесь для выплавки ферросплавов. Патент РФ на изобретение №2236481, приоритет от 10.10.2002 г.

6. Многокомпонентная восстановительная смесь для выплавки ферросилиция. Патент РФ на изобретение №2366740, приоритет от 02.10.2006 г.

1. Способ выплавки ферросилиция в рудотермической печи, включающий непрерывную загрузку в ванну печи шихты с углеродистой восстановительной смесью и ее электротермическую плавку, отличающийся тем, что углеродистая восстановительная смесь содержит коксовый орешек и ископаемые угли в количестве 50% по углероду, а плавку осуществляют в условиях оптимального соотношения параметров электрического режима работы - реактивного и активного сопротивления фазы, полного сопротивления и полной мощности фазы, фазного напряжения и силы тока с низкой стороны трансформатора, и геометрических параметров печи - внутреннего диаметра ванны и ее глубины, диаметра и длины самоспекающегося электрода, диаметра распада электродов, расчет которых производят по следующим зависимостям:
- внутренний диаметр ванны определяют по оптимальной плотности активной мощности в сечении ванны (р_в=510 кВт/м²) при минимальном удельном расходе электроэнергии:

где d_в - внутренний диаметр ванны, м,
Р - активная мощность печи, кВт;
- диаметр распада электродов определяют исходя из оптимального значения удельной мощности в сечении диаметра распада (р_р=2465 кВт/м²) при минимальном удельном расходе электроэнергии:

где d_p - диаметр распада электродов, м,
Р - активная мощность печи, кВт;
- определяют реактивное сопротивление фазы
Х_ф=0,0486·Р^0,3,
где Р - активная мощность печи, кВт,
Х_ф - реактивное сопротивление фазы, мОм;
- определяют оптимальное отношение активного сопротивления фазы (R_Ф) к реактивному сопротивлению (Х_Ф):
R_Ф/Х_Ф=1,334,
- полное сопротивление фазы (Z_Ф):
Z_Ф=1,667·Х_Ф,
Cosφ=0,8,
- полную мощность фазы:
, MBA,
- диаметр самоспекающегося электрода в зависимости от полной фазной мощности:

где S_ф - полная фазная мощность, МВА,
Х_ф - реактивное сопротивление фазы, мОм;
- фазное напряжение с низкой стороны трансформатора:
U_ф=1,2912·(S_ф·Х_ф)^0,5,
где S_ф - полная фазная мощность, кВА,
U_ф - фазное напряжение трансформатора с низкой стороны, В;
- силу тока с низкой стороны трансформатора:

где I - сила тока с низкой стороны, кА;
- длину самоспекающегося электрода (L) и глубину ванны (Н), которая соответствует длине электрода:
L=R·π·d_э ²/4·ρ=1,0205·d_э ²·10^-4/ρ,
где R - электрическое сопротивление электрода, Ом,
ρ - удельное электрическое сопротивление ококсованной части электрода, Ом·мм²/м,
L - длина электрода, м,
- площадь поперечного сечения электрода, мм²,
d_э - диаметр самоспекающегося электрода, мм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверочный расчет диаметра самоспекающегося электрода производят по допустимой плотности тока по уравнению:

где I - сила тока в электроде, А;
d_э - диаметр самоспекающегося электрода, см;
j - плотность тока в электроде, А/см².

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве основного параметра управления электрическим режимом конкретного вида шихтовки принято полное фазное сопротивление на низкой стороне трансформатора, значение которого выдерживают автоматической системой управления технологическими процессами (АСУ ТП) рудотермической печи.