Лабораторная работа №11. Исследование влияния состава шихты на удельное электрическое сопротивление шихты при электрометаллургическом производстве ферросплавов

Теоретическое введение.

Важ­ным свойством шихты для получения ферросплавов электротермическим процессом с погруженными в шихту электродами является ее удельное электрическое сопро­тивление, которое при прочих равных условиях зависит от гранулометрического состава кокса и других компонентов шихты. Удельное электрическое сопротивление шихтовых смесей r в общем случае при одинаковой крупности и объемной массе подчиняется аддитивному закону:

 

lg r = åw_i * lg r_i, (1)

i

где: w_i - массовые доли компонентов шихты

r_i - удельное электрическое сопротивление компонента шихты

 

В условиях больших различий по крупности и объем­ной массе вместо массовых долей следует брать относи­тельные удельные поверхности кусков S, которые опреде­ляют сравнительные количества контактов. Зависимость w_i от S_i имеет вид:

 

w_i = S_i * d_i * g / (å S_i * d_i * g), (2)

i

где: g - насыпная плотность материала, кг/м³

Для смеси, состоящей из кокса (индекс 1) и кварцита (индекс 2), уравнение принимает вид:

 

lg r = S₁ * [ k₁ – (2*m₁ - 1) * lg d₁ ] + S₂ * [ k₂ * (2*m₂ –1) * lg d₂], (3)

 

где: m_i - показатель, равный 0,5 при малых и больших давлениях на контакт. Для расчета поверхности кусков условно принимают, что частицы шихты – шарообразные частицы и поверхность тогда находится по формуле:

 

S = 4*p*R² _экв, (4)

где: R_экв – эквивалентный радиус частицы, м

 

Эквивалентный диаметр частицы для случая, когда материал представляет собой смесь из частиц разного диаметра (обычное состояние) можно определить по формуле:

n

d_экв = (å x_i / d_i)^-1, (5)

i

где: x_i – массовая доля i-ой фракции в материале

d_i – средний ситовый размер i-ой фракции, м

 

Для шихты, состоящей из кокса донецких углей и овручского кварцита, уравнение приоб­ретает следующий вид:

lg r = S₁ * [ 0,535 – 0,41 * lg d₁ ] + S₂ * [ 5,0 – 0,3 * lg d₂ ], (6)

 

где: S₁ d₁ – площадь поверхности и эквивалентный диаметр кокса, м², м

S₂ d₂ – площадь поверхности и эквивалентный диаметр кварцита, м², м

 

Анализ зависимостей показывает, что с уменьшением размеров кусков кокса и кварцита значение r должно воз­растать, если поверхностные доли обоих компонентов не изменяются. Если размер кусков кокса уменьшается, а размер кусков кварцита остается прежним, то доля его уменьшается, и удельное электрическое сопротивление ших­ты должно снизиться, так как r₁ << r₂. Чрезмерное уменьшение размеров кусков снижает газо­проницаемость столба шихты в ванне печи, что может привести к падению производительности и всех технико-экономических показателей выплавки ферросплавов. На практике расчет гранулометрического состава шихты про­веряют исследованием работы печей на шихте различного гранулометрического состава.

Стремление технологов - ферросплавщиков максимально увеличить электрическое сопротивление шихты при плавке сплавов непрерывным процессом объясняется необходи­мостью уменьшить долю тока шихтовой проводимости и увеличить долю тока, проходящего через электрическую дугу — высокотемпературный источник тепла. Абсолютное значение удельного электрического сопротивления связано с концентрацией золы и летучих веществ в восстановите­ле, В большинстве случаев максимальному содержанию последних соответствуют большие абсолютные значения электросопротивления.

Смешением различных восстановителей можно в широ­ких пределах изменять электрическое сопротивление ших­ты, концентрацию вредных и полезных элементов в ферро­сплаве, вносимых золой восстановителей. Среднее удель­ное электрическое сопротивление полукоксов в 10—10⁴раз больше, чем у коксов, что в большинстве случаев объяс­няется меньшей конечной температурой процесса коксования - 560-760°С вместо 900-1100⁰С. Ис­пользование молодых длиннопламенных углей для полукок­сования и пониженная температура процесса предопределяют более высокие значения удельного электрического сопротивления вещества полукоксов по сравнению с промышленными коксами.

При производстве ферросплавов можно использовать восстановители различного происхождения, в зависимости от требований технологического процесса. При выплавке ферросилиция применяют и антрацит, который вводят в смеси с древесным углем для частичной замены коксового орешка. Каменные угли используют для повышения элек­трического сопротивления шихты. При плавке ферросили­ция хорошие результаты получены при использовании бурого угля в брикетированном виде — в смеси с 50—80% антрацита. Возможно восстановление брикетированным торфом. Введение в исходные угли кремнеземистых мате­риалов позволяет получать углекварцитовый кокс с высо­ким электрическим сопротивлением. Железококс полу­чают из углей с добавкой железистых шлаков или тонко­дисперсных материалов с высоким содержанием оксидов железа. Эти восстановители имеют повышенную механиче­скую прочность. Нефтяной кокс, для которого характерно низкое содержание золы, является продуктом коксования тяжелых остатков термического крекинга мазута или гуд­рона, а также остатков пиролиза керосиновой фракции нефти. Пековый кокс—продукт коксования высокотемпе­ратурного каменноугольного пека. Удовлетворительные ре­зультаты дает использование формованного кокса, который получают формованием пластичной массы из газовых или бурых каменных углей с последующим прокаливанием формовок.

Для непрерывной плавки в рудовосстановительных пе­чах целесообразно применение древесных отходов (опилок, щепы, стружки, чурок, обрезков и т. д.), а также высокозольных углей и отходов при их добыче. Так, на выплавке ферросиликоалюминия хорошие результаты получены при использовании высокозольных угольных пород Экибастузского месторождения (А^с = 70-75%; С_т = 14-30%). Зола состояла в основном из кремнезема (60—68%) и глинозе­ма (30—35%) при 2—3,5% FeO. Угли обладают высоким электрическим сопротивлением, а оксиды золы являются полезными составляющими шихты. Применяют такие угли в чистом виде или в смеси с коксом-орешком.

Однако помимо высокого электросопротивления восстановитель должен иметь высокую реакционную способность. Данные показатели для некоторых материалов приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Реакционная способность, электрическое сопротивление и плотность некоторых углеродистых восстановителей

Показатель	Металлурги-ческий кокс	Коксик	Полукокс	Нефтяной кокс	Древесный уголь
Реакционная способность, мл/г*с (1323оК)	0,69	0,92	8,0	0,42	11,1
Электросопротивление, Ом*м (фр. 3-6 мм)	1,21	1,48		3*106	2*106
Насыпная плотность, кг/м3	0,91	0,93	0,93	1,12	0,4

 

В отдельных случаях, когда нагрев шихты осуществляется за счет, протекающего через нее, тока стараются наоборот снизить сопротивление, чтобы исключить возможность появления электрической дуги. Однако это направление производства ферросплавов мало изучено. На рисунке 1 представлена подобного рода металлургическая печь для производства карбида кремния.

 

Рисунок 1.Схематический разрез печи для получения карбида кремния после окончания процесса:

1 — тележка; 2 —угольные блоки; 3 — токоподводящие щеки; 4 — стенка; 5 — спеки; 6 — силоксикон; 7 — аморфный SiC; 8 — кус­ковой SiC; 9 — керн

 

Задачи исследования.

Освоение методики определения электропроводности шихтовых материалов для производства ферросплавов и изучение зависимости электропроводности различных материалов от температуры.

Методика исследования.