Основы расчета рудно-термической электропечи

Современные электропечи цветной металлургии для плавки медно-никелевых, никелевых и медных руд и концентратов имеют мощность 24–60 кВА. По форме они прямоугольные. Как правило, печи работают по режиму сопротивления и поэтому cos f достигает 0,95–0,97. Телом сопротивления служит шлак. Печи работают более устойчиво на глубокой шлаковой ванне (1,5–1,7 м). Вместе со штейном ванна имеет глубину 2,3–2,5 м. Общая высота печи от самой нижней точки подины (обратная арка) до самой высокой точки свода (прямая арка) составляет 4,0–5,0 м. При такой высоте и глубокой ванне стены печи крепят при помощи стальных листов по всей наружной поверхности. Листы прижимают к стенкам при помощи двутавров и тяг. Шлаковый пояс печи охлаждают, заделывая в кладку медные холодильники, через которые пропускают воду. Подина печи охлаждается воздухом. Ширину и длину печи выбирают на основе ряда условий плавки. Остановимся на основных из них.

В печи подают руду, агломерат, прокаленную руду, обожженные гранулы (окатыши), мелкий огарок. Все перечисленные материалы, кроме огарка, образуют в печи конусы и откосы, допускают работу, как правило, с электродами, заглубленными в шлак на 550–750 мм, при напряжении 500–700 В и силе тока около 30 кА. В случае плавки сплошной сульфидной руды при таком режиме возможны замыкания через шихту. Поэтому приходится снижать напряжение между электродами до 450–400 В и увеличивать силу тока до 50–55 кА. Это осложняет подвод тока, увеличивает затраты меди на трансформаторы, снижает к.п.д. установки и, следовательно, весьма нежелательно. Примерно таковы же условия работы на растекающемся огарке. На выбор напряжения влияет и состав шлака. Наиболее удобен для работы шлак, содержащий 45–55% SiO₂ и 20–25% FeO. Чтобы обеспечить такой печной шлак, следует избегать слива в печь конверторных шлаков, т.е. их надо выводить в медеплавильном производстве на флотацию, а в никелевом – в печи обеднения. При работе на кислых шлаках допустимое напряжение равно 800 В, при работе на железистых шлаках – соответственно 450–500 В. Из остальных, ограничивающих мощность печи, условий укажем на предельный диаметр круглого самоспекающегося угольного электрода 1,5 м и удельную токовую нагрузку на такой электрод 3 А/см². Отсюда предельную силу тока электрода найдем равной (150²•3,14•3)/4=53000 А.

Соответственно мощность печи достигает cosφ=1,73•800•53000•0,97=71150 кВт, или 71 МВт. Практически освоена мощность 45–48 МВт.

После выбора необходимой мощности печи по проплаву заданного количества руды можно приступить к расчету основных размеров печи. Например, если задан суточный проплав руды 2500 т при бесфлюсовой плавке и подсчитана плавильная потребность на 1 т руды, равная 490 кВт•ч, при к.п.д. печи 0,7 (обе эти цифры должны быть хорошо обоснованы), то суточный расход электроэнергии составит 2500•(490/0,7)=1750000 кВт•ч. Учитывая, что коэффициент использования мощности трансформатора равен 0,95, cos f =0,97 и потери в сети составляют 0,975, получаем следующий расход электроэнергии: 1750000/(0,95•0,97•0,975)=1944400 кВт•ч. Тогда мощность печной установки составит 1944400/24=81020 кВА.

Теперь необходимо решить, сколько потребуется печей: три по 27 тыс. кВА (и одна в резерве) или две по 40 тыс. кВА (и одна в резерве)? Можно также установить без резерва три печи, например по 33 тыс. кВА или две по 48 тыс. кВА, чтобы плавить сырье из запаса с превышением заданной суточной мощности, затем во время остановки одной из печей на ремонт плавить сырья меньше, чем по заданию, и брать для остальных переделов наплавленный в запас полупродукт и выходить на годовой план по проплаву сырья, допуская неравномерную работу по месяцам. Здесь мы ограничимся общим указанием: накопления в запасе дорогого материала следует избегать. Ценность запаса в среднем за год может оказаться больше, чем капитальные вложения на сооружение резервной печи, что едва ли целесообразно. Предположим, что на основе экономических расчетов была выбрана печь мощностью 40 тыс. кВА. Этот выбор соответствует тенденции на увеличение единичной мощности агрегатов. В печи мощностью 35–45 мВт в настоящее время принято подводить напряжение через 6 электродов с тремя однофазными трансформаторами, принимая удельную мощность 250–275 кВа на 1 м² пода. Печи мощностью 25–30 МВт можно питать электроэнергией при помощи трех электродов от одного трехфазного трансформатора, принимая удельную мощность 500–525 кВА/м².

По удельной мощности можно сразу определить общую площадь пода. В нашем случае она; равна 40000/250=160 м².

Обычно внутренняя ширина больших печей равна 6,0–6,5 м. Отсюда длина печи равна примерно 25 м. Этот способ определения размеров печи не учитывает расстановку электродов и газоотводов.

Рассмотрим другой способ расчета внутренних размеров печи. Определим диаметр электрода. Сила тока на электрод определяется как 48000•10⁶=3•560•İ•0,97. Отсюда I=29550 А и площадь электрода равна 29550/2=14780 см².

Диаметр электрода равен =134,4 см. Выбираем электрод диаметром 140 см,

Расстановку электродов принимаем следующую: расстояние между центрами электродов 2,5–3,0 D, т.е. 3,8 м; расстояние от шлаковой стенки до первого электрода 2,6–2,8 D, т.е. 3,75 м; расстояние от штейновой стенки до шестого электрода 2,5– 2,75 D, т. е. 3,5 м. Итого длина печи равна 3,5+3,75+5•3,87=26,25 м, округленно 26,0 м. Ширину печи принимают равной (4,5–5,0) D, т.е. в данном случае 6,5 м. Площадь пода печи в этом случае равна 169 м². Второй способ следует считать более соответствующим практике заводов и более удобным, так как он учитывает расстановку электродов.