Использование плазменных систем для  производства ферросплавов в шахтной плазменной рудовосстановительной печи по технологии EPOSprocess

Кратко изложим особенности и преимущества «ЭПОС-процесса» и применения рудовосстановительной шахтной плазменной печи на примере производства ферросплава МнС17 по ГОСТ 4756-91 из руды одного из месторождений. Для расчета других руд, при оценке эффективности технологии “EPOS-process”, можно применить изложенные подходы. Перерабатываемые материалы приведены в таблице 1.1. Для плавки МнС17, для получения ферромарганца или ферросиликомарганца, материал 1 подходит в большей мере. Материал 3 подходит для получения ферросиликомарганца только для производства в шахтной плазменной печи.

Таблица 1.1. Состав предлагаемой руды.

№ пп Материал Средний химический состав, %
Fe SiO2 Mn Al2O3 CaO Mg S P
1 Получен со стороны 4-5 12-16 38-40 1-2 5 1,5 0,02 0,12-0,14
2 Из своих очагов, 1 7-9 20-22 13-20 6 0,02 0,15
3 Из своих очагов, 2 (после обогащения) 8-11 26 30 2 8 1,2 0,02 0,14

Назначение шахтных рудовосстановительных плазменных электропечей типа РШПП-ХХ-И1

Электропечи рудовосстановительные шахтные плазменные (РШПП), работающие по технологии “EPOS-process”, предназначены для получения ферросплавов (например, ферросиликомарганца МнС17, по ГОСТ 4756-91) непрерывным процессом, методом восстановления входящих в ферросплав металлов из моношихты, в виде брикетов, с оптимизированным составом компонентов для металлургического передела по ТУ 0732-010-55978394-04.  Расшифровка условного обозначения электропечей РШПП-ХХ-И1: Р – руднотермическая, Ш- тип профиля печи – шахтная, П-вид нагрева — нагреватели плазменные, П – печь, ХХ – суммарная мощность плазмотронов, МВт, И1-исполнение первое.

Внешний вид и конструкция плазменных рудовосстановительных печей.

Цех плазменных печей

Рис. Фотография внешнего вида печи

Цех плазменных печей

Рис. Плазменная руднотермическая шахтная электропечь РШПП-1,5И1

27

Рис. Плазменная руднотермическая шахтная электропечь. Профиль шахты.

Рис. Плазменная руднотермическая   шахтная электропечь. Схема. Управление зоной энерговыделения.

1,7 – подвижный плазменный узел – электрод;
2 — внутренний электрод плазменного узла;
3 — шихта;
4 – гарниссаж, зона плавления;
5 — расплав;
6 — дуга внутреннего электрода;
8 – футерованный тигель для расплава;
9 — дуга переменного или постоянного  тока

Видно, в каких широких пределах возникает возможность управлять в условиях плазменного энергоисточника формой энерговыделения.

Плазменные печи, в зависимости от потребностей технологии, могут работать на больших и малых напряжениях дуг.

Рис. Вольт-амперные характеристики плазменной дуги работающего плазмотрона. Работа коаксиального плазмотрона в режиме «над и под шихтой»

4. Краткое описание преимуществ процесса получения ферросплавов в плазменной шахтной печи.

Преимуществами шахтной схемы печи является эффективная регенерация тепла, улавливание возгонов (могут достигать до 20% от объема выпуска), более полное использование восстановителя, меньшая требовательность к шихте, экологичность (герметичная система), лучшие весогабаритные характеристики, в разы меньшая технологическая себестоимость производства продукции.

В  плазменной технологии использован метод восстановления в твердой фазе, идея хорошо сбалансированного брикета, шахтная схема печи. Новыми составляющими технологии «EPOS-process» являются: использование плазменных горелок особой конструкции вместо электродов РВП, применение специального профиля шахты, технология и схема рециркуляции горячих газов печного пространства по контурам печи через плазмотрон и систему рециркуляции, полное использование восстановительных возможностей плазмообразующих газов и влаги из атмосферы печи, без окислителей.

 При этом используются металлургические плазмотроны запатентованной конструкции, предназначенные для работы под слоем шихты, не боящиеся контакта с электропроводящей шихтой и расплавом, с отсутствием ограничений по длительности непрерывной работы.

Экспериментально достигнуто, в сравнении с традиционной технологией, увеличение процента извлечения полезных компонентов из руды с 70-75% до 90-95% от исходного, при значительно меньшей технологической себестоимости, и это делает EPOSprocess, при правильном его применении, одним из самых перспективных в области переработки руд и утилизации промышленных отходов.

Преимущества  плазменной шахтной печи на примере производства  ферросплава мнс17.

Преимущество № 1. Выход базового элемента выше, чем в классической РВП.

При получении ферросплава МнС17 из рудного материала с содержанием Mn 40%, в РШПП выход по марганцу в шахтной печи составляет 92%, а в классической печи, по опыту эксплуатации ферросплавных заводов, составляет 70-72 %.

Преимущество № 2. Расход углерода (коксика или низкосортного угля) в шахтной печи меньше почти в два раза по сравнению с классической печью.

Это преимущество является следствием примененных технологических приемов.

Преимущество № 3. Температура отходящих колошниковых газов пониженная, объем газа меньше.

Температура отходящих с колошника газов в шахтной печи — 200 0С и менее, в классической — 700 0С. В плазменных печах, работающих по технологии “EPOS-process”, количество газов для удаления и очистки совпадает с объемом газов, образующихся в процессе реакций восстановления, и для производительности печи по ферросплаву одна тонна в час не превышает 1500-2000 куб.м. в час, т. е. может быть снижен в десятки и сотни раз. Соответственно, ниже потери тепла и унос массы, меньше системы газоочистки. Количество твердых частиц, уносимых с удаляемым газом, ниже в десятки раз.

Как известно, затраты на газоочистку соизмеримы со стоимостью ферросплавного завода в классическом виде.

Преимущество № 4. В шахтной печи происходит более полное использование тепловой энергии.

 Восстановительные процессы начинаются уже в верхних слоях шахты, при температурах шихты более 500 0С; по мере опускания шихты в более горячие зоны восстановительные процессы проходят все более интенсивно в твердой фазе. Фактически тепловая энергия газов идет на нагрев спускающейся по шахте шихты. Вынос тепла с уходящими газами массой 1120 кг для классической печи составляет ориентировочно 245000 Вт*ч. В шахтной печи вынос тепла с уходящими газами массой 876 кг составляет ориентировочно 51100 Вт*ч.

Преимущество № 5. В шахтной печи происходит более полное использование химической энергии отходящих газов.

В составе печных газов классических руднотермических печей преимущественно содержится оксид углерода с содержанием до 92 %, некоторое количество воды, водорода и углекислого газа. Реакция окисления углерода осуществляется с выделением тепла. В случае с шахтной печью, эта энергия идет на поддержание реакций восстановления, подогрев шихты, что дает большую экономию электроэнергии и восстановителя, а в случае с классической печью эта энергия идет на нагрев отходящих газов и фактически выводится из процесса. При получении 1 тонны МнС17 в классической печи, вне шихты, под зонтом, происходит сгорание 1120 кг СО, выделяется до 3,146 МВтч. энергии, которая фактически теряется путем выброса уже разбавленных печных газов в атмосферу. Конечно, часть уносимой тепловой энергии газа можно использовать и вовне, но это потребует применения громоздких и дорогих устройств, при этом КПД печи неизбежно значительно снижается.

Преимущество № 6. Плазмотроны и технология.

Чтобы понять преимущество использования плазмотронов в шахтной печи, рассмотрим их в сравнении с особенностями работы и недостатками при применении трехфазной руднотермической печи. Не будем приводить знакомые всем описания конструкции руднотермических печей и принципы их работы. Отметим лишь, что печи, как правило, работают на больших токах, десятки тысяч Ампер, а мощные печи — и до сотни тысяч Ампер, при низком напряжении на трансформаторе, 120-250В, при этом собственно на дуговом разряде напряжение редко превышает 50-100В, и составляет от четверти до половины напряжения источника питания. В плазменной печи рабочее напряжение может достигать , при необходимости, 700-1000В, при низком токе дуги и малых потерях напряжения в короткой сети.

Очень сложны вопросы обеспечения локализации зоны энерговыделения, симметрирования нагрузки по фазам, оно достигается точной расчетной и конструкторской работой проектировщика, а также сложной работой технолога- металлурга, а равномерность мощности в дуговых разрядах и междуфазном энерговыделении в шихте, равномерность плотности мощности в зоне химических реакций, как стационарный режим, не достигается никогда (см. статью «Оценка энеpговыделения в pабочей зоне совpеменных электpометаллуpгических агpегатов». Безpуков И. А., Бикеев P. А., Электрометаллургия. №7  2009 г. с. 27-33).

Отметим также такое негативное обстоятельство, с точки зрения локального управления параметрами плавильной зоны, как отсутствие возможности изменения мощности под одним из электродов, без изменения  при этом режима плавки под остальными двумя (ток, напряжение, мощность). Таким образом, режимы и мощности изменяются под всеми электродами, даже если переместить только один из них, что крайне неудобно при настройке и управлении технологией хода печи. Нельзя изменить положение электродов, не затронув ряда других важных показателей печи. Изменение параметров нагрузки или режимов ведения плавки, в отдельных случаях даже на 5%, может привести, и в ряде случаев приводит, к резкому ухудшению всех показателей плавки – выходу годного, удельным расходам энергии, расходам подшихтовочных материалов и т. д. Процесс иногда развивается в сторону ухудшения качества продукта, изменения селективности извлечения, прекращения восстановления металлов, приводит к выходу только жидкого шлака.

Для расширения возможностей управления процессом проектировщики и технологи идут, в том числе, на применение однофазных трансформаторов, на многоэлектродные системы, применение постоянного тока и т.д. Но ряд важных вышеописанных негативных факторов остается, и в первую очередь — невозможность сделать независимым режим энерговыделения и положение электрода в ванне, независимыми друг от друга электрический режим и химизм процесса, тепловой и электрический режимы. Создавалось впечатление, что вариантов преодоления вышеуказанных ограничений нет. Однако, решение нашлось, и это- плазменные технологии для руднотермических процессов.

В плазменной печи ранее не был решен вопрос качественного энергоисточника и правильного его применения, что не позволяло реализовать важнейшие преимущества независимого энергоисточника. Можно было работать плазменной струей без соприкосновения с шихтой, либо вынесенной дугой на шихту с плазмотроном, укрытым в амбразуре или иным образом от шихты.  В обоих случаях дуга могла работать, как правило, только открыто, не под шихтой, близко к поверхности футеровки или охлаждаемой панели, любой контакт корпуса плазмотрона с шихтой, или плазменной струи с футеровкой приводил к аварийной ситуации на печи (в этом многократно убедились наши конкуренты). По этой, а также ряду других причин, на которых мы не будем останавливаться подробно, применение плазмотронов было резко ограничено, зачастую не оправдывало ожиданий, а плазменные печи рассматривались как экзотика, и применение плазмотронам находилось только в исключительных случаях.

 Нами качественно решен плазменный узел, позволяющий работать независимо, автономно, под шихтой. Это позволило реализовать преимущества плазменной печи: энерговыделение от дуги плазмотрона обеспечило пространственную, тепловую и электротехнологическую независимость от других источников, местоположение энерговыделения также может быть выбрано индивидуально, энерговыделение можно полностью локализовать в шихте, практически без потерь, а управление формой электрической дуги разряда плазмотрона позволяет формировать требуемую форму зоны энерговыделения (см.выше), что снимает ряд важнейших ограничений при планировании технологии и металлургии процесса. Возникает возможность локальных восстановительных процессов в зоне работы плазмотрона, их совместная работа на общую плавильно-восстановительную зону, возможность ввести и вывести плазмотрон без нарушения технологического процесса, поменять его местоположение  и т.д. – процесс превращается в гибко управляемую технологию.

Если к преимуществам применения плазмотронов специальной конструкции добавить реализованную технологию управления режимом при помощи специальных алгоритмов, разработанных нами под данный процесс, позволяющими точно идентифицировать состояние зоны энерговыделения и управлять ею, то плазменная шахтная печь становится универсальным, технологически гибким электрометаллургическим агрегатом, точно адаптирующимся под конкретный процесс, с достижением оптимальных технико — экономических преимуществ. При равных установленных мощностях источников, возникает возможность довести до зоны энерговыделения не четверть или половину, а до 95-98% мощности и напряжения источника, при значительно меньших токах и малых тепловых потерях.

Рис. Пульт управления плазменной шахтной руднотермической печью. Мнемосхема с одного из экранов. Управление печью одним оператором.

Преимущество №7. Условия труда и работа оборудования.

Работа классической руднотермической печи связана со значительным объемом тяжелого физического труда, большим количеством технологических операций с оборудованием и шихтой, значительными затратами на персонал.

Все принципиально изменяется при работе на плазменной шахтной печи. Печь герметична. Один оператор, с помощником, обеспечивает работу печи до выпуска металла.

Реализация преимуществ оборудования и технологии формирует современное, высокотехнологичное, малолюдное, автоматизированное производство, обеспечивает резкое, до 35-40%, увеличение выхода ферросплава из единицы массы руды, снижение расхода электроэнергии, восстановителей до двух раз, гарантированно обеспечивает высокую рентабельность производства ферросплавов.

Применение технологической схемы с косвенным источником тепла (дуги постоянного или переменного тока в электродных узлах) и прямыми источниками тепла (дуга переменного тока, горящая на расплав, или токи прямой проводимости в расплаве) позволяет более гибко вести технологический процесс. Можно выключить или не включать дугу переменного тока внешнего электрода, подогревая шихту (расплав) мощностью косвенных дуг. Можно, наоборот, выключив дуги постоянного тока вести процесс как дуговой или рудно-термический. Возможно совмещение косвенного и прямого нагрева с перераспределением в рабочей зоне по определенному закону мощностей дуг постоянного и переменного тока.

    Разработаны и находятся в эксплуатации на действующем оборудовании принципиально новые алгоритм и система управления плавильно – рафинировочным узлом и комплексом в целом. АСУ позволяет точно рассчитывать, в каком именно месте плавильной установки и какая мощность выделена, а также позволяет, путем управления напряжением на всех источниках, точно направлять мощность в заданную зону, снижать или увеличивать мощность там, где необходимо. Разработанный математический аппарат для алгоритма управления может быть использован для значительного совершенствования управления современных мощных электротермических комплексов — дуговых и рудовосстановительных печей, ЭШП, плазменных печей и т.д.

Можем предложить оборудование для восстановительных процессов в  руднотермических печах и установках для восстановления:
железа,
марганца,
кремния,
титана, хрома и ряда других металлов  со следующими параметрами:

— Мощность – до 150,0 МВт, мощность  одного плазменного модуля — до 20 МВт.
— Количество плазменных узлов — от 1 узла до  9  и более;

Диаметр наружного электрода  плазменного узла может составить до 1200 мм.

Плазменные руднотермические печи обеспечат Вам следующие преимущества:

Экономия энергии                      –  до 50%
Увеличение выхода годного  – с 70% до 95 %
Снижение выбросов                   – в 10 раз
Снижение  технологической себестоимости производства  в 2-3 раза

Расход плазмообразующего газа через плазмотрон может быть изменён от 0 до 100 % от требуемого.
Мощность плазмотрона изменяется плавно, от десятков киловатт до десятков мегаватт;
Плазмообразующие газы могут быть как восстановительными, так и окислительными, а также защитными;
Газы могут быть взяты прямо из печи, и отправлены через плазмотрон обратно в печь.
Технолог сам задаёт и управляет формой выделения мощности.

Технологии восстановления указанных металлов из руды проверены на опытных и промышленных агрегатах с отличным результатом