Губин В.В., аспирант
Фирсов А.Ю., кандидат технических
наук, доцент
(Национальный минерально-сырьевой
университет «Горный»)
Педро А.А., доктор технических наук
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕНТИЛЬНОГО ЭФФЕКТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАВКИ
ОКСИДА НИКЕЛЯ
Статья посвящена природе возникновения постоянной составляющей фазного напряжения переменного тока. Показано, что постоянная составляющая может возникать в результате вентильного эффекта электрической дуги, когда анодом и катодом служат электроды из разного материала или разной температуры. Величина и направление постоянной составляющей зависит от контактных условий. Основные причины появления постоянной составляющей в электродной печи-различная работа выхода электрона и разный термоэмиссионный ток электродов. Данная величина может достигать 10 В при процессе восстановительной плавки никеля. Показаны уравнения, связывающие значения постоянной составляющей с технологическими параметрами процессами. На примере электродуговой печи для восстановительной плавки оксида никеля, было показано, что величина и характер изменения постоянной составляющей могут быть использованы для контроля состава расплава.
Ключевые слова: Электродуговая печь, восстановительная плавка оксида никеля, вентильный эффект электрической дуги.
THE PROCESS CONTROL OF REDUCTION SMELTING OF NICKEL BY USING OF BARRIER EFFECT OF THE ELECTRIC ARC
This article examines the nature of emergence and existence of the constant component in phase voltage of alternating current. It is demonstrated that the constant component appears in result of the barrier effect of electric arc when the anode and cathode electrodes are made of a different material or a different temperature. The magnitude and direction of constant component depend on the contact conditions. The main reasons for the emergence of a constant component in the electrode furnaces are the constant component is a consequence of different electron work function and different thermoemission of electrodes. This value can reach 10 Volts at the reduction smelting process of Nickel. Direction of DC, caused by burning arc, from the electrode with a smaller work function to the electrode with greater one. The equations relating the DC voltage drop on a plot «electrode-to-ground» with the parameters of the electrical circuit: electrical resistance and current are shown. With the example of electric arc furnaces for reduction smelting of nickel oxide, it has been shown that the magnitude and pattern of variation of the constant component can be used to control composition of the melt.
Keywords: Electric arc furnace, reduction smelting of nickel oxide, the barrier effect of electric arc.
Процесс восстановительной электроплавки закиси никеля занимает срединное место в технологической цепи извлечения никеля из сульфидных медно-никелевых руд. Исходным сырьем для плавки являются огарок - продукт окислительного обжига никелевого концентрата в печах кипящего слоя (~68% Ni), и частично восстановленная в трубчатых вращающихся печах закись никеля (~85% Ni). В качестве восстановителя используется кокс. Целью процесса восстановительной плавки является получение анодного никеля (с содержанием Ni до 97%). Плавка осуществляется в электродуговых закрытых трехфазных печах в полунепрерывном режиме.
Основными химическими реакциями, протекающими в печи, являются:
NiO + CO = Ni + CO2 (1)
CO2 + C = 2CO (2)
N10 + С = N1 + СО (3)
По нескольким причинам на стадии набора ванны эффективнее вести плавку с избытком углерода, уменьшая его содержание на стадии доводки присадкой необходимого количества закиси никеля. Во-первых, карбид никеля в отличие от его оксида хорошо растворяется в металле. Во-вторых, содержание углерода в расплаве на уровне 2,2% позволяет снизить температуру плавления никеля с 1452 до 1315°С. На стадии доводки избыток углерода устраняется присадкой закиси никеля. Доводка считается завершенной при содержании углерода 0.040.12%. Более высокое значение приводит к снижению качества анодного металла.
Дело в том, что избыточный углерод при медленном охлаждении выделяется на гранях кристаллов никеля, нарушая связь между кристаллами. Ухудшаются прочностные свойства никеля. Кроме того, увеличение содержания углерода в анодах снижает выход металла по току при последующем электролитическом рафинировании, повышает анодный потенциал. [1]
Стадия доводки является непроизводительной. В этот период общая масса продуктов в печи увеличивается незначительно, целью стадии является исключительно корректировка состава расплава. Поэтому надо стараться уменьшить продолжительность стадии доводки металла чистой закисью, поддерживая в ходе плавки состав металла по содержанию углерода близким к готовому. На этой стадии протекает реакция:
№С + N10 = N1 + СО (4)
Готовность металла определяют по горячей пробе, взятой железной ложкой из ванны печи и разлитой тонким слоем на чугунную плиту. Науглероженный металл («серый» - с 0,81,0% С, «светлый» - с 0,3-0,4% С, «щербины» - с 0,1-0,3% С) характеризуется крупнокристаллической структурой. Готовый металл обычно содержит около 0,01-0,015% С и имеет плотную структуру с матовым оттенком и небольшими газовыми включениями; поверхность быстро охлажденной пробы готового металла имеет цвет вороненой стали. [2]
Предлагается осуществлять более оперативное и точное определение содержания углерода в расплаве по косвенным параметрам, таким, как постоянная составляющая переменного напряжения печи, возникающая вследствие вентильного эффекта дуги.
В дуге с горячим катодом выход электронов с катодов объясняется термоэлектронной эмиссией [3]. Плотность тока эмиссии определяется величиной работы, которую необходимо затратить электрону, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Размер потенциального барьера зависит от материала катода и его температуры. В электропечи дуга горит между графи-тированным электродом и металлом. При давлении, равном атмосферному, примерная температура «катодного пятна» графита составляет 3300°С, а металла - 2100°С [1]. Таким образом, в первый полупериод эмиссия электронов с электрода больше, чем во второй полупериод, когда катодом является шихта. В то же время эту разницу можно считать неизменной с течением времени, так как, несмотря на меняющийся температурный режим внутри печи, температуру катодного пятна можно считать постоянной.
Кроме разной работы выхода электронов из катода, на разницу прикатодного падений напряжения в соседних полупериодах оказывает влияние различная величина ионизационного потенциала газов прикатодного слоя. [4]
Общая величина падения напряжения на печи равна
^печи = ^ак + Р ' 1д + ^р ' 1 печи + ^0 ' 1 печи , (5)
иак - сумма катодного и анодного падения
Р'1д - падение напряжения в столбе дуги, Кр ' 1печи - падение напряжения в расплаве,
р . т
^ печи - падение напряжения в токоподводящем контуре.
Тогда значение постоянной составляющей равно:
-Ай-г +
ипсд = Аиак +А£. 1д + рр + Ро).А/д , (6)
Первая величина связана с ионизационными процессами, протекающими вблизи катода и анода. Значение при это имеет материал электродов и среда горения дуги. Эти величины выражаются формулами:
ик = игк + /вых (7)
иа = и га(газ) + (и г ст — и га ) (8)
где ик - катодный скачок потенциала; иг к - фактический (наименьший) потенциал ионизации газов, находящихся в прикатодной зоне; /вых - работа выхода электрона из катода; иа -анодный скачок потенциала; и1а(газ) - фактический потенциал ионизации газа, образующегося в прианодной зоне за счет химических реакций газовой среды и материала анода; иг ст -потенциал ионизации газа в столбе; и а - потенциал ионизации материала анода.
Если величину Ц ст - и а обозначить как работу входа электрона в анод из столба /вх, то
формула (8) примет вид, аналогичный формуле (7).
Сумма электродных падений напряжения ик + иа = ид равна минимальному напряжению горения дуги, т.е. напряжению при ее длине, стремящейся к нулю. [4].
Выпрямляющее действие электрической дуги в данному случае объясняется следующим образом:
1) В полупериод, когда катодом является металл, катодное напряжение печной дуги равно сумме потенциала ионизации паров никеля и работы выхода электронов ик = иг (№) + (/(N1) = 7,6 + 4,5 = 12,1.
В прианодной зоне в этот полупериод активно реагирует углерод электрода с воздухом. Образующийся углекислый газ при температуре более 1000°С не может существовать и образует СО по реакции С02 + С ^ 2СО. Ионизация СО в прианодной зоне протекает по следующей схеме:
СО ^ С0+ + е (9)
В качестве потенциала ионизации газа в столбе дуги возьмем величину ионизации оксида азота N0 (см. ниже) Ui ст = 9.2В, потенциал ионизации материала анода и 1а = 11,3В. Таким образом, согласно формуле (7) иа = 14,1 + (9,2 -11,3)«12В .
Общая величина падения напряжения на катода и аноде в данный полупериод составит около 24,1 В.
2) В следующий полупериод, катодом является графитовый электрод. Ионизации будет подвергаться газ с наименьшим потенциалом ионизации из числа тех, что присутствуют в катодной области. Учитывая, что средой горения дуги является воздух, таким газом является оксид азота N0. Тогда величина катодного падения напряжения составит ик = иг (N0) + /(С) = 9,25 + 4,7 « 14В .
Когда анодом является никелевый лом или расплав, окруженный парами никеля, электрохимическое взаимодействие газа в прианодной области равно нулю. Поэтому анодный потенциал будет равен иа = 0 + (9,25 - 7,6) «1,7В.
Сумма прикатодного и прианодного падений напряжения равна 15,65 В. Выпрямляющий эффект равен 24,1 - 15,7 = 8,4 В.
Для открытой дуги, если не меняются условия термоэмиссии из электрода и расплава, AUck = const.
При l=const, фактически, Uncd изменяется только под влиянием изменения сопротивления расплава R0. Это позволяет установить прямую зависимость между падением напряжения постоянного тока, вызванного вентильным эффектом дуги переменного тока, в ванне печи и удельным сопротивлением расплава, а соответственно и концентрацией углерода. [5]
AU пгп , ч
Сут = K • Rp = K-—fL _ Ro (
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.