Основы применения электротермических установок

Учитывая ситуацию, сложившуюся  на рынке первичного алюминия и технического кремния, обусловленную нехваткой  такого сырья как глинозем и чистого  от примесей кварцита, а также возобновившийся  спрос и растущая цена на продукты их переработки, представляет интерес  альтернативный – электротермический способ производства алюминиево-кремниевых сплавов.

Одним из главных преимуществ  электротермического способа является расширение сырьевой базы алюминиевой  промышленности за счет вовлечения в  производство дешевого низкомодульного  сырья — каолина (Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O).

Вместе с тем, современная  руднотермическая электропечь (РТП) для  выплавки алюминиево — кремниевых сплавов в десятки раз превосходит  по мощности алюминиевый электролизер. Это оказывает существенное влияние  на повышение технико — экономических  показателей производства.

В конечном итоге, оба эти  преимущества обеспечивают снижение себестоимости  продукции, доказывая перспективность  электротермического производства алюминиево — кремниевых сплавов.

В производстве литейных алюминиево — кремниевых сплавов электротермический способ позволяет:

-       расширить сырьевую базу производства алюминия.

-       снизить на 20…25 % суммарный расход электролитического алюминия;

-       исключить потребность в довольно дорогом техническом кремнии (для сплавов эвтектических, силуминового типа) или значительно сократить его расход (для заэвтектических сплавов);

-        исключить выделение высокотоксичных фтористых соединений и облегчить улавливание и очистку выделяющихся печных газов. 

 

Попытки получить алюминий из его оксида электротермическим способом предпринимались с конца XIX века, однако все они были неудачными.

Не смотря на это, исследования в этой области металлургии продолжались во многих странах и опытным путем  была доказана целесообразность совместного  восстановления алюминия с другими  металлами, которые образуют с алюминием  сплавы.

В 1939 г. на Днепровском алюминиевом  заводе (ДАЗ, г. Запорожье, Украина, бывший СССР), впервые в промышленном масштабе начали производить алюминиево —  кремниевый сплав (Al — 30%, Si — 70%) восстановлением  каолина древесным углем. После  этого алюминиево — кремниевый сплав  разбавляли алюминием и производили  товарный сплав — силумин (Al —  основа, Si -10…13%).

Вторая мировая война  временно приостановила развитие производства.

В 1966 г. электротермическое производство было восстановлено на этом же заводе.

Начиная с 1975 г. технология электротермического способа производства алюминиево-кремниевых сплавов постоянно  совершенствовалась.

Основные силы научных  исследований и инженеров — проектировщиков  были направлены на усовершенствование аппаратурно — технологической  схемы выплавки алюминиево — кремниевого  сплава в электропечах большой мощности.

За это время были достигнуты :

-       освоение технологических операций и электрических режимов эксплуатации печей различного типа и мощности при использовании различных видов сырья и углеродистых восстановителей;

-       разработка оптимальной конструкции электропечей большой мощности (РТП -22,5 МВА), обеспечивающей максимальный прирост производительности и снижение удельного расхода электроэнергии;

достижение максимального  извлечения алюминия и кремния из сырья в алюминиево- кремниевый сплав.  

 

Современная технологическая  схема промышленного производства алюминиево — кремниевых сплавов   включает следующие переделы: 

 

-       дробление и дозирование исходных сырьевых материалов, смешение, брикетирование и сушка брикетированной шихты;

-       плавка брикетов в рудовосстановительных электропечах с получением первичного алюминиево- кремниевого сплава;

-       рафинирование полученного сплава от неметаллических включений;

-       переработка первичного рафинированного сплава на литейные алюминиево-кремниевые сплавы. 

 

Рудовосстановительная плавка природного алюмосиликата (каолина) производится с добавкой глиноземистого сырья  в руднотермических печах (РТП) большой  мощности (до 30 МВА). В качестве восстановителя используется каменный уголь (концентрат) с высоким содержанием летучих  веществ (31…38%).

На первой стадии процесса выплавляется первичный алюминиево – кремниевый сплав, содержащий 55…61% алюминия, остальное – кремний  и примеси.

На второй стадии процесса первичный алюминиево – кремниевый сплав перерабатывается методом  сплавления с электролитическим  алюминием и легирующими добавками (медь, никель, магний, марганец и др.) Таким образом, в печах сплавления и индукционных печах  получают  жаропрочные литейные алюминиево – кремниевые сплавы различного типа и назначения.

Необходимо отметить, что  основной трудностью практического  осуществления электротермического  процесса получения алюминиево –  кремниевого сплава является  взаимная растворимость исходного сырья с промежуточными и конечными продуктами плавки.

При выплавке алюминиево –  кремниевого сплава кремний растворяет алюминий при его восстановлении. При этом кремний не растворяет неметаллические  образования (Al₄C₃ и Al₂O₃) и  тем самым выводит металл из зоны реакции, попадая вместе с ним уже в виде чистого сплава на подину печи.

Только строгое соблюдение расчетных соотношений каолина, глинозема и восстановителя, технологии их подготовки и брикетирования, соблюдение электрических режимов и приемов  ведения плавки и всей технологии в целом обеспечит успешное протекание технологического процесса.

Пренебрегая вышеперечисленными требованиями, технологический процесс  будет нарушен и тогда в  качестве продукта плавки будет произведена  тугоплавкая масса, состоящая из смеси карбидов, глинозема и незначительного  количества металла.

В мире имеются значительные запасы природного сырья пригодного для электротермической переработки. В России это Кейвское месторождение  кианитов [ Al₂(SiO₄)O ], в Украине и Китае – многочисленные месторождения высококачественных каолинов (Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O), в Индии – месторождения силлиманитов Al (AlSiO₅).

Алюминиево-кремниевые литейные сплавы находят широкое применение в таких отраслях как:

-       автомобильное и тракторное машиностроение (блоки и детали двигателей, поршни, диски колес);

-       авиационная промышленность (арматура авиационных двигателей)

-       строительная индустрия;

-       производство товаров широкого применения;

Организовать производство алюминиево — кремниевых литейных сплавов можно как на действующих  алюминиевых заводах,  так и на вновь созданных предприятиях.

Можно с уверенностью предполагать, что в ближайшем будущем значительная доля алюминиевых сплавов будет  производиться электротермическим способом восстановления сырья в  печах большой мощности.

 

Вывод

Стоимость процессов нагрева  или плавления материалов или  изделий в электрических печах сопротивления во многих производствах являетсяивесьма существенной составляющей стоимости выпускаемой продукции. Печи сопротивления являются крупным потребителем электроэнергии, а на многих заводах даже одним из основных, поэтому организация рациональной эксплуатации таких печей имеет существенное значение. Снижение себестоимости проводимых в электрических печах процессов нагрева может быть осуществлено в первую очередь в результате:

а) повышения производительности печи;

б) повышения надежности работы печей, снижения количества и длительности простоев, вызванных авариями печей;

в) снижения удельного расхода  электроэнергии.

Ввиду того, что проводимые в электрических печах процессы являются весьма энергоемкими, главным путем уменьшения себестоимости процесса нагрева является снижение удельного расхода электроэнергии, и способы,  позволяющие его достигнуть, являются основными для повышения эффективности работы электропечей сопротивления. Однако отделить их от двух других путей, указанных выше, очень трудно, так как все они тесно связаны друг с другом. Так, повышение производительности печи приводит к

экономии электроэнергии; повышение стойкости и срока службы нагревателей приводит как к повышению надежности работы печи, так и к увеличению производительности труда и снижению удельного расхода энергии (за счет уменьшения числа простоев на ремонт); автоматизация температурного режима печи опять-таки приводит как к сокращению эксплуатационного персонала (обслуживание каждой бригадой большего

числа печей), так и к  повышению надежности работы и к экономии энергии. Поэтому представляется целесообразным совместное рассмотрение всех этих путей, ведущих к рациональной эксплуатации электрических печей сопротивления. Для этой цели необходимо рассмотреть следующие мероприятия:

  1) обеспечение надежности работы электротермического

оборудования;

2) повышение производительности  печей;

3) уменьшение тепловых  потерь печей;

4) уменьшение потерь на  аккумуляцию тепла;

5) использование тепла  нагретых изделий и тары.

Надежность работы всякой электрической печи сопротивления определяется главным образом стойкостью ее нагревательных элементов и жароупорных деталей. Правильный расчет нагревательных элементов иправильная их эксплуатация, в первую очередь работа их при рекомендуемых, а не максимально допустимых температурах, и правильный

выбор их сечений обеспечат  устойчивую работу нагревателей в течение нескольких лет. Аналогично этому правильный выбор марки стали,  соответствующей по своим свойствам условиям работы жароупорных деталей, позволит также обеспечить длительную надежную работу печи.Например, жароупорные муфели имеют срок службы, в несколько раз больший по сравнению с муфелями из углеродистой стали. При высоких

температурах следует  всегда при этом предпочесть литые  детали, имеющие большую стойкость. Например, в конвейерных печах на 850-900ºC срок службы литых звеньев конвейера составляет 2-3 года против 6 мес. Для штампованных звеньев при увеличенной лишь на 50-100% массе.Производительность электрических печей сопротивления очень сильно влияет на их к.п.д. и удельный расход энергии. Потребляемая электропечью из сети энергия расходуется на полезное тепла (нагрев изделий) и на тепловые потери. Полезно используемое тепло пропорционально производительности печи, тогда как тепловые потери последней в большей своей части являются постоянными (мощность холостого хода). При снижении производительности печи ее тепловые потери распределяются на меньшее количество изделий и ее к.п.д. падает, а удельный расход энергии возрастает.