Физические основы электроплавки

2.2.1 При пропускании электрического тока через твердые тела и жидкости они нагреваются, т.е. в результате их сопротивления электрическая энергия превращается в тепловую.

Количество тепла, выделяемого при превращении электрической энергии в тепловую, определяется по формуле Джоуля-Ленца:

Q = J² * Rt

где: Q – количество тепла, кал;

J – сила тока, протекающая через данное сопротивление, А;

R – величина сопротивления, Ом;

t – время, с.

Электронагрев широко применяется в различных отраслях техники, особенно важен он в металлургии, где в ряде производств электропечи – основной тип металлургических печей. Электропечами называются печи, в которых тепловая энергия, необходимая для их работы, получается за счет электроэнергии. По способу преобразования электрической энергии в тепловую электропечи делятся на четыре группы:

- печи сопротивления, в которых электроэнергия преобразуется в тепло при прохождении через твердые или жидкие тела, включенные в электрическую цепь (рис. 3);

- дуговые электропечи, в которых электрическая энергия превращается в тепло при горении электрической дуги в газовой среде (рис. 4);

- индукционные печи, в которых электроэнергия превращается в тепло при прохождении через твердые или жидкие тела, находящиеся в быстропеременном магнитном или электрическом поле (рис. 5);

- печи смешанного действия, в которых преобразование электрической энергии в тепловую происходит частично в газовой среде (через дугу), частично – в твердой или жидкой среде (через сопротивление) (рис. 6). Эти печи называются дуговыми печами сопротивления или рудно-термическими электропечами. Именно к этой группе относятся электропечи для плавки медно-никелевых руд и концентратов.

Рисунок 3 Рисунок 4

Рисунок 5 Рисунок 6

Количество тепла, выделяемого в ванне печи, имеющей три однофазных трансформатора номинальной мощности Рном, при их одновременной работе подсчитывается по формуле:

где Iф – фазовый ток, А

t – время, ч;

- коэффициент мощности (0,97-0,98)

2.2.2 Электропечь для плавки сульфидных медно-никелевых руд можно представить в виде ванны, в которой имеются два расплавленных слоя (рис.7). Толщина верхнего (шлакового) слоя составляет 1500-2000 мм, толщина нижнего (штейнового) слоя 600-1000 мм. Загруженная на поверхность ванны печи исходная твердая шихта погружена в шлаковый слой ванны в виде конических куч-откосов. Плавление шихты осуществляется за счет тепла, основным источником которого служит электроэнергия. Электрический ток подводится в ванну печи при помощи самоспекающихся электродов, погруженных в шлак на 300-700 мм. В шлаковой ванне происходит преобразование электрической энергии в тепловую, при этом 50-80 % тепла выделяется у поверхности электродов в переходном контакте электрод-шлак, остальная часть – в шлаковой ванне. Значительное выделение тепла на этом участке происходит из-за наличия вокруг электрода так называемого «газового мешка», через который ток проходит в виде большого количества мелких точечных разрядов-микродуг. «Газовый мешок» образуется в результате сгорания материала электрода. Количество тепла, выделяющегося в переходном контакте, зависит от величины заглубления электрода в шлак: чем заглубление меньше, тем больше тепла выделяется в контакте и наоборот.

Рисунок 7 - Электропечь для плавки сульфидных медно-никелевых руд

1.Электрод самоспекающийся	4.Откос шихты	7.Конвекционные потоки шлака
2.Свод электропечи	5.Стены электропечи.	8.Штейновая ванна
3.Загрузочная течка	6.Шлаковая ванна	9.Под электропечи

2.2.3 Из-за того, что основная часть тепла выделяется в переходном контакте электрод-шлак, шлак в этой зоне сильно перегревается и его плотность уменьшается. Массы перегретого шлака непрерывно всплывают около электродов на поверхность и растекаются по «зеркалу» ванны. Встречая на своем пути откосы плавающей шихты, потоки перегретого шлака отдают им избыток своего тепла и расплавляют шихту на поверхности откосов. Затем, охлаждаясь, потоки шлака вместе с порцией расплавленной шихты опускаются в нижние глубинные слои шлака.

Таким образом, в верхней части шлаковой ванны, равной величине погружения электрода, непрерывно циркулирует шлак по замкнутым траекториям (рис. 7). Линейная скорость шлакового потока составляет около 1-2 м/сек, нижний подэлектродный слой шлаковой ванны можно считать застойным, так как он практически не участвует в конвекционном движении, особенно, если ванна (шлаковая) большая.

2.2.4 Конвекция шлака является основным способом переноса и распределения тепла в электропечи, обеспечивающим плавление шихты. Вторым по значению, после конвекции, способом теплопередачи в ванне печи, является теплопроводность. С ее помощью снабжаются теплом штейновая ванна электропечи и глубинные слои шлака.

Участки печи, удаленные от зон активных тепловыделений (углы печи, подина, стены) испытывают недостаток тепла, и в них происходит образование настелей.

2.2.5 Поскольку доля тепла, выделяющегося в переходном контакте электрод-шлак, и глубины зоны циркуляции шлака напрямую зависят от величины заглубления электродов, изменение заглубления, наряду с величиной подводимой мощности и количеством загружаемой шихты, является наиболее эффективным способом регулирования теплового режима электропечи.

2.2.6 Разделение расплавленной шихты на штейн и шлак происходит главным образом в спокойном подэлектродном слое шлака.

2.2.7 Газовое пространство электропечи не оказывает большого влияния на процессы нагрева и плавления шихты вследствие своей низкой температуры из-за значительных подсосов воздуха через неплотности в своде.