Реферат: Влияние теплоизоляции на технологические параметры графитации электродной продукции в печах Ачесона Беленченко В. М., Безуглов А. М

Влияние теплоизоляции на технологические

параметры графитации электродной продукции в печах Ачесона


Беленченко В.М., Безуглов А.М.


Шахтинский институт

Южно-Российского государственного технического университета (НПИ)

346500 г. Шахты Ростовской обл., пл. Ленина, 1, Е-mail: vmbel@rambler.ru


Для получения графитированной продукции в промышленности широко используются электрические печи графитации Ачесона (ПГА). В этих печах заготовки графитируемой продукции, погруженные в слой коксовой засыпки, формируют токопроводящий керн, окруженный слоем теплоизоляции из углеродистой смеси кокса и песка. В процессе высокотемпературной обработки продукции в печи формируется нестационарное объемное тепловое поле, которое, в свою очередь, инициирует широкий спектр химических реакций, протекающих в углеродных компонентах загрузки печи и оказывающих существенное влияние на качество готовой продукции, интенсивность выделения вредных газов из печи, технологические условия проведения графитации.

Прямые измерения температуры, которая в керне достигает значений не менее 2800 оС, в агрессивной среде печи практически невозможны. Поэтому, для исследования условий формирования теплового поля печи была разработана математическая модель, основанная на дифференциальном уравнении теплопроводности с внутренним источником тепла и алгоритме его численного решения конечно-разностным методом при разбиении всего объема печи на элементарные объемы. При математическом моделировании работы печи графитации были использованы физические и химические свойства углеродных материалов, применяемых в печах графитации Ачесона: графитируемых изделий, представляющих собой обожженные при 900-1100оС заготовки электродов и блоков; пересыпочной шихты – нефтяного кокса фракции 30-50 мм; теплоизоляции – каменноугольного металлургического кокса фракции 0-10 мм в смеси с 30% кварцевого песка. В качестве базового компонента экспериментальной теплоизоляции было решено использовать антрацитовый штыб (АШ) различных шахтопластов Восточного Донбасса и продукты их переработки – термоантрациты.

Исследование распределения температуры по сечению ПГА в зависимости от плотности материала теплоизоляции выявило слабую зависимость изменения температурного поля при изменении плотности в диапазоне от 850 до 1450 кг/м3 (рис. 1). Но, как следует из модельных расчетов, однородность теплового поля можно существенно повысить, если изменить рецептуру теплоизоляции с целью и в направлении максимально возможного снижения ее теплопроводности. На рисунке 2 представлены результаты моделирования распределения теплового поля по сечению печи в случае применения теплоизоляции с различными теплофизическими свойствами.



Рис. 1. Распределение температуры по сечению ПГА в зависимости от плотности теплоизоляции.



Рис. 2. Распределение температуры по сечению ПГА в зависимости от состава теплоизоляции: а) при максимуме электрической нагрузки, б) при максимуме температуры на футеровке.


Можно отметить, что применение термоантрацитовых штыбов в качестве теплоизоляции практически невозможно. Высокая теплопроводность термоантрацита приводит к значительному отбору тепла от керна и быстрой передаче его к стенам печи, снижая температуру керна и повышая тепловую нагрузку на огнеупорную кладку печи до критических значений. Хорошие показатели получены для АШ высокой степени метаморфизма, в частности шахтопластов k2 и , имеющих малый выход летучих, сравнительно низкое содержание серы и зольность с высокой температурой плавления, малое значение коэффициента теплопроводности в исследуемом интервале температур. Применение их в качестве теплоизоляции графитировочных печей позволяет повысить температуру керна и уменьшить неравномерность распределения температуры по его сечению. Также значительно снижается тепловая нагрузка на футеровку печи и, как следствие, уменьшаются потери на восстановительные ремонты (рис. 3).




Рис. 3. Топограмма распределения температуры в ПГА:

а) стандартная теплоизоляция, б) АШ пласт k2.


Вторым важным результатом анализа модели является выявление зависимости объемов экологически вредных газовых выбросов ПГА от состава теплоизоляции. На рисунке 4 изображена динамика выхода некоторых газов из всей печи и, отдельно, из керна для нескольких видов теплоизоляционных материалов. Можно отметить, что газовыделение керна практически не зависит от вида теплоизоляции, но выход газов из всей печи различен для разных видов теплоизоляции. Кроме того, можно увидеть, что в теплоизоляции могут поглощаться некоторые газы, выделяющиеся из керна. Большая ширина пиков газовыделения на рисунке отражает разброс значений температуры по сечению печи и различный химический состав углеродных компонентов в разных областях печи.

На рисунке 5 приведены полученные при моделировании зависимости выхода серосодержащих газов от количества добавляемого в теплоизоляцию известняка. Также можно отметить, что при постоянном уровне газовыделения керна, теплоизоляция содержащая в своем составе CaCO3, может являться эффективным поглотителем для этих газов.






Рис. 4. Моделирование газовыделения в процессе графитации при различных

видах теплоизоляции.




Рис. 5. Выход серосодержащих газов в зависимости от содержания известняка в теплоизоляции.


Вторым важным результатом анализа модели является выявление зависимости объемов экологически вредных газовых выбросов графитировочной печи от состава теплоизоляции. Применение в качестве теплоизоляции АШ пласта k2 значительно снижает выход при графитации основных экологически вредных газов: SO2 – на 25%, H2S – на 43%, CS – на 21%, СО – на 61%. Благодаря низкой теплопроводности антрацита, значительный объем теплоизоляции, особенно в периферийных областях печи, находится при гораздо более низких температурах, чем при использовании кокса. На рисунке 6 приведено распределение объема теплоизоляции по температуре для обоих видов теплоизоляции, и можно отметить, что в случае антрацита гораздо больший объем находится при более низкой температуре.

В частности, в интервале до 600оС, т.е. при температурах ниже начала образования практически всех вредных газов, находится 53,5% антрацитовой и только 32% стандартной теплоизоляции. И наоборот, температуры выше 1000оС достигает 47,3% стандартной и только 33,6% антрацитовой теплоизоляции. Эти результаты показывают, что, не смотря на более высокую сернистость антрацита по сравнению с каменноугольным коксом стандартной теплоизоляции, основная его масса не участвует в процессах образования серосодержащих газов, имеющих сильную зависимость от температуры и протекающих, как известно, главным образом при температурах выше 800оС.




Рис. 6. Распределение объема теплоизоляции печи графитации по температуре при максимуме электрической нагрузки в зависимости от вида теплоизоляции.


Снижение рабочей температуры в периферийных областях теплоизоляции способствует так же более эффективному поглощению серосодержащих газов оксидами железа, кальция и магния минеральными составляющими антрацита. Термодинамическое моделирование показывает (рис. 7), что в случае стандартной теплоизоляции в этих областях в начале процесса графитации идет интенсивное образование сульфатов металлов, но в конце процесса температура достигает значений, достаточных для их разложения. При применении антрацитовой теплоизоляции более низкие температуры периферийных областей способствуют сохранению образовавшихся сульфатов.




Рис. 7. Изменение содержания CaSO4 от максимального значения в процессе графитации в периферийных областях теплоизоляции печи графитации.


Таким образом, результаты моделирования показывают, что изменение рецептуры теплоизоляции, без вмешательства в технологию графитации и рецептуру заготовок графитируемых изделий, позволяет эффективно влиять на объем и состав экологически вредных газовых выбросов, не снижая достигнутого уровня качества готовой продукции. Такое разделение физико-химических процессов, составляющих в совокупности процесс графитации, связано, с одной стороны, с тем, что, газовыделение из керна сравнительно невелико благодаря химической чистоте графитируемых изделий, с другой стороны, с тем, что благодаря высокой температуре и большому ее градиенту минеральные примеси диффундируют из керна в теплоизоляцию к ее внешним слоям. Так, в результате моделирования физико-химических процессов в графитировочной печи, установлено, что к концу процесса графитации основная масса зольных составляющих (например, карбида кремния) концентрируется в областях теплоизоляции, прилегающих к керну (рис. 8).




Рис. 8. Распределение SiC по сечению ПГА в процессе графитации.

Для промышленной проверки полученных при моделировании результатов была изучена возможность применения в качестве теплоизоляции АШ шахты “Южная” ОАО “Ростовуголь” (пласт ), имеющим устойчивый качественный состав, пониженную склонность к графитации, высокое электросопротивление, сравнительно невысокую зольность, выход летучих веществ и сернистость: ρ = 5800 – 7000 кОм  мм2/м; Аd = 29%; Vdaf= 3,15%; Sd = 1,75%. Промышленные испытания, проведенные на печах графитации Новочеркасского электродного завода, показали, что применение в качестве теплоизоляции данного АШ позволяет увеличить выход изделий высшего сорта с 74,5% до 80,3%, повысить качество готовой продукции, сократить процент брака по трещиноватости в готовой продукции с 11,3% до 8,2%, и на 9% сократить время процесса графитации (табл. 1).


Таблица 1 – Физико-технические показатели готовой продукции в зависимости от вида используемой теплоизоляции

Показатель

Стандартная теплоизоляция

Антрацитовая теплоизоляция

Отклонение, %

Среднее

Коэффи-циент вариации, %

Среднее

Коэффи-циент вариации, %

Относительное среднего

Коэффи-циента вариации

Предел прочности при сжатии

205 кгс/см2

10,2

233 кгс/см2

7,8

13,7

2,4

Пористость

27%

13,4

25%

11,5

7,4

1,9

Зольность

0,23%

11,6

0,21%

8,1

8,7

2,9

Удельное электросопротивление

10,2 Ом  мм2/м

12,7

9,3 Ом  мм2/м

10,4

8,6

4,1


Экспериментально было доказано, что в этом случае так же значительно снижается выход вредных газов. В таблице 2 приведены сравнительные данные по выходу исследуемых газов при проведении цикла графитации с загрузкой одной полупечи стандартной теплоизоляцией, а другой полупечи – антрацитовым штыбом.


Таблица 2 – Выход газов из полупечей ПГА с различной теплоизоляцией

Полупечь / Теплоизоляция

Выход газа, кг/т продукции

СО

H2S

SO2

1 / Стандарт (СТ)

34,7

0,59

1,34

2 / АШ «Южная» (А10)

19,7

0,29

0,99


Для улавливания серосодержащих газов в ходе промышленных испытаний была исследована возможность использования в теплоизоляции добавок известняка. Был опробован состав теплоизоляции с добавлением отсева известняка Быстрореченского карьера ОАО «Ростовуголь», имеющего следующий химический состав (%): CaCO3 – 92,5; SiO2 – 4,5; Fe2O3 – 3,0. Измерения выхода газов были проведены в трех циклах графитации с применением в качестве теплоизоляции смеси, состоящей из 90% СТ и 5% – CaCO3 и в трех – с применением смеси из 95% СТ и 10% – CaCO3. В результате установлено (табл. 3), что при такой модернизации шихты происходит значительное очищение выбросов экологически вредных газов, сопровождающих процесс графитации в ПГА.


Таблица 3 – Выход газов при применении теплоизоляции различного состава

Состав теплоизоляции

Выход газа, кг/т продукции

CO

SO2

H2S

NOx

95% СТ + 5% CaCO3

16,6

0,79

0,00

0,07

90% СТ + 10% CaCO3

21,5

0,66

0,00

0,12



ВЫВОДЫ
Результаты математического моделирования процесса графитации, экспериментальные измерения на печах и аналитические расчеты баланса серосодержащих компонентов графитировочного производства показывают, что выход вредных газов в расчете на получение 1000 т. графитированных электродов составляет: CO  60 т.; H2S  0,6 т.; SO2  3,5 т.; NOX  80 кг.

Применение в качестве теплоизоляции ПГА антрацитовых штыбов шахтопластов k2 и Восточного Донбасса позволяет существенно улучшить структуру теплового поля в объеме печи: повысить температуру графитируемых заготовок и уменьшить неравномерность ее распределения, снизить тепловую нагрузку на огнеупорную футеровку. В результате становится возможным повысить качество графитируемой продукции и увеличить выход изделий высшего сорта с 74,5% до 82,3%, уменьшить подводимую к печи электрическую мощность на 4%, сократить процент брака по трещиноватости в готовой продукции с 11,3% до 8,2%, сократить время процесса графитации на 9%, снизить потери от простоя печей для ремонта и расходы на ремонт.

Выделение оксида углерода в процессе графитации пропорционально зольности материалов теплоизоляции ПГА. Использование в качестве теплоизоляции малозольных антрацитов, имеющих тугоплавкие золы, снижает выделение в атмосферу угарного газа на 50%.

Использование теплоизоляции на основе низкосернистых антрацитов снижает выход серосодержащих газов в процессе графитации на 20-30% за счет уменьшения рабочей температуры теплоизоляции и более эффективного поглощения этих газов оксидами минеральных компонентов в периферийных областях печи. Еще более значительного снижения можно достичь при добавлении в состав теплоизоляции металлургического известняка: степень связывания серосодержащих газов составляет 70% при стехиометрическом соотношении СаО / S = 2,5 и 90%  при соотношении больше 5.

Благодаря своим техническим свойствам и химическому составу, низкой стоимости, твердые углеродистые отходы теплоизоляции передела графитации могут быть утилизированы путем использования в качестве заменителя коксового орешка в производстве ферросилиция и при изготовлении огнеупорных желобных и леточных масс доменных печей.