Пуск и работа шахтной электрической печи

Перед пуском печь просушивают дровами, коксом или электрическими нагревателями при температуре 100—150° до полного удаления поглощенной кладкой влаги.
Затем в печь загружают угольную насадку; при этом необходимо создать хороший контакт между насадкой и электродами.
После этого плотно закрывают все отверстия, включают печкой трансформатор на самую низкую ступень мощности и начинают медленный разогрев насадки и печи электрическим током; разогрев печи при постепенном увеличении величины тока продолжается 10 суток. Когда насадка накаляется до 800—900°, в печь загружают твердый безводный карналлит, который, расплавляясь, стекает вниз и промывает насадку от налипших на нее или отколовшихся частиц угля. Уровень наплавленной соли должен быть не выше хлорных фурм. Когда температура расплавленной соли достигает 750—800°, ее выпускают и начиняют загрузку шихты и подачу хлора. Количества загружаемой шихты и подаваемого хлора зависят от размеров печи и постепенно увеличиваются, достигая через 30—40 час. после, пуска нормальных величин.
При нормальной работе печи процесс хлорирования шихты идет непрерывно. В верхней зоне печи шихта частично подсушивается; здесь же разлагается углекислый магний, если он присутствует в шихте. При применении сухой шихты в этой зоне происходит коксование связующего брикетов.
Если в эту зону попадает хлор, который не прореагировал в нижележащих зонах, то здесь протекают следующие реакции:

Потребная для этой реакции окись углерода всегда присутствует в отходящих газах.
Ниже расположена основная зона реакции. Здесь происходит хлорирование окиси магния по суммарной реакции

Хлористый магний в расплавленном виде стекает на подину печи.
При нормальной работе печи высота зоны реакции равна 1,0—1,2 м. В зоне реакции хлорируются также примеси, входящие в состав шихты.
Окись кальция взаимодействует с хлором по уравнению

Хлористый кальций примешивается к хлористому магнию и вместе с ним стекает ка подину печи. Окись железа вступает в реакцию с хлором по уравнению

Хлорное железо уносится в газоход с отходящими газами.
Окись алюминия и кремнезем частично вступают во взаимодействие с хлором по уравнениям:

Образующиеся хлориды алюминия и кремния возгоняются и уносятся с отходящими газами. Остальное количество кремнезема и окиси алюминия остается на насадке, образуя с окисью магния тугоплавкий шлак.
Сульфат магния взаимодействует с хлором в присутствии углерода по реакции

Вода испаряется в верхней зоне печи примерно наполовину. Оставшаяся влага взаимодействует с хлором и углеродом по уравнениям:

Сернистый газ, водяной пар и хлористый водород удаляются из печи вместе с остальными газообразными продуктами реакции.
В сухой шихте, в которой связующим веществом является каменноугольный пек, присутствуют органические летучие вещества. Если такая шихта предварительно не прокаливается с целью коксования пека, то часть летучих веществ вступает во взаимодействие с хлором с образованием хлористого водорода и других более сложных хлоропроизводных веществ.
Схема расположения зон по высоте печи, температура зон и основные процессы, проходящие в них, представлены на рис. 130.

Рассматривая реакции, протекающие в печи, можно сделать вывод о влиянии примесей в шихте на степень полезного использования хлора. Окись кальция не является вредной примесью, если содержание ее в шихте не превышает 2—3%, так как хлористый кальций является одним из компонентов электролита магниевой ванны. Повышенное содержание окиси кальция в шихте быстро приводит к появлению избытка хлористого кальция в электролите и необходимости его удаления вместе с остальными компонентами электролита.
Вода, летучие вещества, железо, окись алюминия, кремнезем, сульфаты являются вредными примесями, так как, реагируя с хлором, они снижают полезное использование его. Поэтому содержание указанных примесей в шихте должно быть минимальным.
Хлориды калия и натрия, если они присутствуют в шихте, в химические реакции не вступают и стекают на подину печи вместе с основным продуктом реакции. Однако повышенное содержание хлористого калия в шихте нежелательно, так как это приводит к чрезмерному накоплению его в электролите магниевой ванны.
Нормальный режим работы печи устанавливается через 30— 40 час. после первой загрузки шихты. При установившемся режиме работы печи в ней непрерывно происходят описанные выше процессы. Образующийся в печи хлористый магний стекает вниз и накапливается на подине печи, а отходящие газы вместе с возгоном солей отсасываются в газоотводящую систему. Хлористый магний поддерживается в расплавленном состоянии за счет электрического подогрева угольной насадки Электрическая нагрузка электродов регулируется таким образом, чтобы температура насадки была на 150—200° выше температуры плавления хлористого магния.
Увлеченные расплавленным хлористым магнием частицы окиси магния хлорируются в нижней зоне печи При нормальной работе содержание окиси магния в готовом продукте не превышает 0,2 %.
Шихту загружают равномерно, через определенные промежутки времени, по мере ее хлорирования. Расстояние между поверхностью шихты и сводом печи должно быть около 2 м.
Количество шихты, подаваемой в печь за одну загрузку, зависит от размеров и производительности печи, а также от состава и характера шихты. Так, например, на магниевом заводе в Биттерфельде при производительности печи 11—12 т в сутки загрузка оксихлоридных брикетов производилась через каждые 2 часа по 500—600 кг. Количество подаваемого в печь хлора должно соответствовать расходу шихты и в указанном случае составляло 400—500 кг в час.
Накапливающийся в печи хлористый магний периодически, не реже чем через 2—3 часа, сливают в футерованные ковши и отвозят в цех электролиза. О необходимости выпуска хлористого магния из печи можно судить по току, проходящему через нижние электроды; с повышением уровня расплава в печи ток увеличивается. Необходимо также следить за тем, чтобы уровень хлористого магния в печи не достигал хлорных фурм, что может привести к закупорке их и прекращению подачи хлора в печь. Полностью освобождать печь от хлористого магния при нормальной работе также не следует, так как это может привести к уменьшению тока, проходящего через насадку, или даже к разрыву электрической цепи между электродами.
Таким образом, количеством выпускаемого хлористого магния и частотой его выпуска можно в известной степени регулировать температуру в нижней зоне печи Температура в этой зоне — около 800°.
Концентрация хлора в газе, поступающем в печь имеет большое значение для нормальной работы печи. При низком содержании хлора в газе увеличивается абсолютный расход газа, повышается давление в печи и газоподводящей системе и сокращается срок службы угольной насадки ввиду частичного окисления ее кислородом, содержащимся в газе Кроме того, повышенное содержание кислорода в газе вынуждает вводить в шихту избыток углерода. Поэтому, необходимо стремиться к тому, чтобы содержание хлора в газе было не менее 80% (объемных).
Давление хлора в печи, при нормальной высоте зоны реакции и соответствующем физическом состоянии шихты в печи, составляет 40—60 мм рт ст. Повышение давления в печи свидетельствует о начинающемся нарушении нормального процесса.
При нормальной работе печи в зоне реакции поддерживается температура в интервале 800—1000°. Температура отходящих газов не должна превышать 300°.
Температура в печи регулируется посредством изменения величины тока, проходящего через насадку, а также загрузкой шихты, подачей хлора и выпуском расплавленного хлористого магния. Высота зоны реакции устанавливается самопроизвольно. Она зависит от активности и теплотворной способности шихты. При нормальном составе шихты и соответствующей интенсивности подачи хлора высота реакционной зоны составляет 0,6—1,2 м. Растяжение этой зоны свидетельствует о замедленном процессе хлорирования и накоплении слоя шлака на угольной насадке.
Шлак образуется из непрохлорированной (неактивной) окиси магния и остатков кремнезема, окиси алюминия и пр. Высота слоя шлака постепенно увеличивается Реакционная зона растягивается вверх, что приводит к появлению свободного хлора в отходящих газах и к повышению их температуры.
В состав шлака входят: 30—40% MgCl2, 28—35% MgO, 2—4% CaCl2, 15—22%1 SiO2 и 1—3% (KCl+NaCl), а также некоторое количество углерода.
Наличие шлака обусловливает одновременно повышение давления в печи. В силу указанных причин печь должна быть остановлена на очистку от шлака. Время работы печи между двумя такими остановками называют кампанией печи. Продолжительность кампании печи составляет 6—8 недель.
Из печи, которая останавливается на очистку, по возможности выпускают весь хлористый магний; одновременно прекращают загрузку шихты в печь и в течение 10—12 час. еще подают в нее хлор, чтобы по возможности использовать находящуюся в печи шихту. При этом надо тщательно контролировать содержание хлора в отходящих газах. Постепенно снижая подачу хлора, ее наконец прекращают. Затем открывают очистные люки и выгребают через них шлак, который отвозят на отвал. Выделяющиеся из люков вредные газы отсасываются через вытяжные зонты в систему вытяжной вентиляции. После очистки в печь добавляют некоторое количество угольной насадки, чтобы восполнить убыль ее от окисления и потери при чистке. Затем закрывают люки, разогревают насадку и начинают загружать шихту и подавать хлор, как это описано выше.
Отходящие из печей газы содержат: 10—20% HCl, 20—30% CO, 10—30% CO2 (при хлорировании оксихлоридной шихты).
При нарушении нормальной работы печей возможно также наличие свободного хлора в газах. Колебания состава газа зависят от качества и состава применяемой шихты и хода хлорирования ее. Перед выбросом в атмосферу газы должны быть обязательно очищены от вредных компонентов. Для этого они поступают в два последовательно соединенных скруббера, установленных непосредственно у каждой печи (рис. 131). В скрубберах газы промываются водой, которой поглощается большая часть хлористого водорода и возгона. Промытые газы выбрасываются гуммированным вентилятором в атмосферу через высокую дымовую трубу. Этот же вентилятор создает разрежение во всей системе газоходов, в скрубберах и под сводом печи. Содержание HCl в очищенных газах не должно превышать 0,3 %; содержание Cl2 — не более 0,05%. Для предотвращения выхода вредных газов из печи в окружающую атмосферу разрежение в газоходе непосредственно у печи должно быть не менее 4 мм вод. ст.