Дуговая печь для производства фосфора

Схема процесса

Печь под флюсом для производства фосфора — это особый подтип электродуговой печи, используемой для производства фосфора и других продуктов. Печи с флюсовой дугой в основном используются для производства ферросплавов . Номенклатура «погружной» означает, что электроды печи заглублены глубоко в шихту . Реакция восстановления происходит вблизи кончиков электродов, чтобы облегчить процесс в печи.

Основная реакция

В крупномасштабном производстве фосфора используется процесс Велера . В этом процессе апатиты (почти всегда фторапатит) восстанавливаются в присутствии углерода ( кокса ) и кремнезема (гравия). Это выполняется в печи с погруженной дугой при температуре от 1150 до 1400°С. Основная внутренняя реакция описана ниже:

Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ F ₂ + 15C + 9SiO ₂ → 3P ₂ (г) + 9[(CaO•SiO ₂ )] + CaF ₂ + 15CO(г)

В результате этой основной реакции образуется жидкий кальция силикатов шлак , газообразный угарный газ и желаемый продукт — газообразный фосфор.

Этот процесс также имеет промежуточные реакции, и поэтому образующийся фосфорит имеет примеси. Одной из таких примесей (и самой важной) является оксид железа . Примеси оксидов железа восстанавливаются и образуют фосфиды железа . Полученный второй жидкий продукт называется феррофосфором . Железо считается примесью и нежелательно, поскольку для его восстановления требуется дополнительный углерод и энергия. Таким образом, он запирает определенный процент фосфора.

Еще одна примесь – глинозем – он увеличивает объем шлака, но снижает температуру плавления.

Конструкция печи, компоненты и особенности

Вид сверху на печь с под флюсом для производства фосфора

Конструкция печи и отдельные компоненты

Корпус или кожух печи с погруженной дугой изготавливается из стали. Нижняя часть облицована твердыми блоками сильно обожженного углерода, а верхняя часть огнеупорным кирпичом. Пол и нижняя часть печи охлаждаются водой. Три электрода располагаются под углами равностороннего треугольника со скругленными углами. Эти печи могут быть оснащены либо предварительно обожженными электродами, либо электродами Седерберга . Электроды Седерберга нагреваются электрическим током и теплом печи, а затем затвердевают в области контактных зажимов. Электрод должен пропекаться по всему сечению (внутри шихты) при подаче вниз, чтобы компенсировать его расход в печи (а это несколько сантиметров в час).

Если электроды не полностью прокалились, существует риск поломки, особенно длинных электродов. Электроды Содерберга содержат более высокую долю органических примесей по сравнению с предварительно обожженными электродами. Таким образом, печи Содерберга, оснащенные электродами, производят желтый фосфор , а предварительно обожженные электроды производят белый фосфор .

Управление печью

Ток электродов поддерживается практически постоянным во время работы за счет автоматического подъема и опускания электродов. При увеличении тока электроды поднимаются, увеличивая электрическое сопротивление между электродами и полом печи. Следовательно, уменьшение тока дает противоположный эффект, когда напряжение остается постоянным.

Некоторые печи также управляются либо постоянным напряжением, либо мощностью. Из одной печи под флюсом можно производить несколько ферросплавов. Выбор напряжения трансформатора основан на перспективном переоснащении производства ферросплавов.

Материальный поток

(гравий) под действием силы тяжести доставляются Апатитовая руда, углерод (кокс) и кремнезем в печь с под флюсом через загрузочные желоба, расположенные в своде печи. Это обеспечивает постоянный объем насадочного слоя. Газообразный продукт, смесь окиси углерода и газообразного фосфора, выходит из печи через два симметрично расположенных выпускных отверстия, расположенных над феррофосфорной леткой в ​​своде печи. Феррофосфор выделяется, как правило, один раз в день. Однако шлак непрерывно выпускается через два чередующихся летка с водяным охлаждением, расположенных на высоте 400 мм над полом печи. Сырьевой материал формирует основное электрическое и гидравлическое сопротивление контура плавильной печи. По мере того, как загружаемые материалы опускаются к горячей зоне печи, они начинают размягчаться и плавиться, что значительно снижает электрическое сопротивление . Таким образом, между электродами создается проводящий путь, где выделяется джоулево тепло для достижения высоких температур и уровней энергии, необходимых для осуществления основных эндотермических реакций.

Потребление энергии

Энергия в промышленной фосфорной печи распределяется между нагревом и плавлением материала (≈ 40 %) и химическими реакциями (≈ 45 %). Остальную часть (≈ 15%) составляют потери на охлаждение (охлаждающая вода), электрические потери (джоулево отопление) и радиационные тепловые потери.

Техническое обслуживание и безопасность

Срок службы фосфорной печи коррелирует с долговечностью ее углеродной футеровки. Однако новое состояние футеровки не требует остановки печи и полного ее опорожнения для контроля состояния футеровки. Вместо этого мониторинг достигается путем включения радиоактивных источников в точках, где, как известно, происходит эрозия.

Кроме того, на разной глубине в углеродные кирпичи вставляются специальные термопары для непрерывного измерения температуры стенок. Показания температуры стен также служат инструментом технического обслуживания, предупреждая систему о любых нарушениях. Крайне важно следить за положением линии износа, чтобы избежать прорыва горячего металла или шлака через футеровку и нанесения ущерба операторам, печи и близлежащему оборудованию.

Кроме того, газообразный продукт, выходящий из печи, в основном состоит из тетраэдра фосфора (Р4) и монооксида углерода. Его все равно необходимо очистить от пыли, и его обычно направляют в электростатическую систему очистки газа .