ПЛАЗМЕННАЯ ПРОТИВОТОЧНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПЛАВКИ МЕЛКОФРАКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1994 года по МПК C21B13/00 

Изобретение относится к металлургии, в частности к установкам по восстановительной переработке дисперсных руд, окислов, шламов в противоточных печах со стекающим слоем расплава с применением плазменного нагрева.

Наиболее близкой по технической сути и достигаемому положительному эффекту является конструкция плазменной печи для плавки некондиционной порошкообразной шихты, содержащая питающий бункер, центральный электрод с уплотнителем, диафрагму, газоподающее устройство, свод с тремя плазмотронами и рабочую камеру с электродами с водоохлаждаемым корпусом и подиной, установленную на подъемной платформе с выкатной тележкой (1).

На фиг. 1 дан общий вид установки; на фиг. 2-4 - то же, варианты.

Вверху печи расположен бункер 1 с мелкофракционной шихтой 2. Под бункером 1 расположен шнековый питатель 3 с приводом 4. Ниже показана опорная рама 5 и перекрытие 6 на высоте 6300. В торце шнекового питателя 3 показана трубка 7 подачи несущего газа и сильфонного типа газошихтопровод 8, который осуществляет подачу газошихтовой смеси в верхнюю часть электрода 9, состоящего из наращиваемых электродов 10. Центральный электрод 9 занимается устройством 11 и подъемным устройством 12. Центральный электрод 9 через уплотнение 13 вводят в газоотводную камеру 14 с газоотводными патрубками 15, расположенными внутри опорной рамы 16, расположенной на подставке 17. Центральный электрод 9 входит в пространство внутри графитового экрана 18, который сверху опирается на реактор 19, находящийся внутри магнитной системы 20. В свою очередь магнитная система 20 и реактор 19 расположены на стакане 21, вставленном в осевое отверстие в своде 22, которое внизу имеет огнеупорную обмазку 23. В своде 22 установлены уплотнения 24, через которые в рабочее пространство керамического тигля, расположенного в корпусе 25 печи, вводятся электроды 26. Свод 22 крепится на перекрытие 27 находящееся на отметке 4200. Корпус 25 имеет лапы 28, опирающиеся на подъемную платформу 29, имеющую подъемный винт 30. Ниже находится выкатная тележка с расположенными на ней приводами 32 подъемной платформы и выкатной тележки 31.

Следует заметить, что расположение опорных перекрытий 27 и 6 может быть на других уровнях в зависимости от габаритов и устройства печи. Уровень нахождения подъемной платформы 29 также может быть другим, как и уровень заглубления выкатной тележки 31, который может иметь значение не - 1,500, а 0,00 и т. п.

Сущность заявляемого технического решения поясняется фиг. 2, на которой показано за счет чего осуществляется перепуск электрода 9 с возможностью его наращивания в верхней части при работающих плазмотронах 26. Электрод 9 через зажимное устройство 11 и уплотнение 13 вводится в рабочее пространство графитового стакана 18. Перепуск электрода 9 по мере его угара в нижней части осуществляется в следующем порядке: сначала зажимное устройство 11 держит электрод 9, а зажим подъемного устройства 12 перемещается вверх, что позволяет вводить электрод 9 по мере его угара в объем рабочей камеры реактора внутри экрана 18.

Нижний торец медной трубы 13 отстроит от верхнего торца реактора 19 с графитовым экраном 18 на расстояние L, равное 100-400 мм, при этом, когда расстояние менее 100 мм резко сужается проходное сечение для отходящих газов и приводит к быстрому зарастанию пылевыми выбросами, а расстояние свыше 400 мм снижает эффективность охлаждения отходящих газов. Корпус 14 водоохлаждаемой газоотводной камеры имеет конусное расширение вниз с углом не менее 3^о, что позволяет легко выбить спеченный пылесос из него, при этом в верхней части газоотводной камеры имеется крышка 33 и отверстие с диаметром D, равным 1,1-2 диаметра реактора 19, что позволяет наряду с увеличением ресурса работы газоотводной камеры в 1,5-2 раза производить замену графитового экрана 18. Наряду с ним выполнение корпуса 14 сменным позволяет облегчить обслуживание и очистку изнутри корпуса 24 от нароста, который осаждается на огнеупорной обмазке, покрывающей изнутри корпус 14. При зазоре между стенкой реактора 19 и графитовым экраном 18 l менее чем диаметра реактора возможно из-за плохой центровки и т. д. соприкосновение графитового экрана 18 с реактором 19, а наличие зазора более чем одна четвертая внутреннего диаметра реактора резко сужает рабочий объем внутри графитового экрана 18, не давая дополнительных преимуществ. Значение величины выступа торца графитового экрана 18 ниже свода 22 обозначено на фиг. 3 буквой Н.

При значении Н менее 100 мм увеличивается тепловая нагрузка на стакан 21, что крайне нежелательно, а при значении Н более 300 мм происходит сильная наружная эрозия графитового экрана 18 в нижней части печи от воздействия дуговой плазмы электрода 26, при этом стойкость графитового экрана изнутри обеспечивается слоем гарнисажа от стекающего расплава.

Выполнение дополнительной кладки из графита в один слой между металлическим корпусом и футеровкой решает двоякую задачу:
- c одной стороны, снижает тепловой барьер-границу между футеровкой и металлом подины непосредственно;
- с другой стороны, обеспечивает более лучший отвод тепла от футеровки к металлу подины, охлаждаемого трубами снаружи.

Это позволило избежать возможность взрыва в случае прожога подины рабочей камеры, которая могла произойти в конструкции прототипа. Взрывобезопасность достигнута, во-первых, за счет барьера для жидкого металла в виде графитовой кладки, а во-вторых, за счет минимальной поверхности соприкосновения охлаждающих труб с металлом подины, что исключало попадание воды в металл.

На фиг. 3 также показана возможность смены корпуса 14, состоящего из двух половинок, при разъединении которых и подъеме можно легко прочистить газоотводный тракт реактора 19 с графитовым экраном 18. При этом медная труба 13 может быть как цельной, так и состоящей из двух половинок, жестко скрепленных с половинками корпуса 14 газоотводной камеры или с крышкой 33, состоящей также из двух половинок, при этом половинки крышки 33 могут быть соединены с корпусом разъемно или неразъемно. Однако, следует иметь ввиду, что в данном случае зажимное устройство 11, чтобы не рухнуло в печь, должно зажать электрод 9 или также снимается в случае выполнения его разъемным.

Так на фиг. 4 показан разрез рабочей камеры печи имеющий корпус 25, футеровку 34, выпускное отверстие 35 для выпуска шлака и отверстие 36 для выпуска металла. Внизу на подине показан слой графитовой кладки 37 между футеровкой 34 и подиной. Снаружи к подине приварены водоохлаждаемые трубы 38, ниже выступает подовый электрод 39 (анод).

Данная конструкция плазменной противоточной печи со стекающим слоем расплава (фиг. 1-4) работает также, как и печь-прототип, с тем отличием, что газошихтованная смесь 40 (фиг. 4) на выходе из центрального электрода 9 после попадания в разряд 41 с последующим нагревом, плавлением и отбрасыванием на стенку попадает не на стенку реактора 18, как в конструкции - прототипе, а на стенку графитового экрана 18, образуя стекающий слой расплава 42, который в виде капель, струй и т. д. стекает в керамическую ванну рабочей камеры, образуя ванну металла 43 и шлака 44, которая дополнительно обогревается плазменными дугами 45 электродов 26. Периодический выпуск окисного расплава 44 производят через выпускное отверстие 35, а выпуск металла 43 через выпускное отверстие 36.

В процессе работы, как известно, происходит угар нижнего торца электрода 9, что в конструкции-прототипе вызывало необходимость остановки печи для замены катода. В заявляемой конструкции, как это видно из фиг. 2, по мере износа (угара) электрода 9 в процессе плавления осуществляют наращивание без вывода электрода 9 из рабочего пространства графитового экрана 18. Для этого отсоединяют сильфонный газошихтопровод 8, зажимают графитовый центральный электрод 9 зажимным устройством 11 расположенным на водоохлаждаемой трубе 13, позволяющей снижать температуру центрального электрода 9 в верхней части до 50-70^оС, при условии что высота водоохлаждаемой трубы 13 не менее 10 диаметров электрода 13, что позволило обеспечить нормальные условия работы устройства 11 для осуществления перепуска электрода. Затем зажим механизма перемещения 12 центрального электрода 9 перемещается вверх по электроду 9, зажимая его в верхней части, после наращивания звена 10. После этого зажимное устройство 11 разжимает электрод и практически бездействует до следующего перепуска электрода 9. Подсоединяют к верхнему торцу центрального электрода 9 газошихтопровод 8 и продолжают подачу шихты.

Преимущества:
неограниченный ресурс работы электрода 9;
водоохлаждаемая труба 13, наряду с уплотнением эффективно охлаждает электрод 9, позволяя установить зажимное устройство 11;
охлаждение полого электрода уплотнением-трубой 13 и газошихтовой смесью, что позволяет избежать закупоривания электрода 9 в процессе плавки;
по мере угара электрода 9 в нижней части осуществляется опускание его вниз с последующим наращиванием.

Выполнение газоотводной камеры сменной потребовало исполнение корпуса 14 из двух половинок, соединяемых в вертикальной плоскости, совпадающей с осью электрода 9. При этом корпус 14 устанавливается с возможностью его снятия по частям (две половинки), легкость снятия обеспечивается конусным расширением газоотводной камеры вниз. Все это позволяет легко прочистить газоотводной тракт в самом его начале. В верхней части газоотводной камеры имеется крышка 33, состоящая из двух половинок, что позволяет снимать ее без вывода электрода 9 из реактора 19 (экрана 18) и корпуса 14 камеры отвода газов, причем диаметр отверстия в верхней части газоотводной камеры D такой, что отношение D/d₁, где d₁ - диаметр реактора 19, изменяется в пределах 1,1-2. При большем значении отношения чем 2 скапливается столько пылевыноса в газоотводной камере, что его нельзя втолкнуть в ванну рабочей камеры с электродами 26.

Влияние медной водоохлаждаемой трубы 13 и заявляемых параметров на достижение целей изобретения показано в таблице. Из таблицы видно, что благодаря наличию уплотнения 23 мы охлаждаем отходящие газы, имеющие температуру большую, чем в конструкции-прототипе на 100^оС. Охлаждение составляет 100-200^оС, что очень важно, так как улучшает условия по отводу и очистке отходящих газов. С другой стороны уплотнение 13 охлаждает центральный электрод 9, делая возможным установку зажимного устройства 11. При этом оптимальная величина определена в пределах 100-400 мм.

Наличие экрана 18 из графита позволило резко уменьшить передачу тепла к поверхности реактора 19 благодаря зазору l, который в зависимости от требований может принимать различную величину, при этом оптимальной величиной является предел от 1/80 до одной четверти максимального диаметра реактора 19, равного 400 мм. Разряд 41 горит в верхней части реактора (экрана 18) 19, что обусловило небольшую величину реактора 19, равного приблизительно его диаметру. Наличие экрана 18 позволило резко поднять энергетический КПД разряда 41, доводя его практически до максимально возможной величины 0,55-0,70 вместо 0,32 в конструкции прототипа. Улучшить КПД позволило также углубление графитового экрана 18 в рабочее пространство тигля 34 рабочей камеры 25 с плазмотронами 26, которые производили косвенный нагрев нижней части экрана 18 дугами 45. Наплавление ванны в этом случае идет без чрезмерного зарастания нижней части экрана 18 гарнисажем, создаваемым стекающим вниз расплавом 42.

Оптимальная величина Н выступа экрана 18 ниже свода 22 определена в 100-300 мм. Одновременно за счет этого достигается удовлетворительное экранирование стакана 21. Условия стекания расплава в ванну тигля 34 хорошие. Был задан наряду с минимальной поверхностью контакта 18 с реактором 19 и минимальный угол ≈3^о, позволивший обеспечить спекание расплава, без отрыва от стакана до достижения торца экрана 18, что позволило работать без разбора спекающего расплава в стороны и уменьшило возможность обрыва дуг 45. Как видно из таблицы и описания работы предлагаемой конструкции печи ресурс работы центрального электрода 9 неограничен и зависит только от соблюдения правил эксплуатации.

Влияние отношения D/d₁ вполне очевидно из всего выше изложенного. Необходимо подчеркнуть, что оптимальное значение величины D/d₁ колеблется - это видно из таблицы, в пределах 1,1-2. Следует обратить внимание также на тесную связь указанных параметров, которые только в совокупности позволили решить цели, поставленные изобретением благодаря качественно отличным техническим решениям в предлагаемой конструкции печи.

Применение слоя графитовой кладки 37 позволило в случае прожога футеровки 34 легко обнаружить это по местному покраснению подины без ухода расплавов 43 и 44 под печь, а с другой стороны ликвидировало тепловой барьер (границу) между футеровкой и металлической подиной. Приваренные трубчатые охладители 38 обеспечивают нормальное охлаждение и предотвращают контакт с металлической обшивкой подины, которая при эксплуатации имеет температуру ≈100^оС и выше в зависимости от условий эксплуатации. Исключена возможность взрыва, которая потенциально возможна в конструкции прототипа.

Поэтому преимуществами предлагаемой конструкции плазменной противоточной печи со стекающим слоем расплава являются:
увеличение ресурса работы центрального электрода, который стал неограниченным;
возможность разборки и удаления корпуса 14 и крышки 33 без выемки центрального электрода 9;
снижение на 100-200^оС температуры отходящих газов;
эффективное охлаждение полого графитового центрального электрода 9;
простота в обслуживании и прочистки начального участка газоотводного тракта реактора;
неограниченный ресурс работы реактора;
повышение коэффициента использования тепла плазменного разряда в реакторе;
обеспечение взрывобезопасности подины рабочей камеры 25;
улучшение передачи тепла от футеровки водоохлаждаемым трубам;
исключена возможность ухода металла под печь в случае прожига подины рабочей камеры.

Изобретение может быть использовано для переработки мелкофракционной шихты на предприятиях металлургии и машиностроения. (56) Патент Австрии N 375404, кл. С 22 В 4/00, 1983.

Сущность: плазменная противоточная печь со стекающим слоем расплава для плавки мелкофракционных материалов содержит центральный электрод, выполненный из графита с осевой полостью и резьбой в верхней части, и уплотнение, выполненное в виде водоохлаждаемой трубы, нижний торец которой расположен на расстоянии L = (100 - 400) мм от уровня верхнего торца реактора, газоотводная камера выполнена разъемной с конусным расширением вниз и с дополнительным отверстием в верхней части диаметром D=(1.1-2.0)d₁, где d₁ - внутренний диаметр реактора, при этом реактор снабжен графитовым экраном, расположенным внутри с зазором, равным l=(1/80-1/4)d₁. Нижний торец экрана заглублен в рабочую камеру на H = (100 - 300) мм ниже свода, при этом подина рабочей камеры дополнительно снабжена графитовой кладкой, расположенной между футеровкой и металлической подиной, выполненной с наружным водяным охлаждением. Реализация изобретения позволит увеличить ресурс работы центрального электрода и реактора, снизить температуру отходящих газов, повысить коэффициент использования тепла плазменного разряда и обеспечить взрывобезопасность подины рабочей камеры. 4 ил. , 1 табл.

ПЛАЗМЕННАЯ ПРОТИВОТОЧНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПЛАВКИ МЕЛКОФРАКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержащая питающий бункер, центральный электрод с уплотнением, газоотводную камеру, свод с тремя плазмотронами и рабочую камеру с водоохлаждаемым корпусом и подиной, установленную на подъемной платформе с выкатной тележкой, отличающаяся тем, что печь снабжена реактором с магнитной системой, при этом центральный электрод выполнен из графита с осевой полостью и резьбой в верхней части, а уплотнение выполнено в виде водоохлаждаемой трубы, нижний торец которой расположен на расстоянии 100 - 400 мм от уровня верхнего торца реактора, при этом газоотводная камера выполнена разъемной с конусным расширением вниз и с дополнительным отверстием в верхней части диаметром, равным (1,1 - 2,0) d₁, где d₁ - внутренний диаметр реактора, а реактор - с графитовым экраном, расположенным внутри с зазором, равным (1/80 - 1/4) d₁, причем нижний торец экрана заглублен в рабочую камеру на 100 - 300 мм ниже свода, при этом подина рабочей камеры дополнительно снабжена слоем графитовой кладки, расположенной между футеровкой и металлической подиной, выполненной с наружным водяным охлаждением.