ИНДУКЦИОННАЯ ТИГЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАСПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА, МАРГАНЦА, СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ НА ИХ ОСНОВЕ Российский патент 1997 года по МПК F27B14/08 F27D11/06 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в индукционных установках для восстановления металлов из их соединений и получения сталей и сплавов.

Известны индукционные тигельные печи, содержащие индуктор и тигель, размещенный в полости индуктора [1]
Такие устройства представляют собой тигель, выполненный из огнеупорного материала и помещенный в полость индуктора, подключенного к источнику переменного тока. В тигле, заполняемом металлом, индуктируется ток и выделяется тепловая энергия. Индукционные тигельные печи имеют преимущества, например, перед канальными печами: энергия выделяется непосредственно в загружаемом металле в печи без использования каких-либо промежуточных нагревательных элементов; создается интенсивная электродинамическая циркуляция расплава по всему заполненному объему тигля; легче создается высокий рабочий уровень температур; обеспечивается простота, удобство обслуживания печи, регулирование металлургических процессов, что обуславливает широкие возможности для автоматизации этих процессов.

Ограничениями описанных выше индукционных тигельных печей являются: относительно невысокая температура шлаков на зеркале расплава, что обусловлено нагреванием их через металл; дискретность работы, т. к. шлак и металл сливаются периодически по мере заполнения тигля расплавом; невысокая стойкость футеровки из-за необходимости проведения теплосмен; неприспособленность для производства металлов путем восстановления из соединений.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является индукционная тигельная печь для получения расплава железа, марганца, сталей и сплавов на их основе, содержащая индуктор, тигель, размещенный внутри индуктора, направляющую подачи брикетов шихты, установленную вдоль продольной оси тигля, канал выпуска металла, канал выпуска шлака [2]
Так как в этом устройстве предусмотрен непрерывный и раздельный выпуск образующихся металла и шлака, а также восстановительных газов, то его удобно использовать для прямого получения расплавов железа, сталей, а также марганца, ферромарганца, силикомарганца и других сплавов.

Однако ограничением этого ближайшего аналога является нестабильность процесса получения расплава, что связано:
с неустойчивым положением в печи брикетов шихты, особенно при их штабелировании в процессе подачи, даже если брикеты упираются в дно тигля, т. к. из-за погружения в бурно циркулирующий расплав они получаются конусообразными и могут сместиться относительно продольной оси тигля или обломаться, при этом существенно изменяются условия циркуляции расплава и выхода газов;
с трудностью регулирования скорости подачи брикетов шихты в расплав, т. к. она зависит от параметров печи, например подводимой мощности, формы и размеров печи, состояния футеровки тигля, от параметров расплава и шлака, например химического состава, температуры, теплофизических и электромагнитных свойств расплава металла, уровня заполнения печи, от параметров брикетов, например их формы и размеров, плотности, прочности, глубины погружения брикетов и расплава. Ошибка же в выборе скорости подачи брикетов в расплав может привести к изменению их положения относительно продольной оси тигля, к разрушению брикетов, к перегреву расплава или наоборот к переохлаждению его или даже замерзанию;
с неравномерностью прогрева шлака и относительно низкой его температурой, т. к. хотя шлак и прогревается дополнительно проходящими через него нагретыми восстановительными газами, этот процесс происходит главным образом вблизи подаваемых в расплав брикетов. Периферийные же области шлака, а также область, непосредственно соприкасающаяся с брикетом, разогреваются недостаточно, что затрудняет подачу брикетов шихты в расплав, в том числе за счет налипания шлака на брикет, при этом ухудшаются также условия выхода газов. Газы могут выходить локально, увеличивается их скорость выхода, увеличивается унос металла и шлака.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение качества конечного продукта за счет улучшения стабильности процесса получения расплава, а также повышение надежности и безопасности работы устройства.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является упрощение подачи брикетов шихты в расплав, повышение устойчивости брикетов, улучшение равномерности объемного распределения пузырьков восстановительных газов, частиц образующего шлака, легирующих и флюсующих компонентов, повышение равномерности прогревания шлака за счет обеспечения более равномерного выхода восстановительных газов через поверхность расплава и через слой шлака с меньшей скоростью выхода и меньшим уносом металла и шлака.

Поставленная задача решается тем, что индукционная тигельная печь для получения расплавов железа, марганца, сталей и сплавов на основе, содержащая индуктор, тигель, размещенный внутри индуктора, направляющую подачи брикетов шихты, установленную вдоль продольной оси тигеля, канал выпуска металла и канал выпуска шлака, согласно изобретению снабжена опорой брикетов шихты, установленной в тигле соосно направляющей брикетов, выполненной со сквозным каналом, соосным направляющей.

Возможны варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
опора была выполнена в виде шайбы и снабжена кронштейнами крепления на внутренней боковой поверхности тигля;
опора была выполнена в виде стоек, закрепленных на дне тигля;
боковая наружная поверхность опоры была выполнена с одинаково наклонными к продольной оси тигля гранями;
диаметр соосного направляющей сквозного канала в месте контакта опоры с брикетом был выбран из условий
d₀ <D_б и d₀/D_б ≅ h_o/h_n,
где d₀ диаметр соосного направляющей сквозного канала в месте контакта опоры с брикетом;
D_б диаметр брикета шихты, м;
h₀ расстояние от дна тигля до места контакта опоры с брикетом, м;
h_n расстояние от дна до верхнего уровня металла в тигле, м;
соосный направляющей сквозной канал опоры был снабжен направляющими ребрами и/или проточками, выполненными под одинаковым углом к продольной оси тигля;
суммарная поверхность контакта опоры с брикетом была выбрана из условия

где S_Σ суммарная поверхность контакта опоры с брикетом;
p = 3,14;
D_б диаметр брикета шихты, м;
ρ_б плотность брикета, кг/м³;
g ускорение свободного падения, м/с²;
h_n расстояние от дна до верхнего уровня металла в тигле,м;
α_б предел прочности брикетов на сжатие, кг/м²;
h_c высота пакета брикетов над расплавом, м;
ρ_p средняя плотность расплава, кг/м³, причем
За счет введения в конструкцию индукционной тигельной печи опоры, в которой выполнен соосный сквозной канал, удалось решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата.

На фиг. 1 изображена схематично конструкция индукционной тигельной печи; на фиг. 2 конструкция опоры, выполненная в виде стоек, сечение В-В на фиг. 3; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 сечение C-C на фиг. 3.

Индукционная тигельная печь содержит индуктор 1, тигель 2, размещенный внутри индуктора 1. Направляющая 3 подачи брикетов шихты установлена вдоль продольной оси тигля 2. Канал 4 выпуска металла и канал 5 выпуска шлака могут быть выполнены в тигле 2.

Введена опора 6 брикетов шихты, установленная в тигле 2 соосно с направляющей 3. В опоре 6 выполнен соосный сквозной канал 7.

В варианте (см. фиг. 1) опора 6 может быть выполнена в виде шайбы и кронштейнами 8 шайбы подсоединена к боковой поверхности тигля 2.

Опора 6 (см. фиг. 2 4) может быть выполнена в виде стоек, закрепленных на дне тигля 2.

Кроме того, на боковой наружной поверхности опоры 6 (см. фиг. 3, 4) могут быть выполнены грани 9 (на фиг. 1 не показаны). Грани 9 выполнены с одинаковым наклоном относительно продольной оси тигля 2.

Диаметр d₀ (см. фиг. 1, 2) соосного сквозного канала 7 целесообразно выбрать из следующих условий: d₀ <D_б и d₀/D_б ≅ h₀/h_n, где обозначения D_б, n₀, h_n соответствуют ранее указанным.

Соосный сквозной канал 7 (см. фиг. 3) может быть снабжен направляющими ребрами 10 и/или проточками 11 (на фиг. 1, 2, 4 не показаны), которые выполнены под одинаковым углом к продольной оси тигля 2.

Целесообразно, чтобы суммарная поверхность S_Σ места контакта 12 опоры 6 с брикетом (см. фиг. 1, 2) была выбрана из ранее указанных условий для S_Σ и h_c.

На фиг. 1 также схематично показаны брикеты 13, крышка 14 тигля 2, патрубок 15 выпуска газов, механизм 16 для подачи брикетов 13 шихты, расплава 17, шлак 18.

Опора 6 (см. фиг. 1), выполненная в виде шайбы, также может быть снабжена гранями, направляющими ребрами и/или проточками, соответствующими граням 9, направляющим ребрам 10 и проточкам 11 (фиг. 3).

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1).

Предварительно подготавливается и заполняется расплавленным металлом тигель 2. Брикеты 13 шихты с помощью, например, механизма 16 транспортируют к направляющей 3, в которой они штабелируются. Посредством направляющей 3 осуществляют ввод брикетов 13 в расплав 17 сквозь слой шлака 18.

Процесс подачи брикетов 13 непосредственно в расплав 17 происходит под действием собственного веса всего штабеля брикетов 13, последовательно стыкующихся между собой в верхней части при попадании их в направляющую 3. Скорость прохождения брикетов 13 шихты через направляющую 3 и, соответственно, скорость подачи брикетов 13 в расплав 17 будет определяться скоростью взаимодействия компонентов шихты в расплаве 17, т. е. скоростью исчезновения брикетов 13. Таким образом, можно организовать саморегулируемость скорости подачи брикетов 13 в расплав 17.

Чтобы этот процесс шел непрерывно, необходимо чтобы и процесс подачи брикетов 13 к направляющей 3 и формирование единого штабеля брикетов 13 в этом устройстве также шли непрерывно. Возможны различные варианты выполнения и с приложением дополнительных усилий для ввода брикетов 13 в расплав 17. Это может быть, например, при остановке процесса, когда требуется протолкнуть в расплав 17 оставшиеся в направляющей 3 брикеты 13.

Возможны также различные варианты выполнения наоборот, с замедленным движением брикетов 13 в направляющей 3, вплоть до полной их остановки, что может потребоваться, например, в какой-либо аварийной ситуации или же при пуске установки для формирования первого штабеля брикетов 13 перед подачей их в расплав 17.

Брикеты 13 могут быть выполнены в виде цилиндров со стыкующимися торцевыми поверхностями и представлять собой шихтовую смесь из измельченных определенным образом частиц, включающую восстанавливаемые соединения металлов (руды, концентрат и др.), восстановитель (главным образом уголь, а также металлические восстановители Si, Al и др.) и связующие, легирующие, флюсующие компоненты. Прочность брикетов 13, их плотность и другие свойства зависят от состава шихты и способа приготовления брикетов 13. Так, например, плотность брикетов 13 из смеси частиц окисного марганецсодержащего сырья, угля, извести, связующего (небольшого количества спиросульфатной барды) и без легирующих компонентов может составлять 2,6 4,0 г/см³ в зависимости от состава руды и угля, давления прессования брикетов 13 и других факторов. Прочность брикетов 13 на сжатие может при этом составлять величину ≥ 1 кг/мм².

При погружении штабеля брикетов 13 в подогреваемый расплав 17 на поверхности брикетов 13, омываемых расплавом 17 металла, начинаются в результате нагрева (за счет конвективного подвода тепла от расплава 17) восстановительные химические реакции. Штабель брикетов 13 в расплаве 17 приобретает конусообразную форму. Восстановительные газы поднимаются к поверхности расплава 17, проходят через слой шлака 18 и выходят в патрубок 15 (см. фиг. 1). Они формируют при этом основное направление циркуляции расплава 17 вверх вдоль штабеля брикетов 13 и вниз вдоль стенок тигля 2.

Специальная опора 6 в приведенном варианте выполнения (см. фиг. 2, 3, 4) состоит из трех одинаковых стоек, закрепленных на дне тигля 2 или выполненных заодно с тиглем 2 и, например, из того же материала. Стойки закреплены на одинаковом расстоянии друг от друга и от продольной оси тигля 2. Высота стоек ограничивается глубиной тигля 2 h_n (уровнем металла). Чтобы брикеты 13 с выбранным исходным диаметром D_б не могли свободно проходить между стойками 6, необходимо, чтобы диаметр окружности d_o, вписанной между ними в местах контакта стоек с брикетами 13, находящегося на выбранном расстоянии h_o от дна тигля 2, был меньше D_б. А чтобы нижний конец конусообразного штабеля брикетов 13 в расплаве 17 не упирался в дно тигля 2 необходимо чтобы
d_o/D_б ≅ h_o/h_n
При этом подразумевается, что уровень h_p заполнения тигля 2 расплавом 17 не может быть больше глубины тигля 2 h_p ≅ h_n.

Боковые поверхности стоек грани 9 имеют одинаковый наклон относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси тигля 2, что способствует закручиванию циркулирующего расплава 17 вокруг оси штабеля брикетов 13. Это в свою очередь способствует более равномерному распределению пузырьков восстановительных газов, частиц шлака, легирующих и флюсующих компонентов шихты по объему расплава 17, более равномерному выходу газов через поверхность расплава 17 и сквозь слой шлака 18 над расплавом 17.

Чтобы подаваемый в расплав 17 штабель брикетов 13 не всплывал, учитывая, что средняя плотность расплава 17 металла r_p меньше плотности брикетов 13 шихты ρ_б, необходимо, чтобы суммарный вес штабеля M_Σ был больше выталкивающей силы M_a. Вес M_Σ складывается из веса части штабеля над расплавом 17 высотой h_c и веса части штабеля, погруженной в расплав 17 с предельной глубиной, равной глубине тигля h. Объем погруженной в расплав 17 части штабеля V₁, имеющий конусообразную форму, можно оценить по формуле
.

Объем верхней цилиндрической части штабеля над расплавом 17 находится по формуле
.

Суммарный вес блока M_Σ будет равен
M_Σ= ρ_бg(V₁+V₂) (4),
где g ускорение свободного падения.

Выталкивающая сила M_a при этом будет равна
M_a= ρ_p•g•V₁ (5).

Приняв M_Σ>M_a после подстановки и преобразований получится, что
.

Давление штабеля брикетов P_б на суммарную поверхность S_Σ мест контакта 12 опоры 6 с брикетами 13 будет равно в этом случае
.

Чтобы под действием этого давления брикеты 13, имеющие предел прочности на сжатие a_б, не разрушались необходимо, чтобы
P_б≅ α_б (8)
или после подстановки и соответствующих преобразований
.

Приняв среднюю плотность расплава 17 металла, например ферромарганца равной ρ_p≈ 7300 кг/м³, плотность брикетов 13 равной ρ_б≈ 3000 кг/м³ и глубину тигля 2 равной h_n 1 м, получают h_c >0,48 М, т. е. высота штабеля брикетов 13 над расплавом 17 должна составлять величину не менее примерно половины глубины тигля 2.

Выбрав реальную высоту штабеля брикетов 13 над расплавом 17 равной h_c 1 м, получают , а диаметр брикетов 13 равным D_б= 0,1 м, получают S_Σ≥ 3•10^-5м² (30 мм²). На каждую из трех стоек опоры 6 придется приблизительно по 10 мм², что соответствует пятну контакта 12 размером приблизительно 3,6 мм. Реальная площадь контакта 12 будет вероятно больше, учитывая размягчение поверхностного слоя брикетов 13 в расплаве 17 при нагреве и протекании в нем восстановительных процессов. При этом, если поверхность контакта 12 на стойках опоры 6 будет иметь направляющие ребра 10 и/или проточки 11, то штабель брикетов 13 в расплаве 17 будет скользить вдоль этих направляющих элементов. Если же эти направляющие элементы выполнены под углом к продольной оси тяги 2, например винтообразной формы, то это будет способствовать закручиванию всего штабеля брикетов 13 вокруг своей оси. Что в свою очередь приведет к более быстрому отделению пузырьков восстановительного газа, частиц шлака и других компонентов шихты и продуктов реакций от поверхности брикетов 13 в расплаве 17, причем с меньшим размером пузырьков, улучшая тем самым условия циркуляции расплава 17 (в этом случае за счет уменьшения вероятности объединения пузырьков), условия конвективного подвода тепла к поверхности брикетов 13, а также условия для более равномерного выхода газов.

Все приведенные выше рассуждения справедливы и для опоры 6 (см. фиг. 1), выполненной в виде шайбы. При этом как сама шайба, так и кронштейны могут быть выполнены с соответствующей огранкой (снабжены гранями, направляющими ребрами и/или проточками), усиливающей достигаемый технический результат.

Наиболее успешно изобретение может быть использовано в металлургии, в индукционных тигельных печах при процессах прямого получения расплавов различных материалов, преимущественно железа, марганца, сталей и сплавов на их основе.

Изобретение позволяет:
увеличить точность подачи брикетов 13 шихты в расплав 17, устойчивость их в расплаве 17, уменьшить вероятность их разрушения;
увеличить равномерность циркуляции расплава 17, равномерность выхода восстановительных газов, равномерность прогрева шлака 13, равномерность подачи брикетов 13, равномерность протекания процессов восстановления, флюсования, легирования;
повысить эффективность процессов флюсования, легирования, растворения образующегося металла в расплаве 17;
уменьшить унос металла с выходящими газами и потери в шлаке 18, уменьшить унос шлака 18;
улучшить условия конвективного подвода тепла к поверхности брикетов 13 в расплаве 17, улучшить условия подачи брикетов 13 в расплав 17;
осуществить условие саморегулируемости скорости подачи брикетов 13 в расплав 17 и уменьшить тем самым вероятность ошибки при подаче брикетов 13;
осуществить непрерывность подачи брикетов 13 в расплав 17 и непрерывность всего процесса производства, уменьшить простои и количество теплосмен, увеличить стойкость футеровки тигля 2;
повысить качество конечного продукта;
увеличить надежность и безопасность процесса производства;
уменьшить удельные затраты энергии и исходных материалов;
улучшить экологичность производства;
расширить функциональные возможности установки, в том числе за счет относительной простоты и оперативности при изменении режима подачи брикетов 13, коррекции состава шихты в брикетах 13;
наиболее полно автоматизировать процесс производства.

Использование: в металлургии, в частности в индукционных установках для восстановления металлов из их соединений и прямого получения сталей и сплавов. Сущность: устройство содержит индуктор, тигель, направляющую подачи брикетов шихты, установленную в крышке вдоль продольной оси тигеля, канал выпуска металла, канал выпуска шлака; дополнительно введена опора брикетов шихты, установленная в тигле соосно с направляющей и выполненная с соосным сквозным каналом. 6 з. п.ф-лы, 4 ил.

1. Индукционная тигельная печь для получения расплавов железа, марганца, сталей и сплавов на их основе, содержащая индуктор, тигель, размещенный внутри индуктора, направляющую подачи брикетов шихты, установленную вдоль продольной оси тигеля, канал выпуска металла и канал выпуска шлака, отличающаяся тем, что печь снабжена опорой брикетов шихты, установленной в тигле соосно с направляющей брикетов, и выполненной со сквозным каналом, соосным направляющей. 2. Печь по п.1, отличающаяся тем, что опора выполнена в виде шайбы, и снабжена кронштейнами крепления на внутренней боковой поверхности тигеля. 3. Печь по п.1, отличающаяся тем, что опора выполнена в виде стоек, закрепленных на дне тигеля. 4. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр соосного направляющей сквозного канала в месте контакта опоры с брикетом меньше диаметра брикета шихты, а их отношение удовлетворяет условию
d₀/D_б ≅ h₀/h_n,
где d₀ диаметр соосного направляющей сквозного канала в листе контакта опоры с брикетом;
D_б диаметр брикета шихты;
h₀ расстояние от дна тигля до места контакта опоры с брикетом;
h_n расстояние от дна тигля до верхнего уровня металла в тигле. 5. Печь по п.1, отличающаяся тем, что боковая наружная поверхность опоры выполнена с одинаково наклоненными к продольной оси тигля гранями. 6. Печь по п.1, отличающаяся тем, что соосный направляющей сквозной канал опоры снабжен направляющими ребрами и/или проточками, выполненными с одинаковым наклоном к продольной оси тигля. 7. Печь по п.1, отличающаяся тем, что суммарная поверхность контакта опоры с брикетом удовлетворяет условию

причем

где S_Σ суммарная поверхность контакта опоры с брикетом;
D_б диаметр брикета шихты;
r_б плотность брикета;
g ускорение свободного падения;
h_n расстояние от дна тигля до верхнего уровня расплава металла в тигле;
α_б предел прочности брикета на сжатие;
h_c высота штабеля брикетов над расплавом;
ρ_p средняя плотность расплава.