УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ Российский патент 1999 года по МПК C22B5/10 

Изобретение относится к пирометаллургии, в частности к восстановлению твердым углеродом металлов из их оксидов, растворенных в расплаве галогенидов щелочных и/или щелочноземельных металлов, и может быть использовано для получения металлов и их сплавов непосредственно из руд, концентратов и различных металлургических отходов (шлаков, шламов и т.п.) без их предварительного окускования или агломерации.

Практически все широко известные процессы восстановительной плавки металлов требуют предварительного окускования или агломерации шихтовых материалов.

Известен способ восстановления железной руды в рудовосстановительной электропечи. В известном способе в ванну печи загружают шихту, состоящую из смеси офлюсованного агломерата иди железорудных окатышей с углеродистым восстановителем (коксом), а в качестве целевого продукта получают "синтетический" чугун. Известна также электропечь для получения чугуна [1].

Известен способ получения высокоуглеродистого феррохрома в закрытой электропечи. В известном способе в ванну печи загружают шихту, состоящую из кусковой хромитовой руды и углеродистого восстановителя (кокса или полукокса). Известна также электропечь для выплавки высокоуглеродистого феррохрома [2].

Главным недостатком каждого из этих способов является невозможность использования в качестве сырья сыпучих шихтовых материалов - порошкообразных концентратов. И если при получении железа это приводит к необходимости сначала измельчать и обогащать железную руду, а затем вновь окусковывать ее, то при получении феррохрома возможно использование в качестве шихты только богатой кусковой хромитовой руды без ее предварительного измельчения и обогащения в силу сложности последующего окускования хромитового концентрата. Это, в свою очередь, не позволяет вовлекать в металлургический цикл бедные хромитовые руды.

Известен способ восстановления железа из рудно-флюсовых расплавов углеродом, в котором твердый углеродистый восстановитель (полукокс) взаимодействует в ванне расплава с окислами железа и восстанавливает их с выделением окиси углерода. Известно устройство для осуществления способа [3].

Недостатком известного способа является то, что выделяющаяся в процессе реакции окись углерода вследствие повышения вязкости расплава из-за поглощения тепла в зоне реакции вспенивает расплав в ванне печи, прерывая процесс.

Известен способ восстановления железа посредством плавки шихты в жидкой ванне (ПЖВ - процесс). В известном способе реализована возможность восстановления железа из неокускованных шихтовых материалов путем совместного плавления их с флюсами, состоящими из смеси оксидов SiO₂, CaO, MgO, Al₂O₃, взятых в определенном соотношении. Известно устройство для осуществления способа [4].

К недостаткам способа можно отнести высокий расход флюсов и соответственно высокий выход шлака, высокое содержание углерода в целевом продукте, а также необходимость использования технического кислорода.

К недостаткам устройства можно отнести его сложность и высокую стоимость, обусловленную его оборудованием водоохлаждаемой медной футеровкой, что связано с невозможностью использования основной огнеупорной футеровки из-за агрессивности железистого шлака.

Общим недостатком всех перечисленных способов является высокая энергоемкость процесса, связанная с затратами энергии на расплавление оксидов.

Известен способ получения металлов и сплавов, включающий растворение окислов в расплаве галогенидов щелочных и/или щелочноземельных металлов и жидкофазное восстановление окислов из раствора их в расплаве растворителе, отличающийся тем, что восстановление окислов осуществляют твердым углеродом, причем после восстановления окислов расплав растворитель отделяют от металла и повторно используют для растворения исходного продукта [5].

Известный способ, во-первых, позволяет использовать неокускованные и неофлюсованные шихтовые материалы, во-вторых, лишен такого недостатка как пенообразование, в-третьих, исключает энергозатраты на расплавление оксидов металлов, которые растворяются в уже имеющемся расплаве галогенидов, в-четвертых, обеспечивает непрерывность процесса (одновременно с растворением оксидов в расплаве галогенидов происходит восстановление металла и осаждение его на подину), что дает возможность перерабатывать количество шихтовых материалов, значительно превышающее по массе количество расплава галогенидов, и, в-пятых, в качестве побочного продукта реакции восстановления оксидов металлов твердым углеродом образуется горячий оксид углерода, обладающий восстановительным потенциалом.

Известно устройство для восстановления оксидов металлов по известному способу, принятое за прототип, представляющее собой дуговую электропечь, содержащую металлический корпус, крышку-свод с отверстиями для размещения электродов, отвода газов и подачи шихты, реакционную зону с расплавом галогенидов с периферийным гарниссажем, находящуюся между стенками корпуса, футерованными углеродистым материалов, ванну, оборудованную системой сифонного выпуска металла [5].

Недостатком известного устройства является то, что восстановление в нем оксидов металлов по известному способу ведет к неконтролируемому науглероживанию целевого продукта за счет углеродистой футеровки ванны печи.

Задачей изобретения является создание устройства для восстановления оксидов металлов, обеспечивающего возможность присутствия и периодического обновления в его рабочем пространстве расплава галогенидов щелочных и/или щелочноземельных металлов, предотвращающего науглероживание целевого продукта и позволяющего осуществлять предварительный нагрев и частичное восстановление шихты отходящими газами, состоящими преимущественно из оксида углерода.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для восстановления оксидов металлов, содержащее металлический корпус, крышку-свод с отверстиями для размещения электродов, отвода газов и подачи шихты, реакционную зону с расплавом галогенидов с периферийным гарниссажем, находящуюся между стенами корпуса, футерованными углеродистым материалов, ванну, оборудованную системой сифонного выпуска металла, отличается тем, что оно выполнено с возможностью создания компенсационной зоны для образования периферийного гарниссажа в пространстве, расположенном между реакционной зоной и ванной, имеющей футеровку из магнезитовых огнеупоров, при этом ширина компенсационной зоны по отношению к диаметру электрода изменяется от величины, составляющей не менее двенадцати диаметров электрода на уровне реакционной зоны, до величины, составляющей не более шести диаметров электрода на уровне ванны, высота компенсационной зоны не превышает трех диаметров электрода, в пределах компенсационной зоны имеется канал для слива расплава галогенидов, а отверстие для отвода газа совмещено с отверстием для подачи шихты.

Устройство поясняется чертежом, где представлен общий вид устройства в разрезе (масштаб не соблюдается).

Цифрами обозначены:
Металлический корпус 1, водоохлаждаемая или футерованная крышка-свод 2 с отверстиями для электродов 3, загрузочным окном и газоходом 4, смотровым окном 5, вводимые через крышку электроды 6, футерованная огнеупорными материалами ванна 7 со сливным каналом 8 для непрерывного или периодического выпуска металла, компенсационная зона 9 (нижняя и верхняя условные границы компенсационной зоны обозначены горизонтальными пунктирными линиями) с периферийным гарниссажем 10, сливной канал 11 для полного или частичного выпуска расплава галогенидов, реакционная зона 12, заполненная расплавом галогенидов с периферийным гарниссажем 10, углеродистая футеровка реакционной зоны 13.

Устройство работает следующим образом.

В ванну устройства загружается холодный металл (скрап) и расплавляется так, чтобы ванна заполнилась до нижней границы компенсационной зоны 9, после чего в загрузочное окно подается сыпучий галогенид (смесь галогенидов), который на расплавленном металле быстро переходит в жидкотекучее состояние. По мере заполнения расплавом галогенидов компенсационной зоны 9 и реакционной зоны 12 работа устройства переходит из дугового режима в руднотермический (режим электросопротивления), при этом расплав галогенидов образует слой гарниссажа на стенках рабочего пространства устройства как в пределах реакционной зоны, так и в пределах компенсационной зоны, толщина гарниссажа зависит только от степени насыщения расплава примесными оксидами и температуры расплава галогенидов у стенок рабочего пространства.

Температура расплав галогенидов у стенок рабочего пространства определяется отношением его ширины к диаметру электрода, так в реакционной зоне 12, ширина которой составляет величину свыше двенадцати диаметров электрода, пристеночный гарниссаж 10 присутствует постоянно, а в компенсационной зоне 9, ширина которой изменяется от ширины реакционной зоны 12 (не менее двенадцати диаметров электрода) до ширины ванны 7 (не более шести диаметров электрода), толщина гарниссажа 10 уменьшается по направлению от реакционной зоны 12 к ванне 7, при этом толщина гарниссажа 10 в компенсационной зоне 9 дополнительно регулируется изменением напряжения на электродах и степенью погружения их в расплав галогенидов.

После заполнения реакционной зоны расплавом галогенидов примерно до середины начинается загрузка шихты - смеси оксидов металлов с твердым углеродистым восстановителем через загрузочное окно 4. В процессе растворения и восстановления оксида нарабатывается объем металла при неизменном объеме расплава галогенидов, при этом образующийся в процессе восстановления горячий оксид углерода выходит из загрузочного окна 4, предварительно нагревая и частично восстанавливая шихту. Регулируя работу сливного канала 8, можно добиться как непрерывного, так и периодического выпуска металла с периодической заменой части насыщенного примесными оксидами расплава галогенидов выпуском его через сливной канал 11 и дозагрузкой новой порции сыпучих галогенидов через окно 4 вместе с шихтой.

Функционирование ванны 7 и реакционной зоны 12 с расплавом галогенидов по отдельности известно, но именно их сочетание с образованием компенсационной зоны 9 позволяет достичь указанного технического результата. Компенсационная зона выполняет две основные функции. С одной стороны, при наборе металла ванной в компенсационной зоне происходит расплавление гарниссажа и вытеснение расплава галогенидов металлом, который контактирует только с огнеупорной кладкой, что позволяет избежать насыщения металла углеродом. С другой стороны, при сливе металла и подъеме электродов огнеупоры компенсационной зоны начинают обрастать гарниссажем. при этом наличие гарниссажа на огнеупорах гарантирует их защиту от растворения в расплаве галогенидов.

Таким образом, в предлагаемом устройстве осуществляется восстановление твердым углеродом оксидов металлов, растворенных в расплаве галогенидов щелочных и/или щелочноземельных металлов, с предохранителем целевого продукта от науглероживания и с утилизацией теплового и восстановительного потенциала газообразных продуктов основной реакции восстановления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. Гасик М.И, Лякишев Н.П, Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. -М.: Металлургия, 1988, с. 571.

2. Там же, с. 323-328.

3. Авторское свидетельство СССР N 88996, C 22 B 5/00, 27.05.1941 г.

4. Химия и жизнь. -1991.- N1. C.37-39.

5. Способ получения металлов и сплавов //Патент РФ N 2037543 от 15.07.91. Опубл.Бюлл. изобр., 1995, N 17. -C.152 (прототип).

Устройство может быть использовано для получения металлов и их сплавов непосредственно из руд, концентратов и различных металлургических отходов (шлаков, шламов и т.п.) без их предварительного окускования или агломерации. Устройство для восстановления оксидов металлов, содержащее металлический корпус, крышку-свод с отверстиями для размещения электродов, отвода газов и подачи шихты, реакционную зону с расплавом галогенидов с периферийным гарниссажем, находящуюся между стенами корпуса, футерованными углеродистым материалом, ванну, оборудованную системой сифонного выпуска металла, выполнено с возможностью создания компенсационной зоны для образования периферийного гарниссажа в пространстве, расположенном между реакционной зоной и ванной, имеющей футеровку из магнезитовых огнеупоров, при этом ширина компенсационной зоны по отношению к диаметру электрода изменяется от величины, составляющей не менее двенадцати диаметров электрода на уровне реакционной зоны, до величины, составляющей не более шести диаметров электрода на уровне ванны, высота компенсационной зоны не превышает трех диаметров электрода, в пределах компенсационной зоны имеется канал для слива расплава галогенидов, а отверстие для отвода газов совмещено с отверстием для подачи шихты, предотвращается науглероживание целевого продукта, исключается использование дефицитных материалов. 1 ил.

Устройство для восстановления оксидов металлов, содержащее металлический корпус, крышку-свод с отверстиями для размещения электродов, отвода газов и подачи шихты, реакционную зону с расплавом галогенидов с периферийным гарниссажем, находящуюся между стенами корпуса, футерованными углеродистым материалом, ванну, оборудованную системой сифонного выпуска металла, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью создания компенсационной зоны для образования периферийного гарниссажа в пространстве, расположенном между реакционной зоной и ванной, имеющей футеровку из магнезитовых огнеупоров, при этом ширина компенсационной зоны по отношению к диаметру электрода изменяется от величины, составляющей не менее двенадцати диаметров электрода на уровне реакционной зоны, до величины, составляющей не более шести диаметров электрода на уровне ванны, высота компенсационной зоны не превышает трех диаметров электрода, в пределах компенсационной зоны имеется канал для слива расплава галогенидов, а отверстие для отбора газов совмещено с отверстием для подачи шихты.