СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТУГОПЛАВКИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2001 года по МПК C04B7/44 F27D11/10 

Изобретение относится к получению тугоплавких металлических и неметаллических материалов, преимущественно цементного клинкера, имеющего высокую степень вязкости расплава.

Известен способ получения портландцементного клинкера путем его плавления в дуговых электропечах на основе феррохромовых шлаков. Расплав продувают кислородом или воздухом непосредственно в ванне электродуговой печи (А.Л. Моссэ и др. Обработка дисперсных материалов в плавильных реакторах, Минск, 1980 г.).

Недостатками известного способа являются невысокая производительность из-за частого застывания вязкого расплава в выходной летке, низкое качество из-за недостаточного перемешивания расплава, большое энергопотребление.

Известен также способ получения цементного клинкера, включающий плавление сырьевой смеси с использованием электрической дуги, при котором плавлению подвергают сырьевую смесь фракции 0,05-20 мм с влажностью до 2% при температуре 1600-1800^oC в течение 0,1-30 мин в нейтральной газовой среде или в газовой среде с содержанием до 8% кислорода (патент РФ N 2040497, C 04 B 7/44 от 27.07.95 г., бюл. N 21).

Недостатки указанного способа следующие.

При осуществлении способа между электродом-анодом, установленным в футеровке пода электродуговой печи и электродом-катодом, установленным в своде печи, зажигается электродуга, которая расплавляет сырьевой материал, поданный в ванну, образуя токопроводящий участок в толще расплава. Зеркало поверхности жидкотекучего расплава ограничено величиной, равной двум диаметрам электрода, т.е. разогрев материала локализован и расположен в толще слоя расплава вокруг общей вертикальной оси между разноименными электродами.

Производительность при таком способе обработки, зависящая в частности от величины ванны расплава, ограничена, так как в периферийной зоне ванны вязкий расплав застывает и не выливается из печи. Форсирование мощности дуги при ее увеличении (растягивании) по вертикали путем перемещения (поднятия) катода приводит к перегреву стен и свода камеры печи, что в свою очередь приводит к оплавлению последних, увеличению потерь тепла в окружающую среду, перегреву и ускоренному выгоранию графитового электрода-катода.

Кроме того, перемешивание расплава также локализовано, что приводит к ухудшению качества готового продукта расплава, например цементного клинкера. Температура, ограниченная величиной в 1800^oC, недостаточна для придания жидкотекучего состояния многим видам тугоплавких материалов с высокой вязкостью расплава, в частности портландцементного клинкера с высокими коэффициентами насыщения, являющимися определяющими при получении высококачественного продукта.

В основу настоящего изобретения поставлена задача повышения качества материала за счет интенсификации перемешивания расплава и повышение производительности за счет снижения остановок на ликвидацию застывших участков расплава в районе его слива из печи.

Согласно изобретению задача решается тем, что получение тугоплавких материалов с высокой вязкостью расплава осуществляют с использованием электрической дуги, образующей токопроводящий участок в толще расплава на поде плавильной печи между разноименными электродами. При этом токопроводящий участок в толще расплава доводят до температуры 1810-2200^oC и увеличивают его зеркало от неподвижного электрода-анода до места слива расплава из печи путем возвратно-поступательного движения электрода-катода относительно электрода-анода в горизонтальной плоскости по поду печи. В качестве тугоплавкого материала с высокой вязкостью расплава используют цементный клинкер.

Существо предлагаемого способа получения тугоплавких материалов поясняется нижеследующими примерами.

Примеры осуществления способа.

Из предварительно дробленых сырьевых материалов, путем их просеивания и смешения, были приготовлены сырьевые смеси для получения цементных клинкеров. Составы сырьевых смесей и их дисперсность приведены в табл. 1. Влажность смесей не превышала 2-2,5%.

Для сравнения предлагаемого способа с прототипом подбирали идентичный вещественный и дисперсный состав сырьевых смесей.

Приготовленные смеси подавались дозатором в электроплазменную печь как через внутреннее пространство электрода-катода, так и в район дуги по наружной поверхности электрода-катода через свод печи.

На фиг. 1, 2, 3 схематически показана работа печи по предлагаемому способу, где на ее фрагментах изображены три положения электродов относительно друг друга.

Позицией 1 обозначен корпус печи, снабженный водоохлаждаемой рубашкой 2. Корпус внутри печи покрыт гарнисажной футеровкой 3.

В под печи 4 вмонтированы электрод-анод 5 и летка 6 для выхода расплава из печи для дальнейшей переработки.

В свод (на чертежах свод условно не показан) входит с возможностью перемещения по вертикали и вдоль пода 4 от анода 5 до летки 6 электрод-катод 7. Расплав имеет разную температуру в зависимости от удаленности от электродуги 8 и как следствие различное состояние от жидкотекучего, расположенного между электродами 9, до более вязкого, но токопроводящего расплава 10 вне зоны жидкотекучего расплава.

Процесс плавки осуществляется известными способами (см. фиг. 1 схемы) путем установки катода 7 над анодом 5. При этом электроды 5 и 7 сводятся до контакта и при образовании электродуги разводятся по вертикали на некоторую высоту, обеспечивающую устойчивую дугу, необходимый ток и напряжение. Сырьевой материал, подаваемый в зону дуги, плавится, постепенно закрывая пленкой расплава поверхность пода от анода до выходной летки.

В зоне действия дуги температура расплава может достигать 1800-2200^oC. Расплав кипит и находится в жидкотекучем состоянии (поз. 9). В зависимости от состава сырьевого материала расплав при температурах, превышающих 1400-1600^oC, становится токопроводным.

При достижении такого уровня температур по всей ванне от анода до летки электрод 7 перемещают в сторону летки по горизонтали, параллельно поду или зеркалу расплава. При этом, как показано на фиг. 2 и 3 схемы, зона жидкотекучего состояния (9) увеличивается (как бы растягивается) по мере удаления катода от анода, так как электрический ток протекает через дугу и расплав, заключенный между электродами в данный момент движения. При этом происходит процесс кипения и интенсивного перемешивания и перетекания его из зоны анода 4 в зону выходной летки 6.

При наборе слоя расплава выше верхней кромки летки 6 и при приближении катода вплотную к последней жидкотекучий расплав выливается из печи на дальнейшую переработку, например охлаждение или грануляцию перед охлаждением.

При обратном движении катода электродуга расплавляет застывшую на поверхности расплава корку, превращая всю массу снова в жидкотекучее состояние (увеличивается площадь зеркала расплава).

Скоростью перемещения катода можно регулировать выход расплава из печи, обеспечивая либо периодический, либо постоянный выход.

Для надежного выхода портландцементного клинкера из печи необходимо иметь локальную температуру в зоне прохождения тока не менее 2000-2100^oC. В общей массе расплава поддерживают температуру от 1800 до 2000^oC в зависимости от состава сырьевой смеси.

Для некоторых тугоплавких материалов с большой вязкостью расплава температура жидкотекучего состояния может достигать 2200^oC.

При предложенном способе плавления выходные летки не охлаждаются и поэтому их изготавливают из жаропрочных коррозионностойких по отношению к расплаву и кислороду материалов, например из карбида кремния, выдерживающего рабочие температуры до точки плавления. Адгезия к этому материалу расплава клинкера практически незначительна.

Режимы обжига сырьевых смесей представлены в табл.2.

Полученные клинкеры характеризовались полным завершением процессов клинкерообразования.

Совместное содержание алита и белита превышало 80% и не менее 65% алита. Клинкеры совместно с 5% гипса размалывали в мельнице до тонкости помола, характеризуемого остатком на сите N 008 в пределах 10% и удельной поверхностью в пределах 300 м²/кг.

Приготовленные цементы испытывали по ГОСТ 310.1-310.4.

Прочностные показатели цементов представлены в табл. 3.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет значительно интенсифицировать процесс клинкерообразования, повысить выход кондиционного материала, улучшить качество клинкера.

Изобретение относится к области получения тугоплавких металлических и неметаллических материалов, преимущественно цементного клинкера, имеющего высокую степень вязкости расплава, и может быть использовано также в металлургии и химической технологии. Способ включает использование электрической дуги, образующей токопроводящий участок в толще расплава на поде плавильной печи между разноименными электродами. Токопроводящий участок в толще расплава доводят до температуры 1810-2200°С и увеличивают площадь его зеркала от неподвижного электрода-анода до места слива расплава из печи путем возвратно-поступательного движения электрода-катода относительно электрода-анода в горизонтальной плоскости по поду печи. Способ позволяет повысить качество материала за счет интенсификации перемешивания расплава и производительность за счет снижения остановок на ликвидацию застывших участков расплава в районе его слива из печи. 1 з.п.ф-лы, 3 табл., 3 ил.

1. Способ получения тугоплавких материалов с высокой вязкостью расплава, включающий использование электрической дуги, образующей токопроводящий участок в толще расплава на поде плавильной печи между разноименными электродами, отличающийся тем, что токопроводящий участок в толще расплава доводят до температуры 1810 - 2200^oC и увеличивают его зеркало от неподвижного электрода-анода до места слива расплава из печи путем возвратно-поступательного движения электрода-катода относительно электрода-анода в горизонтальной плоскости по поду печи. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве тугоплавких материалов с высокой вязкостью расплава используют цементный клинкер.