УЗЕЛ ПОДВОДА ШИХТЫ И ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ГАЗА В ДУГОВУЮ ЭЛЕКТРОПЕЧЬ Российский патент 2008 года по МПК F27B3/18 F27B3/22 F27D3/18 

Область техники.

Изобретение относится к бескоксовой металлургии, в частности к устройствам для производства отливок, металлических порошков и гранул посредством восстановления металлов из металлсодержащего дисперсного оксидного сырья газообразными и дисперсными восстановителями в плазмохимических реакторах, основная доля энергии в которые вводится с помощью дугового разряда.

Уровень техники.

Устройства для прямого восстановления металлов и соответствующие устройства на основе дуговых разрядов описаны в известной технической литературе («Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева». Под ред. Свенчанского А.Д. М. Энергоиздат, 1981 г., с 251, 247). Обычно устройство содержит ванну расплава со средствами сбора металла и шлака, узел подачи шихты и рабочего газа, соленоид и расположенный на центральной оси рабочий электрод, выполненный из графита или вольфрама. В ряде случаев функции узла подачи шихты и газа выполняет рабочий электрод, имеющий внутреннюю полость и установленный обычно в верхней части устройства, и он является катодом дугового разряда, роль анода выполняет ванна расплава металла, находящаяся на поде печи.

Общим недостатком этих устройств и способов является наличие расходуемого рабочего электрода - катода. Это требует остановки процесса для замены катода или использования резервного электрода, который перемещают в рабочую зону посредством предусмотренных для этого устройств (патенты РФ №1781306 и 2007463). В обоих случаях технологический процесс остается прерывистым из-за необходимости отсоединения от катода средств подачи шихты на время установки резервного электрода, а полученный материал загрязняется продуктами эрозии катода.

Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является узел подвода восстановительного газа и шихты в дуговую электропечь, включающую размещенный в магнитной системе реактор, два разнополярных электрода, верхний рабочий электрод и нижний, размещенные на вертикальной оси реактора, подсоединенного к источнику восстановительного газа и питателю шихты (пат. РФ №2007463).

В этом устройстве вторым электродом (анодом) является ванна расплава, размещенная в керамическом тигле, восстановительный газ и шихту подают в реактор через полый рабочий электрод, снаружи этого электрода установлена охлаждаемая труба, которая служит для охлаждения рабочего электрода и уплотнения камеры, реактор и подина снабжены графитовой и керамической кладкой, реактор помещен в магнитное поле, а для наращивания рабочего электрода введено устройство его перемещения и наращивания.

Оксидное сырье, контактируя с рабочим электродом, интенсивно восстанавливается, но при этом расходуется материал электрода (обычно - графит), а сам процесс восстановления носит эндотермический характер и сопровождается снижением температуры рабочего электрода, что приводит к возникновению контрагированных катодных пятен и эрозии электрода.

При использовании в этом устройстве в качестве восстановителя природного газа не удается совместить требования по снижению температуры газа и поддержанию высокой температуры торца рабочего электрода, что необходимо для уменьшения его эрозии, связанной с наличием малоподвижных контрагированных катодных пятен дуги.

Сущность изобретения.

Предлагаемым изобретением решается техническая задача увеличения производительности процесса производства металла и улучшения его качества.

Основной технический результат использования предлагаемого изобретения заключается в увеличении длительности периодов функционирования печи между заменами рабочего электрода за счет снижения расхода материала рабочего электрода и в возможности использования любого газообразного и дисперсного восстановителя без опасности закоксовывания канала его ввода.

Дополнительно решается задача уменьшения загрязнения готового металлопродукта материалами эрозии рабочего электрода.

Указанный результат достигается тем, что узел подвода восстановительного газа и шихты выполнен в виде отдельных трубопроводов для раздельного подвода газа и шихты, расположенных в полости рабочего электрода или вокруг него так, что трубопровод, смежный с рабочим электродом, подсоединен к источнику восстановительного газа, а другой, периферийный, трубопровод - к питателю шихты, при этом обращенные к рабочему электроду стенки трубопроводов для подачи газа выполнены охлаждаемыми.

В одном варианте изобретения трубопроводы образованы двумя коаксиальными трубами, внутренней и внешней, размещенными в полости рабочего электрода с отношением его внешнего и внутреннего диаметров 3-5.

В другом варианте изобретения трубопроводы образованы тремя коаксиальными трубами - внутренней, промежуточной и внешней, размещенными снаружи рабочего электрода.

В третьем варианте изобретения узел подачи образован двумя наборами труб, размещенных на концентрических по отношению к рабочему электроду окружностях, при этом трубы набора, размещенного на внутренней концентрической окружности, выполнены охлаждаемыми, совмещены по радиальным направлениям с трубами набора, размещенного на внешней окружности, и подсоединены к источнику восстановительного газа, а трубы набора, размещенного на внешней концентрической окружности, подсоединены к питателю шихты.

Во всех вариантах нижние концы труб размещены над нижним торцом рабочего электрода.

Используемые термины и определения.

Питатель - устройство, обычно содержащее бункер с исходным рудным сырьем и средство его подачи с заданной скоростью.

Синтез-газ - газовая смесь, главными компонентами которой являются монооксид углерода и водород.

Шихта - смесь, состоящая из рудного сырья (руда, концентрат и т.д.), легирующих и рафинирующих добавок.

Железорудное сырье - минеральное сырье, содержащее один или более окислов железа различной валентности.

Оксидное сырье - минеральное и техногенное сырье, содержащее оксиды металлов.

Описание чертежей.

На фиг.1 схематически в продольном сечении представлен вариант размещения узла подачи в полости рабочего электрода.

На фиг.2 схематически в продольном сечении представлен вариант узла подачи в виде коаксиальных труб, окружающих рабочий электрод.

На фиг.3 схематически в продольном сечении представлен вариант узла подачи в виде наборов труб, окружающих рабочий электрод.

На фиг.4 дано поперечное сечение устройства фиг.3 в плоскости А-А.

Устройство, представленное на фиг.1, содержит питатель 1 шихты, источник 2 восстановительного газа, реактор 3 дуговой печи с охлаждаемыми (не показано) стенками 4 и сводом (крышкой) 5, полый рабочий электрод 6, в полости которого размещены охлаждаемая внешняя труба 7, в которой, в свою очередь, установлена внутренняя труба 8, образующие в совокупности смежный с электродом 6 трубопровод, причем периферийным трубопроводом является труба 8, подовый электрод 9 на средстве сбора 10 готового продукта и магнитную систему в виде соленоида 11. Нижние концы труб 7 и 8 отстоят от нижнего торца электрода 6 на величину, составляющую 1-1,5 внутреннего диаметра электрода 6. Отношение внешнего и внутреннего диаметров электрода 6 находится в пределах 3-5. При отношении диаметров электрода 6, меньшем трех, возрастает плотность тока в нем, что становится причиной его повышенного расхода, а при отношении диаметров электрода, большем пяти, сильно уменьшаются возможности для размещения в нем труб 7 и 8. Рабочий электрод 6 изолирован от крышки 5 диэлектрическим уплотнителем 12.

В варианте устройства, представленном на фиг.2, внутренняя охлаждаемая труба 13 и внешняя труба 14, разделенные промежуточной трубой 15, размещены снаружи рабочего электрода 6, который может быть и полым, и сплошным. При этом смежный трубопровод образован трубами 13 и 15, а периферийный - трубами 15 и 14.

Труба 14 установлена на крышке 5 и изолирована от нее электрически уплотнителем 16 из диэлектрического материала. Нижние концы труб 13, 14 и 15 размещены над нижним торцом рабочего электрода 6 и находятся от него на расстоянии 0,5-1,0 его внешнего диаметра.

При больших поперечных размерах рабочего электрода 6 предпочтительным является вариант, представленный на фиг.3. Трубопроводы подачи шихты и восстановительного газа образованы двумя наборами труб 17 (смежные) и 18 (периферийные), размещенными на концентрических относительно рабочего электрода 6 окружностях - внутренней 19 (трубы 17) и внешней 20 (трубы 18), как показано на фиг.4. Трубы 17 выполнены охлаждаемыми, трубы 17 и 18 обоих наборов попарно совмещены на радиальных направлениях, но необязательно находятся в контакте.

Трубы 7, 13, 17 выполнены в виде двух соединенных оболочек (на чертеже не показаны), между которыми пропускают хладагент.

При этом периферийные трубопроводы - трубы 8 на фиг.1, полость между трубами 14 и 15 на фиг.2 и трубы 18 на фиг.3 и 4 подсоединены к питателю шихты 1 и служат средством ее подачи в реактор 3, а смежные трубопроводы - полость между трубами 7 и 8 на фиг.1, полость между трубами 13 и 15 на фиг.2 и трубы 17 на фиг.3 подсоединены к источнику газа 2 и служат средством его подачи в реактор 3.

Рабочий электрод 6 и подовый электрод 9 являются электродами дуговой электропечи, их полярность может быть как прямой (электрод 6 служит катодом), так и обратной (электрод 6 служит анодом).

Осуществление изобретения.

Проиллюстрирована работа устройства при прямой полярности электродов реактора 3. На площадку электрода 9 устройства сбора 10 загружают металлическую «затравку», подают напряжение на электроды реактора 3 и возбуждают в нем дуговой разряд одним из известных способов, например кратковременным касанием рабочим электродом 6 «затравки» на электроде 9, высокочастотным пробоем и т.д. При относительно низких по отношению к номинальным значениях тока дуги наводят на площадке электрода 9 «болото» из металла. Затем устанавливают рабочие параметры установки: индукцию магнитного поля соленоида 10, величину дугового промежутка между электродом 6 и расплавом металла на площадке 9, величину тока дуги, расход восстановительного газа через реактор 3 от источника газа 2.

После наведения «болота» на площадке электрода 9 питателем 1 по периферийным трубопроводам - трубе 8 (фиг.1), через полость между трубами 14 и 15 (фиг.2) или по трубам 18 в реактор 3 подают шихту, а по смежным трубопроводам - через полость между трубами 7 и 8 (фиг.1), через полость между трубами 13 и 15 (фиг.2) или по трубам 17 в реактор 3 подают восстановительный газ. Смесь шихты и газа поступает на расплав, при этом происходит восстановление шихты до металла.

Подача восстановительного газа по трубопроводам, смежным с рабочим электродом 6, предотвращает попадание шихты, подаваемой по периферийным трубопроводам и содержащей оксидное сырье, на рабочий электрод 6 и снижает его износ.

Охлаждение стенок смежных трубопроводов (трубы 7, 13 или 17) позволяет подавать природный газ в реактор 3 при температуре ниже температуры пиролиза газа, что не требует его конверсии. При этом благодаря тому, что подаваемая в реактор 3 шихта не взаимодействует с материалом рабочего электрода 6, а области теплового контакта труб 7, 13 и 17 с электродом 6 могут быть размещены достаточно далеко от нижнего торца электрода 6 или вообще отсутствовать, температуру последнего можно поддерживать значительной величины (около 3000°С), достаточной для образования на торце электрода 6 диффузного дугового пятна, обеспечивающего равномерную и, следовательно, пониженную выработку электрода 6.

Размещение нижних концов труб 7 и 8 на удалении от нижнего торца электрода 6, большем 1,5 диаметра его полости, а нижних концов труб 13-15, 17 и 18 на удалении, большем 1 внешнего диаметра электрода 6, приводит к значительному попаданию шихты на рабочий электрод, находящийся при высокой температуре (около 3000°С), и его повышенному износу. При удалении нижних концов труб 7 и 8, меньшем 1,0 диаметра полости электрода 6, а нижних концов труб 13-15, 17 и 18, меньшем 0,5 внешнего диаметра электрода 6, резко возрастает вероятность перескока дуги разряда на эти трубы и их разрушения.

Аксиальное магнитное поле соленоида 10 обеспечивает азимутальное вращение дуги и ванны расплава, что приводит к равномерному нагреву и активному взаимодействию с восстановительным газом всей массы поступающей шихты и получению однородного металла.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет:

- уменьшить эрозию рабочего электрода 6 благодаря устранению его контакта с шихтой при ее подаче в рабочее пространство реактора 3 и формированию диффузного катодного пятна посредством повышения температуры торца электрода 6;

- использовать любые газообразные восстановители: синтез-газ, водород, неконвертированный природный газ за счет подачи газа через охлаждаемые металлические трубы 17 или полости с охлаждаемыми стенками (трубы 7 или 13);

- получить однородный металл с малым содержанием примесей (например, углерода) благодаря снижению эрозии электрода 6, применению газообразных восстановителей и отказу от использования кокса и увеличить производительность и время непрерывной работы дуговой печи за счет снижения расхода электрода 6.

Изобретение может быть использовано на предприятиях металлургии и машиностроения для прямого получения отливок, металлических порошков и гранул из дисперсного рудного сырья с использованием газообразных и дисперсных восстановителей, в том числе неконвертированного природного газа и водорода.

Экологические показатели предложенных способа и устройства существенно выше, чем у аналогов: не потребляется кокс, не требуется агломерация и окомкование рудного сырья, возможна работа на водороде и на сыром природном газе.

Возможность реализации всех эффектов, сопровождающих предложенный в настоящем изобретении процесс подачи в реактор восстановительного газа через охлаждаемые трубы и полости с предотвращением контакта шихты с материалом рабочего электрода, установлена нами впервые и нигде не опубликована.

Изобретение относится к бескоксовой металлургии, в частности к устройствам для производства отливок, металлических порошков и гранул посредством восстановления металлов из металлсодержащего дисперсного оксидного сырья газообразными и дисперсными восстановителями в плазмохимических реакторах, основная доля энергии в которые вводится с помощью дугового разряда. Узел снабжен отдельными трубопроводами для раздельного подвода газа и шихты, расположенных в полости рабочего электрода или вокруг него так, что трубопровод, смежный с рабочим электродом, подсоединен к источнику восстановительного газа, а другой, периферийный, трубопровод - к питателю шихты, при этом обращенные к рабочему электроду стенки трубопроводов для подачи газа выполнены охлаждаемыми. Изобретение позволяет увеличить производительность процесса производства металла и улучшить его качество, а также увеличить длительность периодов функционирования печи между заменами рабочего электрода за счет снижения расхода материала рабочего электрода и возможности использования любого газообразного и дисперсного восстановителя без опасности закоксовывания канала его ввода. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Узел подвода восстановительного газа и шихты в дуговую электропечь, включающую размещенный в магнитной системе реактор, два разнополярных электрода - верхний рабочий электрод и нижний, размещенных на вертикальной оси реактора, источник восстановительного газа и питатель шихты, отличающийся тем, что узел снабжен набором трубопроводов, смежных и периферийных по отношению к поверхности рабочего электрода, причем трубопроводы смежных наборов выполнены охлаждаемыми, а нижние концы всех трубопроводов размещены выше нижнего торца рабочего электрода.2. Узел по п.1, отличающийся тем, что трубопроводы образованы двумя коаксиальными трубами - внешней и внутренней, размещенными в полости рабочего электрода, выполненного с отношением его наружного и внутреннего диаметров 3-5, внешняя труба выполнена охлаждаемой, при этом к смежному трубопроводу, образованному внешней и внутренней трубами, подсоединен источник восстановительного газа, а к периферийному трубопроводу, образованному внутренней трубой, подсоединен питатель шихты, причем нижние концы обеих труб отстоят от нижнего торца рабочего электрода на величину, составляющую 1-1,5 диаметра его полости.3. Узел по п.1, отличающийся тем, что трубопроводы образованы тремя коаксиальными трубами - внешней, промежуточной и внутренней, установленными снаружи рабочего электрода, внутренняя труба выполнена охлаждаемой, при этом к смежному трубопроводу, образованному промежуточной и внутренней трубами, подсоединен источник восстановительного газа, а к периферийному трубопроводу, образованному промежуточной и внешней трубами, подсоединен питатель шихты, а нижние концы всех труб отстоят от нижнего торца рабочего электрода на величину, составляющую 0,5-1,0 наружного диаметра рабочего электрода.4. Узел по п.1, отличающийся тем, что он имеет два набора труб, расположенных на двух концентрических относительно рабочего электрода окружностях - внутренней и внешней, причем трубы смежного набора, размещенного на внутренней концентрической окружности, выполнены охлаждаемыми, совмещены по радиальным направлениям с трубами периферийного набора, размещенного на внешней окружности, и подсоединены к источнику восстановительного газа, а трубы периферийного набора подсоединены к питателю шихты, а нижние концы наборов труб отстоят от нижнего торца рабочего электрода на величину, составляющую 0,5-1,0 наружного диаметра рабочего электрода.