СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЕЧИ Российский патент 2015 года по МПК F27B3/24 F27D9/00 C21B7/10 

Изобретение относится к способу охлаждения металлургической печи по меньшей мере с одним охлаждающим элементом, через который протекает охлаждающая среда. Кроме того, изобретение относится к системе с охлаждающим контуром для металлургических печей по меньшей мере с одним охлаждающим элементом, с подводом и отводом охлаждающей среды, теплообменником и с циркуляционным насосом.

Как правило, в охлаждающих элементах в металлургических печах в качестве охлаждающей среды используется вода. В уровне техники имеются различные исполнения таких охлаждающих элементов, различающихся геометрией и транспортировкой охлаждающей среды. Охлаждающие элементы могут быть установлены на стенке, в стенке или в выпускном отверстии, причем те из них, что находятся в стенке, обеспечивают наиболее интенсивное охлаждение.

Для высокоэффективных охлаждающих элементов в стенке печи в общем случае существуют два исполнения, а именно с водным потоком внутри и с водным потоком снаружи кожуха печи. Охлаждающие элементы с водным потоком внутри кожуха печи, предпочтительно, применяются в печах для спекания материала во взвешенном состоянии и электропечах, поскольку они обеспечивают хорошую теплопередачу, не требуя, как при охлаждающих элементах с водным потоком снаружи печи, множества отверстий в кожухе печи.

Однако большим недостатком охлаждающих элементов с водным потоком внутри печи является сама вода в качестве охлаждающего средства. При повреждении или поломке охлаждающего элемента и связанном с этим вытекании воды вода может попасть в печь.

В результате реакции воды с жидким металлом и связанных с этим реакций с участием водорода существует большая опасность взрыва (реакции с участием гремучего газа), в частности, если течь находится в охлаждающем элементе, а место течи воды тем самым ниже высоты слоя расплава. Эти взрывы в результате реакции с водой могут привести к разрушению печи.

Кроме того, вытекание воды в печь может привести к большим проблемам с огнеупорным материалом кладки печи, если, как это обычно имеет место, в частности, в цветной металлургии и металлургии ферросплавов, используется материал, содержащий MgO. При контакте с водой происходит реакция превращения периклаза (MgO) в брусит (Mg(OH)₂), т.е. гидратация, и связанное с этим увеличение объема до 115%:

MgO+H₂O→Mg(OH)₂

Это увеличение объема, обусловленное реакцией, ведет к трещинообразованию, а в экстремальном случае к разрушению огнеупорного материала с образованием песка. Кроме того, увеличение объема вызывает неконтролируемое движение огнеупорной футеровки, которое может повредить оболочку печи.

Другая проблема может возникнуть при нагреве печи. При этом вода, т.е. остаточная влага, улетучивается из огнеупорных кирпичей. Для минимизации опасности гидратации кирпичей, содержащих MgO, наступающей, предпочтительно, в области температур около 40-180°С, эта область температур проходится с максимально возможной скоростью.

Правда, критической является область вблизи охлаждающих элементов. Температура водоохлаждаемых охлаждающих элементов из-за температуры охлаждающей воды явно меньше (<100°С) температуры прилегающих огнеупорных кирпичей, так что между огнеупорным материалом и охлаждающим элементом может произойти конденсация воды. Это, в свою очередь, ведет к гидратации и повреждениям в этой области.

Целью изобретения являются устранение вышеуказанных недостатков и проблем уровня техники, а также постановка задачи по созданию способа охлаждения металлургических печей, при котором ликвидируется опасность взрывов с участием водорода и повреждений огнеупорного материала.

Эта задача согласно изобретению решается с помощью способа вышеупомянутого типа, при котором через охлаждающий элемент пропускается охлаждающая среда, содержащая по меньшей мере одну ионную жидкость, предпочтительно, состоящая из нее.

Ионными жидкостями, содержащими исключительно ионы, по определению являются соли, которые при температурах ниже 100°С являются жидкими, при том, что соль не растворена в растворителе, например воде.

Ионные жидкости содержат в качестве катионов, которые, в частности, могут быть также алкилированными, например, имидазол, пиридин, пирролидин, гуанидин, уроний, тиоуроний, пиперидин, морфолин, аммоний или фосфоний, которые могут комбинироваться с множеством различных анионов, как, например, сульфат-дериваты, фосфат-дериваты, галогениды, фторированные анионы, например, тетрафторборат, гексафторборат, трифторацетат, трифторметансульфонат или гексафторфосфат, сульфонаты, фосфинаты или тозилат. Ионизированные жидкости могут быть образованы также такими органическими ионами, как, например, имиды и амиды.

Многие представители этого класса соединений отличаются даже без большой структурной оптимизации сравнительно большими теплоемкостями и теплоаккумуляционными плотностями, а также термостойкостью. Кроме того, ионные жидкости имеют пренебрежимо малое давление пара или не имеют его вообще.

Ионные жидкости как растворители находят применение в химической промышленности, а также биотехнологии в качестве электролитов в конденсаторах, топливных элементах и батареях или термофлюидов для аккумулирования тепла, например, в гелиотермических установках.

В способе согласно изобретению в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения применяется ионная жидкость, являющаяся жидкой в области температур между комнатной температурой и 600°С, предпочтительно, между комнатной температурой и 300°С. Ионная жидкость может применяться в любом виде охлаждающего элемента, например, в обычных медных охлаждающих элементах.

Согласно одному из предпочтительных вариантов изобретения ионная жидкость выбрана из соединений, содержащих фосфор, бор, кремний и/или металлы. В качестве примера такой ионной жидкости может быть назван триэтилметилфосфоний-дибутилфосфат.

Эти предпочтительные ионные жидкости имеют то преимущество, что они при термическом разложении (на воздухе) образуют не летучие, а твердые оксиды. Благодаря этому ионная жидкость является несгораемой не только при температуре ниже точки разложения, но и трудно воспламеняемой или вообще не воспламеняемой даже при большей температуре.

Другое преимущество способа согласно изобретению заключается в том, что охлаждающее действие с помощью ионной жидкости, используемой в качестве охлаждающей среды (в составе последней), хорошо поддается регулированию. Так, например, у выпускного отверстия печи за счет меньшего охлаждения могут быть достигнуты более высокие температуры. Следствием этого являются, например, при изготовлении меди, меньшее давление паров SO₂ в черновой меди и тем самым уменьшение газообразования.

Кроме того, способ согласно изобретению предпочтителен при нагревании печи. Поскольку ионные жидкости могут быть нагреты даже до температур >100°С, то температура охлаждающих элементов тем самым еще при нагревании печи также может устанавливаться соответственно высокой. Благодаря этому в области между огнеупорными кирпичами и охлаждающим элементом не происходит никакой конденсации воды, и тем самым могут быть предотвращены связанная с этим гидратация и повреждения футеровки печи.

Предпочтительно, охлаждающая среда циркулирует в замкнутой системе охлаждения. Согласно предпочтительному варианту выполнения способа охлаждающий контур сопряжен с парообразованием. Для этого охлаждающую среду для теплоотвода целесообразно пропускать через теплообменник.

Кроме того, изобретение относится к контурной системе охлаждения для металлургических печей по меньшей мере с одним охлаждающим элементом, с подводом и отводом охлаждающей среды, теплообменником и с циркуляционным насосом, которая отличается тем, что она содержит сборный резервуар для охлаждающей среды с ионизированной жидкостью.

Согласно другому аспекту изобретение относится к применению ионной жидкости для охлаждения металлургических печей, причем ионная жидкость, предпочтительно, выбрана из соединений, содержащих фосфор, бор, кремний и/или металлы.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примере и со ссылкой на чертеж, причем на фиг.1 схематично изображена контурная система охлаждения согласно варианту выполнения изобретения.

ПРИМЕР

В металлургической печи в лабораторных масштабах были расплавлены 10 кг меди. Температура расплава меди составляла примерно 1150°С. Для моделирования аварийного случая и утечки охлаждающей среды из неисправного охлаждающего элемента в ванну жидкого металла погружается стальная трубка, а с помощью насоса со сжимаемыми рукавами под ванну подается ионная жидкость. В качестве ионной жидкости использовались 2 л триэтилметилфосфония-дибутилфосфата. Скорость потока ионной жидкости составляла 200 мл/мин.

В отличие от бурных реакций, т.е. взрывов и выброса расплавленного металла, ожидаемых при использовании воды, в случае ионной жидкости, если не считать редкого, легкого разбрызгивания жидкой меди, не происходило никаких движений ванны, в частности, никаких взрывов.

На фиг.1 изображена замкнутая система охлаждения. Охлаждающая среда, содержащая по меньшей мере одну ионную жидкость, поступает через подвод 2 при температуре Т1, например, от комнатной температуры до около 500°С, в охлаждающий элемент 1 и протекает через охлаждающие каналы, расположенные в охлаждающем элементе 1, пока она через отвод 3 снова не выйдет из охлаждающего элемента 1 с повышенной температурой Т2 (Т2=Т1+ΔТ; ΔТ=0-600°С). В теплообменнике 4 охлаждающая среда снова охлаждается до температуры Т1, соответствующей использованию для охлаждения в охлаждающем элементе 1, причем отданное количество тепла ΔТ может быть использовано, например, для парообразования. Для циркуляции охлаждающей среды в охлаждающем контуре вслед за теплообменником 4 установлен насос 5. Кроме того, в охлаждающем контуре, например между теплообменником 4 и насосом 5, установлен сборный резервуар 6, в котором собирается охлаждающая среда, содержащая ионную жидкость, и из которого по мере необходимости охлаждающая среда может изыматься или в который она может добавляться.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к охлаждению металлургической печи. Способ охлаждения металлургической печи осуществляют посредством по меньшей мере одного охлаждающего элемента замкнутой системы охлаждения, через который пропускают охлаждающую среду, содержащую по меньшей мере одну ионную жидкость, предпочтительно, состоящую из ионной жидкости. Замкнутая система охлаждения содержит по меньшей мере один охлаждающий элемент, подвод и отвод для охлаждающей среды, теплообменник, циркуляционный насос и сборный резервуар для охлаждающей среды с ионной жидкостью. Использование изобретения устраняет проблемы, связанные с водяным охлаждением, касающиеся опасности взрывов с участием водорода и повреждения футеровки печи. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Способ охлаждения металлургической печи посредством по меньшей мере одного охлаждающего элемента, через который пропускают охлаждающую среду, отличающийся тем, что через охлаждающий элемент пропускают охлаждающую среду, содержащую по меньшей мере одну ионную жидкость, предпочтительно, состоящую из ионной жидкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют ионную жидкость, которая в области температур между комнатной температурой и 600°С, предпочтительно между комнатной температурой и 300°С, является жидкой.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ионную жидкость выбирают из соединений, содержащих фосфор, бор, кремний и/или металлы.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что обеспечивают циркуляцию охлаждающей среды в замкнутой системе охлаждения.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что охлаждающую среду пропускают через теплообменник, предпочтительно, используемый для парообразования.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что осуществляют охлаждение металлургической печи для изготовления меди или ферросплавов.

7. Замкнутая система охлаждения для металлургической печи, содержащая по меньшей мере один охлаждающий элемент (1), подвод (2) и отвод (3) для охлаждающей среды, теплообменник (4) и циркуляционный насос (5), отличающаяся тем, что она содержит сборный резервуар (6) для охлаждающей среды, содержащей ионную жидкость.

8. Применение ионной жидкости в качестве охлаждающей среды для охлаждения металлургических печей.

9. Применение по п.8, отличающееся тем, что ионная жидкость выбрана из соединений, содержащих фосфор, бор, кремний и/или металлы.