СПОСОБ МЕТАЛЛОТЕРМИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ С ВАКУУМИРОВАНИЕМ ИХ В ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК C22B34/00 C21B15/02 C21C7/10 

Изобретение относится к внепечному производству металлов и сплавов в оксидных металлотермических процессах, протекающих за счет выделения тепла в химических реакциях восстановления металлов из оксидов или концентратов.

Известны способы внепечного получения металлов или сплавов в металлотермических процессах, осуществляемые в плавильных горнах, футерованных огнеупорным кирпичом (1. Алюминотермическое производство ферросплавов и лигатур / Ю.Л. Плинер, С.И. Сучильников, Е.А. Рубинштейн. - М.: Научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1968. - С.94-95 2. Алюминотермия / Н.П. Лякишев, Ю.Л. Плинер, Г.Ф. Игнатенко, С.И. Лаппо. - М.: Металлургия, 1978. - С.293-295). Среди большого количества достоинств металлотермических процессов существует ряд недостатков.

Одним из недостатков внепечной металлотермической плавки является высокая температура затвердевания шлака в сочетании с напряженностью теплового баланса плавки, исключающих применение необходимых количеств флюсующих добавок для оптимизации шлакового состава.

Выделяющиеся в реакционной зоне газы (продукты разложения гидратов и карбонатов, присутствующих в неметаллических компонентах шихты, или газы, выделяющиеся из других компонентов шихты, а также заполняющий поровое пространство воздух) при температуре процесса многократно увеличиваются в объеме и должны быть отведены из зоны реакции. В процессе плавки в результате начавшейся экзотермической реакции восстановления образуются продукты реакции - металл, шлак, газ. Однако производственные технологии и современные конструкции горна не предусматривают отвод газов из зоны реакции, что приводит к выбросу газов через расплав металла и шлака. Барботажное перемешивание металла и шлака газами препятствует их разделению и формированию слитка, а при интенсивном течении реакции плавка сопровождается выбросами металла и шлака из горна. Скорость протекания процесса регулируют термичностью шихты, ее брикетированием, изменением отношения высоты горна к его диаметру и другими приемами. Основная причина потерь металла - это нарушение закономерности протекания химической реакции, требующей удаления газообразных продуктов из реакционного слоя, является недостатком существующих способов получения металлов и конструкции плавильного горна с кирпичной футеровкой.

Кроме того, недостатком применения горна, футерованного огнеупорным кирпичем, является сложность организации непрерывных технологических процессов, т.к. сдерживающим звеном технологической цепи является разборка горна и его подготовка к следующей плавке.

Известен также алюминотермический способ получения металлов и плавильный горн для его осуществления, выбранный в качестве прототипа, в котором получение металлов или сплавов производят с организованным дренажным отводом газов из зоны проплавления шихты через газопроницаемую огнеупорную засыпку и перфорированный корпус горна, ликвидированы существенные недостатки вышеизложенных способов (3. Патент 2465361 Российской Федерации, МПК C22C 33/04, C21B 15/02 Алюминотермический способ получения металлов и плавильный горн для его осуществления / И.Ю. Пашкеев, К.Ю. Пашкеев, Ю.И. Пашкеев, К.С. Калинин, А.В. Антипин, опубл. 27.10.2012, бюл. №30. - 6 с.). В основу указанного изобретения положена техническая задача, заключающаяся в отводе газов из реакционного слоя, уменьшении потерь металла со шлаком, создании оптимальных условий восстановления металла путем повышения скорости перемещения реакционной зоны и отделения основных процессов восстановления металла от перехода примесей из шлака в металл. В результате инициированной экзотермической реакции в верхнем слое шихты образуется подвижный слой металла и шлака, перемещающийся сверху вниз следом за реакционным фронтом. По мере развития экзотермической реакции слой металла и шлака увеличивается, газы из реакционного слоя удаляются через поровое пространство шихты и огнеупорной засыпки через сетку и отверстия в корпусе горна. В процессе плавки опускающийся слой металла и шлака выполняет роль жидкого поршня, сжимающего газы в поровом пространстве горна под реакционным слоем шихты, сформированной в «брикет» с помощью временно устанавливаемого и перед началом плавки удаляемого тонкостенного цилиндра. Газопроницаемость зернистого огнеупорного материала и отверстия в стенках корпуса обеспечивают отвод газов в процессе плавки из шихты ниже реакционного фронта. При такой организации газового потока из зоны реакции происходит нагрев нижележащих слоев шихты теплом отходящих газов. Известно, что нагрев экзотермической шихты на 100°C эквивалентен повышению термичности шихты на 32 ккал/кг (134 кДж/кг), (1. С.24). Плавка протекает без выброса газов через слой металла и шлака в большом диапазоне линейных скоростей перемещения реакционной зоны с разделением основных процессов восстановления металла и сопутствующих - перехода примесей из шлака в металл.

Однако недостатком всех способов внепечной плавки, включая прототип, является насыщение металла газами, с которыми он контактирует в горне в процессе плавки. При кристаллизации металла газы выделяются и образуют пористую структуру слитка.

Конструкция прототипа рассчитана исключительно на дренажный отвод газов и не предусматривает вакуумирование металла в период от окончания плавки до кристаллизации металла.

В основу изобретения положена техническая задача повышения плотности структуры металла и снижения в нем концентрации остаточных газов путем вакуумирования металла на заключительном этапе плавки.

Указанная задача решается тем, что металлотермический способ получения металлов и сплавов с вакуумированием их в жидком состоянии, включающий заполнение футерованного горна экзотермической шихтой, инициирование протекания экзотермической реакции, вакуумирование металла на заключительно стадии, выпуск шлака и отделение металла от шлака, характеризуется тем, что экзотермическую шихту загружают на газопроницаемую уплотненную огнеупорную засыпку на днище копильника и в тонкостенный цилиндр, который предварительно устанавливают в шахте плавильного горна коаксиально его перфорированным стенкам. Пространство между тонкостенным цилиндром, стенками копильника и шахты горна засыпают зернистым газопроницаемым огнеупорным материалом, затем тонкостенный цилиндр, разделяющий металлотермическую шихту и зернистый огнеупорный материал, удаляют, шихту засыпают сверху также зернистым газопроницаемым огнеупорным материалом, инициируют начало экзотермической реакции, во время которой происходит дренажный отвод газов через газопроницаемый огнеупорный материал и перфорированные стенки горна. В конце плавки производят вакуумирование жидкого металла непосредственно в копильнике горна, а после окончания вакуумирования и выпуска шлака осуществляют разборку горна и отделение слитка от остатков шлака.

Для осуществления указанного способа и решения поставленной задачи разработана конструкция горна металлотермического получения металлов с последующим вакуумированием, содержащая разборную шахту цилиндрической формы, копильник, который в свою очередь вставлен в вакууматор. В стенках шахты и копильника выполнены отверстия, а на внутренней поверхности корпуса закреплена металлическая сетка, кроме того, горн снабжен временно устанавливаемым тонкостенным цилиндром из жести, диаметр которого равен 0,6-0,8 диаметра корпуса шахты, расположен коаксиально стенкам корпуса с возможностью свободного продольного перемещения относительно корпуса шахты.

Сущность изобретения поясняется схемами, где на фиг.1 дан общий вид конструкции горна без металлотермической шихты и огнеупорной засыпки, состоящей из трех основных частей: шахты, копильника и вакууматора.

Плавильный горн для металлотермического способа получения металлов содержит разборную шахту, состоящую из корпуса 1, который выполнен цилиндрической формы из перфорированного металла с металлической сеткой 2, закрепленной на внутренней поверхности. Горн снабжен тонкостенным цилиндром 3 из жести, диаметра d, равного 0,6-0,8 D диаметра корпуса шахты, расположенного коаксиально стенкам корпуса с возможностью свободного продольного перемещения относительно корпуса шахты, удаляемым перед плавкой.

Шахта горна отделена огнеупорной газонепроницаемой прокладкой 4 от перфорированного копильника 5, который в свою очередь вставлен в вакууматор 6 с зазором между стенками копильника 5 и вакууматором для отвода газов, но герметично по периметру фланцев и опирается на плиту 7, свободно лежащую на днище вакууматора 6. Все три элемента: корпус горна 1, копильник 5 и вакууматор 6 соединены по периметру фланцев струбцинами 8.

Осуществление способа

I. Последовательность сборки горна, фиг 2.

1. В вакууматор 6 устанавливается копильник 5 с газонепроницаемой огнеупорной прокладкой 4 между фланцами, фиг.2.

2. Производится заполнение копильника 5 огнеупорной изолирующей засыпкой до уровня I-I, как это показано на фиг.2.

3. На газопроницаемую уплотненную огнеупорную засыпку на днище копильника временно устанавливается по оси горна тонкостенный цилиндр 3 диаметром 0,6÷0,8 D диаметра корпуса шахты, выполняющий технологические функции.

4. Полость между стенкой копильника 5 и тонкостенным цилиндром 3 заполняется огнеупорной засыпкой до уровня фланцевого соединения копильника с шахтой горна.

5. Внутренняя полость копильника 5, образованная цилиндром, также заполняется металлотермической смесью до уровня фланцевого соединения.

6. Удаляется тонкостенный цилиндр 3, и на поверхность разъема между копильником и шахтой горна укладывается газонепроницаемая огнеупорная прокладка 4, внутренний диаметр которой равен диаметру металлотермической смеси, а внешний диаметр равен диаметру опорного фланца шахты горна.

7. На заполненный шихтой и огнеупорной засыпкой копильник 5 устанавливается шахта горна и соединяется струбцинами по периметру фланца с копильником 5 и вакууматором 6, фиг.3.

8. Внутренняя полость тонкостенного, временно устанавливаемого цилиндра 3 заполняется металлотермической шихтой.

9. Полость между корпусом шахты горна и тонкостенным временно устанавливаемым цилиндром 3 заполняется огнеупорной засыпкой.

10. Удаляется тонкостенный временно установленный цилиндр 3, в металлотермическую шихту помещается инициатор металлотермического процесса, и металлотермическая шихта сверху засыпается дробленой изолирующей засыпкой.

II. Работа горна в процессе плавки.

1. После инициирования начала металлотермического процесса на начальной стадии газы из горна удаляются через газопроницаемую огнеупорную засыпку и через боковую поверхность горна 1, фиг.4.

2. По мере образования шлако-металлического расплава газовый поток изменяет свое направление и газы из реакционного слоя частично продавливаются в нижние слои шихты, подогревая их, а общее удаление газов из горна происходит только через боковую поверхность корпуса шахты.

3. В процессе перемещения фронта горения вниз по высоте шахты дренажное удаление газов происходит через боковую поверхность корпуса шахты до уровня разделяющей газонепроницаемой огнеупорной прокладки 4, разделяющей шахту и копильник 5.

4. По достижении фронтом горения уровня разделяющей газонепроницаемой огнеупорной прокладки 4, разделяющей шахту горна и копильник, включается вакуумная система вакууматора, фиг.5.

5. Металлотермическая шихта вакуумируется в объеме копильника 5, сопряженного с вакууматором, газы из реакционного объема удаляются на этом этапе плавки принудительно через газопроницаемую огнеупорную засыпку и перфорированные стенки копильника 5, металл слитка 8 вакуумируется в копильнике до окончания кристаллизации.

6. Шлак 9 в процессе вакуумирования выполняет роль затвора и препятствует попаданию газов в металл из воздуха, разделяющая газонепроницаемая огнеупорная прокладка 4 отделяет газопроницаемую огнеупорную засыпку шахты горна 1 от копильника 5, создавая условия для вакуумирования только объема копильника 5.

7. После кристаллизации металла производят слив шлака через летку (на фиг.1-5 не показано), разборку горна и извлечение слитка.

Пример конкретного осуществления способа. Для производства ферровольфрама ФВ-75 (ГОСТ 17293-93) из вольфрамита (WO₃ 70,9% FeO 3,3% MnO 21,2% CaO 2,3% SiO₂ 1,4 Al₂O₃ 1,1) используется плавильный горн для осуществления металлотермической плавки металлов и сплавов с вакуумированием их в жидком состоянии следующих размеров: H - высота 200 мм, D - наружный диаметр 140 мм, d - диаметр плавильного пространства 85 мм, объем шихты в копильнике: 280 см³.

Внутренняя полость копильника заполнена теплоизолирующей засыпкой и металлотермической шихтой до уровня фланцевого соединения. На поверхность разъема между копильником и шахтой горна укладывается газонепроницаемая огнеупорная прокладка, внутренний диаметр которой равен диаметру металлотермической смеси, а внешний диаметр равен диаметру опорного фланца шахты горна. Шахта горна устанавливается и соединяется струбцинами по периметру фланца с копильником и вакууматором. Полость между корпусом шахты горна и тонкостенным временно устанавливаемым цилиндром заполняется огнеупорной изолирующей засыпкой, внутренняя полость тонкостенного временно устанавливаемого цилиндра заполняется металлотермической шихтой.

Состав металлотермической шихты, г:

Концентрат 1300 Окалина 320 Ферросилиций ФС 75 87 Двукальциевый силикат 97 Плавиковый шпат 32 Al порошок 240 Общая масса шихты 2076

Термичность шихты 541 ккал/кг шихты.

Удаляется тонкостенный временно установленный цилиндр, в металлотермическую шихту помещается инициатор металлотермического процесса, и металлотермическая шихта сверху засыпается дробленой изолирующей засыпкой. Инициируется процесс плавки.

Сравнение проводилось на плавках шихт одинаковых составов, масс и термичности в одинаковых по размеру горнах. Разряжение в опытном варианте составляет 14,5 кПа.

Предлагаемый металлотермический способ получения металлов и сплавов и плавильный горн для его осуществления позволяет обеспечить плотную структуру металла и снизить в нем концентрацию остаточных газов путем вакуумирования металла на заключительном этапе плавки (см. табл.).

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при внепечном производстве металлов и сплавов в оксидных металлотермических процессах, протекающих за счет выделения тепла в химических реакциях восстановления металлов из оксидов или концентратов. В способе экзотермическую шихту загружают на газопроницаемую уплотненную огнеупорную засыпку на днище копильника и в тонкостенный цилиндр, который предварительно устанавливают в шахте плавильного горна коаксиально его перфорированным стенкам. Пространство между тонкостенным цилиндром, стенками копильника и шахты горна засыпают зернистым газопроницаемым огнеупорным материалом, затем тонкостенный цилиндр, разделяющий металлотермическую шихту и зернистый огнеупорный материал, удаляют, шихту засыпают сверху также зернистым газопроницаемым огнеупорным материалом, инициируют начало экзотермической реакции, во время которой происходит дренажный отвод газов через газопроницаемый огнеупорный материал и перфорированные стенки горна. Плавильный горн снабжен вакууматором и разделяющей газопроницаемый огнеупорный материал шахты горна и копильника газонепроницаемой огнеупорной прокладкой, внутренний диаметр которой равен диаметру упомянутого тонкостенного цилиндра, а внешний диаметр равен диаметру опорного фланца шахты горна, при этом стенки копильника выполнены с отверстиями, а на его внутренней поверхности закреплена металлическая сетка, при этом копильник сопряжен с вакууматором и герметично соединен с корпусом шахты горна по периметру через упомянутую газонепроницаемую прокладку для обеспечения условий вакуумирования металла непосредственно в объеме копильника. Изобретение позволяет повысить плотность структуры металла и снизить в нем концентрации остаточных газов путем вакуумирования металла на заключительном этапе плавки. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ металлотермического получения металлов и сплавов в плавильном горне, включающий загрузку металлотермической шихты на газопроницаемый уплотненный огнеупорный материал, расположенный на днище копильника, и в тонкостенный цилиндр, который предварительно устанавливают в шахте плавильного горна коаксиально его стенкам, выполненным перфорированными, засыпку зернистым газопроницаемым огнеупорным материалом пространства между тонкостенным цилиндром, стенами копильника и шахты плавильного горна, удаление тонкостенного цилиндра, засыпку сверху металлотермической шихты упомянутого огнеупорного материала, инициирование протекания экзотермической реакции с отводом газов через упомянутый огнеупорный материал и перфорированные стенки шахты плавильного горна, выпуск шлака после окончания процесса, разборку плавильного горна и отделение слитка от шлака, отличающийся тем, что газопроницаемый огнеупорный материал в шахте горна и копильнике разделяют газонепроницаемой огнеупорной прокладкой, осуществляют принудительный отвод газов через упомянутый газопроницаемый материал и отверстия, выполненные в стенках копильника, и вакуумируют жидкий металл непосредственно в объеме копильника до окончания кристаллизации слитка.

2. Плавильный горн для металлотермического получения металлов и сплавов, содержащий шахту, корпус которой выполнен цилиндрической формы с перфорированными стенками и закрепленной металлической сеткой на внутренней поверхности, копильник, тонкостенный цилиндр из жести с диаметром 0,6-0,8 диаметра шахты, устанавливаемый коаксиально стенкам корпуса шахты с возможностью продольного свободного перемещения относительно корпуса шахты и копильника, отличающийся тем, что он снабжен вакууматором и разделяющей газопроницаемый огнеупорный материал шахты горна и копильника газонепроницаемой огнеупорной прокладкой, внутренний диаметр которой равен диаметру упомянутого цилиндра, а внешний диаметр равен диаметру опорного фланца шахты горна, при этом стенки копильника выполнены с отверстиями, а на его внутренней поверхности закреплена металлическая сетка, при этом копильник сопряжен с вакууматором и герметично соединен с корпусом шахты горна по периметру через упомянутую газопроницаемую прокладку для обеспечения условий вакуумирования металла непосредственно в объеме копильника.