Способ непрерывного плавления дисперсной шихты в печи постоянного тока со стекающим слоем расплава Советский патент 1992 года по МПК C21B13/00 

Изобретение относится к металлургии, к непрерывной переработке мелкодисперсных материалов в противоточной плазменной печи со стекающим слоем расплава, когда первоначальная обработка шихты начинается в разряде цент- рального электрода, управляемого магнитной системой, продолжается в слое жидкого расплава стекающего по стенке реактора и диафрагмы, при падении расплава в керамическую ванну, где подвергается воздействию трех дуговых или струйных плазмотронов.

Известен способ восстановления мелких хромитовых руд в плазменно-дуговом реакторе, мелкие хромовые руды смешивали с соответствующим количеством углеродистых восстановителей и флюсующих добавок, высушивали и нагревали до температуры 800°С при прохождении через вращающуюся печь предварительного нагрева со скоростью 10 кг/час, что соответствует времени пребывания в печи 3 мин, предварительный нагрев шихты ускоряет восстановительные реакции. Предварительно нагретая шихта под действием силы 00

ы

о

ON

жести падает через колонку реактора, где происходит восстановление окислов железа в противотоке восстановительных газов, образующихся в плазменной зоне. Температура в нижней части реакционной колонки 1600°С. При прохождении через плазменной зону температура частиц достигает 2000°С и более, происходит их расплавление, и скорость реакций становится очень высокой. Металлическая и шлаковая фазы собираются на подине, гДе происходит восстановление окиси хрома и оставшихся окислов железа. После этого металлическая и шлаковая фазы выпускаются через одно отверстие в чугунную изложницу, после затвердевания металл и шлак легко разделяются.

Недостатком способа является большой пылевынос из реактора до 10%, активное протекание химических реакций не только в зоне горения плазменной дуги, но и ниже, в ванне расплава.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому положительному эффекту является способ переработки мелкодисперсной шихты в плазменно-дуговом восстановительном реакторе со стекающим слоем расплава.

Плавки проводили прйчТзел ичинах тока нижних плазмотронов в пределах 400-1200 А, ток разряда центрального электрода в реакторе изменяли в пределах 100-2000 А. В качестве плазмообразующих газов использовали аргон, азот, природный газ, в качестве обрабатываемых материалов - железорудный Оленегорский концентрат, рудные концентраты никеля и кобальта производства комбината Южуралникель. Технологические плавки проводили при расходе сырья 4 г/сек, ток разряда в реакторе 900-1200 А, индукция магнитного поля 0,1 Тл. Восстановительные плавки товарной закиси никеля показали перспективность использования противоточного плазменного реактора со стекающим слоем расплава (ПРСР)для одностадийного производства качественного металла, минуя стадию электролитического передела. Так при восстановительной плавке N10, метаном получен металл с содержанием S - 0,002%, ,005%, Н2 - 4,2 ррт, С-0,01%. Аналогичные результаты получены при восстановительных плавках кобальтового концентрата.

В результате получены следующие показатели: производительность 35 к/ч, расход восстановителя (СЩ) 1.12 г/с; удельные энергозатраты 2,85 кВт ч/кг; удельная производительность 700 т/м3 сут; полный энергетический КПД 0,32.

Пылевынос дисперсного материала не превышал 5%. Приходилось иногда останавливать процесс плавки из-за зарастания диафрагмы и реактора гарнисажем. То же

самое наблюдалось в рабочей камере печи. Недостатком данного способа является зарастание гарнисажем реактора и рабочей камеры в начальный период плавки дисперсной шихты, что приводит к повышенному

0 расходу электроэнергии, повышенному пы- левыносу восстановителя, в том числе, в виде дисперсного углерода, снижение производительности, недостаточный прогрев рабочей камеры, реактора и катода

5 центрального электрода, что отрицательно сказывалось на ведении процесса плавки дисперсной шихты.

Целью изобретения является повышение производительности, уменьшение пы0 левыноса восстановителя с отходящими из реактора газами, снижение удельного расхода восстановителя и электроэнергии за счет уменьшения нарастания.

Поставленная цель достигается тем, что

5 перед подачей шихты в реактор в тигель рабочей камеры загружают металлолом из расчета получения расплава в ней в количестве 0,5-0,75 емкости ванны, затем прогревают ванну расплава и футеровку до

0 температуры Ti 1500-1700°C и до Т2 1600-1800°С, соответственно после чего при скорости газа-носителя на выходе из катода центрального электрода в пределах 0,05-0,5 м/с включают центральный элект5 род и разогревают его при плотности тока в катоде 2-5 А/см2 в течение 5-10 мин, после чего в течение 5-15 мин выводят печь на рабочий режим при плотности тока 15-28 А/см2 и массовой скорости подачи шихты

0 в пределах 0,016-0,14 кг/ч на 1 А тока разряда в реакторе, а при выпуске расплава уменьшают плотность тока и массовую скорость подачи шихты до 2-5 А/см и 0,016-0,02 кг/ч на 1 А тока разряда, соответ5 ственно.

Способ поясняется чертежом Печь имеет питатель 1 со шнеком, с помощью которого шихта из питателя 1 подается в полость центрального электрода 2,

0 подача газа-носителя аргона показана стрелкой сверху. На торце центрального электрода расположен катод 3. Центральный электрод 2 имеет механизм перемещения 4, при этом электрод 2 через уплотнение

5 5 вводится в реактор 6, вокруг которого расположена магнитная система 7, а внизу газовый коллектор В, затем плазмотроны 9. которые через свод 10 вводятся в рабочее пространство рабочей камеры имеющей корпус 11, футеровку 12, подовый электрод

13 и компенсационный соленоид 14. В ванне собирается на подине металл 15, а сверху шлак 16. Между плазмотронами 9 и ванной (шлак 16) горят дуги 17. Цифрой 18 указано место ввода шихты, над которым цифрой 19 показана дуга между катодом 3 и стенкой реактора 6. Стрелками вниз показано направление движения шихты на выходе из полости катода 3, а стрелками вверх показано направление движения газов, поднимающихся из рабочей камеры с плазмотронами 9. Указанные газы поднимают дисперсные частицы шихты в зону горения разряда 19, в которой шихта нагревается, плавится и образующийся на стенке реактора 6 расплав 20 стекает вниз, где происходит его разделение на окисную фазу 16 и металлическую 15.

Предлагаемый способ плавки дисперсной шихты на описанной выше установке осуществляется при ниже приведенных параметрах и последовательности,

Подготовка рабочей камеры 11с керамическим тиглем 12 к приему стекающего расплава 20 имеет очень большое значение, так как ускоряет протекание физико-химических и массообменных процессов в образующейся ванне окисного расплава 16 и металла 15. Образование гарнисажа в верхней части рабочей камеры, сравнимой по толщине с футеровкой 12, не наблюдается, так как поверхность футеровки нагревалась предварительно до 1600-1800°С и сама служила гарнисажем на водоохлаждаемом корпусе рабочей камеры 11. Для этого первоначально, до начала плавления дисперсной шихты из питателя 1, в тигель 12 загружали металлолом из расчета получения ванны расплава 15 без учета угара не менее 1 /2 ее емкости, так как при меньших значениях очень сильна тепловая нагрузка на подину тигля 12 и возможен ее срыв в районе подового электрода 13, что недопустимо, а если объем жидкой ванны будет более 3/4 емкости ванны тигля 12, то это приводило к переполнению ванны тигля 12, что также недопустимо. Таким образом, интервал 0,5-0,75 выбран эмпирически.

Прогрев ванны 15 до температуры 1500-1700°С позволяет прогреть футеровку тигля 12, контактирующую с металлом 15. Так как перепад температуры по высоте ванны 15 может достигать 150°С и учитывая, что температуры плавления стали, ферросплавов 1350°С и выше, то нижний предел нагрева металла 15 практически определен 1500°С, а верхний 1700°С,так как при более высокой температуре ухудшаются условия службы тигля 12. Нагрев футеровки до температуры 1600°С соответствовали практически нагреву металла 15 до 1500°С, а нагрев свыше 1800°С приводил к частичному подплавлению футеровки тигля 12. Благодаря нагреву ванны 15 и тиг- 5 ля 12 до указанных выше температур из-за минимального охлаждения плазмообразую- щих газов из плазменных дуг 17, поднимающиеся из рабочей камеры газы имеют температуру не менее 1990°С.

0 Высокая температура отходящих из рабочей камеры газов позволяет не только зажечь дугу 19, но и облегчает получение стекающего слоя расплава, интенсифицирует процессы в нем, что позволяет получить

5 на стенке реактора минимальную толщину гарнисажа, которая снижает рабочее сечение реактора, увеличивает скорость отходящих газов и пылевынос. Небольшая плотность тока 2-5 А/см сечения катода

0 позволяет в течение 5-10 минут прогреть катод 3, после чего выходят на рабочую плотность тока 2-5 А/см2.( Это позволило избежать налипания шихтовых материалов при прогреве катода на нем. Сразу начинать

5 с максимальной скорости подачи шихты нельзя. Поэтому экспериментально была установлена массовая скорость подачи шихты в пределах 0,016-0,14 кг/ч на ампер тока разряда 19. При этом в течение 5-15 минут

0 образовывался стекающий слой расплава 20 и стабилизировался температурный режим плавки за 5 мин при массовой скорости 0,016 кг/ч на 1 А тока разряда 19 и 15 мин при максимальной скорости подачи

5 шихты 0,14 кг/час на ампер тока разряда 19. При массовой скорости более 0.14 кг/час на ампер тока разряда 19 резко увеличивался пылевынос восстановителя и в тигель 12 стекал недостаточно прогретый расплав 20,

0 что требовало дополнительных затрат электроэнергии для интенсификации физико-химических и массообменных процессов в ванне тигля 12, что также отрицательно сказывалось на производительности. Прогрев

5 катода 3 реактора 6 обеспечивался независимо от размеров за указанные промежутки времени, что получено эмпирически.

Подача газа-носителя как это показано на чертеже фиг. 2, должна составлять вели0 чину обеспечивающую скорость газа-носителя на выходе из центрального электрода равную 20% от скорости восходящего потока газов из тигля 12, но не менее 0,05 м/с, когда пылевынос восстановителя рез5 ко увеличивался, а обеспечение начальной скорости газа-носителя более 0,5 м/с не целесообразно, так как при этом в начальный момент плавки часть холодной шихты, минуя обработку в разряде 19, могут попадать в ванну 16, подстуживая ее. Так как

практически скорость восходящих плазменных газов из тигля 12 изменяется в пределах 0,05-0,5 м/сек до начала плавления дисперсной шихты. Ограничение скорости газа-носителя в начальный период включения позволило исключить пролет крупных час- тиц шихты непосредственно в ванну 16.

Работа центрального электрода 2 после включения в холостом режиме без подачи шихты менее 5 мин недостаточно для фиксации разряда 19 магнитной системой 7, а работа свыше 10 минут, то есть после разогреве катода 3 нецелесообразна. Значения плотности тока 2-5. А/см2 выбраны из тех соображений, что при значениях плотности тока 2 А/см2, горение разряда было неустойчиво, а свыше 5 А/см вызывало повы- шение тепловых потерь и большую тепловую нагрузку на стенку реактора при разогреве катода 3. Интервал плотности тока 15-28 А/см2 сечения катода 3 выбран из значений предельной допустимой нагрузки на графитовый катод. При скорости газа-носителя на выходе кгРгода 3 менее 0.05 м/с шихта будет попадать во встречный поток и сразу на катод 3, что увеличивало пылевы- нос до 5%, вместо 0,8%. При скорости газа-носителя 0,5 м/с т.е. более чем 20% от скорости высокотемпературных газов при плавке дисперсной шихты равной 2,5 м/с, частицы с большой плотностью и размером 1 мм могут долетать в рабочую камеру, что приводит к подстуживанию расплава 16.

Аналогичные результаты получены практически при скорости отходящих газов в реакторе 8 м/с, когда оптимальная скорость газа-носителя с шихтой составляет 20% от скорости восходящего потока газа в реакторе б.

Снижение плотности тока до 2-5 А/см2 в катоде поддерживает его в нагретом состоянии, а снижение массовой скорости подачи шихты до 0,016-0,02 кг/ч на ампер разряда 19, позволяет поддерживать стекающую плену расплава 20 и непрерывность процесса. При меньших значениях массовой скорости подачи шихты при выпусках расплавов

15и 16 из печи меняется режим горения разряда 19, что не позволяет после выпуска металла 15 и шлака 16 из печи резко увеличивать режим как токовый, так и массовой скорости подачи шихты, что отрицательно сказалось бы на производительности и других показателях плавки. За счет предварительной подготовки рабочей камеры 12 с футеровкой 11 и плазмотронами 9, заключающейся в подготовке ванны расплава 15 и

16для приема расплава 20 и исключения подстуживания и образования нэстывэния гарнисажа в нижней части установки, в тигле 11 рабочей камеры, это позволило также вести в дальнейшем плавку дисперсного сырья при оптимальном температурном режиме. Облегчить зажигание разряда 19 и

выход на рабочий режим при оптимальных значениях скорости газа-носителя, что снизило пылевынос или попадание крупных частичек непосредственно в ванну расплава 16. Так как в основном выносятся с отходя0 щими газами частички более легкого вос- становител я в виде углеродсодержащих веществ, что уменьшает вынос его с отходящими газами. Заявляемый способ позволил снизить расход восстановителя по сравне5 нию со способом прототипом на 5-10%; снизить расходные коэффициенты шихты на 3-6%; снизить расход электроэнергии на 30-40%; увеличить производительность на50%.

0 Ниже приводятся примеры осуществления предлагаемого способа на печи постоянного тока со стекающим слоем расплава, не исключающим других примеров, в объеме изобретения (табл. 1 и 2).

5 П р и м е р 1. Способ осуществляли согласно способу прототипу с тем отличием, что до приема стекающего вниз расплава 20, тигель 12 рабочей камеры 11 готовили. Для чего на первом этапе в тигель загружали

0 шихту из расчета получения расплава в количестве 0,5-0,75 объема ванны, что было определено экспериментально, также эмпирически были определены и температуры прогрева ванны металла и температура от5 ходящих газов с точки зрения предотвращения образования гарнисажа в нижней части печи и достаточности тепла с точки зрения проведения непрерывного процесса плавления шихты . Температура прогрева ванны

0 15 минимальная 1500°С, а максимальная ограничена стойкостью футеровки и не превышает 1700°С, В диапазоне температуры отходящих из рабочей камеры газов в пределах 1650-1900°С зажигание разряда 19 и

5 прогрев стекающего вниз расплава 20 проводятся достаточно хорошо без подстуживания ванны 15 и 16, что предотвратило при проведении плавления образование гарнисажа (настыли) на подине печи, что может

0 привести к затруднению выпуска расплавов 15 и 16 из тигля 12. При температуре газов в верхней части рабочей камеры 1900°С наряду с подплавлением вверху футеровки 12 получаем большие потери тепла, так как

5 верхняя часть реактора 6 работает как холодильник. После того, как включили плазмотроны 9, в реактор через полость электрода 2 и катода 3 подавали газ-носитель аргон со скоростью 0,05-0,5 м/с, что соответствовало скорости восходящих из рабочей камеры

11 газов с температурой 1650-1900°С. Температура футеровки 12 изменялась в пределах 1600-1800°С.

После того как были достигнуты указанные выше параметры с помощью трех плазмотронов 9. Ток 800-1ОООА, напряжение 200-300 вольт. Производили включение центрального электрода 2 дуга загоралась между катодом 3 и стенкой реактора 6, при этом дуга управлялась магнитным полем соленоида 7, при значениях плотности тока 2-5 А/см2 что было определено эмпирически и прогревали минимум 5 минут и по прошествии не более 10 мин плотность тока в катоде 3 увеличивали до значений 15-28 А/см2 сечения катода 3, после чего начинали подачу шихты с минимума 0,016 кг/ч на ампер тока разряда 19 с постепенным выходом на максимальную массовую скорость подачи шихты на что практически реально уходило 5-15 мин в зависимости от состава шихты и качества восстановителя. Процесс плавки шел непрерывно даже в условиях замены катодов плазмотронов 9 и катода 3 центрального электрода 2. Контроль за катодом 3 осуществляли через гляделку над реактором б, что легко делалось за счет значительно большего диаметра катода 3, чем электрода 2, минимум в 1,5-2 раза, но не более чем в 3 раза.

При выпуске расплавов 15 и 16 величину плотности тока в катоде 3 уменьшали со значений 2-5 А/см2 и номинальную подачу шихты осуществляли с массовой скоростью 0,016-0,02 кг/час на ампер разряда 19. Это позволило минимизировать потери шихты при непрерывном процессе плавки и периодических выпусках расплавов 15 и 16, что дало экономию шихты 5-6% по сравнению со способом прототипом.

Благодаря ведению процесса плавки при заявленных параметрах снизился вынос восстановителя углеродсодержащего на 5-10%. Эмпирически было опоеделено. как это показано на чертеже, что наиболее рациональной скоростью газа-носителя, при любых практически скоростях восходящего потока высокотемпературных газов, является значение ее скорости 20% от скорости в восходящем встречном потоке, что позволило снизить вынос восстановителя с отходящими газами, уменьшить его удельный расход на 5-10% по сравнению со способом прототипом, где наблюдался очень сильный вынос с отходящими газами дисперсного углерода - продукта разложения природного газа.

Благодаря отсутствию нарастания гар- нисажа. минимальному подстуживанию ванны, лучшему использованию восстановителя, оптимальному температурному режиму плавки по сравнению со способом прототипом, уменьшению угара, расходный коэффициент электроэнергии снизился на

30-40% и составил при восстановительной плавке никеля 1,71-1,95 кВт ч/кг.

В процессе плавки дисперсной шихты с твердым углеродсодержащим восстановителем (уголь) получали отходящие газы с

0 низкой степенью взрывоопасности по сравнению со способом прототипом при более эффективном использовании восстановителя. Установлено, что при выпуске массовую скорость подачи шихты необходимо сни5 жать до уровня 0,016-0,02 кг/ч на 1 А разряда 19 при плотности тока в катоде 3 не менее 2-5 А/см2, что резко снижало избыточное давление в тигле 12с 250-350 мм вод.ст. и выше до 50-100 мм вод. ст. После выпу0 ска металла 15 и шлака 16 проводят плавку дисперсной шихты при максимальной токовой нагрузке и массовой скорости подачи шихты 0,12-0,14 кг/час на ампер тока разряда 19 и при плотностях тока 25-28 А/см2

5 в катоде 3. Все это позволило увеличить производительность процесса минимум на 50% по сравнению со способом прототипом.

Предлагаемый способ плавки может

0 быть использован для восстановительной плавки оксидов, концентратов и других материалов без их сложной предварительной подготовки.

Экономический эффект от переработки

5 напрямую дисперсных материалов составит увеличение производительности на 50% и более, снижение удельных энергозатрат на 30-40%; снижение удельного расхода восстановителя на 5-10%.

0 Формула изобретения

Способ непрерывного плавления дисперсной шихты в печи постоянного тока со стекающим слоем расплава, включающий загрузку в питатель шихты, содержащей

5 твердый углеродсодержащий восстановитель, последующую ее подачу с газом-носителем через осевую полость центрального электрода внутрь реактора навстречу потоку высокотемпературных газов, подьем дис0 персной шихты в зону горения разряда между стенкой реактора (диафрагмой) и катодом центрального электрода, нагрев, плавление и отбрасывание шихты разрядом на стенку реактора, стекание расплава по

5 стенке реактора к диафрагме в огнеупорный тигель рабочей камеры, довосстановление, разделение фаз, рафинирование и выпуск металла и шлака из печи, отличающий- с я тем, что, с целью повышения производительности, уменьшение пылевыноса восстановителя с отходящими из реактора газами, снижения удельного расхода восстановителя и электроэнергии за счет уменьшения нарастания перед подачей шихты в реактор, в тигель рабочей камеры загружают металлолом из расчета получения расплава в ней в количестве 0,5-0,75 емкости ванны, затем прогревают ванну расплава и футеровку до температуры Ti 1500- 1700°С и до Та 1600-1800°С соответственно, после чего при скорости газа-носителя на выходе из катода центрального электровлияние параметров плавки

да в пределах 0,05-0,5 м/с включают центральный электрод и разогревают его при плотности тока в катоде 2-5 А/см2 в течение 5-10 мин, после чего в течение 5-15 мин

выводят печь на рабочий режим при плотности тока 15-28 А/см и массовой скорости подачи шихты в пределах 0,016-0,14 кг/ч на 1 А тока разряда в реакторе, а при выпуске расплава уменьшают плотность

тока и массовую скорость подачи шихты до 2-5 А/см2 и 0,016-0,02 кг/ч на 1 А тока разряда соответственно.

Таблица 1 роцесс переплава дисперсной шихты

Изобретение относится к металлургии. В рабочую камеру перед подачей шихты загружают металлолом из расчета получения расплава в. ней в количестве 1/2-3/4 емкости ванны, затем гТрЬгре вают ванну расплава и футеровку до температуры Ti 1500-1700°C и Т2 1600-1800°С соответственно. При скорости газа-носителя на выходе из катода центрального электрода в пределах 0,05-0,5 м/с включают центральный электрод при плотности тока в катоде 2-5 А/см в течение 5-10 мин, а затем выводят на рабочий режим в течение 5-15 мин при плотности тока 15-28 А/см и при массовой скорости подачи шихты в пределах 0,016-0,14 кг/ч на 1 А тока разряда в реакторе. При выпуске расплава уменьшают плотность тока и массовую скорость подачи шихты до 2-5 А/см и 0,016-0.02 кг/ч на 1 А тока разряда соответственно. 1 ил., 2 табл. с

0,3 ЙОО 15СС С,СЗ

9

10

И

12 13

И 15

16

17 18

19 20

21 22 23

10

0,013

Катоды в стадии разработок (графит).

Продолжение табл 1

Таблица 2

Влияние параметров массовой скорости подачи шихты и плотности тока при выпуске расплава на показатели процесса плавки

/// /// S/S