Модуль для производства магния
Полезная модель относится к металлургии цветных металлов, в частности, к металлургическому комплексу для экологически чистого производства магния и сопутствующих веществ из магнезиального, преимущественно, доломитового сырья. Решаемой задачей является создание промышленного металлургического комплекса, состоящего из группы автономных модулей для экологически чистого производства магния и других ценных металлов или металлоидов из доступного доломитового сырья. Достигаемый технический результат заключается в повышении удельной производительности каждого из автономных модулей металлургического комплекса, в том числе, за счет изменения технологической схемы функционирования вакуумной индукционной печи, обеспечивающей сокращение времени технологического цикла производства магния и количества независимых технологических операций при одновременном повышении надежности оборудования, пожарной и экологической безопасности производства и снижении трудовых затрат. Решение поставленной задачи и указанный технический результат достигаются следующим образом. В металлургическом комплексе для производства магния, содержащем участок подготовки и, по крайней мере, один участок переработки сырья, включающий загрузочный бункер, вакуумную индукционную печь, конденсатор и вспомогательную емкость, снабженную изложницей и внешним нагревателем, согласно полезной модели, участок подготовки сырья содержит оборудование для сухого помола обожженного доломита, его смешивания до стехиометрического соотношения с гранулированным ферросилицием, участок переработки сырья включает средства для порционной подачи шихты через загрузочный бункер на вход вакуумной индукционной печи, выполненной в виде горизонтально расположенной теплоизолированной металлической трубы из жаростойкого сплава, поверх которой установлен первый индуктор для нагрева трубы, внутри которой размещен шнековый механизм с наружным приводом для транспортировки шихты в направлении от загрузочного бункера к выходному отверстию трубы, сообщающемуся с системой вакуумирования, входами конденсатора и вертикальной тигельной индукционной печи, снабженной вторым индуктором для расплавления шихтового остатка и средствами для его вывода в виде металла и шлака, а конденсатор снабжен рубашкой охлаждения и третьим индуктором для периодического расплавления конденсата магния с возможностью слива в изложницу вспомогательной емкости. Кроме того, на выходе вертикальной тигельной индукционной печи могут быть размещены линии непрерывной разливки металла и шлака, включающие оборудование для изготовления из них изделий или сырья промышленного назначения. Описание на 8 л., ф-ла 2 пп., илл. на 1 л.
Полезная модель относится к металлургии цветных металлов, в частности, к модулю для экологически чистого производства магния и сопутствующих веществ из магнезиального, преимущественно, доломитового сырья.
Известно устройство для реализации способа получения магния, содержащее загрузочный бункер, герметичную электрическую печь с графитовыми электродами, футерованную магнезитовым кирпичом, питающий трансформатор и камеру конденсации с вакуумной системой (см. патент РФ 
2149198, МПК С22В 26/22, опублик. 20.05.2000).
Особенностью известного устройства для реализации способа получения магния является то, что для плавки использовали шихту, включающую обожженные доломит и магнезит, а также восстановитель в виде вторичного алюминия с высоким содержанием кремния. После перемешивания заданного количества компонентов шихту загружали в электрическую печь через герметичный бункер, шихта нагревалась в электрической печи графитовыми электродами, при этом печь соединяли с камерой конденсации вакуумной системой. Плавку вели до расплавления шихты при температуре 1500-1600°С, цикл длился 25-60 минут. По окончании плавки печь и конденсатор наполняли аргоном, открывали летку печи, выпускали жидкий шлак в изложницу. Получение магния осуществлялось при его восстановлении силикоалюминием в присутствии извести при нагревании и осаждении паров магния в камере конденсации.
К недостаткам известного устройства следует отнести сравнительно низкие производительность и ресурс оборудования, сложность обслуживания и высокие энергозатраты на получение промышленных количеств целевого продукта.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для производства магния, содержащее загрузочный бункер, вакуумную индукционную печь, конденсатор и вспомогательную емкость, снабженную изложницей и внешним нагревателем (см. патент РФ 2215050, МПК С22В 26/22, опублик. 27.10.2003 - прототип).
Известное устройство представляет собой модуль для производства магния, а также других ценных металлов или металлоидов из доломитового сырья. Особенностью известного устройства является наличие в составе участка переработки сырья вакуумной индукционной печи с днищем, установленным с возможностью перемещения относительно направляющих стоек блока приема рудных остатков и герметично сочлененным с корпусом вакуумной индукционной печи с помощью жидкометаллического затвора, и конденсатор, установленный над корпусом вакуумной индукционной печи с возможностью перемещения и поворота относительно корпуса вакуумной индукционной печи и герметичной вспомогательной емкости, снабженной изложницей и внешним нагревателем, и герметично сочлененный с ними с помощью жидкометаллических затворов, содержащих среду с низкой температурой плавления.
На участке подготовки устройства измельченное рудное сырье смешивают с порошком сплавов железа, содержащих 45-75% кремния, компактируют смесь в брикеты. Через загрузочный бункер послойно загружают их в вакуумную индукционную печь. При этом между слоями размещают фрагменты из магнитопроводящих металлов. Затем осуществляют герметизацию и вакуумирование печи при остаточных давлениях от 0,1 до 1,0 мм рт.ст. и проводят индукционный нагрев рудного сырья до температуры 1300-1450°С для вакуумного силикотермического восстановления магния в процессе контактного прогрева брикетов от фрагментов из магнитопроводящих материалов. После завершения восстановления конденсат легкоплавкого продукта расплавляют с получением литой заготовки, а рудный остаток извлекают из печи.
Известное техническое решение позволяет за счет изменения технологической схемы получить легкоплавкий продукт более высокой чистоты, повысить надежность оборудования и безопасность производства по сравнению с аналогом.
Недостатком известного устройства является сравнительно низкая удельная производительность при силикотермическом восстановлении магния из магнезиального сырья. Это связано, во-первых, с необходимостью компактирования в брикеты смеси измельченного рудноего сырья с порошком сплавов железа с кремнием и последующей послойной загрузкой в индукционную печь указанных брикетов и фрагментов из магнитопроводящих металлов. Во-вторых, на участке переработки сырья установлено технологически сложное оборудование для циклического перемещения днища вакуумной индукционной печи относительно блока приема рудных остатков, а также для перемещения и поворота конденсатора относительно корпуса вакуумной индукционной печи и герметичной вспомогательной емкости. По указанным причинам для такой вакуумной индукционной печи объемом 600 л за один цикл длительностью в несколько часов из 1,9 т подготовленного сырья становится возможным осуществить силикотермическое восстановление магния в количестве не более 170 кг (до 700 кг/сут).
Решаемой задачей является создание промышленного металлургического модуля или группы автономных модулей для экологически чистого производства магния и других ценных металлов или металлоидов из доступного доломитового сырья.
Достигаемый технический результат заключается в повышении удельной производительности автономного модуля, в том числе, за счет изменения технологической схемы функционирования вакуумной индукционной печи, обеспечивающей сокращение времени технологического цикла производства магния и количества независимых технологических операций при одновременном повышении надежности оборудования, пожарной и экологической безопасности производства и снижении трудовых затрат.
Решение поставленной задачи и указанный технический результат достигаются следующим образом.
В модуле для производства магния, содержащем загрузочный бункер, вакуумную индукционную печь, конденсатор и вспомогательную емкость, снабженную изложницей и внешним нагревателем, согласно полезной модели, он снабжен средствами для порционной подачи шихты с участка ее подготовки через загрузочный бункер на вход вакуумной индукционнй печи, выполненной в виде горизонтально расположенной теплоизолированной металлической трубы из жаростойкого сплава, поверх которой установлен первый индуктор для нагрева трубы, внутри которой размещен шнековый механизм с наружным приводом для транспортировки шихты в направлении от загрузочного бункера к выходному отверстию трубы, сообщающемуся с системой вакуумирования, входами конденсатора и вертикальной тигельной индукционной печи, снабженной вторым индуктором для расплавления шихтового остатка и средствами для его вывода в виде металла и шлака, а конденсатор снабжен рубашкой охлаждения и третьим индуктором для периодического расплавления конденсата магния с возможностью слива в изложницу вспомогательной емкости.
Кроме того, на выходе вертикальной тигельной индукционной печи могут быть размещены линии непрерывной разливки металла и шлака, включающие оборудование для изготовления из них изделий или сырья промышленного назначения.
Такое выполнение полезной модели, по сравнению с известными техническими решениями, позволяет повысить удельную производительность автономного модуля, преимущественно, за счет увеличения эффективности функционирования рабочего объема вакуумной индукционной печи в режиме силикотермического восстановления магния. Использование вакуумной индукционнй печи в виде горизонтально расположенной неподвижной теплоизолированной металлической трубы из жаростойкого сплава, внутри которой размещен шнековый механизм (далее шнек) для транспортировки шихты через область индукторного нагрева в направлении к входам конденсатора паров магния и вертикальной тигельной индукционной печи, снабженной вторым индуктором для расплавления шихтового остатка, повышает надежность и ресурс модуля, обеспечивает пожарную и экологическую безопасность производства магния.
При этом сокращается дополнительное время на выполнение различных вспомогательных операций технологического цикла, характерных для прототипа и связанных, в том числе, с периодическим перемещением конденсатора к вспомогательной емкости для расплавления конденсата магния и обратно. Использование оборудования для утилизации жидкого шихтового остатка, включающего линии непрерывной разливки металла и шлака для изготовления из них изделий или сырья промышленного назначения дополнительно повышает эффективность предложенного модуля.
На фиг.1 представлена принципиальная схема автономного модуля для производства магния.
Для функционирования модуля необходим участок 1 подготовки сырья, включающий оборудование 2 для сухого помола обоженного доломита и оборудование 3 для смешивания доломита до стехиометрического соотношения с промышленным гранулированным ферросилицием, например, ФС-75 с последующим получением шихты необходимого состава со средней плотностью 3,2-3,4 т/м3. В качестве восстановителя также может использоваться стандартный гранулированный ферросилиций с иным содержанием кремния или некондиционные сплавы кремния.
Участок 1 может обслуживать одновременно несколько автономных типовых модулей. Участок 4 переработки сырья включает средство 5 для порционной подачи шихты к загрузочному бункеру 6 на вход горизонтальной вакуумной индукционнй печи 7. Печь 7 выполнена в виде горизонтально расположенной металлической трубы 8 из жаростойкого сплава, поверх которой размещен слой 9 термостойкой теплоизоляции и установлен первый индуктор 10 для нагрева трубы 8 и находящейся внутри нее шихты. При внешнем диаметре трубы порядка 600 мм, толщине стенки 50 мм и нагреваемой длине трубы около 10 м полезный рабочий объем горизонтальной вакуумной индукционнй печи 7 достигает 2,0 куб.м, что допускает порционно-последовательный передел до 6,8 т шихты с указанной средней плотностью.
Внутри трубы 8 размещен шнек 11, для привода которого снаружи трубы 8 установлен электродвигатель 12 и редуктор 13, обеспечивающие вращение шнека 11 и транспортировку шихты в направлении от загрузочного бункера 6 к выходному отверстию 14 трубы 8. Ее отверстие 14 сообщается с системой вакуумирования, входами конденсатора 15 паров магния и вертикальной тигельной индукционной печи 16, снабженной вторым индуктором 17, встроенным в корпус из жаростойкого цемента для расплавления шихтового остатка. Тигель индукционной печи 16 выполнен из графита, а конденсатор 15 снабжен рубашкой охлаждения 18 и третьим индуктором 19 для расплавления конденсата магния и его слива в изложницу 20 вспомогательной емкости 21.
Средства для вывода расплавленного шихтового остатка в виде металла и шлака из вертикальной тигельной индукционной печи 16 выполнены в виде леток или высокотемпературных шиберных затворов (не показаны). На выходе вертикальной тигельной индукционной печи 16 размещены линии 22, 23 для непрерывной разливки металла и шлака, включающие изложницы и оборудование для изготовления изделий или сырья промышленного назначения (не показаны). Металлургический комплекс содержит также систему вакуумирования 24, пульт управления 25 металлургическим комплексом и общий источник питания 26 для обслуживания индукторных нагревателей, электродвигателей и вспомогательных систем каждого из автономных типовых модулей, количество которых может варьироваться в широких пределах в зависимости от требуемой мощности металлургического комплекса.
Автономный модуль для производства магния функционирует следующим образом.
Обожженный доломит на участке 1 измельчают с помощью мелющего оборудования 2 и подают вместе с гранулированным ферросилицием ФС-75 на смеситель 3 для приготавления шихты заданного гранулометрического и стехиометрического состава. Затем готовую шихту направляют на участок 2, на котором, с помощью упомянутого средства 5, она поступает к герметизируемому загрузочному бункеру 6 для порционной подачи шихты на вход горизонтальной вакуумной индукционнй печи 7. Необходимую порцию шихты загружают в бункер 6, герметизируют его крышкой (не показана), после чего данную порцию шихты с помощью шнека 11 перемещают до другого конца горизонтальной трубы 8, используя механический привод вращения шнека 11 от электродвигателя 12 через редуктор 13.
Затем с помощью системы вакуумирования 24, при отсутствии вращения шнека 11, откачивают воздух из бункера 6, горизонтальной вакуумной индукционнй печи 7, конденсатора 15, вертикальной тигельной индукционной печи 16 и вспомогательной емкости 21, снижая давление в рабочем объеме указанных агрегатов до 0,1 мм рт.ст. С помощью первого индуктора 10 нагревают, выполненную из жаропрочного сплава трубу 8 горизонтальной вакуумной индукционнй печи 7, до рабочей температуры 1400-1450°С. За счет теплопроводности шихта нагревается от стенок трубы 8 до необходимой температуры 1200-1300°С, что обеспечивает интенсивную сублимацию магния и отвод летучих в охлаждаемый сменный конденсатор 18 паров магния.
Силикотермическое восстановление шихты в горизонтальной вакуумной индукционной печи при изотермической выдержке сырья в течение 4,0-4,5 часов (время одного цикла) осуществляется по суммарной реакции:
2MgO + 2CaO + Si(Fe) = 2CaO.SiO2 + 2Mg + (Fe)
В результате единичной операции порционно-последовательного передела при силикотермическом восстановлении 6,8 т шихты в горизонтальной вакуумной индукционнй печи 7 происходит сублимация паров магния и его последующая конденсация в конденсаторе 15 в количестве около 0,9 т. Присутствующее в шихте железо в реакции существенного участия не принимает, но вместе со шлаками является ценным сопутствующим продуктом.
После завершения данной операции силикотермического восстановления твердые и горячие (1200-1300°С) продукты реакции вращением шнека 11 выдавливают из трубы 8 горизонтальной вакуумной индукционнй печи 7 через выходное отверстие 14 и сбрасывают в графитовый тигель вертикальной индукционной печи 16. Затем продукты реакции в рабочем объеме вертикальной индукционной печи 16 нагревают с помощью второго индуктора 17 до температуре 1500-1550°С, при которой происходит расплавление шихтового остатка. Расплавленные технологические отходы при этом содержат около 5,0 т силикатов кальция и около 0,3 т железной фракции. В процессе интенсивного нагрева графитового тигля печи 16 частицы сопутствующего железа насыщаются углеродом, образуя в тигле донный слой более тяжелого синтетического чугуна.
Следующие операции производственного процесса заключаются в заполнении указанных агрегатов азотом до давления 1,1-2,0 атм, последующем раздельным сливом жидкой двуслойной композиции технологических отходов из вертикальной индукционной печи 16 через высокотемпературные шиберные затворы в соответствующие изложницы для шлака и чугуна (не показаны), а также извлечением сконденсированного магния из конденсатора 15. Для этого отключают подачу охлаждающего агента в рубашку его охлаждения 18, подключают третий индуктор 19 к источнику питания 26 для расплавления конденсата магния при температуре около 670°С, открывают герметизирующий затвор (не показан), отделяющий вспомогательную емкость 21 с от рабочего объема конденсатора 15 в режиме осаждения паров магния, и сливают расплавленный магний в изложницу 20 с последующим извлечением остывшего мерного слитка основной финишной продукции.
Мерные отливки синтетического чугуна могут быть утилизированы, в частности, в процессе получения ценных износостойких мелющих тел, чугунных решеток и другого рядового кокильного литья. Литые фрагменты оксидной композиции на основе силикатов кальция могут служить основой для изготовления строительных блоков и других изделий, а при измельчении в шаровых мельницах с добавлением гипса и других необходимых компонентов возможно использование полученного материала для фабрикации товарного цемента высших марок.
Предложенное техническое решение позволяет выполнить в горизонтальной вакуумной индукционной печи не менее четырех последовательных операций силикотермического восстановления указанного количества шихты в сутки или в среднем около 1400 операций в течение года с получением от единичного модуля около 1250 т/год магния при потреблении примерно 7.600 т доломита и до 1560 т ферросилиция (ФС-75).
Масса пригодных к промышленному использованию отходов в виде силикатов кальция достигает в этом случае порядка 6.750 т, а синтетического чугуна - 375 т/год. При этом потребность одного модуля в электроэнергии оценивается в 8,2 млн. кВтч/год, что может быть обеспечено блоком мини-ТЭС, например, на базе серийных газовых двигателей внутреннего сгорания мощностью 1,0-1,2 МВт.
Силикотермическое восстановление шихты в горизонтальной вакуумной индукционной печи предложенного металлургического модуля несомненно, является наиболее перспективным направлением решения проблемы радикального увеличения выпуска магния, особенно, в условиях России. В качестве сырья в предложенной полезной модели могут использоваться широко распространенные в нашей стране доломиты, магнезит, а также другие местные достаточно дешевые магний содержащие материалы и композиции.
Серийное изготовление предложенных модулей широкого мощностного ряда для производства магния и их поставка в регионы в состоянии эксплуатационной готовности, например, в стандартных транспортных контейнерах, радикально снижают общие затраты и лаг ввода предприятий по их выпуску в зависимости от конкретных условий региона. Конструктивная и технологическая надежность принятых технических решений и используемых компонентов оборудования для предложенного металлургического модуля в значительной степени снижают затраты на его создание и эксплуатацию при одновременном уменьшении опасности загрязнения биосферы.
1. Модуль для производства магния, содержащий загрузочный бункер, вакуумную индукционную печь, конденсатор и вспомогательную емкость, снабженную изложницей и внешним нагревателем, отличающийся тем, что он снабжен средствами для порционной подачи шихты с участка ее подготовки через загрузочный бункер на вход вакуумной индукционной печи, выполненной в виде горизонтально расположенной теплоизолированной металлической трубы из жаростойкого сплава, поверх которой установлен первый индуктор для нагрева трубы, внутри которой размещен шнековый механизм с наружным приводом для транспортировки шихты в направлении от загрузочного бункера к выходному отверстию трубы, сообщающемуся с системой вакуумирования, входами конденсатора и вертикальной тигельной индукционной печи, снабженной вторым индуктором для расплавления шихтового остатка и средствами для его вывода в виде металла и шлака, а конденсатор снабжен рубашкой охлаждения и третьим индуктором для периодического расплавления конденсата магния с возможностью слива в изложницу вспомогательной емкости
2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что на выходе вертикальной тигельной индукционной печи размещены линии непрерывной разливки металла и шлака, включающие оборудование для изготовления из них изделий или сырья промышленного назначения.
