Плазменно-дуговая печь
Сущность полезной модели заключается в том, что в плазменно-дуговой печи, включающей механические средства подачи шихты, средства создания дуги и тигель с расплавом, стенки или/и дно тигля снабжены отверстиями, расположенными ниже уровня зеркала ванны, с которыми состыкованы средства подачи шихты. Это позволяет осуществить ввод шихты в расплав путем подачи шихты ниже зеркала ванны расплава на боковую или/и нижнюю поверхность расплава в виде потока конденсированных фаз без использования транспортирующего газа. При этом поверхность раздела между нерасплавленной шихтой и расплавом частично или полностью ограничивает расплав и формирует стенки тигля. Предлагаемой полезной моделью решаются две технических задачи: более полное использование подаваемого сырья и снижение потерь энергии от ванны расплава. Основной технический результат использования предлагаемой полезной модели заключается в исключении уноса из печи дисперсной шихты с отходящими газами за счет того, что на этапе ввода дисперсной шихты исключен ее контакт с какими либо газами, подаваемыми в печь или отводимыми от нее. Дополнительно решается задача снижения расхода электрода.
Полезная модель относится к бескоксовой металлургии, в частности к устройствам для прямого восстановления металлов группы железа из дисперсного оксидного сырья газообразными и дисперсными восстановителями.
Известна плазменно-дуговая печь с ванной расплава для восстановления металлов (Цветков Ю.В., Панфилов С.А. «Низкотемпературная плазма в процессах восстановления», М., Наука, 1980, с.232). Печь имеет керамический тигель и плазмотрон, вводимый в рабочее пространство печи через ее свод. Плазменная дуга горит непосредственно на расплав, находящийся в керамическом тигле. Расплав выполняет роль анода, ток к нему подводится через подовый электрод. Ввод шихты осуществляется сверху на зеркало ванны. В случае восстановления металлов в печь подают плазмообразующий газ, являющийся необходимым химическим реагентом, при этом восстановительный процесс сопровождается большим количеством как подаваемого в печь, так и отходящего газа, отводимого через отверстие в своде.
Печь имеет следующие недостатки:
1. С отходящими газами уносится значительная часть подаваемой шихты.
2. Керамика тигля химически взаимодействует с расплавом, загрязняя его.
3. Применение керамических тиглей при восстановлении оксидов металлов требует частой остановки процесса для замены или ремонта тигля ввиду высокой эрозии керамики в процессе плавки.
Для устранения первого недостатка используют циклонные реакторы (Утилизация пыли от производства стали в дуговых сталеплавильных печах, Л.Н.Кузнецов, Л.А.Волохонский, Электрометаллургия №9, 2004 г.) или устройства, обеспечивающие ввод дисперсных реагентов в расплав посредством газовой струи (пат. РФ №2226219)
Перечисленные устройства ввода шихты радикально не решают проблемы уноса материала с отходящими газами. Так, использование различных конструкций циклонных аппаратов усложняет технологическую схему и приводит к значительным затратам энергии, так как эти аппараты основаны на газотермическом укрупнении дисперсной массы (оплавление, коагуляция, слипание частиц). Унос материала из реактора доходит до 20% и выше.
В патенте РФ №2226219 стенки тигля на уровне, находящемся выше ванны расплава, снабжены отверстиями с наклонно вставленными в них фурмами, нижние концы которых опущены в расплав. Шихта вводится в расплав с помощью высокоскоростных газовых струй через погруженные в ванну расплава охлаждаемые фурмы. Это ведет к большим дополнительным энергозатратам в результате охлаждения расплава транспортирующим газом. Кроме того, вводимая внутрь расплава высокоскоростная газовая струя способствует выбросу дисперсной шихты и капель расплава в область над расплавом и в конечном счете уносу перерабатываемого материала с отходящими газами.
В известной плазменно-дуговой установке (пат. РФ №2072639 от 1992 г.) уносимую отходящим газом мелкодисперсную часть шихты собирают с помощью отдельно установленной пылеоосадительной камеры, в выходном патрубке которой встроен фильтр тонкой очистки, снабженный фильтрующими элементами из композиционных жаростойких материалов, при этом шихта подается через отверстие в крышке, а стенки и днище камеры-реактора защищены керамической футеровкой. Использование фильтров из композиционных материалов усложняет и удорожает конструкцию, а наличие керамической защиты реактора имеет те же недостатки, что и в других известных устройствах.
Для устранения второго и третьего недостатков применяют металлические охлаждаемые тигли («Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева». Под ред. Свенчанского А.Д., М., Энергоиздат, 1981 г). В этом случае, однако, существенно возрастают тепловые потери через стенку тигля.
Ближайшим прототипом предлагаемого устройства является плазменно-дуговая печь, включающая средства подачи шихты, средство создания дуги и тигель с ванной расплава (Плазменно-дуговые восстановительные печи в структуре энергометаллургического комплекса, А.В.Николаев, А.А.Николаев, Труды пятого конгресса сталеплавильщиков. 1999 г.). Ванну расплава формируют в медном охлаждаемом тигле, подсоединенном к одному из полюсов источника электропитания. Плазменная дуга горит между поверхностью ванны и полым графитовым электродом, вводимым через свод печи и подсоединенным к другому полюсу источника электропитания. Ввод шихты в печь осуществляется через осевой канал в электроде. При этом шихта подается на поверхность ванны в область электрической привязки дуги.
В этом устройстве шихта, выходящая из канала электрода над поверхностью ванны, попадает в зону высокоскоростных газовых потоков. При этом значительная часть введенной шихты не достигает поверхности ванны и уносится из печи с отходящими
газами. Кроме того, шихта, состоящая в основном из оксидов металлов, проходя через канал графитового электрода, химически взаимодействует с графитом и вызывает эрозию электрода. Химическое взаимодействие является эндотермическим и сопровождается снижением температуры электрода, что нарушает стабильность плазменной дуги.
Применение медного охлаждаемого тигля в данном устройстве позволило повысить качество выплавляемого металла, однако при этом существенно возросли тепловые потери от ванны расплава в стенки тигля.
Сущность полезной модели заключается в том, что ввод шихты в расплав осуществляется путем подачи шихты ниже зеркала ванны расплава на боковую или/и нижнюю поверхность расплава в виде потока конденсированных фаз без использования транспортирующего газа. При этом поверхность раздела между нерасплавленной шихтой и расплавом частично или полностью ограничивает расплав и формирует стенки тигля.
Предлагаемой полезной моделью решаются две технических задачи: более полное использование подаваемого сырья и снижение потерь энергии от ванны расплава.
Основной технический результат использования предлагаемой полезной модели заключается в исключении уноса из печи дисперсной шихты с отходящими газами за счет того, что на этапе ввода дисперсной шихты исключен ее контакт с какими либо газами, подаваемыми в печь или отводимыми от нее. Дополнительно решается задача снижения расхода электрода.
Указанный результат достигается тем, что в плазменно-дуговой печи, включающей средства подачи шихты, средства создания дуги и тигель с расплавом, стенки или/и дно тигля снабжены отверстиями, расположенными ниже уровня зеркала ванны, с которыми состыкованы механические средства подачи шихты.
Ввод шихты в расплав может быть осуществлен в радиальном и аксиальном исполнениях. В радиальном исполнении отверстия ввода шихты расположены в боковых стенках тигля, а в аксиальном исполнении отверстия ввода размещают в дне тигля вдоль его оси не обязательно соосно.
Используемые термины и определения
Плазменная дуга - электрическая дуга, горящая в подаваемом в разрядный промежуток газе.
Плазменно-дуговая печь - устройство, содержащее один или несколько электродов для формирования плазменной дуги и тигель с перерабатываемым материалом, нагрев,
плавление и химико-термическую обработку которого осуществляют при помощи плазменной дуги.
Оксидное сырье - руды, концентраты и техногенные вещества на основе оксидов металлов.
Шихта - смесь, состоящая из оксидного сырья, легирующих и рафинирующих добавок и, в ряде случаев, твердого восстановителя.
Конденсированная фаза - вещество в твердом или жидком (но не газообразном) состоянии.
Описание чертежей.
На фиг.1 схематически в продольном сечении представлена плазменно-дуговая печь с радиальным вводом шихты в расплав.
На фиг.2 схематически в продольном сечении представлена печь с аксиальным вводом шихты в расплав.
На фиг.3-4 даны варианты тиглей в поперечном сечении с радиальными вводами шихты в расплав.
На фиг.5 дан вариант тигля в поперечном сечении с радиальными и аксиальными вводами шихты в расплав.
Устройство, представленное на фиг.1, содержит медный водоохлаждаемый тигель 1 с боковым отверстием 2 для ввода шихты 3 и донным отверстием 4 с запорным устройством 5 для выпуска расплава 6, источник 7 восстановительного газа с трубопроводом 8, бункер 9 с шихтой, механическое (например, шнековое) средство подачи шихты 10, свод 11 с отверстием 12 для отходящего газа, графитовый электрод 13. Подвод электроэнергии осуществляют к тиглю 1 и электроду 13 через клеммы 14 и 15, плазменная дуга 16 горит между расплавом 6 и электродом 13.
В устройстве, представленном на фиг.2, отверстие 2 для ввода шихты в расплав 6 и средство подачи шихты 10 размещены в донной части тигля на вертикальной оси печи или соосно ей. Отверстие 4 для слива расплава размещено в тигле 1 сбоку.
Осуществление полезной модели.
Проиллюстрирована работа устройства при радиальном вводе шихты в расплав (фиг.1). В тигель 1 загружают металлическую «затравку» в виде окускованного материала такой массы, чтобы при ее расплавлении уровень расплава 6 был выше отверстий 2. При помощи запорного устройства 5 закрывают отверстие 4, подают напряжение на электрод 13 и тигель 1 посредством клемм 14 и 15, подают плазмообразующий газ (в канал электрода 13, если он выполнен полым), возбуждают между электродом 13 и «затравкой» плазменную дугу 16 одним из известных способов,
например, кратковременным касанием электродом «затравки», искровым разрядом и т.д. и расплавляют «затравку». После этого в отверстие 2 подают шихту 3 и плавят ее. Шихту, состоящую только из конденсированных фаз, механическим средством 10 без использования транспортирующего газа вводят в ванну расплава ниже уровня зеркала ванны через одно или несколько расположенных в стенках тигля отверстий 2 таким образом, чтобы фронт плавления подаваемой шихты находился бы в стационарном состоянии, т.е. подачу шихты 3 осуществляют с такой скоростью, чтобы внутри тигля 1 в окрестности отверстий 2 сформировалась стационарная поверхность раздела между твердой шихтой и расплавом и поверхность раздела между расплавом и твердой шихтой полностью или частично ограничивала бы расплав и служила стенкой тигля.
Площадь этой поверхности, по меньшей мере, равна площади отверстий 2. Таким образом, поверхность контакта расплава 6 с охлаждаемым тиглем 1 уменьшена по крайней мере на величину этой площади, что приводит к снижению тепловых потерь через стенку тигля. Для предотвращения повышения уровня расплава 6 сверх допустимого периодически или постоянно на заданную величину открывают отверстие 4 и производят выпуск выплавленного металла.
Работа устройства при аксиальном вводе шихты в расплав (фиг.2) происходит аналогичным образом. Выпуск металла производят через отверстие 4 в боковой стенке тигля.
Предлагаемая конструкция позволяет снизить долю тепла, поступающего из расплава в стенки тигля, теряющегося с охлаждающей водой и создающего во многих случаях проблемы с охлаждением, увеличить долю тепла, полезно используемого на нагрев и расплавление поступающей шихты, выполняющей роль «расходуемой стенки», что существенно снижает энергозатраты на производство металла. Ввод шихты ниже зеркала ванны предотвращает контакт шихты с потоками поступающих в печь и отходящих газов и, как следствие, унос мелких фракций шихты с отходящими газами при гарантии полного расплавления поступающей шиты.
С устранением контакта шихты с рабочим электродом устраняется одна из основных причин его эрозии.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет:
- исключить потери шихты вследствие уноса части ее с отходящими газами;
- снизить энергоемкость процесса путем уменьшения поверхности теплообмена расплава с охлаждаемым металлическим тиглем в результате частичной или полной замены этой поверхности поверхностью плавления шихты;
- улучшить экологические показатели печи за счет снижения выброса пыли в
атмосферу;
- уменьшить расход графитового электрода благодаря исключению его контакта с оксидным сырьем.
Изобретение может быть использовано на предприятиях металлургии и машиностроения для прямого получения металла в виде отливок, металлических порошков и гранул из дисперсного оксидного сырья с использованием газообразных и дисперсных восстановителей.
Энергетические и экологические показатели предложенного способа ввода шихты в плазменно-дуговую печь существенно выше, чем у аналогов: не требуется окускование мелкого оксидного сырья, не применяется газ для транспортировки шихты.
Возможность реализации всех эффектов, сопровождающих использование предложенного устройства ввода шихты в плазменно-дуговую печь установлена нами впервые и нигде не опубликована.
Плазменно-дуговая печь, включающая средства подачи шихты, средства создания дуги и тигель с расплавом, отличающаяся тем, что стенки или/и дно тигля снабжены отверстиями, расположенными ниже уровня зеркала ванны, с которыми состыкованы механические средства подачи шихты.
