RU2182185C1 - Method for plasma heating of charge at ferroalloy production - Google Patents
Method for plasma heating of charge at ferroalloy production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2182185C1 RU2182185C1 RU2001119080/02A RU2001119080A RU2182185C1 RU 2182185 C1 RU2182185 C1 RU 2182185C1 RU 2001119080/02 A RU2001119080/02 A RU 2001119080/02A RU 2001119080 A RU2001119080 A RU 2001119080A RU 2182185 C1 RU2182185 C1 RU 2182185C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- charge
- arc
- plasma
- arcs
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Vertical, Hearth, Or Arc Furnaces (AREA)
Abstract
Description
Известны электродуговые сталеплавильные и рудовосстановительные печи, в которых шихтовые материалы нагреваются и плавятся равномерно расположенными по периметру печи электрическими дугами, с графитовыми или самоспекающимися электродами. Electric arc steelmaking and ore reduction furnaces are known in which charge materials are heated and melted by electric arcs evenly spaced along the perimeter of the furnace, with graphite or self-sintering electrodes.
Однако производство металлов, сплавов и ферросплавов (1, 2, 3, 4), основанное на нагреве дуговыми разрядами шихты и расплава, имеет существенные недостатки. Основным из них является необходимость тщательной подготовки и регулирования технологических и электрических параметров, гранулометрического состава шихтовых материалов и газопроницаемости слоя шихты, вязкости и электрической проводимости шлаков, соотношения количества руды, флюсов и восстановителя, температуры зоны протекания восстановительных реакций металлического и шлакового расплавов. Следует отметить также большую инерционность теплового режима процесса. При отклонении от оптимальных значений заданных технологических параметров повышается удельный расход электроэнергии, с газами теряются мелкие фракции шихтовых материалов, снижается качество получаемого продукта, резко возрастает удельный расход электродов. Кроме того, вовлечение в производство мелких фракций шихты актуально еще и по причине, что в процессе дробления и обогащения руды, восстановителя и флюса до 30% материалов превращается в порошковообразные и пылевидные составляющие, которые без дополнительной обработки не пригодны для использования в качестве шихты в рудотермических печах. However, the production of metals, alloys and ferroalloys (1, 2, 3, 4), based on the heating of a charge and a melt by arc discharges, has significant drawbacks. The main one is the need for thorough preparation and regulation of technological and electrical parameters, particle size distribution of the charge materials and gas permeability of the charge layer, viscosity and electrical conductivity of slags, the ratio of the amount of ore, fluxes and a reducing agent, the temperature of the zone of the course of reduction reactions of metal and slag melts. It should also be noted the large inertia of the thermal regime of the process. If the specified technological parameters deviate from the optimal values, the specific energy consumption increases, the fine fractions of charge materials are lost with gases, the quality of the resulting product decreases, and the specific electrode consumption sharply increases. In addition, the involvement in the production of small fractions of the charge is also relevant because in the process of crushing and beneficiation of ore, reducing agent and flux, up to 30% of the materials are converted into powder and dust components, which, without additional processing, are not suitable for use as a charge in ore-thermal stoves.
Исходя из анализа существующих способов производства ферросплавов, можно утверждать, что основными путями снижения себестоимости продукции являются
- уменьшение удельного расхода электроэнергии;
- вовлечение в производство дешевых и недефицитных шихтовых материалов, в том числе порошкообразных и пылевидных отходов руд, отсевов кокса, флюсов;
- улучшение термодинамических и кинетических условий проведения реакции углеродотермического восстановления;
- повышение удельной мощности печей и т.д.Based on the analysis of existing methods for the production of ferroalloys, it can be argued that the main ways to reduce the cost of production are
- reduction of specific energy consumption;
- Involvement in the production of cheap and non-deficient charge materials, including powdered and pulverized ore wastes, screenings of coke, fluxes;
- improvement of thermodynamic and kinetic conditions for the carbon-thermal reduction reaction;
- increase the specific power of furnaces, etc.
Решение этих задач видится в применении плазменной технологии с использованием плазменного нагрева. Применение плазменных источников теплоты весьма эффективно в существующих рудотермических печах, что дает возможность одновременно решить вопросы реализации плазменной технологии на действующем оборудовании и повысить его удельную мощность. The solution to these problems is seen in the application of plasma technology using plasma heating. The use of plasma heat sources is very effective in existing ore-thermal furnaces, which makes it possible to simultaneously solve the problems of implementing plasma technology on existing equipment and increase its specific power.
Низкотемпературная плазма как источник теплоты и среда для осуществления химических реакций характеризуется высокими эффективностью, экономичностью и надежностью преобразования электрической энергии в тепловую, повышенными стабильностью и удельной мощностью плазменного разряда, широким температурным диапазоном и легкостью контроля теплового режима зоны восстановительных реакций, плавления металла и шлака. Преимуществами плазменной технологии в ферросплавном производстве являются возможность непосредственной переработки как бедных руд, так и шихты, почти полностью состоящей из мелочи и пыли, использование каменного угля вместо более дорогого металлургического кокса, обеспечение оптимальных термодинамических и кинетических условий проведения реакций, повышение степени извлечения металлов из оксидов, снижение себестоимости целевого продукта и улучшение экологии технологического процесса. Плазменное оборудование отличается высокой герметичностью рабочего пространства и контролируемостью его атмосферы. Low-temperature plasma as a source of heat and a medium for carrying out chemical reactions is characterized by high efficiency, economy and reliability of converting electric energy into heat, increased stability and specific power of a plasma discharge, a wide temperature range and ease of control of the thermal regime of the zone of reduction reactions, metal and slag melting. The advantages of plasma technology in ferroalloy production are the possibility of direct processing of both poor ores and a mixture consisting almost of fines and dust, the use of coal instead of more expensive metallurgical coke, ensuring optimal thermodynamic and kinetic conditions for the reactions, increasing the degree of extraction of metals from oxides , reducing the cost of the target product and improving the ecology of the process. Plasma equipment is characterized by high tightness of the working space and the controllability of its atmosphere.
Наиболее рациональным представляется использование в таких печах созданного и исследованного в Институте электросварки им. Е.О. Патона плазменно-дугового нагревателя (ПДН) комбинированного действия с полыми коаксиально расположенными графитированными электродами (4, 5, 6, 7, 8). Этот ПДН работает в режиме прямого нагрева как электропроводных, так и неэлектропроводных материалов. В качестве плазмообразующего газа используются парогазообразные продукты протекающих реакций. ПДН располагается по центру печи и обеспечивает наиболее благоприятные термодинамические и кинетические условия ведения технологических процессов, стабильное горение дуг основных электродов, позволяя избежать перекоса фаз, вводить в плавильное пространство пылевидные и порошковообразные шихтовые материалы непосредственно через дуговой разряд. Попадая в зону высоких температур дугового разряда, порошкообразные и пылевидные материалы быстро расплавляются и усваиваются металлическим расплавом, что предотвращает вынос их с отходящими газами. Питание дуги ПДН может осуществляться от стандартных трансформаторов дуговых или рудотермических печей, а также от источников постоянного тока. The most rational seems to be the use in such furnaces created and studied at the Institute of Electric Welding them. E.O. A cartridge of a plasma-arc heater (PDN) of combined action with hollow coaxially arranged graphitized electrodes (4, 5, 6, 7, 8). This PDN operates in direct heating mode of both electrically conductive and non-conductive materials. The vapor-gas-like products of the proceeding reactions are used as the plasma-forming gas. PDN is located in the center of the furnace and provides the most favorable thermodynamic and kinetic conditions for technological processes, stable combustion of the arcs of the main electrodes, avoiding phase imbalance, and introducing dusty and powdery charge materials directly into the melting space through an arc discharge. Once in the high-temperature zone of the arc discharge, powdered and dusty materials are quickly melted and absorbed by the metal melt, which prevents their removal with exhaust gases. The PDN arc can be powered from standard transformers of arc or ore-thermal furnaces, as well as from direct current sources.
Плазменно-дуговой нагреватель развернутого типа (ПДНРТ) постоянного тока представляет собой устройство (фиг. 1), состоящее из центрального полого электрода 2 и коаксиально расположенных по отношению к нему трех или более периферийных полых электродов 4. Между центральным и каждым из наружных электродов горят основные дуги в косвенном режиме при неэлектропроводной шихте и в прямом режиме при электропроводной шихте или металлическом (шлаковом) расплаве. Питание дуг осуществляется от источников 5. Для запуска дуг, горящих между центральным и периферийными электродами, в полости центрального электрода устанавливается стартовый электрод 3. На первой стадии работы печи между стартовым электродом и внутренней стенкой центрального электрода горит вспомогательный дуговой разряд, создавая оптимальные условия для запуска и горения дуг между центральными и периферийными электродами. Питание вспомогательной дуги осуществляется от источника 1. После запуска основных дуг вспомогательная дуга может быть выключена. The expanded-arc plasma-arc heater (PDNRT) of direct current is a device (Fig. 1), consisting of a central
Сущность технологического процесса. The essence of the process.
В известном способе электродугового нагрева и плавления материалов (7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) предусматривается регулирование силы тока электродуги, горящей между электродами и нагреваемыми материалами. При этом шихтовые материалы последовательно подаются в зону электрической дуги. In the known method of electric arc heating and melting of materials (7, 8, 9, 10, 11, 12, 13), the current strength of the electric arc burning between the electrodes and the heated materials is regulated. In this case, charge materials are sequentially fed into the electric arc zone.
Однако известный способ обладает следующими недостатками: даже при небольшом износе электродов нарушается их коаксиальное расположение, т.е. зазор между внутренними и наружными электродами становится в одном месте меньше, а в другом больше. Это приводит к тому, что электродуга горит не равномерно по всей активной поверхности электродов, а только в месте наименьшего зазора между электродами, что обусловливает их повышенную эрозию и, следовательно, загрязнение выплавляемого металла продуктами эрозии электродов. Кроме того, горение дуги в одном месте вызывает перегрев и разбрызгивание ингредиентов сплава и шлака, что также приводит к снижению качества получаемого продукта. По мере нагрева и плавления шихты уровень ее изменяется, причем неравномерно. Это приводит к увеличению расстояния между шихтой и наружным и внутренним электродами. В конечном счете расстояние между наружным и внутренним электродами и нагреваемым материалом достигает значений, превышающих оптимальные, следовательно, электрическая дуга горит между внутренним и каждым из периферийных электродами, активные пятна не располагаются на нагреваемой поверхности, что приводит к резкому снижению эффективности нагрева, уменьшению скорости плавления шихты и производительности процесса в целом. However, the known method has the following disadvantages: even with a small wear of the electrodes, their coaxial arrangement is violated, i.e. the gap between the inner and outer electrodes becomes smaller in one place and more in another. This leads to the fact that the electric arc does not burn evenly over the entire active surface of the electrodes, but only in the place of the smallest gap between the electrodes, which causes their increased erosion and, consequently, contamination of the smelted metal by the products of electrode erosion. In addition, the burning of the arc in one place causes overheating and spraying of the alloy and slag ingredients, which also leads to a decrease in the quality of the resulting product. As the charge is heated and melted, its level changes, moreover, unevenly. This leads to an increase in the distance between the charge and the outer and inner electrodes. Ultimately, the distance between the outer and inner electrodes and the heated material reaches values that are higher than optimal, therefore, the electric arc burns between the inner and each of the peripheral electrodes, active spots are not located on the heated surface, which leads to a sharp decrease in the heating efficiency and a decrease in the melting rate charge and productivity of the process as a whole.
Предлагаемое изобретение дает возможность регулирования нагрева и плавления материалов путем регулирования силы тока каждой электрическими дуги, горящей между внутренним и периферийными электродами, что позволяет повысить качество обработки шихтовых материалов и, следовательно, качество (КПД) нагрева, снизить эрозию электродов. The present invention makes it possible to control the heating and melting of materials by adjusting the current strength of each electric arc burning between the internal and peripheral electrodes, which improves the quality of processing of charge materials and, therefore, the quality (efficiency) of heating, reduce erosion of the electrodes.
В отличие от обычного электродугового нагрева нагрев и плавление шихтовых материалов осуществляются не одной, а несколькими дугами, расположенными равномерно по окружности распада электродов, каждая из которых горит между внутренним и наружным электродом, а сила тока каждой из них регулируется. Этим достигаются повышение качества обработки шихтовых материалов и КПД нагрева, снижение эрозии электродов. Unlike conventional electric arc heating, the heating and melting of charge materials is carried out not by one, but by several arcs located uniformly around the decay circumference of the electrodes, each of which burns between the inner and outer electrodes, and the current strength of each of them is regulated. This is achieved by improving the quality of processing charge materials and heating efficiency, reducing erosion of the electrodes.
Чтобы избежать горения дуги в одном месте, перегрева электрода и нагреваемого материала, вызывающих повышенную эрозию электрода, испарение и разбрызгивание выплавляемого материала, приводящие к снижению эффективности нагрева и силы тока горящих дуг, силу тока каждой электрической дуги регулируют на окружности распада электродов в пределах 300-900 А с частотой от 1•10-2 Гц до 1•10-5 Гц. При этом достигаются
- равномерный нагрев шихтовых материалов, расплавов металла и шлака, что позволяет избежать их перегрева, избирательного испарения ингредиентов, разбрызгивания и, в конечном счете, добиться высокого качества получаемого материала;
- тонкое регулирование температуры нагрева электродов и снижение их эрозии;
- увеличение эффективности теплообмена между электродуговыми разрядами по всей окружности распада периферийных электродов и нагреваемыми материалами.To avoid burning the arc in one place, overheating of the electrode and heated material, causing increased erosion of the electrode, evaporation and spraying of the melted material, leading to a decrease in the heating efficiency and amperage of the burning arcs, the current strength of each electric arc is regulated on the circumference of the electrode decay within 300- 900 A with a frequency from 1 • 10 -2 Hz to 1 • 10 -5 Hz. At the same time,
- uniform heating of charge materials, metal melts and slag, which avoids overheating, selective evaporation of ingredients, spraying and, ultimately, to achieve high quality of the material obtained;
- finely regulating the temperature of heating the electrodes and reducing their erosion;
- an increase in the efficiency of heat exchange between electric arc discharges along the entire circumference of the decay of peripheral electrodes and heated materials.
При силе тока менее 300 А и регулировании частоты тока более 1•10-2 Гц снижается производительность процесса, стабильность горения дуги, устойчивость системы дуга - источник питания.With a current strength of less than 300 A and regulation of the current frequency of more than 1 • 10 -2 Hz, the productivity of the process, the stability of the arc burning, and the stability of the arc system — the power source — decrease.
При силе тока более 900 А возможен перегрев шихты, металлического и шлакового расплавов, увеличение эрозии электродов. With a current strength of more than 900 A, charge, metal and slag melts may overheat, and the erosion of electrodes may increase.
Поддержание силы тока каждой дуги, горящей между внутренним и наружным электродами, в пределах 300-900 А с частотой от 1•10-2Гц до 1•10-5 Гц производится путем регулирования силы тока источников питания.Maintaining the current strength of each arc burning between the internal and external electrodes, within 300-900 A with a frequency of 1 • 10 -2 Hz to 1 • 10 -5 Hz, is carried out by adjusting the current strength of the power sources.
Оптимальные пределы силы тока дуг и частоты регулирования определены экспериментально, т.к. найти их расчетным путем не представляется возможным из-за сложности процессов теплообмена, протекающих на границах электродуга - твердая шихта или расплавы металлов и шлаков - электроды. Сущность настоящего изобретения станет более понятна при рассмотрении примеров их реализации и прилагаемых чертежей. The optimal limits of the arc current and control frequency are determined experimentally, because to find them by calculation is not possible because of the complexity of heat transfer processes occurring at the boundaries of an electric arc — a solid charge or melts of metals and slags — electrodes. The essence of the present invention will become more clear when considering examples of their implementation and the accompanying drawings.
Предлагаемый способ заключается в следующем. The proposed method is as follows.
Нагрев и плавление шихтовых материалов 1 осуществляют в печи (фиг.2), которая представляет собой корпус 2 с крышкой 3, футерованные внутри огнеупорным материалом, и тиглем 4, также из огнеупорного материала. В крышке по оси установлен внутренний полый электрод 5, а коаксиально ему по окружности - полые периферийные электроды 6. Электроды изолированы друг от друга, и от камеры, и от крышки изоляторами 7. Между внутренним электродом и каждым наружным электродом горят дуги 8, каждая из которых питается от отдельного источника постоянного или переменного тока 9. Конструкция источников позволяет регулировать силу тока от нуля до максимального значения. Heating and melting of the
Перед началом процесса на дно тигля засыпается слой коксика, центральный и периферийные электроды опускаются до касания с ним. В пространство между электродами засыпается шихта 1, в полости центрального и периферийных электродов подается газ, включаются источники питания и возбуждаются дуги между центральным электродом и каждым из периферийных электродов по окружности распада. В полости центрального и периферийных электродов подается мелкая или пылевидная шихта. По мере ее плавления образующийся ферросплав 10 скапливается на дне тигля, а на его поверхности располагается расплавленный шлак 11. С повышением уровня расплава центральный и периферийный электроды поднимаются вверх, а новые порции шихты под действием сил гравитации опускаются в зону плавки, нагреваются и плавятся. В процессе плавки измеряются электрические параметры горения дуг, полученный ферросплав подвергается химическому анализу. Before the start of the process, a layer of coke is poured onto the bottom of the crucible, the central and peripheral electrodes are lowered until they touch it. The
Следует отметить, что применение в ПДНРТ полых электродов позволяет осуществить процесс производства ферросплава из исходных материалов (руды, коксика, шлакообразующих, пылевидных и мелких фракций) путем подачи шихты через полость в электроде. В этом случае пылевидные и мелкие частицы шихты, попадая непосредственно в высокотемпературную область (столб дуги), быстро оплавляются и частично переходят в газовую фазу, вступают в восстановительные реакции, образуя готовый ферросплав в виде мелких капель, которые под действием магнитогидродинамических и гравитационных сил попадают в ванну основного расплава и ассимилируются ею. Такой процесс гарантирует высокий коэффициент усвоения шихты. It should be noted that the use of hollow electrodes in PDNRT allows the process of production of ferroalloy from starting materials (ore, coke, slag-forming, dust-like and fine fractions) by feeding the charge through the cavity in the electrode. In this case, the dusty and small particles of the mixture, falling directly into the high-temperature region (arc column), are quickly melted and partially go into the gas phase, enter into reduction reactions, forming a ready-made ferroalloy in the form of small droplets, which fall under the influence of magnetohydrodynamic and gravitational forces into bath of the main melt and assimilated by it. This process guarantees a high coefficient of assimilation of the mixture.
Таким образом, ПДНРТ с полыми электродами обеспечивает комплексную реализацию всех преимуществ регулируемого рассредоточенного плазменного нагрева шихтовых материалов, металла и шлака. Thus, PDNRT with hollow electrodes provides a comprehensive implementation of all the advantages of adjustable dispersed plasma heating of charge materials, metal and slag.
При внедрении в серийное производство на электроферросплавных печах (ЭФСП) плазменно-дуговой нагреватель развернутого типа будет иметь центральный полый графитированный или самоспекающийся электрод и периферийные самоспекающиеся электроды. Как и в ПДН коаксиального типа, в ПДН развернутого типа плазмообразующий газ подают в полости центрального и периферийных электродов, возбуждают вспомогательную и основные дуги, регулируют силу тока основных дуг, подают в зону основных дуг шихтовые материалы и перемещают центральный и периферийные электроды относительно друг друга и нагреваемого материала. Силу тока каждой дуги, горящей между центральным и периферийными электродами, регулируют по ходу плавки в пределах, требуемых технологическим процессом. When introduced into mass production on electroferroalloy furnaces (EFSP), the expanded-type plasma-arc heater will have a central hollow graphite or self-sintering electrode and peripheral self-sintering electrodes. As in coaxial type PDNs, plasma-type gas is used in the expanded PDN type in the cavities of the central and peripheral electrodes, the auxiliary and main arcs are excited, the current of the main arcs is regulated, charge materials are fed into the main arc zone and the central and peripheral electrodes are moved relative to each other and heated material. The current strength of each arc burning between the central and peripheral electrodes is regulated along the course of melting within the limits required by the technological process.
В отличие от процесса нагрева шихты, металла и шлака в ПДН со сплошными электродами при использовании ПДН развернутого типа нагрев и плавление этих материалов осуществляется не одной, а несколькими дугами, расположенными равномерно по окружности распада электродов, каждая из которых горит между центральным и одним из периферийных электродов, а сила тока каждой из них регулируется. Этим достигается повышение качества обработки шихтовых материалов и КПД нагрева, снижение эрозии электродов. In contrast to the process of heating the charge, metal and slag in PDN with solid electrodes when using PDN of expanded type, the heating and melting of these materials is carried out not by one, but by several arcs located uniformly along the circumference of the decay of the electrodes, each of which burns between the central and one of the peripheral electrodes, and the current strength of each of them is regulated. This is achieved by improving the quality of processing charge materials and heating efficiency, reducing erosion of the electrodes.
Чтобы избежать перегрева электродов и нагреваемого материала, вызывающего повышенную эрозию электродов, избирательное испарение и разбрызгивание выплавляемого материала, переход дуги в режим горения над нагреваемым материалом, что приводит к снижению эффективности нагрева, силу тока каждой дуги, горящей между центральным и периферийным электродами, можно регулировать в пределах 300-900 А в зависимости от требований технологического процесса. Благодаря этому достигаются равномерный нагрев шихтовых материалов, расплавов металла и шлака, тонкое регулирование температуры нагрева электродов, снижение их эрозии, увеличение теплообмена между дуговыми разрядами по всей окружности распада периферийных электродов и нагреваемыми материалами, горение дуг в нагреваемом материале, повышение эффективности нагрева. In order to avoid overheating of the electrodes and the heated material, causing increased erosion of the electrodes, selective evaporation and spraying of the melted material, the transition of the arc to the combustion mode over the heated material, which reduces the heating efficiency, the current strength of each arc burning between the central and peripheral electrodes can be adjusted in the range of 300-900 A, depending on the requirements of the process. Due to this, uniform heating of charge materials, metal and slag melts, fine control of the heating temperature of the electrodes, reduction of their erosion, increased heat transfer between arc discharges around the entire circumference of the decay of peripheral electrodes and heated materials, arc burning in the heated material, and increased heating efficiency are achieved.
По нашей оценке плазменное углеродотермическое восстановление в сочетании с использованием ПДНРТ позволит снизить удельный расход электроэнергии на 10-20% (на 500-800 кВт•ч/т), уменьшить колебания напряжения дуг на 25-30%, снизить удельный расход электродов на 1-2 кг/т; сократить общее время плавки на 12-15%; увеличить производительность печей на 17-20%. According to our estimate, plasma carbon-thermal recovery in combination with the use of PDNRT will reduce the specific energy consumption by 10-20% (by 500-800 kW • h / t), reduce the voltage fluctuations of arcs by 25-30%, and reduce the specific consumption of electrodes by 1- 2 kg / t; reduce the total melting time by 12-15%; increase furnace productivity by 17-20%.
Предполагаемый экономический эффект от внедрения плазменной технологии производства ферро- и силикомарганца с использованием в качестве шихтовых добавок некондиционных отходов руды и флюсов составит 40-50 дол. США на тонну марганцевых ферросплавов. The estimated economic effect of introducing a plasma technology for the production of ferro- and silicomanganese using non-standard ore and flux wastes as charge additives will amount to 40-50 dollars. USA per ton of manganese ferroalloys.
Электроферросплавные печи с плазменным нагревом (ЭФСПП), оборудованные плазменно-дуговыми нагревателями развернутого типа, предназначаются для выплавки хромистых и марганцевых ферросплавов в широком диапазоне технологических режимов с использованием отсевов руд мелких фракций в режиме комбинированного нагрева шихтовых материалов, шлакового и металлического расплавов дуговыми разрядами графитированных или самоспекающихся электродов, а также обработки шихтовых материалов и металлического расплава активированными в дуге шлаками и газами. Electroferroplasma furnaces with plasma heating (EFSPP) equipped with plasma-arc heaters of expanded type are intended for smelting chromium and manganese ferroalloys in a wide range of technological modes using screenings of ores of small fractions in the mode of combined heating of charge materials, slag and metal melts with graph arc or self-sintering electrodes, as well as processing charge materials and metal melt, slag activated in an arc and gases.
Создание ЭФСПП позволяет решить задачу технического перевооружения действующих в настоящее время электроферросплавных печей, оснащенных тремя самоспекающимися электродами, в направлении снижения расхода электроэнергии, повышения качества ферросплавов, использования некондиционной шихты, улучшения санитарно-гигиенических условий как непосредственно в рабочей зоне, так и вблизи металлургических цехов и заводов. The creation of EFSPP allows solving the problem of technical re-equipment of currently operating electroferroalloy furnaces equipped with three self-sintering electrodes in the direction of reducing energy consumption, improving the quality of ferroalloys, using substandard charge, improving sanitary conditions both directly in the working area and near metallurgical shops and factories.
На первом этапе работ представляется целесообразным создать пилотные плазменные печи для выплавки ферросплавов на базе существующих рудотермических печей, оборудовав их ПДН развернутого типа с коаксиально расположенными центральным полым самоспекающимся электродом и тремя периферийными самоспекающимися электродами. At the first stage of work, it seems appropriate to create pilot plasma furnaces for smelting ferroalloys on the basis of existing ore-thermal furnaces, equipping them with expanded type PDNs with a coaxially located central hollow self-sintering electrode and three peripheral self-sintering electrodes.
При питании ПДНРТ по схеме, представленной на фиг. 3, независимые дуги постоянного тока будут гореть между центральным и каждым из периферийных электродов, создавая оптимальные условия для стабильного горения дуг переменного тока. Дуговые разряды переменного тока будут гореть непосредственно между периферийными электродами по цепи "первый периферийный электрод - центральный электрод - второй периферийный электрод" и т.д. в последовательности расположения периферийных электродов по окружности распада. При этом будет достигнут равномерный обогрев шихты, шлакового и металлического расплавов по всему объему плавильной зоны, что обеспечит оптимальные условия протекания в ней металлургических реакций. When powered, PDNRT according to the circuit shown in FIG. 3, independent DC arcs will burn between the central and each of the peripheral electrodes, creating optimal conditions for stable burning of AC arcs. AC discharges will burn directly between the peripheral electrodes along the circuit "first peripheral electrode - central electrode - second peripheral electrode", etc. in the sequence of arrangement of peripheral electrodes around the decay circumference. In this case, uniform heating of the charge, slag and metal melts throughout the entire volume of the melting zone will be achieved, which will provide optimal conditions for metallurgical reactions in it.
На таких установках можно опробовать и отработать конструктивные элементы ПДН развернутого типа применительно к условиям выплавки хромистых и марганцевых ферросплавов в плазменных рудотермических печах, высокоэффективные схемы электрического питания ПДН переменным или постоянным током, провести серию опытов по уточнению технико-экономических показателей их работы в технических режимах при следующих процессах: 1) производство марганцевых и хромистых ферросплавов, в том числе из отходов, образующихся при разливке и в результате дробления ферросплавов; 2) производство марганцевых и хромистых ферросплавов из порошкообразных, пылевых фракций руд, флюсов и остатков пыли на производственных фильтрах; 3) производство азотированных из газовой фазы хромистых и марганцевых ферросплавов; 4) плазменно-шлаковое рафинирование электролитического марганца до содержания в нем серы не более 0,005% и водорода не более 10 см3/100 г.At such facilities, it is possible to test and develop the structural elements of PDN of an expanded type in relation to the conditions of smelting of chromium and manganese ferroalloys in plasma ore-thermal furnaces, highly efficient electric power schemes of PDN by alternating or direct current, to conduct a series of experiments to refine the technical and economic indicators of their operation in technical conditions at the following processes: 1) production of manganese and chromium ferroalloys, including from waste generated during casting and as a result of shots eniya ferroalloys; 2) production of manganese and chromium ferroalloys from powdery, dusty fractions of ores, fluxes and dust residues on industrial filters; 3) production of chromium and manganese ferroalloys nitrided from the gas phase; 4) plasma-slag refining electrolytic manganese to sulfur content therein is not more than 0.005% of hydrogen and not more than 10 cm 3/100 g
На фиг.3 показано, как печь РКО ФМ 5-И1 можно преобразовать для работы в режиме ПДН развернутого типа. Принципиальная электрическая схема предполагает питание трех дуг периферийных электродов от серийного печного трехфазного трансформатора 8 при соединении его вторичных обмоток по схеме "треугольник". Питание дуг, горящих между центральным 7 и периферийным электродами 4, предполагается осуществлять от источников постоянного тока 2, 5, 6. Для возбуждения дуг между электродами при наличии неэлектропроводной шихты возможно использование стартового электрода 3 и вспомогательной дуги, горящей внутри центрального полого электрода 3 и питаемой от источника 1. Figure 3 shows how the RKO FM 5-I1 furnace can be converted to operate in PDN mode of expanded type. Schematic diagram of the electrical circuit involves the supply of three arcs of peripheral electrodes from a serial furnace three-
Для проверки перечисленных выше преимуществ ПДНРТ и исследования основных его электрических и энергетических параметров создана пилотная установка (фиг. 4). Она включает в себя огнеупорный тигель 8 с расположенным над ним ПДНРТ, состоящим из полого центрального электрода 9 и трех периферийных полых электродов 10. Электроды и ПДНРТ в целом могут перемещаться вдоль вертикальной оси механизмом вверх и вниз, что обеспечивает регулирование длины дуг. В полости 2 центрального и периферийных электродов подаются плазмообразующий газ (азот) и пылевидные или мелкие фракции шихтовых материалов. To verify the above advantages of PDNRT and study its main electrical and energy parameters, a pilot installation was created (Fig. 4). It includes a
В верхней части ПДНРТ размещается теплоизолирующий экран 3 из неэлектропроводного материала. Часть экспериментов по исследованию параметров ПДНРТ проводилась без подачи в полости электродов азота. Электрические и тепловые параметры ПДНРТ и процесса в целом исследовались при выплавке ферромарганца из шихты 4, состоящей из марганцевой руды, железной стружки и коксика в соотношении 27,36:0,84:5,16. Перед началом процесса на дно тигля засыпался слой коксика, центральный и периферийный электроды опускались до касания с ним. В пространство между электродами засыпалась шихта крупных фракций. В полость центрального электрода подавался азот (2=3 л/мин), включались источники питания и возбуждались дуги между центральным электродом и каждым из периферийных. Затем регулировалась сила тока каждой из дуг. Напряжение дуг регулировалось изменением расстояния от торца электрода до поверхности шлакового 6 или металлического 7 расплавов. В процессе плавки в полость электродов подавались шихтовые материалы пылевидных и мелких фракций. In the upper part of the PDNRT is a heat-insulating
Электрические схемы питания ПДНРТ постоянным и переменным током представлены на фиг. 5 и 6. Они не отличаются от рассмотренных ранее и не требуют пояснений. Следует заметить, что источники как постоянного, так и переменного тока имели падающую внешнюю вольт-амперную характеристику (ВАХ), а динамическое их сопротивление составляло 0,02-0,05 Ом. The electric circuits for supplying PDNRT with direct and alternating current are presented in FIG. 5 and 6. They do not differ from those considered previously and do not require explanation. It should be noted that both direct and alternating current sources had a falling external volt-ampere characteristic (CVC), and their dynamic resistance was 0.02-0.05 Ohm.
Для сравнения эффективности процесса выплавки ферросплавов с применением ПДНРТ на экспериментальной установке при идентичных условиях, но без центрального электрода выплавлялся ферромарганец по традиционной схеме питания электродов в рудотермической печи. To compare the efficiency of the process of smelting ferroalloys using PDNRT in an experimental setup under identical conditions, but without a central electrode, ferromanganese was smelted according to the traditional scheme of feeding electrodes in an ore-thermal furnace.
Вольт-амперные характеристики электрических дуг ПДНРТ при работе на постоянном и переменном токе (фиг.7, 8) возрастающие. Наклон ВАХ колеблется от (1,10-1,33)•102 В/А при работе дуг в горячем окружении (в условиях установившегося режима нагрева и плавления шихты, наличия расплавленного слоя шлака и образовавшейся ванны ферромарганца) до 3,2-10-2 В/А в начальный период, когда шихтовые материалы еще не расплавились и не образовались расплавы шлака и ферромарганца (холодное окружение).The current-voltage characteristics of electric arcs PDNRT when working on direct and alternating current (Fig.7, 8) are increasing. The slope of the I – V characteristic varies from (1.10-1.33) • 10 2 V / A when the arcs are operated in a hot environment (under the conditions of a steady state heating and melting of the mixture, the presence of a molten slag layer and the resulting ferromanganese bath) to 3.2-10 -2 V / A in the initial period when the charge materials have not yet melted and molten slag and ferromanganese have not formed (cold surroundings).
Градиент напряжения электрических дуг в режиме запуска (холодное окружение) достигает 6,5 В /см и снижается до 2,8 В/см при установившемся режиме плавки. The voltage gradient of electric arcs in start-up mode (cold surroundings) reaches 6.5 V / cm and decreases to 2.8 V / cm with a steady melting mode.
Дуговые разряды ПДНРТ постоянного тока горят между центральным и каждым из периферийных электродов. При этом достигаются большая площадь нагрева шихтовых материалов, шлакового и металлического расплавов и оптимальные термодинамические и кинетические условия протекания реакций восстановления оксидов марганца, повышение степени извлечения марганца (таблица 1). Напряжение дуг между центральным и каждым из периферийных электродов составляет примерно половину напряжения между периферийными электродами. Arc discharges PDNRT DC burn between the central and each of the peripheral electrodes. This achieves a large heating area of charge materials, slag and metal melts and optimal thermodynamic and kinetic conditions for the reactions of reduction of manganese oxides, increasing the degree of extraction of manganese (table 1). The voltage of the arcs between the central and each of the peripheral electrodes is approximately half the voltage between the peripheral electrodes.
При работе на переменном токе и питании дуг как по схеме "звезда с нулевым проводом на центральном электроде", так и по схеме "звезда без нулевого провода на центральном электроде" дуги горели между центральным и периферийными электродами, причем, как и в случае постоянного тока, напряжение между периферийными электродами составляло примерно сумму напряжений между центральным и периферийными электродами. Во всех экспериментах сила тока в нулевом проводе была близка к нулю, что свидетельствует о малом разбалансе силы тока и напряжения дуг ПДНРТ и стабильном горении электрических дуг как на расплавленный слой шлака, ферромарганца, так и на твердую неэлектропроводную шихту, состоящую из смеси СаО и MgO в соотношении 1:1. When working on alternating current and powering the arcs, both according to the "star with a zero wire on the central electrode" scheme and the "star without a neutral wire on the central electrode" circuit, the arcs burned between the central and peripheral electrodes, moreover, as in the case of direct current , the voltage between the peripheral electrodes was approximately the sum of the voltages between the central and peripheral electrodes. In all experiments, the current strength in the neutral wire was close to zero, which indicates a small imbalance in the current strength and voltage of the PDNRT arcs and stable burning of electric arcs both on the molten slag layer, ferromanganese, and on a solid non-conductive charge, consisting of a mixture of CaO and MgO in a ratio of 1: 1.
Данные экспериментов по выплавке высокоуглеродистого ферромарганца по традиционной схеме в ЭФСП с тремя электродами и при использовании в качестве источника теплоты ПДНРТ представлены в таблице 2. Выплавка проводилась при номинальных значениях активной удельной мощности на поверхности пода 459 кВт/м2, и удельной мощности на площади распада электродов 1850 кВт/м2, и при общей активной мощности 90 кВт. В процессе плавок количество пылевидной шихты и шихты мелких фракций, подаваемой в полые электроды, составляло от 50 до 100% общей массы шихты, подаваемой в пространство между электродами.The data of experiments on the smelting of high-carbon ferromanganese according to the traditional scheme in EFSP with three electrodes and using PDNRT as a heat source are presented in Table 2. The smelting was carried out at nominal values of active specific power on the hearth surface of 459 kW / m 2 , and specific power on the decay area electrodes 1850 kW / m 2 , and with a total active power of 90 kW. In the process of melting, the amount of pulverized charge and charge of small fractions supplied to the hollow electrodes was from 50 to 100% of the total mass of the charge fed into the space between the electrodes.
Как видно из представленных данных, наименьшие затраты энергии на производство ферросплава, максимальная производительность плавки, минимальные потери марганца и эрозия электродов при одной и той же суммарной силе тока электрических дуг 1800 А и активной мощности 90 кВт достигается при использовании ПДНРТ. As can be seen from the data presented, the lowest energy consumption for the production of a ferroalloy, the maximum smelting performance, the minimum loss of manganese and erosion of the electrodes with the same total amperage of electric arcs of 1800 A and active power of 90 kW is achieved using PDNRT.
Предложенный способ нагрева и плавления материалов в ПДНРТ может быть применен в металлургии для выплавки сталей, сплавов и ферросплавов, а также извлечения металлов из промышленных отходов путем их переплава. The proposed method for heating and melting materials in PDNRT can be used in metallurgy for the smelting of steels, alloys and ferroalloys, as well as the extraction of metals from industrial waste by remelting them.
Предложенная новая схема плазменно-дугового нагревателя развернутого типа с центральным полым и расположенными равномерно по окружности распада периферийными электродами обеспечивает оптимальные термодинамические и кинетические условия получения ферросплавов. The proposed new scheme of a plasma-arc heater of a deployed type with a central hollow and peripheral electrodes arranged uniformly around the decay circumference provides optimal thermodynamic and kinetic conditions for producing ferroalloys.
Применение ПДНРТ в металлургической технологии позволяет производить переработку шихты мелких и пылевидных фракций и выплавку ферросплавов высокого качества. The use of PDNRT in metallurgical technology allows the processing of a mixture of fine and pulverulent fractions and the smelting of high quality ferroalloys.
Использование ПДНРТ в процессах выплавки ферросплавов обеспечивает снижение удельного расхода электроэнергии на 15-20% (на 800-950 кВт•ч/т) и повышение производительности плавки на 17-20%. The use of PDNRT in the processes of smelting ferroalloys provides a reduction in specific energy consumption by 15-20% (800-950 kWh / t) and an increase in smelting performance by 17-20%.
Применение ПДНРТ обеспечивает повышение степени усвоения марганца на 3-5%, снижение содержания фосфора и серы в 8-10 раз. The use of PDNRT provides an increase in the degree of assimilation of manganese by 3-5%, a decrease in the content of phosphorus and sulfur by 8-10 times.
Литература
1. Никольский Л.Е., Смоляренко В.Д., Кузнецов Л.Н. Тепловая работа дуговых сталеплавильных печей. - М.: Энергия, 1981. - 320 с.Literature
1. Nikolsky L.E., Smolyarenko V.D., Kuznetsov L.N. Thermal performance of electric arc furnaces. - M .: Energy, 1981. - 320 p.
2. Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. - М.: Металлургия. 1988. - 784 с. 2. Gasik M.I., Lyakishev N.P., Emlin B.I. Theory and technology for the production of ferroalloys. - M.: Metallurgy. 1988 .-- 784 p.
3. Егоров А.В. Расчет мощности и параметров электропечей черной металлургии. - М.: Металлургия, 1990. - 280 с. 3. Egorov A.V. Calculation of power and parameters of electric furnaces of ferrous metallurgy. - M.: Metallurgy, 1990. - 280 p.
4. Жуков М.Ф., Смеляков В.Я., Урюков Б.А. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). - М.: Наука, 1973. - 232с. 4. Zhukov M.F., Smelyakov V.Ya., Uryukov B.A. Electric arc gas heaters (plasmatrons). - M .: Nauka, 1973.- 232s.
5. Приэлектродные процессы в дуговых разрядах /М.Ф. Жуков, П.П. Козлов. А.Ф. Пустогаров и др. - Новосибирск: Наука, 1982. - 158 с. 5. Near-electrode processes in arc discharges / M.F. Zhukov, P.P. Kozlov. A.F. Pustogarov et al. - Novosibirsk: Nauka, 1982. - 158 p.
6. Коротеев А.С. Электродуговые плазмотроны. - М.: Машиностроение, 1980. - 164 с. 6. Koroteev A.S. Arc plasma torches. - M.: Mechanical Engineering, 1980 .-- 164 p.
7. Краснов А.Н., Зильберберг В.Г., Шаривкер С.Ю. Низкотемпературная плазма в металлургии - М.: Металлургия. 1970. - 215 с. 7. Krasnov A.N., Zilberberg V.G., Sharivker S.Yu. Low-temperature plasma in metallurgy - M.: Metallurgy. 1970 .-- 215 p.
8. Донской А.В., Клубникин В.С. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. - Л.: Машиностроение, 1979. - 221 с. 8. Donskoy A.V., Klubnikin V.S. Electroplasma processes and installations in mechanical engineering. - L .: Engineering, 1979. - 221 p.
9. Development of 3-phase a-d plasma furnaces of Krupp / D. Neuschuts, H. - O. Rossner, H.S. Bebber. S. Hartvig // Iron and Steel Engineer. - 1985. May. - P.27-33. 9. Development of 3-phase a-d plasma furnaces of Krupp / D. Neuschuts, H. - O. Rossner, H.S. Bebber S. Hartvig // Iron and Steel Engineer. - 1985. May. - P.27-33.
10. Трехфазные плазменные нагревательные комплексы и перспективы их применения. Сообщения 1, 2 /Б.Е.Патон, Ю.В.Латаш, О.С.Забарило и др. // Пробл. спец. электрометаллургии, - 1985. - 1. - С.50-55; 2. - С.53-57. 10. Three-phase plasma heating complexes and prospects for their application.
11. Перспективы использования плазменных источников теплоты в агрегатах внепечной обработки стали. Сообщения 1, 2 /Г.А.Мельник, О.С.Забарило, А.А. Ждановский и др. // Пробл. спец. электрометаллургии. - 1991. - 2. - С.60-66; 3. - С.86-92. 11. Prospects for the use of plasma heat sources in units of out-of-furnace steel processing.
12. Электрические и тепловые параметры плазменно-дугового нагрева объектов комбинированной дугой /Ю.В.Латаш, О.С.Забарило, С.А.Донской и др. // Там же. - 1992. - 2. - С.71-78. (прототип). 12. Electrical and thermal parameters of plasma-arc heating of objects with a combined arc / Yu.V. Latash, O.S. Zabarilo, S. A. Donskoy, etc. // Ibid. - 1992. - 2. - P.71-78. (prototype).
13. Plasma heating for ladle treatment furnaces /J.F. Oliver, S.M. Stefanik, F.L. Kemeny // Iron and Steelmaker. - 1989. July. - P.17-22. 13. Plasma heating for ladle treatment furnaces /J.F. Oliver, S.M. Stefanik, F.L. Kemeny // Iron and Steelmaker. - 1989. July. - P.17-22.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001119080/02A RU2182185C1 (en) | 2001-07-11 | 2001-07-11 | Method for plasma heating of charge at ferroalloy production |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001119080/02A RU2182185C1 (en) | 2001-07-11 | 2001-07-11 | Method for plasma heating of charge at ferroalloy production |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2182185C1 true RU2182185C1 (en) | 2002-05-10 |
Family
ID=20251573
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001119080/02A RU2182185C1 (en) | 2001-07-11 | 2001-07-11 | Method for plasma heating of charge at ferroalloy production |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2182185C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2518822C1 (en) * | 2011-06-10 | 2014-06-10 | ГЛОУБАЛ МЕТАЛ ТЕКНОЛОДЖИЗ ЭлЭлСи. | System and method for ore body thermal processing |
| RU2585897C1 (en) * | 2015-02-03 | 2016-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный технический университет" | Plasma-arc steel melting furnace |
-
2001
- 2001-07-11 RU RU2001119080/02A patent/RU2182185C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| ЛАТАШ Ю.В. и др. Электрические и тепловые параметры плазменно-дугового нагрева объектов комбинированной дугой. Проблемы специальной электрометаллургии. - М.: Металлургия, 1992, № 2, с.71-78. * |
| Процесс получения чугуна с использованием плазмы (по материалам журналов: "Steel Times", v. 210, № 2, 1982, "Stahl und Eisen", № 14, 1981), сборник "Экспресс информация". - М.: ЦНИИТЭНТЯЖМАШ, июнь, 1982, с.1-4. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2518822C1 (en) * | 2011-06-10 | 2014-06-10 | ГЛОУБАЛ МЕТАЛ ТЕКНОЛОДЖИЗ ЭлЭлСи. | System and method for ore body thermal processing |
| RU2585897C1 (en) * | 2015-02-03 | 2016-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный технический университет" | Plasma-arc steel melting furnace |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU2005263122B2 (en) | Process and equipment for the treatment of loads or residues of non-ferrous metals and their alloys | |
| US5882374A (en) | Process for producing foundry iron with an insulated electrode | |
| Knight et al. | Application of plasma arc melting technology to processing of reactive metals | |
| Jones | DC arc furnaces—past, present, and future | |
| Mac Rae | Plasma arc process systems, reactors, and applications | |
| CA2276151A1 (en) | Electric furnace with insulated electrodes and process for producing molten metals | |
| RU2296165C2 (en) | Metal direct reduction method from dispersed raw ore material and apparatus for performing the same | |
| Jalilova et al. | Energy efficiency of energy-intensive productions and technologies | |
| RU2182185C1 (en) | Method for plasma heating of charge at ferroalloy production | |
| US3615349A (en) | Production of alloys of iron | |
| Mandal et al. | Design, fabrication, and characterization of an indigenously fabricated prototype transferred arc plasma furnace | |
| RU2293268C1 (en) | Method of electric melting in ac arc furnace | |
| RU2731947C1 (en) | Furnace device for metal production process | |
| RU2190034C2 (en) | Method of smelting alloys from oxide-containing materials | |
| Boulos et al. | High-Power Plasma Torches and Transferred Arcs | |
| Knight et al. | Arc characteristics in small-scale DC plasma arc furnaces using graphite cathodes | |
| CN214199712U (en) | Plasma torch burner | |
| JPH0361318B2 (en) | ||
| US4540433A (en) | Treatment of ferromanganese | |
| MacRae | Plasma reactors for process metallurgy applications | |
| UA61183A (en) | Method for arc melting and heating of materials | |
| RU2135614C1 (en) | Method of oxidized polymetallic raw materials processing | |
| Barber et al. | Electroheat: electric power for industrial heating processes | |
| JP2747983B2 (en) | Method and apparatus for melting municipal solid waste incineration ash | |
| US862996A (en) | Process of reducing compounds and producing low-carbon ferro alloys. |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050712 |