RU2315813C1 - Plasma furnace used for the direct reduction of the metals - Google Patents

Plasma furnace used for the direct reduction of the metals Download PDF

Info

Publication number
RU2315813C1
RU2315813C1 RU2006111365/02A RU2006111365A RU2315813C1 RU 2315813 C1 RU2315813 C1 RU 2315813C1 RU 2006111365/02 A RU2006111365/02 A RU 2006111365/02A RU 2006111365 A RU2006111365 A RU 2006111365A RU 2315813 C1 RU2315813 C1 RU 2315813C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cathode
plasma
plasma furnace
arc
furnace according
Prior art date
Application number
RU2006111365/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Анатольевич Леонтьев
Георгий Васильевич Лысов
Юрий Дмитриевич Степанов
Виталий Викторович Черномырдин
Андрей Станиславович Клямко
Original Assignee
Ооо "Твинн"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ооо "Твинн" filed Critical Ооо "Твинн"
Priority to RU2006111365/02A priority Critical patent/RU2315813C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2315813C1 publication Critical patent/RU2315813C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Furnace Details (AREA)

Abstract

FIELD: cokingless metallurgy; other industries; methods of production of the blanks by reduction of the metals oxides out of the metal-containing oxide raw in the plasma-chemical reactors.
SUBSTANCE: the invention is pertaining to the field of the coke metallurgy, in particular, to production of the blanks by reduction of the metals oxides out of the metal-containing oxide raw in the plasma-chemical reactors. In the plasma furnace the electrodes are the hollow cathode mounted on the central axis with the capability of movement, and the anode associated with the device of collection, and the magnetic field in the volume of the process chamber is formed by the magnetic system. The furnace is supplied with the means of feeding of the SHF-energy in the process chamber. The fusion mixture input device is made in the form of the being cooled internal electroconductive pipe located in the cathode cavity with a spacing and isolated from it electrically. The device of feeding of the SHF energy is made in the form of the coaxially- waveguide adaptor consisting of the rectangular waveguide, which axis and the wide wall are perpendicular to the axis of the device, and the cathode with the external tube forming the coaxial line. The external tube is located on the cover of the process chamber outside the cathode with the spacing and isolated from it electrically. At that in this spacing there is the swirler of the gas stream and in one of the walls of the waveguide there is the mounted fitting pipe for inlet of the reducing gas, and the magnet system is mounted round the external tube. The internal pipe is the second anode. In the conditions of maintaining the SHF discharge under the butt of the cathode and in the spacing between it and the internal tube in the strong axial magnetic field the electric arc excited in this spacing exits from the spacing, moves along the butt of the cathode and heats up it uniformly along the whole surface. It easies the start of the main arc, allows to maintain the diffuse nature of the arc and to ensure the decrease of erosion of the cathode and the increase of the device productivity due to the increased operational periods between the periods of the cathode replacement or the procedures of its building up.
EFFECT: the invention ensures the easy start of the main arc, maintaining the diffuse nature of the arc, the decreased erosion of the cathode, the increased productivity of the device.
9 cl, 2 dwg

Description

Область техники.The field of technology.

Изобретение относится к бескоксовой металлургии, в частности к производству заготовок посредством восстановления оксидов металлов из металлосодержащего оксидного сырья, такого как дисперсные руды, рудные концентраты, металлсодержащие оксидные отходы и частично восстановленные руды, газообразными и дисперсными восстановителями в плазмохимических реакторах, основная доля энергии в которые вводится с помощью дугового разряда.The invention relates to non-coke metallurgy, in particular to the production of billets by reducing metal oxides from metal-containing oxide raw materials, such as dispersed ores, ore concentrates, metal-containing oxide wastes and partially reduced ores, by gaseous and dispersed reducing agents in plasma-chemical reactors, the bulk of the energy of which is introduced using an arc discharge.

Уровень техники.The level of technology.

Устройства для прямого восстановления металлов на основе дуговых разрядов описаны в известной технической литературе ("Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева". /Под ред. Свенчанского А.Д. - М. Энергоиздат, 1981 г., с.251, 247). Обычно устройство содержит ванну расплава со средствами сбора металла и шлака, средства подачи исходного сырья и плазмообразующего газа, соленоид и расположенный на центральной оси рабочий электрод, выполненный из графита или вольфрама. В ряде случаев через полость рабочего электрода, установленного обычно в верхней части устройства, подают исходный материал и плазмообразующий газ и он является катодом дугового плазмотрона, роль анода выполняет ванна расплава металла, находящаяся на поде печи.Devices for direct reduction of metals based on arc discharges are described in the well-known technical literature ("Industrial electric furnaces. Arc furnaces and special heating installations." / Ed. Svenchansky AD - M. Energoizdat, 1981, p. 251, 247). Typically, the device comprises a molten bath with metal and slag collection means, feed means for supplying raw materials and a plasma-forming gas, a solenoid and a working electrode located on the central axis made of graphite or tungsten. In some cases, the source material and plasma-forming gas are supplied through the cavity of the working electrode, which is usually installed in the upper part of the device, and it is the cathode of the arc plasmatron; the molten metal bath located on the bottom of the furnace plays the role of the anode.

Общим недостатком этих устройств является наличие расходуемого электрода - катода, что требует остановки процесса для замены катода. Даже в том случае, когда электрод не заменяют, а наращивают и перемещают в рабочую зону посредством предусмотренных для этого устройств (патенты РФ №№1781306 и 2007463), технологический процесс остается прерывистым из-за необходимости отсоединения от центрального электрода - катода средств подачи рудного сырья на время установки резервного электрода и очистки элементов устройства, а конечный материал загрязняется продуктами эрозии катода. Кроме того, практически невозможно обеспечить стабильно равномерное пребывание обрабатываемого материала в дуговой области из-за значительного размера зеркала ванны расплава и хаотического перемещения по рабочей поверхности электрода контрагированного дугового пятна вследствие относительно низкой температуры торца катода. При этом велики затраты энергии на нагрев газовой среды, значительная часть энергии которой безвозвратно теряется, несмотря на попытки ее повторного использования ("Развитие бескоксовой металлургии". /Под ред. Тулина Н.А., Майера К. - М.: Металлургия, 1987 г., пат России №2037524).A common drawback of these devices is the presence of a consumable electrode - a cathode, which requires a process stop to replace the cathode. Even in the case when the electrode is not replaced, but is increased and moved to the working area by means of the devices provided for this (RF patents Nos. 1781306 and 2007463), the process remains intermittent due to the need to disconnect the ore feed means from the central electrode - the cathode at the time of installation of the backup electrode and cleaning of the elements of the device, and the final material is contaminated by cathode erosion products. In addition, it is practically impossible to ensure a stably uniform stay of the processed material in the arc region due to the significant size of the molten bath mirror and random movement along the working surface of the electrode of the contracted arc spot due to the relatively low temperature of the end of the cathode. At the same time, energy costs are high for heating the gaseous medium, a significant part of the energy of which is irretrievably lost, despite attempts to reuse it ("Development of Coxless Metallurgy". / Ed. By N. Tulin, K. Mayer - M .: Metallurgy, 1987 g., Pat of Russia No. 2037524).

Замена в устройстве сбора металла графитовой или керамической ванны с подовым электродом на металлический охлаждаемый кристаллизатор (Пат. Великобритании №1054162) устраняет загрязнение металла материалом подового электрода, но не решает проблемы загрязнения и повышенного расхода центрального электрода - катода.Replacing a graphite or ceramic bath with a bottom electrode in a metal collecting device with a metal cooled crystallizer (US Pat. No. UK 1,554162) eliminates metal contamination with the bottom electrode material, but does not solve the problem of pollution and increased consumption of the central electrode — the cathode.

В самых различных плазменных технологиях, основанных на реализации неравновесных эффектов, объемности разряда и управляемости основными плазменными характеристиками в отсутствие расходуемых в технологическом процессе электродов может быть полезно использована СВЧ-плазма (напр. Пат РФ №№1602376, 2149521, 2225684). Недостатки устройств, основанных на СВЧ плазмохимических технологиях, связаны с низкой производительностью оборудования вследствие малости вводимой в разряд энергии.In a wide variety of plasma technologies based on the implementation of nonequilibrium effects, discharge volume and controllability of the main plasma characteristics in the absence of electrodes consumed in the technological process, microwave plasma can be used (e.g. Pat. RF No. 1602376, 2149521, 2225684). The disadvantages of devices based on microwave plasma-chemical technologies are associated with low productivity of the equipment due to the small amount of energy introduced into the discharge.

Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является плазменная печь для прямого восстановления металлов, содержащая охлаждаемую рабочую камеру с крышкой и устройством сбора готового продукта, питатель шихты, устройство ввода шихты и средство ввода восстановительного газа в рабочую камеру, полый катод, установленный на центральной оси с возможностью перемещения, причем анод совмещен с устройством сбора, и магнитную систему (пат. РФ №2007463).The closest prototype of the invention is a plasma furnace for direct reduction of metals, containing a cooled working chamber with a lid and a device for collecting the finished product, a charge feeder, a charge input device and means for introducing reducing gas into the working chamber, a hollow cathode mounted on a central axis with the possibility of movement, moreover, the anode is combined with a collecting device, and a magnetic system (US Pat. RF No. 2007463).

В этом устройстве шихту и восстановительный газ вводят через полость катода; при этом износ катода (обычно - графитового) определяется в основном двумя факторами: химическим - вследствие частичного восстановления руды за счет материала электрода и тепловым - за счет испарения материала катода вследствие его неравномерного нагрева ионным током дуги на катод. Одновременно имеет место процесс сужения полости катода вследствие осаждения на нем углерода, образовавшегося в результате пиролиза при использовании в качестве восстановительного газа углеводородов. На начальной стадии периода расплавления, когда дуга горит на холодный металл, возникают частые обрывы дуг (А.В.Смирнов. Управление перемещением электродов в дуговой печи в экстремальных ситуациях. Электрометаллургия, 2001, №6, с.21).In this device, the mixture and the reducing gas are introduced through the cavity of the cathode; the wear of the cathode (usually graphite) is mainly determined by two factors: chemical - due to partial ore reduction due to the electrode material and thermal - due to the evaporation of the cathode material due to its uneven heating by the ion current of the arc to the cathode. At the same time, there is a process of narrowing of the cathode cavity due to the deposition of carbon on it, formed as a result of pyrolysis when using hydrocarbons as the reducing gas. At the initial stage of the melting period, when the arc burns onto cold metal, frequent arc breaks occur (A.V. Smirnov. Controlling the movement of electrodes in an arc furnace in extreme situations. Electrometallurgy, 2001, No. 6, p.21).

Сущность изобретения.SUMMARY OF THE INVENTION

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в увеличении производительности печи, снижении себестоимости продукции и повышении стабильности работы печи.The technical problem solved by the proposed device is to increase the productivity of the furnace, reducing the cost of production and increasing the stability of the furnace.

Технический результат заключается в снижении эрозии катода и облегчении режима запуска.The technical result consists in reducing the erosion of the cathode and facilitating the launch mode.

Указанный результат достигается благодаря тому, что в печь введено средство подачи СВЧ-энергии в рабочую камеру и устройство ввода шихты выполнено в виде охлаждаемой внутренней электропроводной трубы, размещенной в полости катода с зазором и изолированной от него электрически.This result is achieved due to the fact that the means for supplying microwave energy to the working chamber is introduced into the furnace and the charge input device is made in the form of a cooled internal electrically conductive tube placed in the cathode cavity with a gap and electrically isolated from it.

При этом средство ввода СВЧ-энергии выполнено в виде коаксиально - волноводного перехода, состоящего из прямоугольного волновода, ось и широкая стенка которого перпендикулярны оси устройства, и внешней трубы, размещенной на крышке рабочей камеры снаружи катода с зазором и изолированной от него электрически, причем в этом зазоре установлен завихритель газового потока, магнитная система - вокруг внешней трубы и в одной из стенок волновода размещен патрубок ввода восстановительного газа. Катод и внешняя труба образуют коаксиальную линию.In this case, the microwave energy input means is made in the form of a coaxial waveguide transition, consisting of a rectangular waveguide, the axis and wide wall of which are perpendicular to the axis of the device, and an external tube placed on the lid of the working chamber outside the cathode with a gap and electrically isolated from it, and a gas flow swirl is installed in this gap, the magnetic system is around the outer pipe and a reducing gas inlet pipe is placed in one of the walls of the waveguide. The cathode and outer tube form a coaxial line.

Кроме того, в зазоре между катодом и внутренней трубой введены диэлектрические крепежные кольца, на коаксиально - волноводном переходе установлен СВЧ-дроссель, отделенный от центрального электрода диэлектрическим изолятором, внутренняя труба является дополнительным (вторым) анодом, питатель шихты подключен к внутренней трубе через изолятор, вокруг устройства сбора продукта установлена дополнительная магнитная система, в боковой стенке рабочей камеры установлено устройство инициирования СВЧ-разряда, печь снабжена устройством наращивания и/или перемещения катода, а нижний конец внутренней трубы заглублен относительно нижнего торца катода.In addition, dielectric fastening rings are introduced in the gap between the cathode and the inner tube, a microwave choke is installed on the coaxial waveguide junction, which is separated from the central electrode by a dielectric insulator, the inner tube is an additional (second) anode, the charge feeder is connected to the inner tube through an insulator, an additional magnetic system is installed around the product collection device, a microwave discharge initiating device is installed in the side wall of the working chamber, the furnace is equipped with an extension device anija and / or moving the cathode, and the lower end of the inner tube is recessed from the lower face of the cathode.

Выполненные нами теоретические и экспериментальные исследования показали, что в условиях поддержания СВЧ-разряда под торцом катода и в зазоре между ним и внутренней трубой - вторым анодом в сильном осевом магнитном поле электрическая дуга, возбужденная в этом зазоре, выходит из этого зазора и движется по торцу катода. В результате торец катода разогревается, не наблюдается явно выраженной привязки дуги и обеспечивается диффузный режим горения дуги.Our theoretical and experimental studies have shown that under conditions of maintaining a microwave discharge under the end of the cathode and in the gap between it and the inner tube — the second anode in a strong axial magnetic field, the electric arc excited in this gap leaves this gap and moves along the end cathode. As a result, the end of the cathode warms up, no pronounced arc binding is observed, and a diffuse mode of arc burning is ensured.

Используемые термины.Terms used.

Плазменная печь - устройство, содержащее два или более электродов, между которыми в среде плазмообразующего газа возбуждают электрический разряд, управляемый газо- или магнитодинамическими методами, плазму которого используют для нагрева газа, плавления и восстановления рудного сырья.Plasma furnace - a device containing two or more electrodes between which an electric discharge is excited in a plasma-forming gas medium, controlled by gas or magnetodynamic methods, the plasma of which is used to heat the gas, melt and recover ore materials.

Питатель - устройство, обычно содержащее бункер с исходным рудным сырьем и средство его подачи с заданной скоростью.Feeder - a device, usually containing a bunker with the original ore raw materials and means for feeding it at a given speed.

Устройство сбора готового продукта - устройство, выполняемое обычно в виде подины или кристаллизатора.The device for collecting the finished product - a device that is usually made in the form of a hearth or mold.

Подина - обычно охлаждаемый металлический ковш, содержащий защитную керамическую футеровку, отверстия для выпуска металла и шлака; между футеровкой и металлом ковша может быть введена графитовая кладка. Обычно один из электродов печи (анод) встроен в подину.The hearth is usually a cooled metal bucket containing a protective ceramic lining, holes for the release of metal and slag; graphite masonry may be introduced between the lining and the metal of the bucket. Usually one of the electrodes of the furnace (anode) is built into the hearth.

Кристаллизатор - устройство восстановления рудного сырья и сбора продукта - металла, в котором расплавленный металл охлаждают до твердого состояния с получением сляба. В случае образования шлака кристаллизатор снабжают отверстием для его вывода.A crystallizer is a device for recovering ore raw materials and collecting a product, a metal, in which the molten metal is cooled to a solid state to obtain a slab. In the case of slag formation, the mold is provided with an opening for its output.

Сляб - полуфабрикат, представляющий собой металлическую заготовку прямоугольного поперечного сечения с большим отношением ширины к высоте, подготовленную для дальнейшей переработки, например, прокатки, ковки и т.д.A slab is a semi-finished product, which is a metal billet of rectangular cross section with a large ratio of width to height, prepared for further processing, for example, rolling, forging, etc.

Шихта - смесь, состоящая из рудного сырья (руда, концентрат), легирующих и рафинирующих добавок.The mixture is a mixture consisting of ore raw materials (ore, concentrate), alloying and refining additives.

Рудное, железорудное сырье - минеральное или техногенное сырье, содержащее один или более окислов, например, железа различной валентности.Ore, iron ore raw materials - mineral or man-made raw materials containing one or more oxides, for example, iron of various valencies.

Коаксиально - волноводный переход - устройство преобразования СВЧ-волны коаксиальной линии в СВЧ-волну, распространяющуюся в волноводе, и наоборот. Обычно состоит из коаксиальной линии, выполненной в виде внешнего и внутреннего проводников, и расположенного перпендикулярно к ее оси прямоугольного волновода. Конфигурация полей СВЧ-волны, возбуждаемой прямоугольным волноводом в коаксиальной линии, определяется соотношением поперечных размеров ее проводников и ориентацией стенок волновода относительно ее оси. Для предотвращения СВЧ-излучения в окружающее пространство со стороны перехода, противоположной коаксиальной линии, ее проводники должны быть замкнуты на расстоянии, близком четверти длины волны, а при необходимости обеспечить электрическую изоляцию между ними - должно быть установлено устройство, имитирующее такое замыкание - СВЧ-дроссель, или в зазоре между проводниками должен быть размещен диэлектрический поглощающий материал.Coaxial - waveguide transition - a device for converting a microwave wave of a coaxial line into a microwave wave propagating in a waveguide, and vice versa. Usually consists of a coaxial line, made in the form of external and internal conductors, and located perpendicular to its axis of a rectangular waveguide. The configuration of the fields of a microwave wave excited by a rectangular waveguide in a coaxial line is determined by the ratio of the transverse dimensions of its conductors and the orientation of the walls of the waveguide relative to its axis. To prevent microwave radiation into the surrounding space from the side of the transition opposite the coaxial line, its conductors should be closed at a distance close to a quarter of the wavelength, and if necessary, provide electrical isolation between them - a device should be installed that simulates such a short circuit - a microwave choke , or a dielectric absorbent material should be placed in the gap between the conductors.

Описание чертежей.Description of the drawings.

На фиг.1 схематически представлено продольное сечение предпочтительного варианта устройства.Figure 1 schematically shows a longitudinal section of a preferred embodiment of the device.

На фиг.2 представлено поперечное сечение устройства.Figure 2 presents the cross section of the device.

Устройство содержит питатель 1 шихты, катод 2, рабочую камеру 3 с крышкой 4 и устройством сбора 5 готового продукта в виде подины, анод 6, внутреннюю металлическую охлаждаемую трубу 7, внешнюю металлическую трубу 8, коаксиально-волноводный переход 9 с коаксиальной частью 10 и прямоугольным волноводом 11, патрубок ввода восстановительного газа 12, соленоид 13, завихритель газового потока 14, устройство 15 инициирования СВЧ-разряда, крепежные диэлектрические изоляторы 16, 17 и 18, СВЧ-дроссель 19, дополнительную магнитную систему - соленоид 20, патрубки вывода отработанного газа 21, отверстия выпуска готового продукта 22, изолирующий диэлектрический изолятор 23, диэлектрическое окно 24.The device comprises a charge feeder 1, a cathode 2, a working chamber 3 with a cover 4 and a device for collecting the finished product 5 in the form of a hearth, anode 6, an internal metal cooled pipe 7, an external metal pipe 8, a coaxial waveguide transition 9 with a coaxial part 10 and a rectangular a waveguide 11, a reducing gas input 12, a solenoid 13, a gas flow swirl 14, a microwave discharge initiation device 15, mounting dielectric insulators 16, 17 and 18, a microwave inductor 19, an additional magnetic system - solenoid 20, outlet leads and the exhaust gas 21, the openings of manufacture of the finished product 22, an insulating dielectric insulator 23, dielectric window 24.

Нижний конец внутренней трубы 7 заглублен относительно нижнего торца катода 2, а верхний ее конец через изолятор 22 подключен к питателю 1. Анод 6 печи совмещен с устройством сбора 5, внутренняя труба 7 является дополнительным (вторым) анодом. Внешняя труба 8 закреплена на крышке 4 рабочей камеры 3 и вместе с катодом 2 образует коаксиальную линию, верхним концом подключенную к коаксиально-волноводному переходу 9. Ось волновода 11 и его широкая стенка перпендикулярны оси устройства, патрубок ввода 12 восстановительного газа размещен в одной из стенок волновода 11. Соленоид 13 окружает охлаждаемую внешнюю трубу 8 над рабочей камерой 3. На этом же участке в зазоре между полым электродом 2 и внешней трубой 8 установлен диэлектрический завихритель газового потока 14, одновременно выполняющий роль фиксатора этого зазора. Те же роли фиксаторов зазоров выполняют изоляторы: 16 - в верхней части, 17 - в нижней части зазора между катодом 2 и трубой 7, 18 - между электродом 2 и дросселем 19. Дроссель 19 предотвращает СВЧ-излучение в окружающее пространство и может иметь конструкцию, не обязательно такую, которая представлена здесь. Например, в зазор между катодом 2 и продолжением внешней трубы над волноводом 11 может быть помещен диэлектрический поглощающий СВЧ-энергию материал.The lower end of the inner tube 7 is recessed relative to the lower end of the cathode 2, and its upper end is connected to the feeder 1 through the insulator 22. The anode 6 of the furnace is combined with the collecting device 5, the inner tube 7 is an additional (second) anode. The outer tube 8 is mounted on the cover 4 of the working chamber 3 and together with the cathode 2 forms a coaxial line connected to the coaxial-waveguide transition 9. The axis of the waveguide 11 and its wide wall are perpendicular to the axis of the device, the reducing gas input 12 is placed in one of the walls waveguide 11. A solenoid 13 surrounds the cooled external pipe 8 above the working chamber 3. In the same section, in the gap between the hollow electrode 2 and the external pipe 8, a dielectric gas flow swirl 14 is installed, simultaneously performing the role of the lock gap. The same role of the gap retainers is performed by insulators: 16 - in the upper part, 17 - in the lower part of the gap between the cathode 2 and the tube 7, 18 - between the electrode 2 and the inductor 19. The inductor 19 prevents microwave radiation into the surrounding space and can be constructed not necessarily the one presented here. For example, a dielectric material absorbing microwave energy can be placed in the gap between the cathode 2 and the extension of the outer tube above the waveguide 11.

В стенке 4 камеры 3 помещено обычно применяемое устройство инициирования СВЧ-разряда 15, выполненное в виде металлического штыря, кратковременно вводимого в камеру 3. Инициирование СВЧ-разряда может быть выполнено и иным способом (например, кратковременным касанием катодом 2 анода 6 при пониженном напряжении между ними, использованием пускового плазмотрона, высокочастотным пробоем и т.д.). В одной из стенок камеры 3 (в данном случае в боковой) установлены патрубки 21 вывода отработанного газа, а под камерой 3 - второй соленоид 20. Окно 24 герметизирует печь.In the wall 4 of the chamber 3 is placed the commonly used device for initiating the microwave discharge 15, made in the form of a metal pin, briefly inserted into the chamber 3. The initiation of the microwave discharge can be performed in another way (for example, by briefly touching the cathode 2 of the anode 6 with a low voltage between them, using the starting plasmatron, high-frequency breakdown, etc.). In one of the walls of the chamber 3 (in this case, in the side), exhaust gas outlet pipes 21 are installed, and a second solenoid 20 is located under the chamber 3. Window 24 seals the furnace.

Осуществление изобретения.The implementation of the invention.

Устройство работает следующим образом. На электродах устанавливают штатные значения электрических потенциалов: на катоде 2 - отрицательный, на внутренней трубе 7 - промежуточный между нулевым потенциалом первого анода 6 и потенциалом электрода 2 (возможность такого задания потенциала на трубе 7 обеспечена электрической изолированностью ее от других электродов печи). На устройстве сбора 5 и аноде 6 размещают насыпку шихты и подают восстановительный газ в область нижнего торца катода 2. Часть восстановительного газа может подаваться через трубу 7 вместе с шихтой. Охлаждающую жидкость покачивают между наружной и внутренней стенками трубы 7.The device operates as follows. The standard values of electric potentials are established on the electrodes: on the cathode 2 — negative, on the inner tube 7 — intermediate between the zero potential of the first anode 6 and the potential of electrode 2 (the possibility of such a potential setting on the pipe 7 is provided by its electrical isolation from other electrodes of the furnace). A charge mixture is placed on the collecting device 5 and the anode 6 and reducing gas is supplied to the region of the lower end of the cathode 2. A part of the reducing gas can be supplied through the pipe 7 together with the charge. Coolant is shaken between the outer and inner walls of the pipe 7.

В камеру 3 подводят СВЧ-энергию, устройством 15 инициирования разряда возбуждают СВЧ-разряд и вспомогательную дугу между катодом 2 и трубой 7 (дополнительным анодом). В представленном здесь предпочтительном варианте средство подачи СВЧ-энергии в камеру 3 выполнено в виде коаксиально-волноводного перехода 9, состоящего из прямоугольного волновода 11 и коаксиальной линии 10, образованной катодом 2 и внешней трубой 8, закрепленной на камере 3. Однако подача СВЧ-энергии в камеру 3 может быть осуществлена и другими средствами, например, прямоугольным волноводом, подключенным сбоку к стенке камеры 3 (пат. РФ №1602376), или узлами ввода СВЧ-энергии, подключенными непосредственно к крышке и/или днищу камеры 3 (пат. РФ №2143794). Во всех указанных вариантах обеспечивается главное условие реализуемости заявленного технического результата - создание плазмы СВЧ-разряда под нижним торцом катода 2.Microwave energy is supplied into chamber 3, a microwave discharge device 15 initiates a microwave discharge and an auxiliary arc between the cathode 2 and the pipe 7 (additional anode). In the preferred embodiment presented here, the means for supplying microwave energy to the chamber 3 is made in the form of a coaxial waveguide transition 9 consisting of a rectangular waveguide 11 and a coaxial line 10 formed by the cathode 2 and an external tube 8 fixed to the chamber 3. However, the supply of microwave energy into the chamber 3 can also be implemented by other means, for example, a rectangular waveguide connected laterally to the wall of the chamber 3 (US Pat. RF No. 1602376), or microwave energy input units connected directly to the cover and / or bottom of the camera 3 (US Pat. No. 214 3794). In all these options, the main condition for the feasibility of the claimed technical result is provided - the creation of a microwave discharge plasma under the lower end of the cathode 2.

Плазма СВЧ-разряда и вспомогательной дуги, распространяясь в сторону анода 6, частично восстанавливает насыпку сырья на нем и расплавляет ее. Плазма вспомогательной дуги заполняет все пространство между электродами и гарантирует надежное возбуждение дуги основного разряда. После этого через внутреннюю трубу 7 шихту от питателя 1 подают в рабочую камеру 3.The plasma of the microwave discharge and the auxiliary arc, propagating towards the anode 6, partially restores the bulk of the raw material on it and melts it. The plasma of the auxiliary arc fills the entire space between the electrodes and ensures reliable excitation of the arc of the main discharge. After that, through the inner tube 7, the charge from the feeder 1 is fed into the working chamber 3.

Восстановленный металл либо сливают через отверстие 22 при использовании подины, либо охлаждают и вытягивают в случае использования кристаллизатора.The recovered metal is either drained through hole 22 using a hearth, or is cooled and drawn out if a mold is used.

Используемый в предлагаемом изобретении физический эффект, заключающийся в диффузном характере горения дуги, при котором токоотбор осуществляется равномерно со всей поверхности торца катода 2 при плотности тока, существенно меньшей, чем в прототипе, оказался возможным благодаря тому, что в осевом магнитном поле соленоида 13 вспомогательная дуга выходит из зазора между катодом 2 и вторым анодом 7 под нижний торец катода 2 и в присутствии СВЧ-разряда разогревает его равномерно по всей поверхности. При известности самой возможности создания диффузного режима горения дуги с помощью вспомогательной дуги (А.С. СССР №534891) надежно зажечь и вывести вспомогательную дугу под торец катода 2 удалось лишь с помощью СВЧ-разряда. Равномерности разогрева торца катода 2 содействует циркуляция газа, создаваемая завихрителем 14.The physical effect used in the present invention, consisting in the diffuse nature of the arc burning, in which current sampling is carried out uniformly from the entire surface of the end of the cathode 2 at a current density substantially lower than in the prototype, was possible due to the fact that the auxiliary arc in the axial magnetic field of the solenoid 13 leaves the gap between the cathode 2 and the second anode 7 under the lower end of the cathode 2 and in the presence of a microwave discharge heats it uniformly over the entire surface. If the very possibility of creating a diffuse mode of arc burning using an auxiliary arc (AS USSR No. 5434891) is known, it was possible to reliably ignite and bring the auxiliary arc under the end of cathode 2 only with the help of a microwave discharge. The uniformity of the heating of the end face of the cathode 2 is facilitated by the gas circulation created by the swirler 14.

Кроме того, СВЧ-разряд в прикатодной области основной дуги стабилизирует ее, так как даже при возможных перескоках дуги, наблюдаемых в известных устройствах, заполняющая эту область плазма СВЧ-разряда не допускает прекращения тока с обрывом основной дуги.In addition, a microwave discharge in the near-cathode region of the main arc stabilizes it, since even with possible hopping of the arc observed in known devices, the microwave discharge plasma filling this region does not allow the current to cease with a break in the main arc.

Для обеспечения электрической изоляции выходной патрубок питателя 1 может быть введен в трубу 7 с зазором, но механическое соединение их через изолятор 23 фиксирует их взаимное положение.To ensure electrical isolation, the outlet pipe of the feeder 1 can be introduced into the pipe 7 with a gap, but their mechanical connection through the insulator 23 fixes their relative position.

В предложенном устройстве расход катода 2 уменьшен многократно по сравнению с прототипом и это резко увеличило время его непрерывной работы, однако катод 2 необходимо перемещать в сторону камеры 3, пусть и значительно медленнее, чем в прототипе, а по мере приближения верхнего торца катода 2 к дросселю заменять его или наращивать. Учитывая большой осевой размер устройства и, соответственно, большую длину остающейся части катода 2, целесообразно его не заменять, а наращивать резервным электродом с помощью устройства, например, аналогичного прототипу. В этом случае питатель должен иметь поперечные размеры, меньшие диаметра полости катода 2, и устройство перемещения (на чертеже не показано) в рабочем положении подсоединено к электроду 2. Трубопровод (не показан), подающий шихту в питатель 1 отсоединяют от него, а шланги системы охлаждения (не показаны) отсоединяют от трубы 7 и отводят в сторону, фиксатором (не показан) зажимают катод 2, подсоединяют резервный электрод к катоду 2, например, посредством предназначенной для этого резьбы на их концах, отсоединяют устройство перемещения от катода 2 и подсоединяют его к резервному электроду, освобождают катод 2 от фиксатора, возвращают на место подводящий трубопровод и шланги системы охлаждения и продолжают процесс.In the proposed device, the consumption of the cathode 2 is reduced many times in comparison with the prototype and this dramatically increased the time of its continuous operation, however, the cathode 2 must be moved towards the chamber 3, albeit much more slowly than in the prototype, and as the upper end of the cathode 2 approaches the throttle replace it or build up. Given the large axial size of the device and, accordingly, the large length of the remaining part of the cathode 2, it is advisable not to replace it, but to build up a backup electrode using a device, for example, similar to the prototype. In this case, the feeder should have transverse dimensions smaller than the diameter of the cathode 2 cavity, and the moving device (not shown in the drawing) is connected to the electrode 2 in the working position. The pipe (not shown) supplying the charge to the feeder 1 is disconnected from it, and the system hoses cooling (not shown) is disconnected from the pipe 7 and taken to the side, the cathode 2 is clamped (not shown), the backup electrode is connected to the cathode 2, for example, by means of a thread intended for this at their ends, the moving device from the cathode 2 is disconnected and connect it to the backup electrode, release the cathode 2 from the retainer, return the supply pipe and hoses of the cooling system to their place and continue the process.

Дополнительная магнитная система 20 усиливает магнитное поле, которое вращает дугу и расплав металла на платформе 5, повышая эффективность взаимодействия шихты с восстановительным газом и однородность готового продукта.An additional magnetic system 20 enhances the magnetic field, which rotates the arc and molten metal on the platform 5, increasing the efficiency of the interaction of the charge with the reducing gas and the uniformity of the finished product.

Заглубление внутренней трубы 7 относительно нижнего торца катода 2 предотвращает перескок основной дуги на трубу 7 и ее разрушение, а величина заглубления определяется режимом работы печи.The deepening of the inner tube 7 relative to the lower end of the cathode 2 prevents the main arc from jumping to the tube 7 and its destruction, and the amount of deepening is determined by the operating mode of the furnace.

Таким образом, возбуждение СВЧ-разряда обеспечило выведение под торец катода 2 вспомогательной дуги, образованной разрядом между ним и размещенным в его полости дополнительным анодом 7, и позволило облегчить запуск устройства. Кроме того, в плазме СВЧ-разряда вспомогательная и основная дуги приобрели устойчивость, что обеспечило стабильность работы печи, а поддержание диффузного характера дуги обеспечило снижение эрозии катода 2 и повышение производительности устройства за счет увеличения периодов работы между заменами или процедурами наращивания катода.Thus, the excitation of the microwave discharge provided the removal under the end of the cathode 2 of the auxiliary arc formed by the discharge between it and the additional anode 7 located in its cavity, and made it easier to start the device. In addition, in the microwave discharge plasma, the auxiliary and main arcs became stable, which ensured the stability of the furnace, while maintaining the diffuse nature of the arc ensured a decrease in cathode 2 erosion and an increase in device productivity due to an increase in the operating periods between replacements or cathode build-up procedures.

При этом создание устойчивого диффузного плазменного образования улучшает процесс восстановления, повышая общую производительность печи и снижая себестоимость продукции.At the same time, the creation of a stable diffuse plasma formation improves the recovery process, increasing the overall productivity of the furnace and reducing the cost of production.

Claims (9)

1. Плазменная печь для прямого восстановления металлов, содержащая охлаждаемую рабочую камеру с крышкой и устройством сбора готового продукта, питатель шихты, устройство ввода шихты и средство ввода восстановительного газа в рабочую камеру, полый катод, установленный на центральной оси печи с возможностью его перемещения, анод, совмещенный с устройством сбора, и магнитную систему, отличающаяся тем, что она снабжена средством подачи СВЧ-энергии в рабочую камеру, устройство ввода шихты выполнено в виде охлаждаемой внутренней электропроводной трубы, размещенной в полости катода с зазором и изолированной от него электрически.1. Plasma furnace for direct reduction of metals, containing a cooled working chamber with a lid and a device for collecting the finished product, a charge feeder, a charge input device and means for introducing a reducing gas into the working chamber, a hollow cathode mounted on the central axis of the furnace with the possibility of its movement, anode combined with a collecting device and a magnetic system, characterized in that it is provided with means for supplying microwave energy to the working chamber, the charge input device is made in the form of a cooled internal electric wire hydrochloric tube placed in the cavity of the cathode with a gap and electrically insulated from it. 2. Плазменная печь по п.1, отличающаяся тем, что средство подачи СВЧ-энергии выполнено в виде коаксиально-волноводного перехода, состоящего из прямоугольного волновода, ось и широкая стенка которого перпендикулярны оси печи, и образующих коаксиальную линию катода и внешней трубы, размещенной на крышке рабочей камеры снаружи катода с зазором и изолированной от него электрически, причем в этом зазоре установлен завихритель газового потока, в одной из стенок волновода установлен патрубок ввода восстановительного газа, а магнитная система - вокруг внешней трубы.2. Plasma furnace according to claim 1, characterized in that the means for supplying microwave energy is made in the form of a coaxial waveguide transition, consisting of a rectangular waveguide, the axis and wide wall of which are perpendicular to the axis of the furnace, and forming a coaxial line of the cathode and the outer tube placed on the lid of the working chamber outside the cathode with a gap and electrically isolated from it; moreover, a gas flow swirl is installed in this gap, a reducing gas inlet pipe is installed in one of the waveguide walls, and a magnetic system is installed in district of the outer pipe. 3. Плазменная печь по п.2, отличающаяся тем, что на внешней трубе над коаксиально-волноводным переходом установлен СВЧ-дроссель, отделенный от катода диэлектрическим изолятором.3. The plasma furnace according to claim 2, characterized in that on the outer tube above the coaxial waveguide junction, a microwave choke is installed, separated from the cathode by a dielectric insulator. 4. Плазменная печь по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя труба является дополнительным анодом.4. The plasma furnace according to claim 1, characterized in that the inner tube is an additional anode. 5. Плазменная печь по п.1, отличающаяся тем, что питатель шихты подключен к внутренней трубе через изолятор.5. Plasma furnace according to claim 1, characterized in that the charge feeder is connected to the inner pipe through an insulator. 6. Плазменная печь по п.1, отличающаяся тем, что в боковой стенке рабочей камеры установлено устройство инициирования СВЧ-разряда.6. The plasma furnace according to claim 1, characterized in that a device for initiating a microwave discharge is installed in the side wall of the working chamber. 7. Плазменная печь по п.1, отличающаяся тем, что вокруг устройства сбора или под ним установлена дополнительная магнитная система.7. The plasma furnace according to claim 1, characterized in that an additional magnetic system is installed around the collector or below it. 8. Плазменная печь по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена устройством наращивания и/или перемещения катода.8. The plasma furnace according to claim 1, characterized in that it is equipped with a device for increasing and / or moving the cathode. 9. Плазменная печь по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что нижний конец внутренней трубы заглублен относительно нижнего торца катода и в зазор между ним и внутренней трубой введены диэлектрические крепежные кольца.9. A plasma furnace according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the lower end of the inner tube is recessed relative to the lower end of the cathode and dielectric fastening rings are introduced into the gap between it and the inner tube.
RU2006111365/02A 2006-04-07 2006-04-07 Plasma furnace used for the direct reduction of the metals RU2315813C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006111365/02A RU2315813C1 (en) 2006-04-07 2006-04-07 Plasma furnace used for the direct reduction of the metals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006111365/02A RU2315813C1 (en) 2006-04-07 2006-04-07 Plasma furnace used for the direct reduction of the metals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2315813C1 true RU2315813C1 (en) 2008-01-27

Family

ID=39110009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006111365/02A RU2315813C1 (en) 2006-04-07 2006-04-07 Plasma furnace used for the direct reduction of the metals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2315813C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010077179A2 (en) * 2008-12-23 2010-07-08 Maksimov Lev Nikolaevich Method for plasmochemical processing of substances and device for implementing same
WO2010110694A1 (en) * 2009-03-24 2010-09-30 Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн" Plasma furnace

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010077179A2 (en) * 2008-12-23 2010-07-08 Maksimov Lev Nikolaevich Method for plasmochemical processing of substances and device for implementing same
WO2010077179A3 (en) * 2008-12-23 2010-10-21 Maksimov Lev Nikolaevich Method and device for the plasma chemical processing of substances
WO2010110694A1 (en) * 2009-03-24 2010-09-30 Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн" Plasma furnace
GB2484209A (en) * 2009-03-24 2012-04-04 Obschestvo S Orgranichennoi Otvetstvennostyu Tvinn Plasma Furnace
GB2484209B (en) * 2009-03-24 2013-08-28 Obschestvo S Orgranichennoi Otvetstvennostyu Tvinn Plasma Furnace
EA020329B1 (en) * 2009-03-24 2014-10-30 Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн" Plasma furnace

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5017754A (en) Plasma reactor used to treat powder material at very high temperatures
CS218814B1 (en) Method of generating the plasma in the plasma electric arc generator and device for executing the same
RU2296165C2 (en) Metal direct reduction method from dispersed raw ore material and apparatus for performing the same
RU2315813C1 (en) Plasma furnace used for the direct reduction of the metals
WO2010110694A1 (en) Plasma furnace
JP7377633B2 (en) electrolytic smelting furnace
US4122292A (en) Electric arc heating vacuum apparatus
EP1399284B1 (en) Plasma arc treatment method using a dual mode plasma arc torch
EP0845789B1 (en) Method of melting treatment of radioactive solid wastes
US8524145B2 (en) Method and device for introducing dust into a metal melt of a pyrometallurgical installation
KR20190094273A (en) Plasma torch
RU2318876C1 (en) Apparatus for direct reduction of metals
SE434408B (en) DEVICE FOR METAL OXIDE REDUCTION
RU2151987C1 (en) Direct-current plasma-arc furnace for melting oxide materials
JPH1027687A (en) Plasma melting furnace
RU60936U1 (en) DEVICE FOR DIRECT METAL RECOVERY
RU169047U1 (en) PLASMA PLANT FOR PROCESSING REFRIGERANT SILICATE-CONTAINING MATERIALS
RU85158U1 (en) Microwave Plasma Chemical Reactor
US4227031A (en) Nonconsumable electrode for melting metals and alloys
RU67990U1 (en) Microwave Plasma Chemical Reactor
RU2277598C1 (en) Plasma reactor - separator
JP2004257631A (en) Plasma melting treatment apparatus for waste disposal
RU2335549C2 (en) Method of plasma arc furnace charging and device for implementation of method
RU2476599C2 (en) Method for electric-arc liquid-phase carbon thermal reduction of iron from oxide raw material, and device for its implementation
Boulos et al. High-Power Plasma Torches and Transferred Arcs

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20100408

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20130510