RU2384625C1

RU2384625C1 - Method of plasma reduction of iron from oxide melt and device for its implementation

Info

Publication number: RU2384625C1
Application number: RU2008143089/02A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Владимирович Николаев (RU); Анатолий Владимирович Николаев; Андрей Анатольевич Николаев (RU); Андрей Анатольевич Николаев; Владимир Григорьевич Мизин (RU); Владимир Григорьевич Мизин; Юрий Владимирович Цветков (RU); Юрий Владимирович Цветков; Константин Александрович Солнцев (RU); Константин Александрович Солнцев
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-03-20

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: power is supplied to plasma arcs of multitude of plasmatrons located circumferential over oxide melt located in annular capsule with ceramic bottom and metallic walls. By means of connection of internal wall of capsule to the source of power supply of direct current in capsule it is created round flow of melt and it is removed contraction of arcs. Additionally there are created conditions for increasing of velocity of metal reduction, achieving of high grade of averaging of its composition and implementation of different technological abilities of separate plasmatrons.

EFFECT: invention provides creation of resources-economy with improved ecological properties plasma restorative aggregation to large-tonnage fabrication of iron, steel and alloys of complex composition from oxide raw material of mineral and technogeneous nature.

2 cl, 2 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к бескоксовой металлургии, в частности к многотоннажному производству железа и других металлов посредством жидкофазного восстановления из дисперсных руд, частично восстановленных руд, рудных концентратов и металлсодержащих отходов в плазмохимическом восстановительном реакторе, основная доля энергии в который вводится посредством плазменных дуг.The invention relates to non-coke metallurgy, in particular to the large-tonnage production of iron and other metals through liquid-phase reduction from dispersed ores, partially reduced ores, ore concentrates and metal-containing wastes in a plasma-chemical reduction reactor, the bulk of the energy of which is introduced by means of plasma arcs.

Уровень техникиState of the art

Способы восстановления металлов группы железа и соответствующие устройства на основе дуговых разрядов и плазменных дуг описаны в известной технической литературе (Физика и химия плазменных металлургических процессов. Под редакцией Патона Б.Е., М.: Наука, 1985, 184 с, Тулин Н.А., Кудрявцев B.C., Пчелкин С.А. и др. Развитие бескоксовой металлургии, М.: Металлургия, 1987, 328 с., Блинов В.А., Конкс Г.Я., Косач Ю.Э. и др. Восстановление монооксида никеля природным газом при электродуговой плавке, Физика и химия обработки материалов, 1988, №6, с.30-33).Methods for reducing metals of the iron group and corresponding devices based on arc discharges and plasma arcs are described in the well-known technical literature (Physics and Chemistry of Plasma Metallurgical Processes. Edited by Paton B.E., M .: Nauka, 1985, 184 s., Tulin N.A. ., Kudryavtsev BC, Pchelkin S.A. et al. Development of non-coke metallurgy, M .: Metallurgy, 1987, 328 pp., Blinov V.A., Konks G.Ya., Kosach Yu.E. et al. Monoxide recovery nickel with natural gas during electric arc smelting, Physics and Chemistry of Materials Processing, 1988, No. 6, pp. 30-33).

Известные способы восстановления металла заключаются в том, что под воздействием дугового разряда оксидное сырье и восстановитель нагревают до высокой температуры, и в процессе взаимодействия оксида и восстановителя, например природного газа, металл восстанавливается. При восстановлении металла образуются СО₂ и пары воды, которые отводят из реакционного пространства. При этом используют один или несколько дуговых разрядов.Known methods of metal reduction are that, under the influence of an arc discharge, the oxide feed and a reducing agent are heated to a high temperature, and during the interaction of the oxide and a reducing agent, for example, natural gas, the metal is reduced. When the metal is reduced, CO ₂ and water vapor are formed, which are removed from the reaction space. In this case, one or more arc discharges are used.

Обычно устройство представляет собой электродуговую или плазменную печь, имеющую камеру с керамическим или металлическим тиглем, ванну расплава со средствами удаления и сбора металла и шлака, средства подачи исходного оксидного сырья, восстановителя и плазмообразующего газа и расположенные в печи один или несколько электродов или плазмотронов. Электроды или плазмотроны устанавливают обычно в верхней части устройства над расплавом. Для эффективного нагрева реагентов в ряде случаев используют полые электроды. Через них подают исходный оксидный материал и восстановительный плазмообразующий газ, и они являются катодом дугового разряда. Роль анода выполняет ванна расплава, контактирующая с металлическими стенками тигля или с подовым электродом.Typically, the device is an electric arc or plasma furnace having a chamber with a ceramic or metal crucible, a molten bath with means for removing and collecting metal and slag, means for supplying the initial oxide raw material, a reducing agent, and a plasma-forming gas and one or more electrodes or plasmatrons located in the furnace. Electrodes or plasmatrons are usually installed in the upper part of the device above the melt. In some cases, hollow electrodes are used to effectively heat the reagents. Through them serves the source of the oxide material and the reducing plasma-forming gas, and they are the cathode of the arc discharge. The role of the anode is performed by the molten bath in contact with the metal walls of the crucible or with the bottom electrode.

При создании плазменных восстановительных агрегатов на большую производительность обычно устанавливают несколько плазмотронов в одном агрегате. Это обусловлено тем, что при увеличении единичной мощности восстановительной печи с одним плазмотроном создается чрезмерно высокая токовая нагрузка на электрод плазмотрона. Так, при мощности печи 100 МВт на производительность по железу 100 тыс.т в год ток плазменной дуги составляет 100-1000 кА. При этом диаметр графитового электрода должен превышать 800 мм, что существенно затрудняет его изготовление и использование. Кроме того, чрезмерное увеличение тока единичного плазмотрона обусловливает резкое возрастание давления дуги на ванну расплава и увеличение ее глубины. Это приводит к возрастанию тепловых потерь в тигель, что отрицательно отражается на энергоемкости производства железа. Увеличение силового и термического воздействия дуги на расплав приводит также к перегреву расплава под дугой, его интенсивному испарению и разбрызгиванию и к возрастанию потерь железа.When creating plasma reduction units, several plasmatrons in one unit are usually installed at a high productivity. This is due to the fact that with an increase in the unit power of a reduction furnace with one plasmatron, an excessively high current load on the plasma torch electrode is created. So, with a furnace capacity of 100 MW for an iron productivity of 100 thousand tons per year, the plasma arc current is 100-1000 kA. Moreover, the diameter of the graphite electrode should exceed 800 mm, which greatly complicates its manufacture and use. In addition, an excessive increase in the current of a single plasmatron causes a sharp increase in the arc pressure on the melt pool and an increase in its depth. This leads to an increase in heat loss in the crucible, which negatively affects the energy intensity of iron production. An increase in the force and thermal effects of the arc on the melt also leads to overheating of the melt under the arc, its intense evaporation and spattering, and to an increase in iron loss.

Аналогами предлагаемого изобретения являются способы и устройства для их осуществления, включающие обработку расплава посредством использования нескольких электродов или плазмотронов. При этом дуги горят на общую ванну расплава. В этом случае подводимая мощность распределяется между дугами, для которых токовая нагрузка на электрод технически приемлемая, а газодинамическое и тепловое воздействие дуг на расплав характеризуются меньшей сосредоточенностью. Кроме того, при использовании нескольких (множества) дуг их функциональные возможности расширяются: каждая дуга (электрод или плазмотрон) может использоваться для отдельной свойственной ей технологической операции, например, восстановления, легирования, переплава и т.д.Analogues of the present invention are methods and devices for their implementation, including the processing of the melt through the use of several electrodes or plasmatrons. In this case, the arcs burn on a common molten bath. In this case, the input power is distributed between arcs for which the current load on the electrode is technically acceptable, and the gas-dynamic and thermal effects of the arcs on the melt are less concentrated. In addition, when using several (multiple) arcs, their functional capabilities expand: each arc (electrode or plasmatron) can be used for a separate technological operation inherent to it, for example, restoration, alloying, remelting, etc.

Известны способ и устройство (Цветков Ю.В., Николаев А.В. Плазменные процессы в составе энергометаллургического комплекса (некоторые проблемы металлургии будущего), Ресурсы. Технологии. Экономика, №3, 2006, с.36-42), в которых мощность распределена между несколькими плазмотронами, установленными в ряд над общей ванной, находящейся в прямолинейном лодочном тигле с продольным движением расплава.The known method and device (Tsvetkov Yu.V., Nikolaev A.V. Plasma processes as part of the energy metallurgical complex (some problems of the metallurgy of the future), Resources. Technologies. Economics, No. 3, 2006, p. 36-42), in which the power distributed between several plasmatrons mounted in a row above a common bath located in a straight boat crucible with longitudinal melt movement.

Известны также способ и устройство (Электрические промышленные печи. Дуговые печи и установки специального нагрева. Под ред. Свенчанского А.Д., М., Энергоиздат, 1981, 296 с.), в которых мощность печи распределена между плазмотронами, установленными над расплавом по периферии цилиндрического тигля.Also known is a method and device (Electric industrial furnaces. Arc furnaces and special heating installations. Edited by Svenchansky AD, M., Energoizdat, 1981, 296 pp.), In which the furnace power is distributed between the plasma torches installed above the melt over the periphery of the cylindrical crucible.

Известные способ и устройство плазменного восстановления металла с установкой множества (два и более) плазмотронов над расплавом, находящимся в прямолинейном лодочном или цилиндрическом тиглях, имеют следующие недостатки:The known method and device for plasma reduction of metal with the installation of many (two or more) plasmatrons above the melt located in a straight boat or cylindrical crucibles, have the following disadvantages:

1. Как при прямолинейном, так и при цилиндрическом тиглях происходит электромагнитное стягивание дуг к центру тигля. Это приводит к нарушению пространственной и электрической устойчивости дуг и ухудшению их тепловых и металлургических характеристик. В центральной части ванны будет протекать суммарный ток всех дуг, что приведет к перегреву расплава, его интенсивному испарению и разбрызгиванию и увеличению потерь металла. Для устранения эффекта стягивания дуг требуется применение специальных мер, например, установка дополнительных громоздких электромагнитных устройств или увеличение расстояния между плазмотронами (дугами), что приводит к увеличению габаритов тигля (длины, диаметра), усложнению конструкции устройства и увеличению энергетических потерь.1. In both straight and cylindrical crucibles, electromagnetic contraction of the arcs to the center of the crucible occurs. This leads to a violation of the spatial and electrical stability of the arcs and the deterioration of their thermal and metallurgical characteristics. In the central part of the bath, the total current of all arcs will flow, which will lead to overheating of the melt, its intense evaporation and spattering, and an increase in metal loss. To eliminate the effect of contraction of the arcs, special measures are required, for example, the installation of additional bulky electromagnetic devices or an increase in the distance between plasmatrons (arcs), which leads to an increase in crucible dimensions (length, diameter), complication of the device design and increase in energy losses.

2. При использовании прямолинейного лодочного тигля величина линейной скорости расплава в нем ограничена скоростью восстановления металла и не превышает 1 см/с, что ограничивает возможность снижения энергоемкости производства железа посредством гидродинамической интенсификации массообменных процессов в ванне расплава. Кроме того, расплав в прямолинейном тигле обрабатывается под дугами в течение одного прохода, что также ограничивает интенсификацию массообменных процессов в расплаве. В результате этого ухудшаются условия осреднения физико-химических свойств расплава, что отрицательно сказывается на свойствах получаемого металла. Функциональные возможности отдельных дуг при этом также сужаются, т.к. затрудняется перемешивание объемов расплава, обработанных дугами по различным технологиям (восстановление, легирование, рафинирование и т.д.).2. When using a straight boat crucible, the linear melt velocity in it is limited by the metal reduction rate and does not exceed 1 cm / s, which limits the possibility of reducing the energy intensity of iron production through hydrodynamic intensification of mass transfer processes in the melt pool. In addition, the melt in a straight crucible is processed under arcs for one pass, which also limits the intensification of mass transfer processes in the melt. As a result of this, the averaging conditions of the physicochemical properties of the melt are worsened, which negatively affects the properties of the obtained metal. The functionality of individual arcs is also narrowed, as mixing of melt volumes processed by arcs using various technologies (restoration, alloying, refining, etc.) is difficult.

3. При расположении дуг (электродов или плазмотронов) по периферии цилиндрического тигля центральная часть ванны не подвергается термохимической обработке плазменными дугами. Поэтому в центральной части тигля образуется область, в которой физико-химические и тепло-массообменные процессы протекают с низкой эффективностью. Это отрицательно отражается на энергоемкости процесса восстановления (низкая скорость восстановления) и на свойствах получаемого металлопродукта (плохое осреднение физико-химических свойств расплава).3. When arcs (electrodes or plasmatrons) are located on the periphery of a cylindrical crucible, the central part of the bath is not subjected to thermochemical treatment with plasma arcs. Therefore, in the central part of the crucible, a region is formed in which physicochemical and heat-mass transfer processes proceed with low efficiency. This negatively affects the energy intensity of the recovery process (low recovery rate) and the properties of the resulting metal product (poor averaging of the physicochemical properties of the melt).

Таким образом, при создании плазменных восстановительных агрегатов вышеизложенные недостатки рассмотренных известных способов и устройств ограничивают возможности по снижению энергоемкости производства железа и не позволяют получить однородный металл с высокими физико-химическими свойствами из-за недостаточной интенсивности массообменных процессов в расплаве и приводят к усложнению конструкции восстановительного агрегата из-за необходимости для устранения стягивания дуг установки специальных магнитных компенсаторов или увеличения габаритов тигля.Thus, when creating plasma recovery units, the foregoing shortcomings of the known known methods and devices limit the ability to reduce the energy intensity of iron production and do not allow to obtain a homogeneous metal with high physicochemical properties due to the insufficient intensity of mass transfer processes in the melt and complicate the design of the recovery unit due to the need to eliminate the contraction of the arcs of the installation of special magnetic compensators or increased dimensions of the crucible.

Наиболее близкий способ плазменного восстановления железа из оксидного расплава газообразным восстановителем описан в статье Цветкова Ю.В., Николаева А.В. Плазменные процессы в составе энергометаллургического комплекса (некоторые проблемы металлургии будущего), Ресурсы. Технологии. Экономика, №3, 2006, с.36-42, включающий возбуждение плазменных дуг на общую ванну расплава, находящегося в тигле, подачу исходного оксидного сырья и восстановителя в расплав, нагрев и плавление оксидного сырья, восстановление металла, электромагнитную стабилизацию дуг и перемешивание расплава, отвод газа из реакционного объема, слив и сбор полученного металла.The closest method for plasma reduction of iron from an oxide melt by a gaseous reducing agent is described in the article by Yu. V. Tsvetkov, A.V. Nikolaev Plasma processes as part of the energy and metallurgical complex (some problems of the metallurgy of the future), Resources. Technologies. Economics, No.3, 2006, p.36-42, including the excitation of plasma arcs in a common bath of the melt in the crucible, the supply of the initial oxide feed and reducing agent into the melt, heating and melting of the oxide feed, metal reduction, electromagnetic stabilization of the arcs and mixing of the melt , gas removal from the reaction volume, discharge and collection of the obtained metal.

Наиболее близким для осуществления предлагаемого способа является устройство для восстановления железа из оксидного расплава, описанное в статье Цветкова Ю.В., Николаева А.В. Плазменные процессы в составе энергометаллургического комплекса (некоторые проблемы металлургии будущего), Ресурсы. Технологии. Экономика, №3, 2006, с.36-42, включающее металлический тигель, оксидный расплав, расположенный в тигле, плазмотроны, расположенные над расплавом, плазменные дуги, горящие между электродами плазмотронов и расплавом, электромагнитную систему, создающую магнитное поле, коллектор для отвода продуктов реакции из восстановительного реактора, питатели исходным оксидным сырьем и восстановителем, средства для слива и сбора готового металлопродукта, источник постоянного тока для питания плазменных дуг, подключенный к электродам плазмотронов и тиглю, источник постоянного тока для питания электромагнитного устройства. Электроды плазмотронов являются катодами, а ванна расплава - анодом плазменных дуг.The closest to the implementation of the proposed method is a device for reducing iron from an oxide melt, described in the article Tsvetkova Yu.V., Nikolaev A.V. Plasma processes as part of the energy and metallurgical complex (some problems of the metallurgy of the future), Resources. Technologies. Economics, No.3, 2006, p.36-42, including a metal crucible, an oxide melt located in the crucible, plasma torches located above the melt, plasma arcs burning between the plasma torch electrodes and the melt, an electromagnetic system that creates a magnetic field, a collector for removal reaction products from a reduction reactor, feeders with an oxide feedstock and a reducing agent, means for draining and collecting the finished metal product, a direct current source for supplying plasma arcs connected to the plasma torch electrodes and a crucible, DC source to power the electromagnetic device. The plasma torch electrodes are cathodes, and the melt pool is the anode of plasma arcs.

Задача, на решение которой направлено наше изобретение, заключается в создании способа плазменного восстановления железа из оксидного расплава и устройства для его осуществления, позволяющих осуществить прямое многотоннажное производство железа и его сплавов.The problem to which our invention is directed, is to create a method for plasma reduction of iron from an oxide melt and a device for its implementation, allowing direct multi-ton production of iron and its alloys.

Техническим результатом изобретения является улучшение свойств (однородность по химическому составу, снижение содержания вредных примесей, возможность легирования металла) получаемого металла, уменьшение энергоемкости плазменного восстановления железа и сокращение вредных выбросов в атмосферу.The technical result of the invention is to improve the properties (uniformity in chemical composition, reducing the content of harmful impurities, the possibility of alloying metal) of the resulting metal, reducing the energy intensity of plasma reduction of iron and reducing harmful emissions into the atmosphere.

Технический результат достигается тем, что в способе плазменного восстановления железа из оксидного расплава, включающем возбуждение плазменных дуг на общую ванну расплава, находящегося в тигле, подачу исходного оксидного сырья и восстановителя в расплав, нагрев и плавление оксидного сырья, восстановление металла, электромагнитную стабилизацию дуг, электромагнитное перемешивание расплава, отвод газа из восстановительного реактора, слив и сбор получаемого металла, согласно изобретению расплав располагают в кольцеобразном тигле, в котором посредством пропускания тока через внутреннюю металлическую стенку стабилизируют плазменные дуги в пространстве и создают вдоль тигля круговой поток расплава.The technical result is achieved by the fact that in the method of plasma reduction of iron from an oxide melt, including the excitation of plasma arcs into a common bath of the melt located in the crucible, supplying the initial oxide feed and reducing agent to the melt, heating and melting of the oxide feed, metal reduction, electromagnetic stabilization of the arcs, electromagnetic stirring of the melt, gas removal from the reduction reactor, discharge and collection of the obtained metal, according to the invention, the melt is placed in an annular crucible, in which Hur by passing a current through the metal inner wall is stabilized plasma arc in the space along the crucible and produce a circular flow of the melt.

Устройство для плазменного восстановления железа из оксидного расплава, включающее металлический тигель, оксидный расплав, расположенный в тигле, плазмотроны, расположенные над расплавом, плазменные дуги, горящие между электродами плазмотронов и расплавом, соленоид, создающий магнитное поле, коллектор для отвода газообразных продуктов, питатели исходным оксидным сырьем, восстановителем и плазмообразующим газом, средства для слива и сбора готового металлопродукта, источник постоянного тока для питания плазменных дуг, подключенный к электродам плазмотронов и тиглю, согласно изобретению расплав располагают в кольцеобразном тигле с металлическими водоохлаждаемыми боковыми стенками и керамической подиной, ширина тигля b и диаметр его внутренней стенки D определяются из соотношений b=(0,3-0,5)√P и D=bN/3 [м], где Р - мощность плазменной дуги отдельного плазмотрона [МВт] и N - число плазмотронов, отношение высоты внутренней токоведущей части стенки h к величине разрядного промежутка s равно или больше единицы, а внутреннюю боковую стенку подключают к источнику электропитания посредством регулятора токов, проходящих через верхнюю и нижнюю части стенки.A device for plasma reduction of iron from an oxide melt, including a metal crucible, an oxide melt located in the crucible, plasma torches located above the melt, plasma arcs burning between the plasma torch electrodes and the melt, a magnetic field solenoid, a collector for the removal of gaseous products, the source feeders oxide raw materials, reducing agent and plasma gas, means for draining and collecting the finished metal product, a constant current source for supplying plasma arcs connected to the plasma torch electrodes and the crucible, according to the invention, the melt is placed in an annular crucible with metal water-cooled side walls and a ceramic hearth, the crucible width b and the diameter of its inner wall D are determined from the relations b = (0.3-0.5) √P and D = bN / 3 [m], where P is the plasma arc power of an individual plasmatron [MW] and N is the number of plasmatrons, the ratio of the height of the internal current-carrying part of the wall h to the value of the discharge gap s is equal to or greater than unity, and the inner side wall is connected to the power source in the middle regulator of currents passing through the upper and lower parts of the wall.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Размещение расплава в кольцеобразном тигле с горящим на него множеством плазменных дуг дает возможность устранить электромагнитное стягивание дуг при неограниченном подводе мощности к устройству, а формирование посредством электромагнитных сил движения расплава вдоль кольцеобразного тигля с регулируемой в широких пределах линейной скоростью позволяет обеспечить многократную обработку расплава под плазменными дугами, интенсифицировать тепло-массообменные процессы в расплаве и с высокой степенью усреднить физико-химические состава получаемого металлопродукта, повышая его эксплуатационные свойства. Интенсификация массообменных процессов в расплаве позволит увеличить скорость восстановления железа, что, как было отмечено выше, положительно отразится на энергоемкости его производства. Экологические показатели процесса восстановления железа в предлагаемом изобретении также будут улучшены, так как уменьшение энергоемкости снижает вредные выбросы в атмосферу.Placing the melt in an annular crucible with many plasma arcs burning on it makes it possible to eliminate the electromagnetic contraction of the arcs with unlimited supply of power to the device, and the formation by means of electromagnetic forces of melt movement along the annular crucible with a linear speed that is widely controlled is possible to ensure multiple processing of the melt under plasma arcs , to intensify heat and mass transfer processes in the melt and to average physicochemical compositions with a high degree VA of the resulting metal product, increasing its operational properties. The intensification of mass transfer processes in the melt will increase the rate of iron reduction, which, as noted above, will positively affect the energy intensity of its production. The environmental performance of the iron reduction process in the present invention will also be improved, since a decrease in energy intensity reduces harmful emissions into the atmosphere.

Все вышеизложенное приведет к улучшению технико-экономических показателей производства железа и его сплавов: себестоимости, капитальных и эксплуатационных затрат.All of the above will lead to an improvement in the technical and economic indicators of the production of iron and its alloys: cost, capital and operating costs.

Используемые термины и определенияTerms and definitions used

Восстановительный реактор - пространство, в котором осуществляется восстановление металла, ограниченное тиглем и сводом печи.A reduction reactor is a space in which metal recovery is limited to a crucible and a furnace vault.

Плазменная дуга - газовый электрический разряд, характеризующийся низким напряжением 10-10³ В и большим током 10-10⁵ А, стабилизированный потоком газа и магнитным полем.A plasma arc is a gas electric discharge characterized by a low voltage of 10-10 ³ V and a high current of 10-10 ⁵ A, stabilized by a gas flow and a magnetic field.

Дуговой, разрядный промежуток - расстояние между расплавом и электродом плазмотрона.Arc discharge gap is the distance between the melt and the plasma torch electrode.

Питатель-устройство, содержащее емкость с исходным оксидным сырьем или восстановителем или плазмообразующим газом и средства их подачи с заданной скоростью.A feeder device containing a container with an initial oxide raw material or a reducing agent or a plasma-forming gas and means for supplying them at a given speed.

Оксидное сырье - минеральное и техногенное сырье, содержащее оксиды железа.Oxide raw materials - mineral and industrial raw materials containing iron oxides.

Описание чертежейDescription of drawings

На фигуре 1 представлен вертикальный разрез устройства для плазменного восстановления железа из оксидного расплава. На фигуре 2 представлено горизонтальное сечение устройства по А-А.The figure 1 shows a vertical section of a device for plasma reduction of iron from an oxide melt. The figure 2 presents a horizontal section of the device along aa.

Устройство включает кольцеобразный тигель, образованный боковыми стенками 2 и 6 и подиной 13, восстановительный ректор 16, образованный тиглем и сводом 7. В своде над расплавом расположены плазмотроны 5. Ширина тигля b и диаметр его внутренней стенки D определяются из соотношений b=k√Р и D=bN/3 [м], где Р - мощность плазменной дуги отдельного плазмотрона [МВт], равная W/N, W - полная электрическая мощность всех дуг устройства [МВт], а N - количество установленных плазмотронов (плазменных дуг). Коэффициент k, экспериментально полученный из условия оптимального настила мощности на зеркало ванны в металлическом тигле, составляет k=0,3-0,5. При k меньше 0,3 происходит перегрев и интенсивное испарение расплава, при k больше 0,5 из-за недостатка теплоты, вводимой в расплав, железо не восстанавливается. Минимальное количество плазмотронов, определенное из условия круговой симметрии обработки расплава в тигле, равно 3. Верхний предел количества плазмотронов не ограничен. Например, при мощности отдельного плазмотрона Р=50 МВт ширина тигля составляет b=3 м, диаметр внутренней стенки тигля при N=9 равен D=9 м, а полная мощность печи W=450 МВт, что соответствует годовой производительности 450-900 тыс.т (по предварительным расчетам 1 МВт соответствует 1-2 тыс.т в год).The device includes an annular crucible formed by the side walls 2 and 6 and the hearth 13, a reduction rector 16 formed by the crucible and the vault 7. In the vault above the melt are plasma torches 5. The width of the crucible b and the diameter of its inner wall D are determined from the relations b = k√Р and D = bN / 3 [m], where P is the power of the plasma arc of an individual plasma torch [MW] equal to W / N, W is the total electric power of all the arcs of the device [MW], and N is the number of installed plasmatrons (plasma arcs). The coefficient k, experimentally obtained from the conditions of optimal power flooring on the bath mirror in a metal crucible, is k = 0.3-0.5. At k less than 0.3, overheating and intense evaporation of the melt occurs, at k more than 0.5 due to the lack of heat introduced into the melt, iron is not restored. The minimum number of plasmatrons determined from the conditions of circular symmetry of processing the melt in the crucible is 3. The upper limit of the number of plasmatrons is not limited. For example, when the power of an individual plasma torch is P = 50 MW, the width of the crucible is b = 3 m, the diameter of the inner wall of the crucible at N = 9 is D = 9 m, and the total power of the furnace is W = 450 MW, which corresponds to an annual output of 450-900 thousand t (according to preliminary estimates, 1 MW corresponds to 1-2 thousand tons per year).

Боковые стенки тигля 2 и 6 для предотвращения их разрушения при контакте с расплавом оксида железа и для обеспечения подвода тока к расплаву изготовляют металлическими водоохлаждаемыми. Высота внутренней токоведущей части стенки 6 над зеркалом ванны больше дугового промежутка, что позволяет азимутальным магнитным полем, обусловленным проходящим в стенке током, удерживать плазменные дуги в требуемом пространственном положении. Свод 7 и подина 13 для уменьшения тепловых потерь изготовляют из керамики. Вокруг тигля расположен соленоид 1, создающий осевое магнитное поле. Под воздействием электромагнитной силы, обусловленной взаимодействием осевого магнитного поля соленоида и тока, протекающего в расплаве, последний движется вдоль тигля. Устройство имеет коллектор 3 для отвода газа 4 из восстановительного реактора. Коллектор и восстановительный реактор соединены трубопроводами 18. Устройство снабжено питателями 9 и 10 для подачи в плазмотроны оксидного сырья, восстановителя и плазмообразующего газа. Оксидное сырье и восстановитель посредством плазмотронов подают в расплав 15.The side walls of the crucible 2 and 6 to prevent their destruction upon contact with the molten iron oxide and to ensure the supply of current to the melt are made of metal water-cooled. The height of the internal current-carrying part of the wall 6 above the bath mirror is greater than the arc gap, which allows the azimuthal magnetic field due to the current passing through the wall to hold the plasma arcs in the required spatial position. Arch 7 and hearth 13 to reduce heat loss are made of ceramic. Around the crucible is a solenoid 1, which creates an axial magnetic field. Under the influence of electromagnetic force due to the interaction of the axial magnetic field of the solenoid and the current flowing in the melt, the latter moves along the crucible. The device has a collector 3 for the removal of gas 4 from the recovery reactor. The collector and the reduction reactor are connected by pipelines 18. The device is equipped with feeders 9 and 10 for supplying oxide raw materials, a reducing agent, and a plasma-forming gas to the plasma torches. Oxide raw materials and a reducing agent by means of plasmatrons are fed into the melt 15.

Между расплавом 15 и электродами плазмотронов 5 возбуждают плазменные дуги 17. Образовавшийся металл 14, скапливающийся на дне тигля, сливают посредством одного или нескольких сливных средств 11, расположенных в нижней части тигля. В случае образования значительного количества шлака устройство снабжают сливным средством для шлака (на фигуре не показано). Электроды плазмотронов соединяют с отрицательным полюсом источника постоянного тока 8, а внутреннюю боковою стенку тигля 6 - с положительным полюсом. Ток к стенке 6 подводят через токоподводы 20, соединенные с верхней и нижней частями стенки, и регулятор 19, посредством которого устанавливают соотношение токов, проходящих через верхний и нижний токоподводы. Высота подсоединения токоподвода к верхней части стенки над уровнем расплава h для создания азимутального магнитного поля, стабилизирующего пространственное положение плазменной дуги, равно или больше величины разрядного промежутка электрод плазмотрона - расплав s. При пропускании тока через верхний токоподвод (верхнюю часть стенки) электромагнитные силы раздвигают плазменные дуги, а при пропускании тока через нижний токоподвод (нижнюю часть стенки) - стягивают дуги к центру тигля. Подбором соотношения токов через токоподводы дуги устанавливают в требуемом положении. Направление движения расплава в тигле определяется направлением магнитного поля соленоида 1.Between the melt 15 and the electrodes of the plasmatrons 5, plasma arcs 17 are excited. The metal 14 that accumulates at the bottom of the crucible is drained by one or more drain means 11 located at the bottom of the crucible. In the case of the formation of a significant amount of slag, the device is provided with a drainage means for slag (not shown in the figure). The plasma torch electrodes are connected to the negative pole of the direct current source 8, and the inner side wall of the crucible 6 to the positive pole. The current to the wall 6 is supplied through current leads 20 connected to the upper and lower parts of the wall, and a regulator 19, by means of which the ratio of currents passing through the upper and lower current leads is established. The height of the current lead connection to the upper part of the wall above the melt level h to create an azimuthal magnetic field stabilizing the spatial position of the plasma arc is equal to or greater than the discharge gap of the plasma torch electrode - melt s. When passing current through the upper current lead (upper part of the wall), electromagnetic forces push apart the plasma arcs, and when passing current through the lower current lead (lower part of the wall) draw the arcs to the center of the crucible. The selection of the ratio of currents through the current leads of the arc is set in the required position. The direction of motion of the melt in the crucible is determined by the direction of the magnetic field of the solenoid 1.

Устройство функционирует следующим образом. Вначале в восстановительный реактор через шлюзы (на фигурах не показаны) загружают металлическую «затравку». Между «затравкой» и электродами плазмотронов 5 возбуждают плазменные дуги 17 и наводят «болото». После наведения «болота» через плазмотроны в расплав подают оксидное сырье и восстановитель. Посредством величины и направления магнитного поля соленоида 1, а также соотношения токов токоподводов стенки 6 задают скорость, направление движения расплава в тигле и положение плазменных дуг в реакторе 16. Оксидное сырье плавится и образует ванну расплава 15. Образующиеся в процессе восстановления железа газообразные продукты 4, включающие пары воды и углекислый газ, отводятся из устройства посредством газового коллектора 3.The device operates as follows. First, a metal "seed" is loaded into the reduction reactor through the locks (not shown in the figures). Between the "seed" and the electrodes of the plasmatrons 5, plasma arcs 17 are excited and a "swamp" is induced. After pointing the “swamp” through the plasma torches, oxide raw material and a reducing agent are fed into the melt. By means of the magnitude and direction of the magnetic field of the solenoid 1, as well as the ratio of the current leads of the wall 6, the speed, the direction of the melt in the crucible and the position of the plasma arcs in the reactor 16. The oxide raw material melts and forms a bath of melt 15. Gaseous products formed during the reduction of iron 4, including water vapor and carbon dioxide, are removed from the device by means of a gas manifold 3.

Восстановленный металл 14 как более тяжелая фракция расплава скапливается в нижней части тигля и периодически или постоянно сливается в приемник 12. Слив металла осуществляют не полностью, оставляя «болото», закрывающее керамическую подину печи 13 и предохраняющее ее от воздействия химически активного оксидного расплава 15.The reduced metal 14 as a heavier fraction of the melt accumulates in the lower part of the crucible and periodically or constantly merges into the receiver 12. The metal is not completely drained, leaving a “swamp” that covers the ceramic hearth of the furnace 13 and protects it from the effects of chemically active oxide melt 15.

Величину суммарного тока плазменных дуг устанавливают такой, чтобы обеспечивался ввод в расплав необходимого количества теплоты для осуществления восстановления металла. Например, при восстановлении железорудного концентрата на лабораторной установке в медном водоохлаждаемом тигле оптимальный удельный тепловой поток на зеркало ванны составляет 3-5 МВт/м². При меньшем тепловом потоке железо не восстанавливалось, при большем - происходило чрезмерное испарение металла.The value of the total current of the plasma arcs is set such that the required amount of heat is introduced into the melt to effect metal reduction. For example, when restoring iron ore concentrate in a laboratory installation in a copper water-cooled crucible, the optimal specific heat flux to the bath mirror is 3-5 MW / m ² . With a smaller heat flux, iron did not recover, with a larger one, excessive evaporation of the metal occurred.

Расход восстановителя устанавливают на основе термодинамического расчета и экспериментальных данных. Например, расход природного газа составляет 400-600 м³/т железа. Величину и направление продольной скорости движения расплава в тигле регулируют посредством изменения напряженности и направления магнитного поля, создаваемого соленоидом 1. Верхнее значение скорости лимитируется центробежной силой, действующей на расплав, при определенной величине которой возможен выброс расплава из тигля. Величина скорости не должна превышать 100 см/с. Нижнее значение скорости не имеет ограничения и определяется технологическими требованиями.The flow rate of the reducing agent is established on the basis of thermodynamic calculation and experimental data. For example, the consumption of natural gas is 400-600 m ³ / t of iron. The magnitude and direction of the longitudinal velocity of the melt in the crucible is controlled by changing the strength and direction of the magnetic field created by the solenoid 1. The upper value of the speed is limited by the centrifugal force acting on the melt, at a certain value of which the melt can be ejected from the crucible. The speed should not exceed 100 cm / s. The lower speed value is unlimited and is determined by technological requirements.

Предлагаемое изобретение позволяет:The present invention allows:

1. Устранить электромагнитное стягивание плазменных дуг при любой подводимой мощности к устройству.1. Eliminate electromagnetic contraction of plasma arcs at any input power to the device.

2. Создать движение оксидного расплава вдоль тигля с регулируемой в широких пределах скоростью и обеспечить возможность многократной обработки расплава плазменными дугами.2. To create the movement of the oxide melt along the crucible with a speed that is widely controlled and to provide the possibility of multiple processing of the melt by plasma arcs.

3. Использовать отдельные плазмотроны для различных технологических целей: восстановления, легирования, рафинирования, а также для переплава лома и получать металлопродукт с высокой степенью осреднения его состава.3. Use separate plasmatrons for various technological purposes: recovery, alloying, refining, as well as for remelting scrap and obtain a metal product with a high degree of averaging of its composition.

4. Увеличить скорость восстановления и снизить энергоемкость плазменного восстановления железа.4. Increase the recovery rate and reduce the energy intensity of the plasma reduction of iron.

5. Улучшить экологические показатели процесса восстановления железа.5. Improve the environmental performance of the iron recovery process.

Изобретение может быть использовано на металлургических предприятиях для прямого получения железа, стали и сплавов сложной композиции из дисперсного и сыпучего оксидного сырья и измельченного лома с использованием газообразных восстановителей - природного газа, синтез-газа, водорода и различных лигатур.The invention can be used at metallurgical enterprises for the direct production of iron, steel and alloys of a complex composition from dispersed and granular oxide raw materials and ground scrap using gaseous reducing agents - natural gas, synthesis gas, hydrogen and various ligatures.

Промышленная применимость изобретения определяется также широким использованием в промышленности отдельных элементов изобретения, как это следует из описания устройств для осуществления предлагаемого способа восстановления железа и приведенных аналогов, но в других сочетаниях и с другими техническими результатами.The industrial applicability of the invention is also determined by the widespread use in industry of individual elements of the invention, as follows from the description of devices for implementing the proposed method for reducing iron and the given analogues, but in other combinations and with other technical results.

Claims

1. A method of plasma reduction of iron from an oxide melt, including the excitation of plasma arcs into a common bath of the melt in the crucible, feeding the initial oxide feed and reducing agent into the melt, heating and melting of the oxide feed, metal reduction, electromagnetic stabilization of the arcs, electromagnetic mixing of the melt, removal gas from a reduction reactor, draining and collecting the obtained metal, characterized in that the melt is placed in an annular crucible, in the space of which by passing current through the inner metal wall stabilize the plasma arcs and create a circular melt flow along the crucible.

2. A device for plasma reduction of iron from an oxide melt, comprising a metal crucible with an oxide melt located therein, plasmatrons located above the melt, plasma arcs of which burn between the plasma torch electrodes and the melt, an axial magnetic field solenoid, a collector for removing gaseous products, feeders for raw oxide, reducing agent and plasma-forming gas, means for draining and collecting the finished metal product, direct current source for supplying plasma d, connected to the electrodes of the plasmatrons and the crucible, characterized in that the crucible is ring-shaped with metal water-cooled side walls and a ceramic hearth, while the width of the crucible b and the diameter of its inner wall D are related to the power of the plasma arc of an individual plasmatron P, MW, and the number of plasmatrons N relations

and D = bN / 3, m, and the ratio of the height of the internal current-carrying part of the wall to the value of the discharge gap is equal to or greater than unity, and the inner side wall of the crucible is connected to the power source by means of a current regulator passing through the upper and lower parts of the wall.