RU2746655C1 - Плазменная печь для получения корунда - Google Patents

Плазменная печь для получения корунда Download PDF

Info

Publication number
RU2746655C1
RU2746655C1 RU2020136471A RU2020136471A RU2746655C1 RU 2746655 C1 RU2746655 C1 RU 2746655C1 RU 2020136471 A RU2020136471 A RU 2020136471A RU 2020136471 A RU2020136471 A RU 2020136471A RU 2746655 C1 RU2746655 C1 RU 2746655C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
lining
furnace
plasma
thermal conductivity
Prior art date
Application number
RU2020136471A
Other languages
English (en)
Inventor
Илья Ильич Белоглазов
Александр Сейт-Умерович Мустафаев
Владимир Сергеевич Сухомлинов
Сергей Анатольевич Савченков
Виктория Эдуардовна Кисон
Владислав Владимирович Фурсенко
Валерия Владимировна Лербаум
Дмитрий Олегович Анисимов
Алла Юрьевна Анисимова
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет»
Акционерное общество «СЕФКО»
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 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет», Акционерное общество «СЕФКО» filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет»
Priority to RU2020136471A priority Critical patent/RU2746655C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2746655C1 publication Critical patent/RU2746655C1/ru

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/16Remelting metals
    • C22B9/22Remelting metals with heating by wave energy or particle radiation
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces
    • F27B3/08Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces heated electrically, with or without any other source of heat

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Furnace Housings, Linings, Walls, And Ceilings (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкции плазменных печей. Футеровка печи выполнена многослойной, при этом первый слой выполнен из материала с теплопроводностью не менее 150 Вт/(м⋅К) толщиной не менее 0,05 м, второй слой и третий слой выполнены из материала с теплопроводностью от 1 до 5 Вт/(м⋅К) толщиной от 0,1 до 0,15 м, а четвертый слой выполнен из материала с теплопроводностью от 0,1 до 0,5 Вт/(м⋅К) толщиной не менее 0,15 м, при этом на внутренней части первого слоя футеровки жестко закреплены листы из молибдена. Изобретение позволяет повысить стабильность теплового баланса плазменной печи при повышении химической чистоты получаемого корунда. 2 табл., 2 ил.

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкции плазменных печей.
Известна плазменная стекловаренная печь (патент РФ №178380, опубл. 02.04.2018), включающая корпус, выполненный с проемами в стенках, футерованный огнеупором, горелочное устройство, загрузочные карманы, причем на верхней стенке корпуса устройства выполнен проем, в который установлено горелочное устройство, представленное горелкой плазменного типа с порошковым питателем, кроме того два загрузочных кармана выполнены в боковых стенках корпуса напротив друг друга, под которыми находятся два проема для отвода отходящих газов, также на нижней стенке корпуса выполнены два проема для слива расплава силикатного стекла, снабженные затворами.
Недостатком известного технического решения является однослойная футеровка корпуса плазменной печи, через которую происходят большие тепловые потери при работе плазменной печи.
Известна плазменная печь (патент РФ № 2007676, опубл. 15.02.1994), содержащая футерованную ванну и свод с отверстиями для прохода плазмотронов, при этом плазмотроны выполнены в виде по меньшей мере двух вставленных соосно одна в другую графитовых труб с тугоплавким изолирующим покрытием на их поверхности, причем трубы установлены одна в другую с зазором для прохождения плазмообразующего газа.
Недостатком известного технического решения является однослойная футеровка ванны плазменной печи, через которую происходят большие тепловые потери при работе плазменной печи.
Известна плазменно-дуговая печь постоянного тока (патент РФ № 2258187, опубл. 10.08.2005), содержащая футерованный кожух, включающий размещенные на соответствующих стойках корпус и подъемный неотводящийся свод, а также соединенные с источником питания два электрода, один из которых размещен в подине корпуса печи, а другой - в своде с возможностью перемещения относительно него, при этом стойка свода выполнена телескопической, причем телескопическая стойка свода совмещена со стойками корпуса и выполнена в виде двух вертикальных гидроцилиндров, расположенных с диаметрально противоположных сторон корпуса и штоки которых соединены с боковыми стенками свода.
Недостатком известного технического решения является однослойная футеровка кожуха плазменно-дуговой печи, через которую происходят большие тепловые потери при ее работе.
Известна плазменная противоточная печь для плавки мелкофракционных материалов (патент РФ № 2007463, опуб. 15.02.1994), содержащая питающий бункер, центральный электрод с уплотнением, газоотводную камеру, свод с тремя плазмотронами и рабочую камеру с водоохлаждаемым корпусом с футеровкой и подиной, установленную на подъемной платформе с выкатной тележкой, при этом печь снабжена реактором с магнитной системой, при этом центральный электрод выполнен из графита с осевой полостью и резьбой в верхней части, а уплотнение выполнено в виде водоохлаждаемой трубы, нижний торец которой расположен на расстоянии от 100 до 400 мм от уровня верхнего торца реактора, при этом газоотводная камера выполнена разъемной с конусным расширением вниз и с дополнительным отверстием в верхней части диаметром, причем нижний торец экрана заглублен в рабочую камеру на 100 - 300 мм ниже свода, при этом подина рабочей камеры дополнительно снабжена слоем графитовой кладки, расположенной между футеровкой и металлической подиной, выполненной с наружным водяным охлаждением.
Недостатком известного технического решения является однослойная футеровка корпуса плазменной противоточной печи, через которую происходят большие тепловые потери при ее работе, кроме того, в результате изменения температурного градиента, вызванного тепловыми потерями, происходит резкое изменением формы рабочего пространства во время плавки сырья.
Известна плазменная плавильная печь для прямого получения железоуглеродистых сплавов (патент РФ № 2333251, опубл. 10.09.2008), принятая за прототип, содержащая корпус и крышку, футерованные огнеупорным материалом, питатель для загрузки исходных материалов, газоотводной канал, летку для слива металла и шлака, источники плазменного нагрева в виде плазмотронов косвенного действия, установленные в боковых стенках печи, при этом крышка со стороны газоотводного канала выполнена с водоохлаждаемым ребром, которое выступает из крышки внутрь печи и образует со стенкой печи канал, сообщающийся с внутренней полостью газоотводного канала, а в боковых стенках, симметрично друг другу под углом от 18 до 20° к плоскости пода, установлены плазмотроны косвенного действия, причем летка для слива металла и шлака расположена в стенке печи в плоскости пода на оси симметрии, проходящей через пересечение продольных осей плазмотронов, а на противоположной от летки стенке печи установлено устройство для дозагрузки исходного материала.
Недостатком известного технического решения является однослойная футеровка корпуса плазменной плавильной печи, через которую происходят большие тепловые потери при ее работе. Кроме того, недостатком является футеровка, выполненная из огнеупорных материалов, поскольку в случае получения корунда не будет достигаться его достаточная чистота из-за взаимодействия внутреннего контактного слоя футеровки с полученным материалом.
Техническим результатом является повышение стабильности теплового баланса плазменной печи, при повышении химической чистоты получаемого корунда.
Технический результат достигается тем, что футеровка выполнена многослойной, при этом первый слой выполнен из материала с теплопроводностью не менее 150 Вт/(м⋅К) толщиной не менее 0,05 м, второй слой и третий слой выполнены из материала с теплопроводностью заданной из диапазона от 1 до 5 Вт/(м⋅К) толщиной от 0,1 до 0,15 м, а четвертый слой выполнен из материала с теплопроводностью, заданной из диапазона от 0,3 до 0,5 Вт/(м⋅К) толщиной не менее 0,15 м, при этом на внутренней части первого слоя футеровки жестко закреплены листы из молибдена.
Плазменная печь для получения корунда поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - общий вид плазменной печи для получения корунда,
фиг. 2 - разрез А-А плазменной печи для получения корунда, где:
1 - корпус печи;
2 - футеровка;
3 - питатель;
4 - газоотводный канал;
5 - летка для слива расплава;
6 - источники плазменного нагрева;
7 - первый слой футеровки;
8 - второй слой футеровки;
9 - третий слой футеровки;
10 - четвертый слой;
11 - листы из молибдена.
Плазменная печь для получения корунда содержит корпус 1 (фиг. 1), внутри которого выполнена многослойная футеровка 2 (фиг. 2) из огнеупорных материалов. В средней части корпуса 1 выполнено отверстие, в которое установлен питатель 3 (фиг. 1). Газоотводный канал 4, выполнен в форме трубы круглого сечения и установлен в отверстие в верхней части корпуса 1. Летка для слива расплава установлена внизу корпуса 1. В боковых стенках печи для получения корунда, на противоположной от питателя 3 стенки, симметрично друг другу, под углом 18-20° к плоскости пода установлены источники плазменного нагрева 6 (фиг. 1) в виде плазмотронов.
Футеровка 2 выполнена многослойной. Первый слой 7 выполнен из материала с теплопроводностью не менее 150 Вт/(м⋅К) толщиной не менее 0,05 м, который должен выдерживать перегрев до температуры плавления оксида алюминия, и может быть выполнен, например, из слабокислого огнеупора, оксида циркония или графита. Второй слой 8 и третий слой 9 выполнены из материала с теплопроводностью, заданной из диапазона от 1 до 5 Вт/(м⋅К) толщиной от 0,1 до 0,15 м, и может быть выполнен, например, из глиноземсодержащих или магнезитовых или хромитовых материалов. Четвертый слой 10 выполнен из материала с теплопроводностью, заданной из диапазона от 0,3 до 0,5 Вт/(м⋅К) толщиной не менее 0,15 м и может быть выполнен, например, из волокнистого материала на основе муллитокремнеземистых или каолиновых волокон. На внутренней части первого слоя 7 футеровки 2 жестко закреплены листы из молибдена 11. За счет выполнения футеровки 2 многослойной с жестко закрепленными листами из молибдена 11 на внутренней части первого слоя 7 футеровки 2 обеспечивается повышение стабильности теплового баланса плазменной печи при этом повышается химическая чистота получаемого корунда, а также уменьшаются теплопотери и воздействие высоких температур на корпус 1.
Плазменная печь для получения корунда работает следующим образом.
Сырье для получения корунда, например, глинозем марки Г000, загружают внутрь корпуса 1 плазменной печи посредством питателя 3. После чего подают ток на источники плазменного нагрева 6, в результате чего температура в плазменной печи начинается подниматься и загруженное сырье подвергается расплавлению, отходящие газы при этом отводят через газоотводный канал 4, а полученный расплав корунда сливают через летки для слива расплава 5. При работе плазменной печи футеровка 2 выдерживает температуры не менее 2300 К при этом первый слой 7 футеровки 2 характеризуется достаточной механической прочностью с достаточно большой теплопроводностью, второй слой 8 футеровки 2, достаточно прочный, но со сравнительно низкой теплопроводностью, выполняет назначение подложки для первого слоя 7, а третий слой 9 футеровки 2 несет основные прочностные и механические нагрузки, и, четвертый слой 10 гасит основной перепад температур. Покрытие первого слоя 7 футеровки 2 обеспечивает получение корунда высокой химической чистоты.
Расчет перепадов температуры на слоях футеровки был произведен по формуле:
Figure 00000001
,
где
Figure 00000002
- перепад температуры на слое в
Figure 00000003
,
Figure 00000004
- средняя теплопроводность слоя в
Figure 00000005
,
Figure 00000006
-толщина слоя в м,
Figure 00000007
- мощность теплового потока в Вт (3000 Вт),
Figure 00000008
- площадь слоя в м2 (1 м2).
Результаты расчетов снижения температуры на каждом слое футеровки в зависимости от теплопроводности и толщины слоя (теплового сопротивления) представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1. Расчет падения температуры на слоях футеровки плазменной печи для получения корунда:
Figure 00000009
;
Figure 00000010
Слой 1,
Figure 00000011
Figure 00000011

Вт/м/К
Слой 2,
Figure 00000012
Figure 00000012
Вт/м/К
Слой 3,
Figure 00000013
Figure 00000013
Вт/м/К
Слой 4,
Figure 00000014
Figure 00000014
Вт/м/К
dT1
К
dT2
К
dT3
К
dT4
К
1 5 1 1 0,15 17 165 165 1653
2 5 1 5 0,15 18 177 35 1770
3 5 5 1 0,15 18 35 177 1770
4 5 5 5 0,15 19 38 38 1905
5 150 1 1 0,15 1 167 167 1666
6 150 1 5 0,15 1 179 36 1785
7 150 5 1 0,15 1 36 179 1785
8 150 5 5 0,15 1 38 38 1922
9 5 1 5 0,3 32 317 63 1587
10 5 5 1 0,3 32 63 317 1587
11 5 5 5 0,3 36 73 73 1818
12 5 5 5 0,5 57 114 114 1714
13 150 1 1 0,3 1 286 286 1428
14 150 1 1 0,5 1 400 400 1199
15 150 1 5 0,5 2 476 95 1427
16 150 5 1 0,5 2 95 476 1427
Таблица 2. Расчет падения температуры на слоях футеровки плазменной печи для получения корунда:
Figure 00000015
Figure 00000015
;
Figure 00000016
Figure 00000016
Слой 1,
Figure 00000011
Figure 00000011

Вт/м/К
Слой 2,
Figure 00000012
Figure 00000012

Вт/м/К
Слой 3,
Figure 00000013

Вт/м/К
Слой 4,
Figure 00000014
Figure 00000014

Вт/м/К
dT1
К
dT2
К
dT3
К
dT4
К
1 5 1 1 0,15 15 229 229 1527
2 5 1 5 0,15 17 252 50 1681
3 5 5 1 0,15 17 50 252 1681
4 5 5 5 0,15 19 56 56 1869
5 150 1 1 0,15 1 231 231 1538
6 150 1 5 0,15 1 254 51 1694
7 150 5 1 0,15 1 51 254 1694
8 150 5 5 0,15 1 57 57 1886
9 5 5 5 0,3 35 105 105 1754
10 5 5 5 0,5 54 162 162 1622
11 150 1 1 0,5 1 500 500 999
12 150 1 5 0,5 1 625 125 1249
13 150 5 1 0,5 1 125 625 1249
14 150 1 1 0,3 1 375 375 1249
Расчеты были произведены исходя из суммарного перепада температуры на всех четырех слоях футеровки 2000 К и прочностных характеристик материалов, которые соответствуют заявленным значениям теплопроводности, и подходят для производства футеровки. При этом падение температуры на четвертом слое не должно превышать 1500 К, ввиду большой тепловой нагрузки на материал.
Примеры расчетов 1-12 (таблица 1) и 1-10 (таблица 2) демонстрируют нарушение теплового режима четвертого слоя футеровки, из-за слишком большого перепада температуры на нем (более 1500 К), из-за чего не может быть достигнута стабильность теплового баланса плазменной печи для получения корунда. Примеры расчетов 13-16 (таблица 1) и 11-14 (таблица 2) демонстрируют допустимый перепад на четвертом слое футеровки за счет чего обеспечивается повышение стабильности теплового баланса плазменной печи. При выполнении футеровки многослойной с первым слоем из материала с теплопроводностью менее 150 Вт/(м⋅К) толщиной менее 0,05 м, со вторым и третьим слоем, выполненным из материала с теплопроводностью заданной менее 1 Вт/(м⋅К) или более 5 Вт/(м⋅К) толщиной менее 0,1 м, с четвертым слоем, выполненным из материала с теплопроводностью менее 0,3 Вт/(м⋅К) или более 0,5 Вт/(м⋅К) толщиной менее 0,15 м не обеспечивается повышение стабильности теплового баланса плазменной печи из-за больших перепадов температур.
За счет закрепления листов из молибдена на внутренней части первого слоя футеровки также обеспечивается повышение стабильности теплового баланса плазменной печи, при повышении химической чистоты получаемого корунда, поскольку параметры кристаллической решетки молибдена и корунда (Al2O3) настолько различны, что исходная поверхность молибдена не может способствовать появлению зародышей Al2O3. Кроме того, следует учесть сравнительно небольшой размер микрошероховатостей на поверхности листов из молибдена по сравнению с поверхностями других огнеупорных материалов. Эти преимущества листов из молибдена позволяют предотвратить рост кристаллов корунда при возникновении локального охлаждения расплава возле стенок плазменной печи, и, соответственно, предотвратить образование настылей, наличие которых ухудшает фазовую однородность полученного корунда. Кроме того, молибден при температурах до 3000 К химически нейтрален по отношению к расплаву глинозема, за счет чего обеспечивается высокая химическая чистота корунда при плавлении глинозема марок, например, Г000, Г00, Г0 и др.
Таким образом, как показано в вышеприведенном описании изобретения, достигается технический результат, заключающийся в повышении стабильности теплового баланса плазменной печи, при повышении химической чистоты получаемого корунда.

Claims (1)

  1. Плазменная печь для получения корунда, содержащая корпус с футеровкой из огнеупорных материалов, питатель  для загрузки исходных материалов, газоотводный канал, летку для слива расплава, источники плазменного нагрева в виде плазмотронов, установленные в боковых стенках печи   симметрично друг другу под углом 18-20° к плоскости пода, отличающаяся тем, что футеровка выполнена многослойной, при этом первый слой выполнен из материала с теплопроводностью не менее 150 Вт/(м·К) толщиной не менее 0,05 м, второй слой и третий слой выполнены из материала с теплопроводностью от 1 до 5 Вт/(м·К) толщиной от 0,1 до 0,15 м, а четвертый слой выполнен из материала с теплопроводностью от 0,3 до 0,5 Вт/(м·К) толщиной не менее 0,15 м, при этом на внутренней части первого слоя футеровки жестко закреплены листы из молибдена, а летка для слива расплава установлена в нижней части корпуса.
RU2020136471A 2020-11-06 2020-11-06 Плазменная печь для получения корунда RU2746655C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020136471A RU2746655C1 (ru) 2020-11-06 2020-11-06 Плазменная печь для получения корунда

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020136471A RU2746655C1 (ru) 2020-11-06 2020-11-06 Плазменная печь для получения корунда

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2746655C1 true RU2746655C1 (ru) 2021-04-19

Family

ID=75521313

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020136471A RU2746655C1 (ru) 2020-11-06 2020-11-06 Плазменная печь для получения корунда

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2746655C1 (ru)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4504307A (en) * 1983-02-03 1985-03-12 Voest-Alpine Aktiengesellschaft Method for carrying out melting, melt-metallurgical and/or reduction-metallurgical processes in a plasma melting furnace as well as an arrangement for carrying out the method
US4821284A (en) * 1986-08-01 1989-04-11 Clecim Scrap-melting process and electric furnace for carrying out the process
JPH04128308A (ja) * 1990-09-18 1992-04-28 Banyou Kogyo Kk 直接製鋼法
RU2007463C1 (ru) * 1991-06-11 1994-02-15 Савостьянов Игорь Андреевич Плазменная противоточная печь для плавки мелкофракционных материалов
RU2258187C2 (ru) * 2003-06-19 2005-08-10 Николаев Александр Николаевич Плазменно-дуговая печь постоянного тока
RU2333251C2 (ru) * 2005-12-26 2008-09-10 Анатолий Тимофеевич Неклеса Плазменная плавильная печь для прямого получения железоуглеродистых сплавов
RU2664076C2 (ru) * 2016-06-29 2018-08-14 Сергей Маркович Нехамин Электродуговая печь для переработки материалов, установка для электродуговой переработки материалов и способ работы установки

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4504307A (en) * 1983-02-03 1985-03-12 Voest-Alpine Aktiengesellschaft Method for carrying out melting, melt-metallurgical and/or reduction-metallurgical processes in a plasma melting furnace as well as an arrangement for carrying out the method
US4821284A (en) * 1986-08-01 1989-04-11 Clecim Scrap-melting process and electric furnace for carrying out the process
JPH04128308A (ja) * 1990-09-18 1992-04-28 Banyou Kogyo Kk 直接製鋼法
RU2007463C1 (ru) * 1991-06-11 1994-02-15 Савостьянов Игорь Андреевич Плазменная противоточная печь для плавки мелкофракционных материалов
RU2258187C2 (ru) * 2003-06-19 2005-08-10 Николаев Александр Николаевич Плазменно-дуговая печь постоянного тока
RU2333251C2 (ru) * 2005-12-26 2008-09-10 Анатолий Тимофеевич Неклеса Плазменная плавильная печь для прямого получения железоуглеродистых сплавов
RU2664076C2 (ru) * 2016-06-29 2018-08-14 Сергей Маркович Нехамин Электродуговая печь для переработки материалов, установка для электродуговой переработки материалов и способ работы установки

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2716571C2 (ru) Печь для плавки и выдерживания сплава
CN101349503B (zh) 用于冶炼钛渣的电炉
RU2746655C1 (ru) Плазменная печь для получения корунда
NO862016L (no) Plasmabrenner.
JP5692216B2 (ja) シリコンの製造方法および治具
RU2281974C2 (ru) Охлаждающий элемент для охлаждения металлургической печи
JPH11223464A (ja) 電気炉
RU2630728C2 (ru) Система теплового экранирования
CN105018740A (zh) 电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉
ES2964492T3 (es) Horno de arco eléctrico
JP3972390B2 (ja) 高周波誘導溶解用るつぼ炉
JP2022019914A (ja) 低炭素フェロクロムの製造方法
US2599779A (en) Electric furnace
RU2710176C1 (ru) Печь проходного типа для высокотемпературной обработки углеволокнистых материалов с индукционным способом нагрева рабочей зоны
US5058126A (en) Silicon carbide beam as refractory in an open-arc furnace
JPH1047861A (ja) 電気炉
RU2157795C1 (ru) Способ получения силикатного расплава и устройство для его осуществления
JP4725865B2 (ja) 廃棄物処理チャンバーにおいて用いられる改良されたプラズマトーチ
US3107268A (en) Melting furnace
CN204848984U (zh) 电磁感应加热熔融还原金属镁真空还原炉
CN215810210U (zh) 一种矿热炉通水炉盖
CN103451430A (zh) 用于处理低品位多金属物料的富氧熔炼炉
RU2213311C2 (ru) Индукционная тигельная печь-термос
JPH0875365A (ja) 直流アーク炉のための容器
RU2009230C1 (ru) Печь постоянного тока для восстановительной плавки