RU60936U1 - Устройство для прямого восстановления металлов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к бескоксовой металлургии, в частности, к производству непрерывно-литой заготовки посредством прямого восстановления металлов, из металлсодержащего оксидного сырья, газообразными и дисперсными восстановителями в плазмохимических реакторах, основная доля энергии в которые вводится с помощью дугового разряда. Сущность полезной модели заключается в том, что в полости верхнего рабочего электрода 6 дуговой электропечи, включающей реактор 3 с охлаждаемыми стенками, два разнополярных электрода, размещенных соосно на вертикальной оси реактора, и средство сбора 8 готового продукта, установлена сочлененная с рабочим электродом 6 охлаждаемая труба 12. на внешней поверхности рабочего электрода 6 выполнены кольцевые проточки 7, и средство сбора готового продукта выполнено в виде металлического охлаждаемого кристаллизатора 8. При этом шихту и восстановительный газ подают в камеру 3 по охлаждаемой трубе 12, что предотвращает попадание шихты на рабочий электрод 6 и его быстрый расход, а также позволяет использовать любые газообразные восстановители, в том числе природный газ при температуре ниже температуры его пиролиза. Кроме того, стало возможным повысить температуру торца электрода 6 и обеспечить формирование режима диффузного катодного пятна, в котором отсутствует локальный перегрев электрода 6. Проточки 7 повышают продольное термическое сопротивление электрода 6 и способствуют достижению требуемой температуры его торца. Снижение расхода рабочего электрода 6 и использование газообразных восстановителей позволило, в свою очередь, получать однородный металл с малым содержанием примесей. Существенное увеличение производительности устройства достигнуто за счет уменьшения времени пуска, снижения расхода электрода 6 и применения охлаждаемого металлического кристаллизатора 8, практически не подверженного износу.

Description

Полезная модель относится к бескоксовой металлургии, в частности, к производству непрерывно-литой заготовки посредством восстановления металлов, не обязательно только железа, из металлсодержащего дисперсного оксидного сырья, такого как руды, газообразными и дисперсными восстановителями в плазмохимических реакторах, основная доля энергии в которые вводится с помощью дугового разряда.

Как известно, способ, в котором железо производится путем восстановления железосодержащей руды, минуя доменное производство, классифицируется как "способ прямого восстановления". Способы прямого восстановления металлов и соответствующие устройства 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 - шихты и рабочего газа, соленоид и расположенный на центральной оси рабочий электрод, выполненный из графита или вольфрама. В ряде случаев через рабочий электрод, установленный обычно в верхней части устройства, подают шихту и рабочий газ и он является катодом дугового разряда, роль анода выполняет ванна расплава металла, находящаяся на поде печи.

Общим недостатком этих устройств является наличие расходуемого электрода-катода, ограниченность объема плавильной камеры и интенсивное разрушение ее футеровки при контакте с оксидными расплавами. Это требует периодической остановки процесса для выпуска металла, замены катода и стенок плавильной камеры реактора, защищаемых графитовой или керамической футеровкой (напр., патенты России №№2022491, 2072639, №2009230).

Даже в том случае, когда электрод не заменяют, а наращивают посредством предусмотренных для этого устройств (патенты РФ №№1781306 и 2007463), технологический процесс остается прерывистым из-за ограниченной емкости печи и необходимости отсоединения от катода средств подачи шихты на время установки

резервного электрода, а конечный материал загрязняется продуктами эрозии футеровки печи.

Замена в устройстве сбора металла с подовым электродом графитовой или керамической футеровки на металлический охлаждаемый кристаллизатор (Пат. Великобритании №1054162) в известных устройствах полностью не решает упомянутой проблемы из-за повышенного расхода рабочего электрода и загрязнения металла продуктами его эрозии.

Ближайшим прототипом предлагаемой полезной модели является устройство для прямого восстановления металлов, содержащее средства подвода восстановительного газа и шихты, дуговую электропечь со средством сбора готового продукта, включающую реактор с охлаждаемыми стенками, два разнополярных электрода, размещенных соосно на вертикальной оси реактора, один из которых (верхний рабочий электрод) выполнен полым и сочленен с охлаждаемой трубой, устройство перемещения рабочего электрода и окружающую реактор магнитную систему (пат. РФ №2007463). В этом устройстве вторым электродом (анодом) является ванна расплава, размещенная в керамическом тигле, восстановительный газ и шихту подают в реактор через полый рабочий электрод, охлаждаемая труба установлена снаружи этого электрода и служит для уплотнения камеры и охлаждения рабочего электрода, реактор и подина снабжены графитовой и керамической кладкой, а для наращивания рабочего электрода введено устройство его перемещения и наращивания.

Несмотря на принятые меры в этом устройстве не удалось совместить требования по снижению температуры подводимого газа для предотвращения его пиролиза и поддержанию высокой температуры торца рабочего электрода, что необходимо для уменьшения его эрозии вследствие наличия малоподвижных контрагированных пятен.

Предлагаемым устройством решается техническая задача улучшения качества металла и увеличения производительности процесса его производства.

Основной технический результат использования предлагаемой полезной модели заключается в снижении расхода материала рабочего электрода и в возможности использования любого газообразного восстановителя без опасности закоксовывания канала его ввода.

Дополнительно решается задача уменьшения загрязнения готового продукта материалами эрозии рабочего электрода, экрана реактора и футеровки пода печи.

Указанный результат достигается тем, что охлаждаемая труба установлена внутри рабочего электрода, а на внешней поверхности электрода выполнены кольцевые проточки. Нижний конец трубы заглублен относительно нижнего торца этого электрода

на величину, составляющую 1-1,5 диаметра полости электрода, отношение внешнего и внутреннего диаметров рабочего электрода выбрано из соотношения 3-5. В качестве средства сбора готового продукта использован металлический охлаждаемый кристаллизатор. Графитовый экран удален.

Используемые термины и определения.

Дуговая 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.

Кристаллизатор - контейнер для восстановления рудного сырья и сбора продукта - металла, в котором расплавленный металл охлаждают до твердого состояния. В случае образования шлака кристаллизатор снабжают отверстием для его вывода.

Питатель - устройство, обычно содержащее бункер с исходным рудным сырьем и средство его подачи с заданной скоростью.

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.

Синтез-газ - газовая смесь, главными компонентами которой являются монооксид углерода и водород.

Шихта - смесь, состоящая из рудного сырья (руда, концентрат и т.д.), легирующих и рафинирующих добавок.

Железорудное сырье - минеральное сырье, содержащее один или более окислов железа различной валентности.

Описание чертежей.

На фиг.1 схематически представлен вариант устройства в продольном сечении.

На фиг.2 дано поперечное сечение устройства в плоскости А-А.

Устройство содержит питатель 1 шихты, источник 2 восстановительного газа, реактор 3 дуговой печи с металлическими охлаждаемыми стенками 4 и сводом (крышкой) 5, включающий полый рабочий электрод 6 с кольцевыми проточками 7 на его внешней поверхности, средство сбора 8 готового продукта (кристаллизатор) с площадкой сбора 9 на приводном штоке 10 в приемной камере 11 и охлаждаемую трубу 12. Для перемещения и смены рабочего электрода 6, а также перемещения трубы 12 служит привод 13. В стенке 4 реактора 3 установлен патрубок 14 отвода отработанного газа, а вокруг реактора 3 - магнитная система в виде соленоида 15. Между электродом 6 и крышкой 5 реактора 3 установлен уплотнитель 16 из электроизоляционного материала.

Внешняя по отношению к реактору 3 часть электрода 6, труба 12 и устройство перемещения 13 отделены от окружающего пространства кожухом 17, установленным на крышке 5 через электрический изолятор 18.

Труба 12 служит каналом подачи шихты и восстановительного газа от питателя 1 и источника газа 2 в реактор 3 и установлена в полости рабочего электрода 6. Нижний конец трубы 12 находится на расстоянии 1-1.5 внутреннего диаметра рабочего электрода 6 от его нижнего торца.

Рабочий электрод 6 и площадка 9 являются электродами реактора 3, их полярность может быть как прямой (рабочий электрод 6 служит катодом) так и обратной (рабочий электрод 6 служит анодом). Отношение внешнего и внутреннего диаметров электрода 6 находится в пределах 3-5, ширина и глубина кольцевых проточек 7 составляют величину 0,1-0,2, а интервал между ними - 0,5-1 внешнего диаметра электрода 6.

Проиллюстрирована работа устройства при прямой полярности электродов реактора 3. На площадку сбора 9 загружают металлическую «затравку», подают напряжение на электроды реактора 3 и возбуждают в нем дуговой разряд одним из известных способов, например, кратковременным касанием рабочим электродом 6 «затравки», использованием пускового плазмотрона, высокочастотным пробоем и т.д. По трубе 12 подают восстановительный газ и при относительно низких по отношению к номинальным значениях тока дуги и напряжения наводят на площадке 9 «болото» из металла «затравки». Затем устанавливают рабочие параметры установки: индукцию магнитного поля соленоида 15, величину дугового промежутка между электродом 6 и расплавом металла на площадке 9. величину тока дуги, расход восстановительного газа через трубу 12 и реактор 3 от источника газа 2.

После наведения «болота», т.е. расплава на площадке 9, питателем 1 через трубу 12 в реактор 3 подают шихту, состоящую из рудного сырья (руда, концентрат), легирующих и рафинирующих добавок. Смесь шихты и газа поступает на расплав, при этом происходит восстановление шихты до металла. Восстановленный металл, как более тяжелая фракция опускается в нижнюю часть кристаллизатора 8 на площадку 9, где формируется твердая оболочка заготовки - слитка, например, сляба, которую по мере накопления металла с помощью штока 10 тянущим механизмом (не показан) вытягивают из кристаллизатора 8 в приемник готового металла 11. Отработанный газ отводят через патрубок 14.

Охлаждение канала подачи газа (труба 12) позволяет подавать природный газ в реактор 3 при температуре ниже температуры пиролиза газа, что не требует его конверсии. При этом благодаря тому, что область теплового контакта трубы 12 и

рабочего электрода 6 может быть размещена достаточно далеко от нижнего торца электрода 6, температура последнего может быть обеспечена с учетом необходимости образования на торце электрода 6 диффузного дугового пятна, характеризующегося равномерной и пониженной выработкой материала электрода 6.

Кольцевые проточки 7 на внешней поверхности электрода 6 увеличивают продольное тепловое сопротивление электрода и способствуют повышению температуры нижнего торца электрода 6 и образованию диффузного пятна, а также пониженную теплоотдачу к трубе 12 в области теплового контакта. При отношении диаметров электрода 6 меньшем трех возрастает плотность тока в нем, что становится причиной его повышенного расхода, а при отношении диаметров электрода, большем пяти, сильно уменьшаются возможности для размещения в нем канала подачи реагентов (трубы 12).

Размещение нижнего конца трубы 12 на удалении от нижнего торца электрода 6 большем 1,5 диаметра его полости приводит к значительному попаданию шихты на рабочий электрод, находящийся при высокой температуре (около 3000С), и его повышенному износу, а при удалении меньшем 1,0 диаметра полости электрода 6 резко возрастает вероятность перескока дуги разряда на трубу 12 и ее разрушения.

Использование охлаждаемой трубы 12 в полости электрода 6 позволяет доставлять шихту и холодный восстановительный газ в устройство сбора готового продукта - кристаллизатор 8 - в приосевую зону реакционного объема плазменной дуги. За счет аксиального магнитного поля соленоида 15 обеспечивается азимутальное вращение дуги и ванны расплава, что приводит к равномерному нагреву и активному взаимодействию с восстановительным газом всей массы поступающей шихты и получению однородного металла. При этом необходимо ограничить поперечные размеры средства сбора готового продукта и обеспечить его эффективное охлаждение. Этим условиям в наибольшей степени соответствует применение в качестве средства сбора металлического охлаждаемого кристаллизатора 8.

Выполнение кристаллизатора 8 из электро- и теплопроводного химически стойкого по отношению к оксидным расплавам материала и его эффективное охлаждение при наличии осевого магнитного поля предотвращает аварийный его прожог дуговым разрядом, позволяет отказаться от керамической футеровки и графитовой кладки и в конечном итоге получать металл требуемого состава с малым содержанием вредных примесей.

Использование устройства 13 перемещения и наращивания рабочего электрода 6, аналогичного прототипу, позволяет сделать процесс практически непрерывным.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет:

- использовать любые газообразные восстановители: синтез - газ, водород, неконвертированный природный газ, за счет подачи реагентов в реакционный объем печи через охлаждаемую металлическую трубу 12;

- уменьшить расход рабочего электрода 6 благодаря устранению его контакта с шихтой при ее подаче в рабочее пространство реактора 3 и формированию диффузного катодного пятна посредством повышения температуры торца электрода 6;

- получить однородный металл с малым содержанием примесей (например, углерода) благодаря применению газообразных восстановителей и отказа от использования кокса, а использованием металлического кристаллизатора 8 и магнитного поля обеспечить равномерный нагрев и эффективное взаимодействие с восстановительным газом всей массы поступающей шихты и исключить контакт расплава с керамической футеровкой;

- увеличить производительность устройства за счет уменьшения времени пуска, снижения расхода электрода 6 и применения охлаждаемого металлического кристаллизатора 8, практически не подверженного износу.

Полезная модель может быть использована на предприятиях металлургии и машиностроения для прямого получения литой металлической заготовки из дисперсного рудного сырья с использованием газообразных и дисперсных восстановителей.

Экологические показатели предложенного устройства существенно выше, чем у аналогов: не потребляется кокс, не требуется агломерация и окомкование рудного сырья, возможна работа на водороде и на сыром природном газе.

Пробная плавка с восстановлением дисперсной руды и рудного концентрата была проведена на экспериментальной дуговой установке прямой полярности с графитовым электродом и использованием в качестве восстановителя метана (аналога природного газа). При мощности плазменной дуги 70 кВт был осуществлен процесс прямого восстановления с получением железа в виде слитка диаметром 100 мм с суммарным содержанием примесей не более 1,5%.

Возможность реализации всех эффектов, сопровождающих процесс подачи в реактор шихты и восстановительного газа через охлаждаемую трубу с восстановлением металла в ванне расплава, установлена нами впервые и нигде не опубликована.

Предприятие металлургического комплекса по подготовленному техническому заданию изготовило пилотную установку в соответствии с изобретением на уровень мощности дуги 0,2 МВт.

Claims (4)

1. Устройство для прямого восстановления металлов, содержащее средства подвода восстановительного газа и шихты, дуговую электропечь со средством сбора готового продукта, включающую реактор с металлическими охлаждаемыми стенками, два разнополярных электрода, размещенных соосно на вертикальной оси реактора, один из которых (верхний рабочий электрод) выполнен полым и сочленен с охлаждаемой трубой, устройство перемещения и смены рабочего электрода и окружающую реактор магнитную систему, отличающееся тем, что охлаждаемая труба установлена в полости рабочего электрода и на внешней поверхности рабочего электрода выполнены кольцевые проточки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нижний конец охлаждаемой трубы заглублен относительно нижнего торца рабочего электрода на величину, составляющую 1-1,5 диаметра полости электрода.

3. Устройство по любому из п.1 или 2, отличающееся тем, что отношение внешнего и внутреннего диаметров рабочего электрода составляет 3-5.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство сбора готового продукта выполнено в виде металлического охлаждаемого кристаллизатора.