CZ20004717A3 - Indukční pec pro proces redukce a tavení kovů - Google Patents

Description

Oblast techniky

Tento vynález se týká zařízení pro proces redukce a tavení kovů, jakým je např. proces výroby ocele, ve kterém je vsádka obsahující kov a uhlík zahřívána v kanálové indukční peci za účelem redukce a tavby té části vsádky, která obsahuje kov.

Dosavadní stav techniky

Běžná kanálová indukční pec obvykle zahrnuje podélnou válcovou ohřívací nádobu v podstatě kruhového průřezu, která je ohřívána dvěma podélnými řadami indukčních topných členů, čili induktorů, rozmístěnými od sebe tak, že každá řada probíhá podél dna nádoby na protilehlých stranách podélné osy nádoby.

Jedna taková pec je například popsána v USA patentu č. 5 411 570, kde je použita pro redukci a tavení vsádky obsahující kov a uhlík.

V procesu popsaném ve výše uvedeném USA dokumentu je vsázka zavážena do ohřívací nádoby dvěma podélnými řadami kanálů, které jsou rozmístěny na protilehlých okrajích kruhového úseku horní stěny nádoby, následkem čehož vsádka v nádobě plave na povrchu lázně roztaveného kovu ve tvaru dvou klínovitých hromad táhnoucích se podél protilehlých stran stěny nádoby tak, že širší kraj klínu, tj. “vrchol“ každé hromady je u stěny nádoby a užší kraj klínu, tj. “úpatí“ každé hromady je u středu nádoby. Z toho plyne, že vrcholy hromad plovoucích na kovové lázni jsou umístěny téměř vertikálně nad hrdly (otvory) induktorů.

Poněvadž je kov ohříván ztrátami I R v induktoru a proudění poměrně horkého kovu vzhůru nastává přímo nad hrdlem induktoru, více tepla obdrží spodní vrstvy hromad v oblastech situovaných téměř přímo pod vrcholy, než v oblastech jiných. (Horká místa se tvoří pod nej vyššími body řad hromad). Částice vsádky jsou tedy “spotřebovávány“ hlavně v řečených oblastech téměř přímo pod vrcholy hromad, čehož následkem je výsledný tok částic směrem k těmto oblastem.

Tok částic vsádky v hromadách lze vyjádřit pomocí vektorů. Tyto vektory toku mohou být vztaženy ke svým složkám představujícím tok kolmý k povrchu hromady a tok rovnoběžný s povrchem. Tok kolmý k povrchu hromady je nežádoucí, neboť teplo absorbované sáláním od • · · · • · · · • · · · · · • · · • · stropu nádoby na povrchu hromady může být fakticky vedeno jen do hloubek řádově 25 mm. To znamená, že jakmile se částice dostane přibližně 25 mm kolmo k povrchu, je prakticky odstíněna od zdroje sálavého tepla. Doba potřebná pro tento pohyb může být označena jako doba “expozice“.

Zkrácení doby expozice částic má za následek snížení absorbce sálavé energie těmito částicemi. Z toho opět vyplývá, že ty částice, které dosáhnou úpatí hromad, kde je míra ohřevu induktory a tím i míra tavení menší, jsou vystaveny sálání delší dobu, než by jinak byly. Delší doba expozice zase znamená vyšší povrchové teploty a tedy snížený přenos sálavého tepla do materiálu při úpatí hromad. Poměrně vysoké teploty a vysoký stupeň redukce materiálu při úpatí hromad mohou způsobit i reoxidaci, poněvadž chybí ochranná funkce redukčního plynu. ( Redukční reakce proběhly, tudíž se netvoří v této oblasti již žádný plyn, který by chránil vsádku před reoxidaci účinkem CO2).

Jak přeexpozice, tak i podexpozice částic vsádky sáláním jsou nežádoucí, poněvadž vedou ke zvýšené spotřebě elektrické energie i reduktantu

Další nevýhodou výše uvedeného známého uspořádání je to, že podstatný rozdíl mezi zpracováváním materiálu vsádky, který pronikne k úpatí hromad a ostatním materiálem vede k podstatnému rozdílu poměru uhlíku a kyslíku disponibilního po dobu, než se částice roztaví. Poměrná množství těchto odlišně vytvářených materiálů pronikajících k tekuté lázni jsou větší při použití vyšších příkonů. Když dosáhne takto vzniklá nehomogenita stupně, kde přebytečný uhlík, rozpuštěný v jedné oblasti a přebytečný kyslík, rozpuštěný ve druhé oblasti, při smíšení překročí mez rozpustnosti, uvolňuje se oxid uhelnatý. Při vývinu tohoto plynu dochází k narušení tavícího procesu a potenciálně nebezpečné situaci. Maximální elektrický příkon proto musí být omezen na poměrně nízké hotnoty, což ovšem snižuje dosažitelnou produkci.

Ve výše uvedeném známém zařízení je minimální výška hladiny tekutého kovu při normální činnosti stanovena požadavkem, aby řady induktorů nejvíce vzdálených od výpustného otvoru byly vždy pod její úrovní, a to i když je pec co nejvíce skloněna k výpustné straně. Toto omezení spolu s požadavkem, že hromady musí zcela pokrývat kovovou lázeň, zmenšuje prostor, který je k dispozici pro formování hromad a pro spalování plynů ze vsádky či paliva, které lze do pece zavést. V závislosti na úhlu uložení hromad je projektovaná plocha povrchu pro přenos tepla k hromadám také omezena minimální výškou hladiny lázně tekutého kovu.

• · ·· ······ »t · • · · · · · · ···· ······· ··· • ······ · · · · · · • · · · · · · · · · ·· · · · · ·· ·· ···

Dalším význakem známého zařízení je, že induktory, ať již s jednoduchou či dvojitou smyčkou, jsou vždy umístěny tak, že jejich žlaby jsou rovnoběžné s podélnou osou horizontálních bubnových pecí. To znamená, že běžně oválná hrdla otvorů mají podélné osy rovnoběžné podélnou osou pece. Poněvadž hrdla induktorů jsou obvykle oddělena silnými stěnami ze žáruvzdorného materiálu, které nesou ostatní žáruvzdornou vyzdívku pece, je počet induktorů v řadě na jednotku délky pece omezen. Horká místa se proto tvoří typicky po 4 až 5 metrech od sebe. Toto dále přispívá k nehomogenitě pohybu materiálu v hromadách.

Podstata vynálezu

Předmětem tohoto vynálezu je zařízení k výše řečenému účelu, které odstraňuje nebo alespoň minimalizuje zmíněné nedostatky.

Podle tohoto vynálezu je předkládáno zařízení pro proces redukce a tavení kovů, ve kterém je vsádka obsahující kov a uhlík ohřívána v indukční peci tvořené ohřívací nádobou, v níž může vsádka plavat ve tvaru alespoň jedné hromady na lázni tekutého kovu, vyznačující se tím, že toto zařízení zahrnuje alespoň jeden indukční topný člen čili induktor, kterýje umístěn v ose dna nádoby nebo v její blízkosti

Přednostně je pec typu kanálové indukční pece.

Dále podle vynálezu alespoň jeden indukční topný člen slouží jako jediný externí zdroj ohřevu nádoby.

Dále podle vynálezu je nádoba tvaru podélného válce a má mnoho těchto induktorů, které jsou rozmístěny v řadě probíhající podél osy dna nádoby.

Dále ještě podle vynálezu má nádoba u svého horního okraje více kanálů, kterými lze do nádoby zavážet vsádku, při čemž kanály jsou uspořádány ve dvou od sebe vzdálených podélně probíhajících řadách, takže vsádka jimi zavezená bude mít tvar dvou blízko sebe se táhnoucích hromad plovoucích na lázni tekutého kovu, každá z hromad je v průřezu klínovitého tvaru, s širším okrajem neboli “vrcholem“ hromady nacházejícím se u stěny nádoby a užším okrajem neboli “úpatím“ u středu nádoby.

Předností takového uspořádání bude, že hromady budou ohřívány přímo pod jejich “úpatími“ a průměrná rychlost pohybu částic vsádky kolmo k povrchu hromad na jiných místech bude tímto minimalizována, takže většina materiálu vsádky bude spotřebovávána na úpatí hromad nebo v jejich blízkosti (t.j. v údolí utvořeném mezi dvěma řadami hromad), a tedy přímo nad induktory.

S tímto uspořádáním lze současně uhlídat podexpozici či přeexpozici částic vsádky sálavou energií v peci.

Navíc díky centrálnímu uložení induktorů může být výška hladiny kovové lázně v nádobě a tím i celkový objem tekutého kovu daleko menší, než ve dříve uvedených známých zařízeních, předejde se tak výše zmíněné nehomogenitě a v souladu s tím rovněž klesne spotřeba elektrické energie.

Dále podle vynálezu jsou induktory umístěny tak, že jejich podélné osy probíhají v podstatě v pravých úhlech vůči podélné ose pece.

Zásluhou tohoto uspořádání lze umístit na jednotku délky nádoby více induktorů a počet horkých míst tvořících se pod údolím mezi řadami hromad vzroste, poněvadž se zkrátí vzdálenost mezi jednotlivými horkými místy.

Dále podle vynálezu je konfigurace zařízení taková a podmínky reakce uvnitř nádoby jsou regulovány takovým způsobem, že vsádka překrývá jako most celou lázeň tekutého kovu. Toto uspořádání zajišťuje, že v podstatě celá redukce kovu probíhá ve vsádce, t.j. v pevném skupenství.

Řečená konfigurace zařízení se může například týkat počtu a/nebo umístění výše zmiňovaných kanálů, jimiž je vsádka zavážena do nádoby.

Řečená regulace podmínek reakce zase může být uplatněna regulováním kteréhokoliv jednoho nebo více následujících parametrů:

1. Množství a rychlosti zavážení vsádky do nádoby;

2. Velikosti částic vsádky;

3. Stupně smíchání složek vsádky obsahujících kov a uhlík;

4. Tepla dodávaného nádobě prostřednictvím induktoru(ů);

5. Tepla vyvíjeného jakýmkoliv plynem (plyny) a/nebo jinými palivy spalovanými v nádobě v prostoru nad hromadami.

Teplo uvedené v bodě 5 (výše) může např. vznikat spalováním oxidu uhelnatého unikajícího ze vsádky v nádobě s kyslíkem či se směsí kyslik/vzduch hořáky umístěnými v nádobě v oblasti nad vsádkou. Teplo vzniklé takovým spalováním, stejně jako sálavé teplo odrážené stropem nádoby, lze též použít pro předehřátí vsádky uvnitř a/nebo vně nádoby.

Dále podle vynálezu vzduch a/nebo směs vzduch/kyslík použitý v řečených hořácích může obsahovat jemně dělený materiál, který může “žhnout“ při teplotách dosažených uvedeným spalováním oxidu uhelnatého a/nebo paliva nad hromadami. Toto “žhnutí“ zvyšuje intenzitu sálání plamene a tudíž jeho tepelný účinek na vsádku.

·· 00 00 0000 0 · « ••00 00 0 · · · ·

0··· 00 0 00 0

- 4 4 9 44 4 4 4 0 · 0 0 ·

2) 00 0 0 0 0 0 · · ·

0· 0· 00 00 00 0 0 ·

Jemně dělený materiál mohou být například saze.

Jemně dělený materiál může též být vápenec, nebo může obsahovat vápenec. Tento vápenec může pomáhat odstraňovat síru z plynů přítomných v peci.

Dále podle vynálezu má nádoba alespoň jednu výpust pro roztavený kov a/nebo strusku, které byly vyprodukovány během reakce.

Dále ještě podle vynálezu proces výroby kovu je procesem výroby ocele, ve kterém je směs uhlíku ve formě jemně děleného uhlí nebo koksu a jemně dělené vhodné rudy s obsahem oxidu železa zahřívána v nádobě za účelem redukce oxidu železa a roztavení výsledné oceli, která může být vypouštěna jako ocel obsahující méně než 0,1% uhlíku.

Seznam vyobrazení

Jedno provedení vynálezu bude nyní popsáno pomocí příkladu s odkazy na příslušná vyobrazení, ve kterých

Obr. 1 je schematický průřez pecí podle vynálezu;

Obr. 2 je pohled na dno pece podle vynálezu ve směru šipky “A“ na obr. 1.

Příklady provedení vynálezu

V tomto provedení vynálezu je užit kanálový typ indukční pece 10, která zahrnuje podélnou válcovou nádobu U kruhového průřezu, která je vybavena podél osy dna 11,1 (obr. 2) mnoha elektrickými induktory 12, každý o výkonu řádově 2,2 MW. Induktory 12 jsou umístěny tak, že jejich podélné osy 12,1 (obr. 2) probíhají v pravých úhlech vůči ose 111.

Nádoba H má dvě rovnoběžné řady zavážecích kanálů - na obr. 1 je však znázorněn z každé řady jen jeden, 13 a 14 - které jsou rozmístěny na protilehlých stranách po délce nádoby H· Jsou použity k zavážení vsádky 15 do nádoby 11, aby se utvořily dvě podélně se táhnoucí hromady 16 a 17, plovoucí na lázni tekutého kovu 18, každá v podstatě v průřezu klínovitého tvaru s širším okrajem každého klínu, t.j. vrcholem hromady, u stěny nádoby 11 a užším okrajem klínu, t.j. úpatím hromady u osy 11.1 nádoby H·

Je-li třeba, může být při startu procesu do nádoby 11 zavedena malá dávka tekutého kovu některým zavážecím kanálem - není znázorněn-, aby se vytvořila počáteční kovová lázeň.

Vsádka 15 obsahuje homogenní směs částic uhlíkaté složky jako např. uhlí či koksu, a oxidu železa; uhlíkatá složka je přítomna v koncentraci nepatrně nižší, než představuje stochiometrické množství uhlíku nutného k redukci rudy; a velikost částic vsádky 15 je taková, že částice mohou projít sítem s otvory 3 mm.

• · • · · · · · ·

Nádoba H je podél horní stěny rovněž vybavena mnoha kyslíkovými hořáky, - z nichž jsou na obr. 1 znázorněny jen dva, 20 a 21 - pomocí kterých lze CO, tvořící se při reakci a pronikající horní vrstvou vsádky J5, spalovat.

Vsádka 15 je zavezena do nádoby takovým způsobem a v takové míře a podmínky reakce jsou tak regulovány, jak bylo vysvětleno v předchozím popisu, že spodní části hromad 16 a 17 vzájemně splývají, takže materiál vsádky J5 tvoří “most“ překrývající celou tekutou lázeň 18, se svou nejužší částí v zóně 19.

Skutečnost, že se tento most vytvořil a že zůstává neporušený, lze např. zjistit pomocí “měrné tyčky“ (není znázorněna), nebo vhodným inspekčním okénkem (není znázorněno) ve stěně nádoby JJ,. Může k tomu též být použito vhodného přístroje pro záznam obrazu (rovněž není znázorněn) umístěného uvnitř nádoby JJ..

Při procesu se ve vsádce J_5 hromad 16 a 17 utvoří reakční zóna, která probíhá virtuálně ze dna hromad k jejich horním okrajům. Současně se tvoří tavící zóna 22, která probíhá mezi dny hromad 16 a 17 a horním povrchem tekuté lázně 18. Během reakce se redukovaná vsádka 15 pohybuje vlivem gravitace z reakční zóny k tavící zóně.

Struska tvořící se během tavby plave na povrchu lázně 18 v tunelu 23 vedoucím podél osy 11.1 pod tavící zónou. Tunel 23 vede k výpustce strusky (není znázorněna) v nádobě 11, a zavážecí kanály 13 a 14 jsou uspořádány vzhledem k výpustce strusky tak, že struska v tunelu 23 je k výpustce strusky směrována. Tekutá ocel (±0,1% uhlíku) může být vypouštěna z nádoby 11 výpustí (není znázorněna).

V průběhu procesu řečený “most“ slouží k zábraně padání materiálu vsádky 15 z hromad 16 a 17 přímo do strusky v tunelu 23, nebo do lázně tekutého kovu 18, a tím k předcházení vzniku “krátkého spojení“.

Teplo dodávané lázni 18 induktory 12 proniká do vsádky 15 v hromadách 16 a 17 a spolu s teplem ze spalovaného CO hořáky 20 a 21 a sálavým teplem ze stropu nádoby 11 způsobí, že částice oxidu železa a uhlíku ve vsádce 15 vstoupí do reakce, jejímž výsledkem je redukce oxidu železa. Téměř všechna redukce, která současně probíhá v pevném skupenství, proběhne v nejhořejší 20 mm vrstvě hromad 16 a 17, hlavně díky dodatečnému teplu, kterou této vrstvě dodává spalování CO hořáky 20 a 21 a sálavé teplo od stropu nádoby JJ,.

Předností bude, že zásluhou centrálního umístění induktorů 12 “úpatí“ hromad 16 a 17 obdrží od induktorů J2 nejvíce tepla, takže částice vsádky 15 budou převážně spotřebovány v oblasti 19. V důsledku toho tok částic po horním povrchu hromad 16 a 17 bude převážně • · · · ·· · ·« · · · • · · · ·· · · · · • · · · ··· ·· • ···«·· · · · a · • a a a ·· · · a a aaa rovnoběžný s tímto povrchem a tedy nevznikne výše diskutovaný problém “přeexpozice“ či “podexpozice“.

Dále, centrální umístění induktorů 12 rovněž umožní použití mnohem nižší hladiny kovové lázně 18 než je hladina ve zmiňovaném dosud známém uspořádání (ukázána přerušovanou čarou 24 na obr. 1), což bude dalším přínosem.

Dále, “příčné“ uložení induktorů 12 vůči ose 11.1 umožní použití více induktorů 12 na jednotku délky nádoby J_1 než v dosud známých uspořádáních, takže oproti nim vzroste počet horkých míst pod údolím mezi hromadami 16 a 17 .

Bude rovněž předností, že do rámce vynálezu spadá i proces redukce a tavení kovů, který využívá zařízení podle vynálezu.

Claims (17)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro proces redukce a tavení kovů, ve kterém je vsádka obsahující kov a uhlík ohřívána v indukční peci, zařízení zahrnující ohřívací nádobu, v níž může vsádka plavat ve tvaru alespoň jedné hromady na lázni tekutého kovu v nádobě, vyznačující se tím, že toto zařízení zahrnuje alespoň jeden indukční topný člen čili induktor, který je umístěn v ose dna nádoby nebo v její blízkosti.
2. 2. Zařízení podle nároku 1 vyznačující se tím, že pec je indukční pec kanálového typu.
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2 vy zn ačuj i cí se tím, že alespoň jeden indukční topný člen slouží jako jediný externí zdroj ohřevu nádoby.
4. 4. Zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že nádoba je tvaru podélného válce a má mnoho induktorů, které jsou rozmístěny v řadě probíhající podél osy dna nádoby.
5. 5. Zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že nádoba má u svého horního okraje více kanálů, kterými lze do nádoby zavážet vsádku, při čemž kanály jsou uspořádány ve dvou od sebe vzdálených podélně probíhajících řadách, takže vsádka jimi zavezená může mít tvar dvou blízko sebe se táhnoucích hromad plovoucích na lázni tekutého kovu, každá z hromad je v průřezu klínovitého tvaru, s širším okrajem neboli “vrcholem“ hromady nacházejícím se u stěny nádoby a užším okrajem neboli “úpatím“ u středu nádoby.
6. 6. Zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků vy znač uj i cí se tím, že každý induktor je umístěn tak, že jeho podélná osa probíhá v podstatě v pravých úhlech vůči podélné ose pece.
7. 7. Zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že konfigurace zařízení je taková a podmínky reakce uvnitř nádoby jsou regulovány takovým způsobem, že vsádka překrývá jako most celou lázeň tekutého kovu.
8. 8. Zařízení podle nároku 7 vyznačující se tím, že řečená konfigurace se týká počtu a/nebo umístění kanálů, jimiž je vsádka zavážena do nádoby.
9. 9. Zařízení podle nároku 7 nebo 8 vyznačující se tím, že řečená regulace podmínek reakce je uplatněna regulováním kteréhokoliv jednoho nebo více následujících parametrů:

   1. Množství a rychlosti zavážení vsádky do nádoby;

   2. Velikosti částic vsádky;

   3. Stupně smíchání složek vsádky obsahujících kov a uhlík;

   4. Tepla dodávaného nádobě prostřednictvím induktoru(ů);

   5. Tepla vyvíjeného jakýmkoliv plynem (plyny) a/nebo jinými palivy spalovanými v nádobě v prostoru nad hromadami.
10. 10. Zařízení podle nároku 9 vyznačující se tím, že teplo uvedené v bodě 5 je. získáno spalováním oxidu uhelnatého unikajícího ze vsádky v nádobě s kyslíkem či se směsí kyslik/vzduch hořáky umístěnými v nádobě v oblasti nad vsádkou.
11. 11. Zařízení podle nároku lOvyznačující se tím, že teplo vzniklé tímto spalováním, stejně jako sálavé teplo odrážené stropem nádoby, je použito alespoň pro předehřátí vsádky uvnitř a/nebo vně nádoby.
12. 12. Zařízení podle nároku 10 nebo 11 vyznačující se tím, že vzduch a/nebo kyslík použitý v řečených hořácích obsahuje jemně dělený materiál, který může “žhnout“ při teplotách dosažených uvedeným spalováním oxidu uhelnatého a/nebo paliva nad hromadami.
13. 13. Zařízení podle nároku 12 vyznačující se tím, že jemně dělený materiál jsou saze.
14. 14. Zařízení podle nároku 12 nebo 13 vyznačující se tím, že jemně dělený materiál je nebo obsahuje vápenec.

    •4 *«···· ·· • · · 9 9 9 9 9 9

    999999 9 9 9 9 9 9

    9 9 9 9 9 9 9 9 9

    9 9 99 9 9 9 9 99 9
15. 15. Zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že nádoba má alespoň jednu výpust pro roztavený kov a/nebo strusku, které byly vyprodukovány během reakce.
16. 16. Zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že proces výroby kovu je procesem výroby ocele, ve kterém směs uhlíku ve formě jemně děleného uhlí nebo koksu a jemně dělené vhodné rudy s obsahem oxidu železa je zahřívána v nádobě za účelem redukce oxidu železa a roztavení výsledné oceli, která může být vypouštěna jako ocel obsahující méně než 0,1% uhlíku.
17. 17. Proces redukce a tavení kovů využívající zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků.