RU2116596C1 - Электропечь постоянного тока для электрошлакового восстановления металлов - Google Patents

Abstract

Использование: электрометаллургия, в частности, производство ферросплавов. Изобретение предназначено также для безотходной переработки шлаков и обезвоженных шламов, включая токсичные. Изобретение значительно повышает ресурс работы электропечей. Сущность изобретения: электропечь постоянного тока для электрошлакового восстановления металлов состоит из кожуха, подины, выполненного в виде эллипса в горизонтальном сечении рабочего пространства ванны, свода, оборудованного люками для отвода дымовых газов, подачи шихты, ввода фурм для подачи восстановительного газа и электродов, один из которых является катодом, а другой - анодом. Оси электродов проходят через фокусы эллипса, расстояние между которыми равно 3-5 диаметрам электродов. Подина печи наклонена в вертикальном сечении под углом 15-45^o к горизонтам от анода к катоду и летке для слива металла. Катод расположен в фокусе эллипса со стороны стенки кожуха с леткой для слива расплавленного металла. 1 ил.

Description

Изобретение относится к электрометаллургии, в частности, к восстановительному получению металлов из минеральных отходов металлургии.

Одним из главных направлений в развитии производства металлов является разработка конструкций плавильных печей, обеспечивающих высококачественный и экономичный процесс получения металлов и их сплавов из шихтовых и минеральных материалов.

В настоящее время для производства высококачественных металлов используют электрические печи, питание которых осуществляют переменным или постоянным током, причем строительство последних получило в последние годы преимущественное развитие ввиду ряда их отличительных сторон: возможность микролегирования металла, удаление водорода и серы, уменьшение потерь металла и др.

Известны электродуговые печи постоянного тока [1, 2], имеющие вертикальный электрод (катод), через полость которого непосредственно в зону горения дуги подают шихту одновременно с восстановительным газом. Анодом в этих конструкциях служит подина печи. Постоянный электрический ток, проходя через шлаковый расплав, обеспечивает выделение тепловой энергии, дополнительное восстановление металла и его рафинирование за счет протекания электрохимических реакций в шлаковом расплаве. Под действием тока происходит диффузия ионов, при этом катионы диффундируют к катоду, осаждаясь в виде металла, а анионы кислорода, серы и др. диффундируют к аноду.

В практике получения металлов восстановительным путем используется множество подобных конструкций электропечей, работающих по описанному принципу. Так, например, известны печи, имеющие несколько верхних электродов [3], и, кроме того, несколько стартовых [4, 5]. В процессе работы упомянутых печей в шлаковую ванну на протяжении всей плавки периодически вдувают восстановительные газы - плавление металла происходит в условиях активного взаимодействия двух жидких фаз (металла и шлака) и газовой. Жидкий металлический расплав располагается на дне печи и для извлечения его необходимо либо наклонять корпус, либо сливать металл и шлак через специальные отверстия - летки. Первый вариант требует применения дополнительного оборудования (например, кантователей), второй - не обеспечивает полного слива металла из-за плоской либо сферической формы подины печи. Кроме того, при плоской или сферической подине расплав металла, особенно его верхний слой, содержит значительное количество вредных примесей, которые присутствуют в шлаке в виде анионов кислорода и серы.

За прототип изобретения как наиболее близкой по технической сущности и принципу работы выбрана конструкция печи [6], содержащая подину, боковые стены, электроды, один из которых является катодом, другой анодом, расположенные вертикально, свод с загрузочным окном, размещенным в зоне анода.

Принцип работы печи аналогичен описанным в изобретениях-аналогах и, как и упомянутые известные конструкции, эта печь имеет те же недостатки: трудности, возникающие при отделении жидкого металла от шлака и присутствие в нем значительного количества примесей.

Одним из важных условий производительной работы электропечи является обеспечение равномерных тепловых нагрузок на огнеупоры по всему периметру, что в первую очередь зависит от взаиморасположения электродов по отношению к стенкам корпуса печи.

Известная печь имеет сечение окружности, в котором размещены два электрода, отстоящие друг от друга на расстоянии, предотвращающем возникновение дуги между ними. Такое сочетание формы корпуса и места расположения электродов не обеспечивает одинаковых нагрузок на футеровку, так как тепловыделение у анода всегда на 20-30% выше, чем у катода, сближение электродов с целью увеличения температуры ванны в зоне катода сопряжено с опасностью возникновения между ними дуги.

Задачей изобретения является увеличение долговечности электрической печи путем обеспечения равномерных тепловых нагрузок на ее внутреннюю полость и получения металла с минимальным содержанием вредных примесей, а также облегчение отделения его от шлака и упрощение операции слива шлака путем выбора оптимальной формы подины.

Задача решается так, что в электропечи постоянного тока для электрошлакового восстановления металлов из минеральных материалов, состоящей из корпуса с летками для слива расплавленного металла и шлака, содержащего крышку (свод) с люками для отвода дымовых газов и ввода фурм для подачи восстановителей, люками для подачи шихты и электродов, один из которых является катодом, а другой - анодом, расположенных вертикально, рабочее пространство в горизонтальном сечении имеет форму эллипса с расстоянием между фокусами, равным 3-5 диаметрам электродов, причем электроды расположены на большой оси эллипса, катод расположен в фокусе эллипса со стороны стенки с люком для слива металла, анод - в противоположной стороне печи у люка для загрузки шихты. В вертикальном сечении подина наклонена под углом 15-45^o в сторону от анода к катоду.

Отличительным признаком предлагаемой конструкции является форма рабочего пространства печи в горизонтальном сечении в виде эллипса с межфокусным расстоянием, равным 3-5 диаметрам электродов, наклоном подины на 15-45^o в сторону катода в фокусе у стенки с люком для слива металла.

Тепловая энергия, выделяющаяся в районе анода, распространяется во всех направлениях от оси электрода к периферии. Поэтому, чем ближе к аноду находится участок внутренней полости, тем больше он нагревается. При круглом сечении корпуса наблюдается заметный перепад температуры между областью стенки, находящейся в непосредственной близости к катоду, и остальной ее частью. Это приводит к неравномерной тепловой нагрузке на огнеупоры и как следствие к быстрому износу печи.

Эллиптическая форма корпуса печи позволяет устранить этот недостаток, так как в этом случае его стенки в районе катода отстоят практически на одинаковом расстоянии от последнего и подвержены одинаковому тепловому воздействию. В результате практических опытов установлено, что эффективное использование тепла, выделяющегося в шлаковой ванне, обеспечивается при форме эллипса, у которого расстояние между фокусами (и соответственно расположение электродов) находится в интервале, равном 3-4 диаметрам электродов. При рабочем пространстве печи с расстоянием между фокусами эллипса менее 3 диаметров электродов снижается производительность процесса плавления шихты, так как в этом случае объем шлаковой ванны мал и к тому же требуется применение электродов малого диаметра. Превышение этого расстояния на величину более 5 диаметров приводит к явлениям, имеющим место в конструкции печи-прототипа - неравномерному нагреву стенок корпуса и уменьшению производительности процесса. Выбранное расстояние между фокусами эллипса (соответственно расстояние между электродами) удовлетворяет условию равномерности тепловой нагрузки на огнеупоры, обеспечивает высокую производительность и долговечность работы печи, уменьшение тепловых потерь и соответственно энергетических затрат.

Следующим отличием заявляемого устройства является наклон подины печи к горизонтали в сторону катода и летки для слива металла. При таком наклоне металл, получаемый из шихты, накапливается лишь в наиболее горячей зоне печи - у катода. Учитывая тот факт, что в процессе работы печи анод выводится из зоны расплава (а значит, удаляется и зона шлака, в которой сосредоточены вредные примеси (анионы кислорода и серы), скопление металла в зоне катода благоприятствует более глубокому его рафинированию.

Эмпирическим путем установлен оптимальный угол наклона подины печи, который может колебаться в пределах от 15 до 45^o для шихт разного состава: большой угол для шихты с очень низким содержанием восстанавливаемого металла (при этом необходимо иметь в печи много шлака), меньший - для шихты с большей концентрацией восстанавливаемого металла (50% и более).

Отсюда очевидно, что уменьшать наклон подины на угол менее 15^o нецелесообразно, так как в этом случае возрастает вероятность попадания вредных примесей в расплав металла, а при увеличении угла более 45^o для переработки минерального сырья с низким содержанием восстанавливаемого металла потребуется увеличивать рабочий объем печи.

Наклон печи упрощает операцию извлечения металла (слив производится через летку) и способствует полному его удалению без остатка.

Сущность изобретения поясняет чертеж электрической печи, содержащей корпус 1, в котором размещены летки 2 (для слива расплавленного металла) и 3 (для слива шлака). На корпусе печи закреплена крышка (свод) 4 с выполненными в ней люками для фурмы 5 отвода дымовых газов и фурмы 6 подачи восстановителей в печь. Крышка содержит также люк, через который загружается шихта из бункера 7 и люки для подачи электродов - катода 8 и анода 9. Особенностью конструкции является то, что катод расположен со стороны выпускного отверстия для слива металла, а анод - прямо противоположно катоду со стороны люка загрузки шихты, при этом фурма подачи восстановителей размещена между электродами.

Такое сочетание конструктивных особенностей печи усиливает положительный эффект, обеспечиваемый отличительными признаками устройства - эллиптической формой сечения корпуса и наклоном его подины.

Действительно, в наиболее глубокой части печи сосредоточивается жидкий металл и расположение катода в этой зоне печи благоприятствует отделению металла от шлака и очищению его от примесей, а нахождение здесь сливной летки максимально упрощает извлечение металла.

Подача восстановителей в зону между электродами интенсифицирует процесс восстановления металла и увеличивает степень его рафинирования, так как электрохимические реакции наиболее активно протекают в максимально разогретой зоне шлакового расплава, каковой является область между катодом и анодом.

Электропечь работает следующим образом. Со стороны анода 9 через загрузочный бункер 7 подается шихта, которая впоследствии разогревается проходящим через нее током. В зону между электродами в шлаковый расплав ниже его поверхности через фурму 6 вдувается восстановительный газ. Рабочий процесс распределяется на два периода: период плавления шихты и период восстановления. Процесс восстановления осуществляют таким образом, чтобы между токоподводящими электродами и расплавом не происходило образования открытых дуг. С этой целью для каждого конкретного случая плавки в зависимости от состава минерального сырья подбирают оптимальное расстояние между электродами. Восстановление происходит по описанному выше принципу и считается законченным, когда в шлаке наблюдается устойчивое содержание восстанавливаемого металла. После окончания процесса полученный расплав через летку 2 сливается в ковш.

В печи возможны осуществление непрерывной подачи шихты и периодические сливы металла и шлака.

Заявляемая конструкция печи позволяет получать металлы с высокой степенью рафинирования при меньших энергозатратах, обладает повышенной производительностью и долговечностью в сравнении с широкоиспользующимися в металлургии печами подобного типа.

Предлагаемая конструкция нова, промышленно применима и имеет изобретательский уровень, так как характеризующие ее отличия не вытекают из уровня техники.

Claims (1)

1. Электропечь постоянного тока для электрошлакового восстановления металлов, содержащая кожух, подину, рабочее пространство ванны печи, выполненное в виде эллипса в горизонтальном сечении, свод с люками для отвода дымовых газов, ввода фурм для подачи восстановительного газа, для загрузки шихты, вертикально расположенные в рабочем пространстве ванны печи электроды, один из которых является катодом, а другой - анодом, летки, расположенные в стенке кожуха, для слива расплавленного металла и шлака, отличающаяся тем, что оси электродов проходят через фокусы эллипса, расстояние между которыми равно 3 - 5 диаметрам электродов, при этом электрод-катод расположен в фокусе эллипса со стороны стенки кожуха с леткой для слива расплавленного металла, а подина печи выполнена в вертикальном сечении с наклоном от анода к катоду и летке для слива расплавленного металла под углом 15 - 45^o к горизонту.