способ выплавки сплавов из оксидосодержащих материалов

Формула изобретения

1. Способ выплавки сплавов из оксидосодержащих материалов, включающий загрузку в плавильный агрегат шихты, содержащей оксиды металлов и восстановитель, подачу энергии на поверхность шихты при относительном перемещении энергетического потока по окружности, непрерывную подачу шихты и ее подогрев излучением, расплавление и непрерывное удаление металлического и шлакового расплава из агрегата, отличающийся тем, что подачу энергии осуществляют по крайней мере двумя энергетическими потоками, относительное перемещение энергетического потока по окружности осуществляют за счет вращения расплава, а шихту подают в образованную вращением расплава лунку параболической формы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что энергетические потоки создают с помощью дуг плазмотронов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лунку параболической формы образуют вращающимся электромагнитным полем, создаваемым переменным током пониженной частоты.

4. Способ по любому из пп. 1 или 3, отличающийся тем, что пониженную частоту тока принимают в пределах от 1 до 3 Гц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству углеродистого феррохрома из хромитового концентрата, чугуна из железосодержащих материалов (мелкокусковой железной руды, пыли сталеплавильного производства и др.).

Известен способ производства углеродистого феррохрома в мощных и дорогостоящих электропечах [1], снабженных наращивающимися самоспекающимися электродами, которые обслуживаются сложными системами по перепуску электродов, по загрузке шихты, по отводу и очистке газов.

Известны плазменные сталеплавильные печи (ПСП) с керамическим тиглем [2, стр.74-86] вместимостью от 6 до 30 и даже до 45 тонн жидкой стали, в которых применяют от одного до четырех плазмотронов мощностью до 7,5 МВт. В этих печах освоена выплавка до 100 высоколегированных марок сталей. Электропитание ПСП осуществляют преимущественно от управляемого источника постоянного тока на тиристорах, подсоединяемого к сети трехфазного переменного тока.

На ПСП несколько увеличен расход электроэнергии при выплавке рядовых марок сталей по сравнению с расходом в современных дуговых сталеплавильных печах (ДСП), но при выплавке и переплаве высоколегированных сплавов преимущество ПСП неоспоримо [2, стр.79-80].

Говоря о недостатках, которые имеют место при эксплуатации современных ПСП, следует отметить следующее. С повышением температуры в рабочем пространстве печи при неизменном токе и длине электродуги плазмотрона подводимая мощность электродуги падает и может к концу расплавления шихты уменьшиться на 30-60%. Увеличить мощность за счет увеличения тока электродуги нельзя, так как плазмотроны рассчитываются на определенную максимальную силу тока и эту максимальную силу тока обычно применяют в начале плавки. В результате средняя отбираемая от сети мощность в период плавки часто составляет не более половины от той мощности, которая подводится к трансформатору [2, стр. 86, табл. 9] . В ПСП по сравнению с ДСП условия нагрева жидкой ванны более тяжелые, так как электродуги плазмотронов оказывают более слабое влияние на электродинамическое воздействие на металла, т.е. электродуги плазмотронов не создают необходимого и желаемого движения металла, которое особенно необходимо, так как без такого движения очень высокая температура электродуг плазмотронов может локально сильно перегреть расплав, вплоть до нежелательного его испарения.

Из области техники известен принимаемый за прототип способ - процесс "Тетроникс" [3] выплавки сплавов из оксидосодержащего материала, согласно которому в плавильный агрегат подается шихта, содержащая оксиды металлов и восстановитель, подается энергия с помощью электродуги на плавку шихты в шлаке при относительном перемещении электродуги и шлака по окружности, энергией излучения электродуги плазмотрона осуществляется подогрев падающей в агрегате шихты, выплавляемый сплав и шлак постоянно из агрегата удаляются. Энергетический поток в процессе "Тетроникс" создается одною вращающейся дугой плазмотрона.

Обработка расплава одной вращающейся электродугой плазмотрона усложняет конструкцию плазменного устройства. В этом устройстве трудно осуществлять желатальное осевое перемещение плазмотрона, позволяющее изменять длину электродуги плазмотрона и обеспечивающее регулирование отдаваемой мощности от электродуги к перерабатываемому расплаву.

При нарушении стабильности подачи шихты в плавильный агрегат, которое может иметь место, футеровка агрегата не будет иметь защиты от энергии излучения электродуги плазмотрона.

Поскольку электродуга плазмотрона в процессе плавки шихты по способу "Тетроникс" в первую очередь воздействует на шлак, то температура шлака, как правило, значительно выше температуры производимого металлического расплава. При таком шлаке износ футеровки повышается и ее надо часто восстанавливать.

Новизна предлагаемого способа заключается в том, что подачу энергии рекомендуется осуществлять по крайней мере двумя энергетическими потоками, относительное перемещение энергетического потока по окружности осуществляют за счет вращения расплава, а шихту подают в образованную вращением расплава лунку параболической формы. Энергетические потоки рекомендуется создавать с помощью дуг плазмотронов.

Лунку параболической формы в расплав рекомендуется создать за счет вращения выплавляемого металлического сплава вращающимся электромагнитным полем, создаваемым переменным током пониженной частоты. Пониженную частоту тока рекомендуется принимать в пределах 1,0-3,0 Гц.

Применение нескольких электродуг плазмотронов позволяет значительно увеличить мощность плавильного агрегата и, следовательно, производительность при сравнительно незначительном увеличении габаритов агрегата. Поскольку конструкция плазменного устройства для каждого плазмотрона упрощается, становится возможным применить несколько плазмотронов и сделать их подвижными в осевом направлении, что облегчает процесс зажигания электродуг плазмотронов и при необходимости позволяет управлять вводимой в агрегат мощностью.

Рекомендация использования в способе трех электродуг плазмотронов позволяет через печной трансформатор равномерно питать плазмотроны энергией от трехфазной сети переменного тока.

Поскольку электродуги плазмотронов действуют на вращающийся расплав, местного перегрева расплава (вплоть до его испарения) из-за высокой температуры плазменной электродуги не происходит. Исключается неблагоприятное воздействие энергии излучения электродуг плазмотронов на футеровку стенок плавильного агрегата.

Шлак может быть как кислым, так и основным. Сохраняется полезность энергии излучения, связанная с нагревом подаваемого в печь материала, но в данном случае она воспринимается от трех электродуг плазмотронов материалом шихты, которая подается в место, равноудаленное от каждой электродуги. Эффект нагрева шихты увеличивается.

Улучшаются условия слива получаемого на агрегате продукта. Если продукту не требуется дополнительная обработка, то он может сливаться из плавильного агрегата постоянно и не увлекать за собой шлак, как это предусмотрено на установке "Тетроникс". Шлак целесообразно сливать периодически, используя систему шлакоотсоса.

В качестве примера рассмотрим реализацию предлагаемого способа при выплавке феррохрома.

После разогрева футеровки плавильной камеры агрегата и заделки огнеупорной массой сливной летки в плавильную камеру заливается установленная порция жидкого чугуна известного химического состава. При отсутствии жидкого чугуна в агрегат можно загрузить твердый чугун и расплавить его электродугами плазмотронов. Чтобы излучением от электродуг плазмотронов не подплавить футеровку, следует понизить вводимую в агрегат мощность.

Далее чугун в круглой плавильной камере агрегата раскручивают до необходимой угловой скорости электромагнитным полем индукционного вращателя и образуют из чугуна лунку параболической формы такого размера, чтобы была обеспечена полная защита футеровки стенок плавильного агрегата. Затем вводят в действие механизмы осевых перемещений плазмотронов, зажигают плазменные электродуги и выводят плазмотроны на установленную пониженную мощность. При этой мощности в чугунный расплав вводят добавки, после расплавления которых металлический расплав должен иметь химический состав, соответствующий производимому продукту в процессе переплава заранее подготовленной шихты. После того, как будет достигнут заданный химсостав, приступают к равномерной постоянной подаче переплавляемой шихты и к плазмотрону подают максимально приемлемый для плазмотронов ток. Если в качестве плазмообразующего газа в плазмотрон будет подаваться аргон, а это наиболее приемлемый плазмообразующий газ, то в шихте должно быть такое количество восстановителя (например, измельченного угля или измельченного кокса), которого должно хватить на восстановление и хрома и железа из их оксидов, если производится углеродистый феррохром.

Но в качестве плазмообразующего газа может быть использован и конвертированный природный газ, которым также можно восстанавливать упомянутые оксиды. В этом случае в шихте может не быть восстановителя или быть, но в небольшом количестве.

Когда в плавильном агрегате накопится необходимое количество восстановленного металла, разделывают летку, через которую организуют или разовую выдачу продукта плавки или постоянную выдачу. При разовой выдаче продукта плавки перед разделом летки удаляется шлак и берется проба продукта плавки на химанализ. В случае отклонения плавки от требуемого химсостава применением добавок это отклонение устраняют. Желательно так подготавливать шихту к плавке, чтобы коррекции по химсоставу не производить, и тогда могут быть организованы постоянный выпуск продукта плавки (аналогично способу "Тетроникс") и периодическое удаление шлака, причем шлак целесообразно удалять не полностью, а примерно на 80%. Это позволит в остатке шлака иметь повышенную температуру и быстро начинать расплавление новых порций шихты при возобновлении ее подачи в агрегат.

Технический результат от применения заявляемого способа в сравнении с распространенными способами переработки оксидосодержащих материалов, в том числе в сравнении со способом "Тетроникс", заключается в следующем:

- предлагается высокопроизводительный процесс переработки оксидосодержащего материала, в том числе такого, который требует высокой температуры переработки. Применяемая для реализации способа плазменная техника позволяет иметь практически любые необходимые температуры плавки;

- устраняется один из недостатков применения плазменной техники, заключающийся в том, что энергия излучения электродуги плазмотрона отрицательно действует на футеровку стен плавильного агрегата;

- исключается вероятность испарения составляющих расплава от действия высокой температуры электродуги для плазмотрона, поскольку электродуги плазмотронов действуют на вращающийся расплав;

- по сравнению с прототипом упрощается конструкция агрегата для осуществления способа, что делает агрегат приемлемым для работы в автоматическом режиме.

Источники информации

1. Еднерал Ф.П. Электрометаллургия стали и ферросплавов. - М.: Металлургиздат, 1963, с. 542-548.

2. Никольский Л.Е., Зинуров Н.Ю. Оборудование и проектирование электросталеплавильных цехов. - М.: Металлургия, 1993, с.74-86.

3. Процесс получения чугуна с использованием плазмы. Экспресс информация, Цниитэнтяжмаш, 1982, июнь, 1-82-55 (По материалам журналов: "Steel Times", vol 210, 2, 1982; "Stahl und Eiscn", 14, 1981).