жидкофазная печь для плавки материалов, содержащих цветные и черные металлы

Формула изобретения

1. Жидкофазная печь для плавки материалов, содержащих цветные и черные металлы, включающая прямоугольную с футерованными стенками внизу и расширяющуюся в верхней части кессонированную шахту с фурмами нижнего и верхнего рядов, разделенную поперечной перегородкой на плавильную и восстановительную камеры, сообщающиеся между собой через окно для перетока расплава в нижней зоне поперечной перегородки, подину ступенчатую или наклонную, сифон с отверстием для выпуска шлака и электроды, погруженные в расплав, отличающаяся тем, что электроды расположены в сифоне для выпуска шлака, тепловыделяющие концы которых расположены на границе раздела шлаковой и металлической фаз расплава в сифоне.

2. Жидкофазная печь по п.1, отличающаяся тем, что объем сифона более чем в десять раз меньше объема восстановительной камеры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к устройствам для непрерывной переработки окисленных никельсодержащих руд, шлаков и пылей.

В настоящее время перечисленные виды металлургического сырья перерабатывают в шахтных печах. Шахтные печи представляют собой прямоугольную емкость - шахту, в которую сверху загружают окускованную окисленную руду, флюсы и кокс. В нижней части боковых стен имеются отверстия для подачи дутья в слой твердого разогретого кокса. Продукты горения кокса нагревают и расплавляют шихту, которая стекает вниз и выходит из печи через отверстие, расположенное у подины. Во внешнем отстойнике расплав разделяется на шлак и штейн или ферроникель. Недостатками шахтной плавки являются сложная и дорогая подготовка шихты к плавке (брикетирование, окатывание и агломерация), использование в качестве топлива только крупнокускового дорогого кокса; вынос пыли с отходящими газами превышает 10% от веса загружаемой шихты и выбросы в атмосферу более 50% серы, содержащейся в сульфидизаторе, используемом для получения штейна. Все это вместе взятое делает шахтную плавку экологически опасной и экономически нерентабельной.

Известна жидкофазная печь для непрерывной плавки материалов, содержащих цветные и черные металлы (патент РФ №2242687 по заявке №2003111724 от 22.04.2003 г. - аналог). Аналог имеет прямоугольную внизу и расширяющуюся в верхней части кессонированную шахту с фурмами, поперечные перегородки, разделяющие печь на камеры окислительного плавления шихты и восстановления оксидов шлака, ступенчатую подину, сифон для выпуска шлака, канал для выпуска металла или штейна, шпуры для аварийного выпуска расплавов, внутренний сифон для перелива жидкого шлака из камеры окислительного плавления в верхнюю часть камеры восстановления оксидов шлака, газоходы для отвода газов из камер, устройства для загрузки материалов.

Недостатком аналога является то, что при плавлении твердых материалов на штейн или ферроникель, получаемый в плавильной камере или загружаемый в эту камеру расплав (например, горячий шлак из шахтной печи) направляется в окно поперечной перегородки тонким слоем и застывает, перекрывая окно для перетока расплава через промежуточный сифон в восстановительную камеру. Это в свою очередь приводит к наполнению плавильной камеры до верхней кромки поперечной перегородки и при этом уголь, загружаемый в камеру плавления, уносится шлаком в камеру восстановления, обуславливая тем самым нарушение в камере плавления соотношения углерод/кислород и тепловой баланс, заданные технологическим регламентом. В результате этого периодически происходит охлаждение шлака и его замерзание в зоне плавления с прекращением плавки. Промышленные испытания и использование этой печи («Черные металлы», «Цветные металлы», с.91-94, 2005 г., спецвыпуск) показали также, что возможна работа печи при замерзании расплава в окне перетока, но при этом имеет место: неконтролируемый переброс угля из плавильной камеры через верхнюю кромку поперечной перегородки в восстановительную, возникновение значительных сдвигающих горизонтальных сил, действующих на перегородку (возможно разрушение перегородки и ускоренный износ охлаждающих медных кессонов, образующих верхнюю кромку поперечной перегородки, с последующим возможным взрывом из-за прорыва воды из этих кессонов в расплав). Кроме того, при испытаниях 2-х зонной печи Ванюкова (аналога) в промышленных условиях был выявлен еще один существенный недостаток, заключающийся в том, что футеровка нижних зон стенок печи под влиянием тепловых деформационных сил периодически отторгается от несущей металлической стенки и обрушивается во внутрь печи, нарушая тем самым работоспособность печи.

Однако во всех перечисленных аналогах есть общий недостаток -замерзание расплава в разделительном сифоне с газоотводящей трубой. Этот недостаток особенно снижает надежность работы печи при работе с тугоплавкими шлаками и повышает потери металлов со шлаками.

Известна печь для непрерывной плавки сульфидных материалов в жидкой ванне, содержащая плавильную и восстановительную зоны, разделенные водоохлаждаемой перегородкой, с нижним перетоком. В восстановительной камере этой 2-х зонной печи установлены электроды, в зону образования дуги которых подается природный газ (журнал «Цветные металлы» №3, с.24, 2003 г.- прототип). Недостатком этого прототипа предлагаемой печи Ванюкова является то, что нижний переток или окно для перетока расплава из одной зоны в другую быстро зарастает из-за охлаждения стенок окна, а наличие электродов в ванне с сообщающимися зонами и металлическими (медными) элементами конструкции, через расплавленный металл, создает большую опасность обслуживающему персоналу и дает большую утечку тока через восстановленные металлические соединения (штейн или ферроникель). По этой причине такая печь не нашла своего промышленного применения.

На чертеже изображена предлагаемая печь и ее продольный разрез.

Печь содержит кессонированную шахту с фурмами нижнего и верхнего (не показаны) рядов, плавильно-окислительную 1 и восстановительную 2 камеры, разделенные перегородкой 3 с окном для перетока расплава и фурмы для регулирования потока перетекаемого расплава (не показаны), наклонную или ступенчатую подину, сифон для выпуска шлака 4, сифон 4 содержит электроды или электронагреватели 5, нижние концы которых расположены в зоне границы раздела шлакового и металлического расплавов, канал для выпуска металла или штейна, шпуры для аварийного выпуска расплавов, окно с фурмой для перелива жидкого шлака из камеры окислительного плавления в камеру восстановления оксидов шлака, газоходы для отвода газов из камеры восстановления, газоход для отвода печных газов из камер и сифона, отверстие для выпуска шлака из камеры.

Технический эффект от использования отличительных признаков предлагаемой печи заключается в том, что наличие электродов 5 (или электронагревателей), нижние или тепловыделяющиеся концы которых расположены в зоне раздела металлического и шлакового расплава, позволяет исключить возможность образования настылей в сифоне 4, а также сократить потери металлов с отвальными шлаками. Последнее объясняется тем, что электронагрев практически без перемешивания расплава, достаточно легко позволяет изменять или регулировать вязкость любого шлакометаллического, в том числе, и только шлакового расплава в зоне раздела металлической и шлаковой фаз расплава в сифоне. Особо следует отметить также, что объем сифона 4 в десятки (сотни) раз меньше объема восстановительной камеры 2. В связи с этим, мощность трансформатора тоже меньше в сотни раз по сравнению с мощностью трансформатора, установленного в восстановительной камере 2 (прототип), т.е. для поддержания необходимой текучести шлакового расплава в сифоне 4 достаточно в сотни или десятка раз меньше тепла. Поскольку в сифоне 4 необходимо только успокоить или исключить как можно больше перемешивание шлака и металла, то не нужно при этом подавать в сифон газовоздушный теплоноситель, а достаточно ограничиваться отводом лишь небольшого количества газовыделений из шлакового слоя. Все это в совокупности позволяет вести процесс с наименьшими потерями тепла, без зарастания стенок сифона, выпускного отверстия и повысить безопасность эксплуатации печи.

Печь работает следующим образом.

Руду с флюсующими добавками и с твердым топливом загружают через сводовые отверстия на поверхность барботируемого дутьем шлакового расплава в камеру 1 окислительного плавления. Барботаж расплава и окисление углеродистого топлива осуществляют за счет подачи в расплав кислородосодержащего дутья через фурмы в боковых стенах печи в количестве, необходимом для полного сжигания горючих компонентов с максимальным выделением тепла. За счет интенсивного перемешивания и выделения тепла сжигания топлива твердая шихта быстро расплавляется и формирует гомогенный шлак, который по мере его накопления под нижней кромкой перегородки 3, через ее окно в нижней кромке перетекает в камеру восстановления 2.

В камеру восстановления оксидов шлака через устройство загрузки 16 в верхнюю часть барботируемого расплава в восстановительной камере вводят твердые углеродистые материалы в виде угля, и если необходимо по материальному балансу плавки дополнительные флюсующие материалы, в том числе и сульфидизаторы. Уголь вводят в количестве, необходимом для восстановления оксидов извлекаемых металлов и компенсации тепловых затрат. Барботаж расплава для ускорения тепло- и массообмена и окисление топлива до необходимого содержания оксида углерода (СО) и водорода в зоне химической реакции в расплаве поддерживают за счет подачи кислородосодержащего дутья через ряд фурм. В результате восстановительных реакций и если необходимо сульфидирование, в камере восстановления образуется металлическая или сульфидная фаза, капельки которой опускаются на дно камеры восстановления и их выпускают из печи через канал для выпуска штейна или ферросплава. Шлак, обедненный по цветным металлам и по железу, выпускают через окно выпуска отвального шлака в сифоне 4. Газы камеры восстановления, содержащие СО и Н ₂, для экономии топлива и снижения их токсичности дожигают, подавая кислородосодержащее дутье через ряд фурм, расположенных в верхней зоне печи. После дожигания газы удаляют из печи для очистки от пыли и утилизации тепла через газоход. Из расплава в камере 2 по мере восстановления металлов последние накапливаются на подине печи и направляются в окно для выпуска штейна или ферроникеля, а шлаки с мелкими металлическими частицами переходят в сифон 4. В сифоне 4 при успокоении слоя шлакового расплава основная часть металлических частиц выпадает на дно печи, а часть (до (0,01÷0,20)% от общего веса) увлекается отвальным шлаком. Поскольку на разделе шлакового и металлического слоя расплава имеется источник тепла, не вызывающий интенсивное перемешивание и барботаж расплава, то потери металлов можно снизить за счет температурного регулирования вязкости шлака до (0,01÷0,12)% от общего их веса. При этом одновременно исключается и возможность остановки печи из-за застывания шлакового расплава в сифоне 4.