Плазменная печь

 

Сущность изобретения: плазменная печь, содержащая футерованную ванну и свод с отверстиями для прохода плазмотронов, отличающаяся тем, что плазмотроны выполнены в виде по меньшей мере двух вставленных соосно одна в другую графитовых труб с тугоплавким, изолирующим покрытием на их поверхности, причем трубы установлены одна в другую с зазором для прохождения плазмообразующего газа. 2 ил.

Изобретение относится к металлургическим плазменным и дуговым печам, в которых электрическая дуга использована для нагрева и плавления шихты. В частности дуга использована для образования газовой плазмы, которая осуществляет нагрев.

Известны дуговые металлургические электропечи, содержащие футерованную емкость, состоящую из ванны для плавления металла, стенок и свода, через который внутрь футерованной емкости введены графитовые электроды в виде стержней, способных к независимому вертикальному перемещению. Нагрев и плавление шихты проводят электрической дугой, горящей между проводящей шихтой и электродами.

Недостатками дуговой печи является плохая теплопередача от электрической дуги металлу в ванне, так как нагрев в значительной мере локализован в области горения дуги, которая мала по сравнению с размером ванны печи.

Дополнительным недостатком дуговой печи является сильный шум, возникающий при горении дуги, который оказывает вредное воздействие на обслуживающий печь персонал.

Вторым дополнительным недостатком дуговой печи является выброс газов из рабочего пространства печи в помещение цеха, что загрязняет цех и окружающее его пространство. Выброс газов происходит в основном через зазор между электродами и футеровкой свода печи, через отверстия в которые введены электроды.

Известна также плазменная печь, принятая за прототип, содержащая футерованную емкость, состоящую из ванны для плавки металла (тигля), стенок футерованной емкости и свода, через который внутрь футерованной емкости введены плазмотроны. Недостатком этих печей является малый срок работы плазмотронов (несколько сотен часов), вследствие быстрого разрушения электродов плазмотронов под действием дугового разряда.

Дополнительным недостатком плазменных печей является необходимость использовать для катодов плазмотронов дорогие и дефицитные вольфрамовые сплавы.

Вторым дополнительным недостатком плазменных печей является работа плазмотронов на постоянном токе, что требует в системе питания использовать мощные выпрямители, что существенно усложняет оборудование.

Третий дополнительный недостаток плазменных печей - трудность получения плазмы окисляющего газа (кислорода, воздуха), что необходимо для обеспечения выгорания углерода, если в исходную шихту загружают много чугуна.

Из-за перечисленных недостатков плазменные печи не нашли широкого применения в металлургии.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности плазменных печей путем устранения перечисленных выше недостатков, посредством плазмотронов специальной конструкции.

Указанная цель достигается благодаря тому, что плазменная печь содержит футерованную ванну и свод с отверстиями для прохода плазмотронов и отличается тем, что плазмотроны выполнены в виде по меньшей мере двух вставленных соосно одна в другую графитовых труб с тугоплавким изолирующим покрытием на их поверхности, причем трубы установлены одна в другую с зазором для прохождения плазмообразующего газа.

Сущность изобретения состоит в том, что соосно вставленные одна в другую графитовые трубы с тугоплавким изолирующим покрытием образуют плазмотроны не содержащие дорогостоящих и дефицитных вольфрамовых сплавов. Дуга или несколько дуг, горящие на концах труб, как и в дуговых металлургических печах (1) может поддерживаться при работе как на переменном, так и на постоянном токе. При этом через зазоры между трубчатыми электродами одновременно можно пропускать один или несколько различных плазмообразующих газов и, в том числе, воздух или кислород.

На фиг. 1 приведена схема устройства печи, продольный разрез; на фиг. 2 - схема устройства и расположение трубчатых электродов из графита, образующих плазмотрон, продольный разрез.

Печь состоит из ванны 1, в которой образуется слой расплавленного металла 2, покрытый слоем шлака 3. Ванна покрыта сводом 4, опирающимся на стенки 5. Через свод внутрь печи введены плазмотроны 6, образованные трубчатыми графитовыми электродами. Для предотвращения выброса газов из печи в окружающее пространство вокруг плазмотронов 6 установлены уплотнения 7, изготовленные из волокнистого материала, например из углевойлока. Газ или несколько газов одновременно подают в плазмотроны 6 по трубам 8. Как и графитовые электроды в дуговых печах (1) плазмотроны 6 снабжены устройствами для их независимого вертикального перемещения. Для отвода отработанных газов служат трубы 9, присоединенные к системе очистки газов от пыли и системе утилизации тепла отходящих газов (например, для бытовых нужд населения).

Для загрузки шихты служат завалочные окна такие же, как в мартеновских печах.

Плазмотрон (фиг. 2) состоит из двух соосно вставленных одна в другую графитовых труб 10 и 11, покрытий с внутренней и внешней поверхности тонким слоем 12 тугоплавкого изолирующего материала (например, слоем мелкодисперсной окиси алюминия толщиной 0,5-1,0 мм). Между трубами выполнен зазор 13 для пропускания плазмообразующего газа. Для центровки труб относительно друг друга служат тугоплавкие изолирующие прокладки 14 (например, из керамики на основе окиси алюминия) в виде колец, в которых по окружности выполнены отверстия 15 для пропускания плазмообразующего газа. Для расширения функциональных возможностей плазмотрона по внутреннему отверстию 16 трубы 11 также может подаваться газ, или тот же, что и в зазор 13, или другой. На трубы 10 и 11 плотно посажены металлические токоподводы 17 и 18. Внутренняя поверхность токоподвода 17 и внешняя поверхность токоподвода 18 покрыта слоем электроизоляции 19. На фиг. 2 эта изоляция показана только на токоподводе 18. Эта изоляция уже достаточна для надежной работы плазмотрона.

Для подвода напряжения или постоянного тока служат проводники 20 и 21. Для ввода газов в плазмотрон служат патрубки 22 и 23. При этом патрубок 23 проходит через электроизолирующее уплотнение 24. Газ в патрубки 22 и 23 поступает по трубам 8 от газонагнетающих устройств.

На фиг. 2 изображена наиболее простая конструкция плазмотрона, образованного двумя соосно вставленными графитовыми трубами. Однако, для увеличения мощности плазмотрона его можно выполнить в виде нескольких соосно вставленных один в другой с зазором графитовых трубчатых электродов, в зазоре между которыми протекает несколько различных плазмообразующих газов или один и тот же газ. На концах труб при этом горит несколько электрических дуг. В частности, таким путем из 6 труб можно создать плазмотрон, работающий на трехфазном переменном токе.

Так как поверхность трубчатых электродов покрыта слоем тугоплавкой электроизоляции, инертной по отношению к протекающим в зазорах между трубами газам, то через плазмотрон можно пропускать окисляющие (воздух, кислород), инертные (аргон, азот) или восстанавливающий (например, водород) газы, что существенно расширяет возможности работы заявленной печи.

Конструкция плазменной печи (фиг. 1) похожа на конструкцию мартеновской печи. Как и в мартеновских печах шихту загружают через завалочные окна. После загрузки шихты окна закрывают и через трубы 8 подают газ или газы, зажигают плазмотроны 6 и нагревают и плавят шихту как и в ранее известных плазменных печах, принятых за прототип. Зажигание плазмотронов осуществляют или путем кратковременного соприкосновения концов трубчатых электродов плазмотрона с проводящей шихтой, как в дуговых печах (1), или с помощью кратковременной подачи высокого напряжения и высокой частоты, как это делают при зажигании дуги в газоразрядных лампах высокого давления. Для получения высокого напряжения с большой частотой можно использовать широко распространенный трансформатор "Тесла".

В зависимости от состава загружаемой шихты состав вдуваемого в плазмотроны газа может быть различным. Соответственно может меняться и методика работы печи.

Наиболее простым вариантом работы печи является загрузка ванны 1 жидким чугуном с добавкой металлолома, как и при загрузке конвертеров. В этом случае, через плазмотроны 6 по зазору 13 (фиг. 2) вдувают плазмообразующий газ аргон, а по внутреннему каналу 16 трубы 11 подают воздух или кислород. Не исключено, что в качестве плазмообразующего газа также можно использовать воздух или кислород. Поступающий в печь с большой скоростью газ (или газы) пробивает слой шлака 3 (фиг. 1) и кислород взаимодействует с расплавленным металлом, как в конвертерах с верхней продувкой, в результате чего происходит выгорание углерода из чугуна и получается сталь. Так как поступающий из плазмотронов газ сильно разогрет, доля лома, используемого при плавке, может быть гораздо больше, чем в конвертерах.

Если в качестве шихты используют металлолом со шлаковыми добавками, то через плазмотроны 6 вдувают один или несколько инертных газов (например, аргон, азот). Все остальные операции плавки те же, что и случае загрузки чугуна с ломом. Ускорение плавки стали в этом случае достигается за счет быстрого нагрева шихты и поэтому, что нет необходимости вести процесс обезуглероживания расплава.

Предлагаемая плазменная печь позволяет получать металл, в частности сталь, прямо из рудных окислов, подвергнутых предварительному обогащению. В этом случае обогащенная руда со шлакообразующими добавками загружается в печь, а в качестве плазмообразующего газа через зазор 13 (фиг. 2) пропускают аргон и через канал 16 пропускают восстанавливающий газ (например, водород). Металл восстанавливается из руды и плавится, а пустая порода уходит в шлак. В этом варианте работы устраняется процесс получения чугуна для производства стали или окатышей железа при прямом восстановлении руды с целью их последующего переплава в дуговых печах для получения стали высокого качества.

Во всех вариантах работы плазменной печи металл выпускают, как и в мартеновских печах, через выпускное отверстие.

Во всех вариантах работы плазменной печи, полученную сталь для повышения качества подвергают внепечной обработке.

Используя плазмотроны (фиг. 2), дуговые электропечи для выплавки стали (1) нетрудно переделать в плазменную печь, изображенную на фиг. 1. Для этого, вместе обычных угольных электродов следует установить плазмотроны, показанные на фиг. 2, и предусмотреть систему отвода газов по трубам, подобным трубам 9 на фиг. 1. При этом дуговые печи будут преобразованы в высокопроизводительные не шумящие и не загрязняющие окружающее пространство современные плазменные печи для производства высококачественных сталей и специальных сплавов.

Важным достоинством плазменных печей, изображенных на фиг. 1, является возможность без больших капитальных затрат осуществить реконструкцию мартеновских печей и превратить их в высокопроизводительные плазменные печи. Для этого через свод мартеновских печей следует ввести плазмотроны, изображенные на фиг. 2, и расположить их так, как показано на фиг. 1. При этом качество стали улучшится за счет удаления главных источников серы при мартеновской плавке - топлива сжигаемого в мартеновских печах.

В странах СНГ около 60% всей стали выплавляют в мартеновских печах. Поэтому реконструкция мартеновских печей с целью повышения их производительности и улучшения качества стали является одной из важнейших задач металлургии. Предложенная плазменная печь решает эту задачу.

Экономический эффект от использования новой плазменной печи очень велик, но количественно его в настоящее время оценить трудно. (56) Воскобойников В. Г. и др. Общая металлургия. М. , Металлургия, 1985, с. 284.

Формула изобретения

ПЛАЗМЕННАЯ ПЕЧЬ, содержащая футерованную ванну и свод с отверстиями для прохода плазмотронов, отличающаяся тем, что плазмотроны выполнены в виде по меньшей мере двух вставленных соосно одна в другую графитовых труб с тугоплавким изолирующим покрытием на их поверхности, причем трубы установлены одна в другую с зазором для прохождения плазмообразующего газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2