Способ передела рудного сырья и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к экологически чистому производству магния из доломитового сырья, а также других ценных металлов или металлоидов, отличающихся токсичностью и способностью самовозгорания в окислительной среде. В способе измельченное рудное сырье смешивают с порошком сплавов железа, содержащих 45-75% кремния, компактируют смесь в брикеты. Послойно загружают их в вакуумную индукционную печь. При этом между слоями размещают фрагменты из магнитопроводящих металлов. После чего осуществляют герметизацию и вакуумирование печи при остаточных давлениях от 0,1 до 1,0 мм рт.ст. и проводят вакуумное силикотермическое восстановление рудного сырья в процессе контактного прогрева брикетов от фрагментов из магнитопроводящих материалов. После завершения восстановления конденсат легкоплавкого продукта расплавляют с получением литой заготовки, рудный остаток извлекают из печи. Устройство содержит вакуумную индукционную печь с днищем, блок приема рудных остатков, конденсатор, герметичную вспомогательную емкость с изложницей и внешним нагревателем, жидкометаллические затворы, которые содержат среду с температурой плавления 90-130^oС. При помощи жидкометаллических затворов герметично соединяют днище с печью, конденсатор с печью и вспомогательной емкостью. Предлагаемое изобретение позволяет повысить удельную производительность за счет сокращения количества технологических операций при значительном сокращении трудовых затрат, получить легкоплавкий продукт более высокой чистоты, повысить пожарную и экологическую безопасность производства за счет изменения технологической схемы, а также повышает надежность оборудования за счет многократного использования футеровки печи. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к металлургии легкоплавких металлов или металлоидов, например к экологически чистому производству магния из повсеместно распространенного доломитового сырья, безопасному производству фосфора из фосфоритов для получения удобрений в химической промышленности, а также других ценных металлов или металлоидов, отличающихся токсичностью и способностью самовозгорания в окислительной среде.

Аналогами первого объекта предложенного изобретения являются способ металлотермического восстановления рудного сырья, включающий размещение и нагрев смеси реагентов в футерованных реакторах или ретортах из жаропрочной стали (Самсонов Г.В., Перминов В.П. Магниетермия. М., Металлургия, 1971, с. 137-171), а также способ восстановления магния из его оксида силикоалюминием в электропечах без использования вакуума (RU 2149198 С1, 14.06.2002).

Недостатками этих способов являются низкая производительность за счет медленного опосредованного прогрева шихты и высокая энергозатратность.

Прототипом первого объекта предложенного изобретения является способ передела рудного сырья, содержащего соединения легкоплавкого металла - магния, основанный на металлотермическом восстановлении магния в вакууме силикоалюминием из смеси оксидов магния и кальция (Стрелец Х.Л., Тайц А.Ю., Гуляницкий Б.С. Металлургия магния. М., Металлургиздат, 1960, с.332).

Недостатками этого способа являются низкая производительность за счет медленного опосредованного прогрева шихты и энергозатратность, а также удорожание способа за счет использования дорогого восстановителя - силикоалюминия.

Аналогом второго объекта предложенного изобретения является устройство для получения магния, содержащее однофазную герметичную электрическую печь с графитовыми электродами, футерованную магнезитовым кирпичом. Печь соединена вакуумной системой с камерой конденсации и с изложницей (RU 2149198 С1, 14.06.2002).

Недостатками устройства являются краткосрочный ресурс оборудования, сложность и опасность обслуживания и высокие энергозатраты.

Прототипом второго объекта предложенного изобретения является устройство для передела рудного сырья, содержащего соединения легкоплавкого металла - магния, включающее герметичную электрическую вакуумную печь с графитовыми электродами, футерованную магнезитовым кирпичом. Печь соединена вакуумной системой с камерой конденсации и с изложницей (Стрелец Х.Л., Тайц А.Ю., Гуляницкий Б.С. Металлургия магния. М., Металлургиздат, 1960, с.332).

Недостатками этого устройства также являются краткосрочный ресурс оборудования, сложность и опасность обслуживания и высокие энергозатраты.

В первом объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении удельной производительности за счет сокращения количества технологических операций при значительном сокращении трудовых затрат, снижении энергозатрат, получении легкоплавкого продукта более высокой чистоты, повышении пожарной и экологической безопасности производства за счет изменения технологической схемы, сокращения времени технологического цикла путем сокращения времени нагрева.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Способ передела рудного сырья, содержащего соединения легкоплавких металлов или металлоидов, заключается в том, что измельченное рудное сырье смешивают с порошком сплавов железа, содержащих 45-75% кремния.

Смесь компактируют в брикеты, которые послойно загружают в вакуумную индукционную печь. Между слоями размещают фрагменты из магнитопроводящих металлов. Затем осуществляют герметизацию печи и ее вакуумирование при остаточных давлениях от 0,1 до 1,0 мм рт.ст. В печи проводят вакуумное силикотермическое восстановление рудного сырья в процессе контактного прогрева брикетов от фрагментов из магнитопроводящих металлов, нагреваемых токами Фуко до температур, обеспечивающих максимальную скорость испарения легоплавкого продукта без перегрева его паров. После завершения восстановления конденсат легкоплавкого продукта расплавляют с получением литой заготовки, а рудный остаток извлекают из печи.

Фрагменты из магнитопроводящих металлов используют в количестве 20-40 мас.% от массы шихты.

Расплавление конденсата легкоплавкого продукта осуществляют в инертной среде при нагреве до температуры, на 10-15% превышающей температуру плавления легкоплавкого продукта.

Во втором объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении надежности оборудования за счет многократного использования футеровки печи, повышении производительности устройства и снижении его энергозатратности.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Устройство для передела рудного сырья, содержащего соединения легкоплавких металлов или металлоидов, включает вакуумную индукционную печь с днищем. Днище установлено с возможностью перемещения относительно направляющих стоек блока приема рудных остатков и герметичного сочленения с корпусом вакуумной индукционной печи с помощью жидкометаллического затвора.

Устройство содержит также конденсатор, установленный над корпусом вакуумной индукционной печи с возможностью перемещения относительно него и герметичной вспомогательной емкости и герметичного сочленения с ними с помощью жидкометаллических затворов. Вспомогательная емкость снабжена изложницей и внешним нагревателем. Все жидкометаллические затворы содержат среду с температурой плавления 90-130^oС.

Изобретение поясняется чертежом, где схематически представлено предложенное устройство для передела рудного сырья, содержащего соединения легкоплавких металлов или металлоидов.

На чертеже показаны вакуумная индукционная печь 1 с индуктором 2 и днищем 3. Днище 3 установлено с возможностью перемещения относительно направляющих стоек 4 блока 5 приема рудных остатков, снабженного толкателем 6 рудного остатка, сбрасывающим его, например, в помольное устройство. Днище 3 герметично сочленено с корпусом вакуумной индукционной печи 1 с помощью жидкометаллического затвора 7.

Устройство содержит также конденсатор 8 с охлаждением 9 с регулируемой скоростью охлаждения, предназначенный для сбора возгона легкоплавкого продукта 10. Конденсатор 8 установлен над корпусом вакуумной индукционной печи 1 с возможностью перемещения и поворота относительно него и герметичной вспомогательной емкости 11 с помощью механизма 12 перемещения и поворота и герметичного сочленения с ними с помощью жидкометаллических затворов 13, 14. Вспомогательная емкость 11 снабжена изложницей 15 и внешним нагревателем 16. Все жидкометаллические затворы 7, 13, 14 содержат среду с температурой плавления 90-130^oС.

В верхней части печи 1 установлен тепловой перфорированный экран 17 и вакуумопровод 18 для отвода газов. Внутрь печи 1 послойно загружают брикеты перерабатываемого сырья, а между слоями размещают фрагменты 19 из магнитопроводящих металлов. На чертеже показано также днище 3 в положении разгрузки рудного остатка 20 после окончания процесса восстановления.

Способ передела рудного сырья, содержащего соединения легкоплавких металлов или металлоидов, с помощью предложенного устройства осуществляют следующим образом.

Стехиометрическую смесь измельченного рудного сырья, содержащего соединения легкоплавких металлов или металлоидов и восстановителя в виде порошка сплавов железа с 45-75 мас.% кремния (ферросилиция), компактируют в брикеты, которые послойно загружают в вакуумную индукционную печь 1. Между слоями размещают фрагменты 19 из магнитопроводящих металлов в количестве 20-40 мас. % от массы брикетов. Загруженную таким образом шихтой печь 1 герметизируют и начинают вакуумное силикотермическое восстановление рудного сырья.

Нагрев шихты до температур, обеспечивающих максимальную скорость испарения легоплавкого продукта без перегрева его паров, при давлении в объеме печи 1 от 0,1 до 1,0 мм рт.ст. достигается за счет токов Фуко, которые генерируются индуктором 2 в магнитопроводящих компонентах - фрагментах 19 и ферросилиции, которые в свою очередь контактно прогревают рудное сырье.

Таким образом, нагрев немагнитопроводной части шихты достигается за счет наличия в ней химически пассивных фрагментов 19 из магнитопроводящих металлов, имеющих высокую тепло- и магнитопроводность. Этот прием существенно снижает расходы на печной агрегат, так как исключает необходимость применения жаропрочных сплавов или дорогостоящих огнеупоров для футеровки вакуумных печей, а также сокращает производственное время на нагрев шихты и обеспечивает равномерность прогрева.

При снижении доли фрагментов 19 менее 20% время прогрева шихты увеличивается более чем в два раза. Увеличение доли более 40% уменьшает долю рудного сырья и в 1,3-1,5 раза снижает выход легколетучего продукта.

Использование вакуума позволяет снизить расчетное количество восстановителя и увеличить выход легколетучего продукта при снижении затрат.

Пары легколетучего продукта, образующегося при нагреве шихты, отводятся из печи 1 через экран 17 в конденсатор 8 с охлаждением 9.

Герметичная емкость печи 1 продувается азотом с целью ускорения охлаждения пирофорных продуктов.

Затем расплавляют затвор 13 и с помощью механизма 12 осуществляют в верхнем положении подъема конденсатора 8 его поворот на 180^o и ввод в затвор вспомогательной емкости 11. С помощью внешнего нагревателя 16 производят нагрев стенок конденсатора 8 до температуры, на 10-15% превышающей температуру плавления легкоплавкого продукта, и расплавление конденсата легкоплавкого продукта в инертной среде. Расплавленный продукт стекает в изложницу 15, где формируется литая заготовка.

С целью повышения надежности герметизации-разгерметизации элементов в устройстве используют жидкометаллические затворы 7, 13, 14, заполненные сплавом Pb-Bi (tпл. 130^oС), снабженные нагревателями и системой охлаждения, которые управляются дистанционно. В нужные моменты технологического процесса среда, заполняющая затворы 7, 13, 14, расплавляется, что позволяет перемещать днище 3 и конденсатор 8 печи 1.

Опускание днища 3 печи 1 в нижнее положение обеспечивает извлечение рудного остатка из конического тигля печи 1, а дистанционный, двойной поворот днища 3 приводит к сбросу материалов на решетку с целью отделения магнитной (стальной) фракции, пригодной для утилизации переплавом с получением ценной товарной продукции в виде отливок из высокопрочного чугуна.

Пример В качестве рудного сырья используют материалы, содержащие обожженный доломит с добавлением в качестве восстановителя ферросилиция.

В конический тигель вакуумной индукционной печи 1 с внутренним диаметром ≈800 мм, высотой ≈1200 мм, объемом ≈600 л, выполненный из жаростойкого цемента, послойно загружают лом черных металлов 400 кг (50 л) и 1,5 т (500 л) брикетов стехиометрической смеси обожженного доломита с 45% ферросилицием в соотношении 24: 7 массовых частей. Проводят индукционный нагрев фрагментов шихты из магнитопроводящих металлов до 1300-1450^oС и контактный прогрев брикетов до 1200-1350^oС при остаточном давлении от 0,1 до 1,0 мм рт.ст с целью развития реакции вакуумного силикотермического восстановления: Проведенные опыты позволили установить оптимальный температурный режим зависимости выхода магния (% от теоретического) от температуры процесса. (Таблица 1). Нижний температурный предел отвечает началу твердофазного взаимодействия материалов шихты. Максимальная скорость процесса достигается при температурах 1200-1500^oС. Однако увеличение температуры сверх 1400±50^oС приводит к резкому увеличению скорости процесса, увеличению количества перегретых паров магния, которые осаждаются, помимо конденсатора, также на элементах конструкции печи, что приводит к безвозвратным потерям продукта и снижению его выхода. Из этих данных следует, что оптимальным для проведения способа является температурный интервал 1200-1350^oС.

Химическая инертность лома железа подтверждается проведенными термодинамическими расчетами. Для реакций силикотермического восстановления обожженного доломита с образованием силикатов железа (типа Fе₂SiO₄, Fe₃SiO₅) и даже железокальциевого силиката (реакция 1) и силиката кальция (реакция 2) энергия Гиббса имеет большое положительное значение в рассматриваемом интервале температур, т.е. эти реакции не осуществляются (см. Таблицу 2). Термодинамическим преимуществом обладают реакции, проходящие с образованием сложных кальций-магниевых силикатов, имеющие наиболее низкие значения энергии Гиббса.

Важной особенностью предложенного способа является изменение качества восстановителей при использовании порошкообразного ферросилиция и использование вакуума. В известных способах в шихте используют обожженный доломит и в качестве восстановителя - ферросилиций без использования добавок фрагментов из магнитопроводящих металлов (стального лома) и вакуума. Принято считать, что процесс развивается по реакции 2 (см. Таблицу 2). Это требует повышения затрат на увеличенное количество ферросилиция согласно стехиометрии реакций (см. список реакций в Таблице 2), приводит к снижению доли окиси магния в шихте и, следовательно, к снижению выхода возгонов магния. Приведенные в Таблице 2 расчеты показывают, что в процессе восстановления по предложенному способу идут реакции 3 и 4, имеющие минимальные значения энергии Гиббса ΔG^o. Следовательно, снижается расчетное количество восстановителя и увеличивается выход магния при снижении затрат. Кроме того, термодинамические оценки в приближении идеальных газов подтверждают, что использование вакуума увеличивает выход возгонов магния.

Далее отводят ≈170 кг паров магния, образующихся при нагреве шихты по реакции 4, в охлаждаемый конденсатор и продувают герметичную емкость печи азотом с целью ускорения охлаждения пирофорных продуктов.

Расплавляют жидкометаллические затворы 13, 14, поворачивают конденсатор 8 и герметично соединяют его со вспомогательной емкостью 11 для безокислительного расплавления кристаллов (друз) магния.

Расплавляют жидкометаллический затвор 7, опускают днище 3 печи 1 со спеком шихты и сбрасывают последнее в помольное устройство с целью последующего разделения металлической и оксидной фаз.

Нагревают герметичный конденсатор 8 внешним нагревателем 16 до температуры 670-680^oС, осуществляют кристаллизацию жидкого магния в конической изложнице 15 и извлекают слиток массой ≈170 кг (9,8 л).

Возвращают днище 3 в штатную позицию, герметично соединяют его с корпусом печи 1 и загружают свежую порцию шихты.

Возвращают конденсатор 8 в штатную позицию, герметично соединяют его с корпусом печи 1 и таким образом подготавливают устройство к следующему циклу.

Изобретение обеспечивает безопасное производство, например, магния в количестве 0,65-0,70 т/сутки (250 т/год), причем для максимального повышения уровня пожарной безопасности печь и блоки сублимации могут быть размещены в автономной защитной камере.

Наиболее экономически эффективно использование мини-комплексов, снабженных группой из 4-8 предложенных устройств и оборудованием для утилизации технологических отходов.

В рассмотренном конкретном примере выход стальных фрагментов достигает 0,44 т за операцию или 1,75 т/сутки, причем переплав, науглероживание и модифицирование металла во вспомогательной печи, обслуживающей группу предложенных устройств, позволяет получать до 1,85 т (2,6 т/т Mg) кокильных отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, стоимость которых достигает 35-45% стоимости основного продукта (слитки магния).

Отходы в виде силиката кальция (см. реакцию 4) в количестве до 0,6 т за операцию используются в качестве наполнителя (30%) бетонной смеси (2,0 т) при изготовлении строительных блоков, что исключает образование отвалов и дает дополнительный экономический эффект.

Сравнение предлагаемого изобретения с традиционной технологией показывает, что, помимо радикального повышения уровня экологической и пожарной безопасности, имеет место снижение себестоимости основного продукта на 30-40%.

Формула изобретения

1. Способ передела рудного сырья, содержащего соединения легкоплавких металлов или металлоидов, заключающийся в том, что измельченное рудное сырье смешивают с порошком сплавов железа, содержащих 45-75% кремния, компактируют смесь в брикеты, которые послойно загружают в вакуумную индукционную печь, при этом между слоями размещают фрагменты из магнитопроводящих металлов, после чего осуществляют герметизацию печи и ее вакуумирование при остаточных давлениях от 0,1 до 1,0 мм рт.ст. и проводят вакуумное силикотермическое восстановление рудного сырья в процессе контактного прогрева брикетов от фрагментов из магнитопроводящих металлов, нагреваемых токами Фуко до температур, обеспечивающих максимальную скорость испарения легкоплавкого продукта без перегрева его паров, после завершения восстановления конденсат легкоплавкого продукта расплавляют с получением литой заготовки, а рудный остаток извлекают из печи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что фрагменты из магнитопроводящих металлов используют в количестве 20-40% от массы шихты.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют расплавление конденсата легкоплавкого продукта в инертной среде при нагреве до температуры, на 10-15% превышающей температуру плавления легкоплавкого продукта.

4. Устройство для передела рудного сырья, содержащего соединения легкоплавких металлов или металлоидов, содержащее вакуумную индукционную печь с днищем, установленным с возможностью перемещения относительно направляющих стоек блока приема рудных остатков и герметично сочлененным с корпусом вакуумной индукционной печи с помощью жидкометаллического затвора, и конденсатор, установленный над корпусом вакуумной индукционной печи с возможностью перемещения и поворота относительно корпуса вакуумной индукционной печи и герметичной вспомогательной емкости, снабженной изложницей и внешним нагревателем, и герметично сочлененный с ними с помощью жидкометаллических затворов, причем все жидкометаллические затворы содержат среду с температурой плавления 90-130^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3