Дуплекс-печь для выплавки марганцевых сплавов из железомарганцевых бедных руд и концентратов и техногенных отходов металлургии

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для производства марганцевых сплавов из железомарганцевых бедных руд и концентратов. В своде сифона выполнены отверстия или окна для загрузки углеродсодержащих материалов, перегородка с нижним окном или окнами для перетекания шлакового расплава в сифон выполнена в виде общей торцевой стенки для жидкофазной плавильной шахты и сифона с электродом(ами) и имеет окно или окна для отвода газов из-под свода сифона, расположенное(ые) на уровне не выше горизонтальной оси верхнего ряда фурм жидкофазной плавильной шахты, сифон снабжен сплошной поперечной перегородкой, установленной в нижней его части параллельно с общей торцевой стенкой для жидкофазной плавильной шахты и сифона на расстоянии, достаточном для перетекания необходимого объема расплава шлака из жидкофазной плавильной шахты на поверхность нагретого слоя углеродсодержащего материала, при этом сплошная поперечная перегородка полностью отделяет сифон от жидкофазной плавильной шахты, а ее верхняя кромка расположена выше горизонтальной оси нижнего ряда фурм жидкофазной плавильной шахты. Изобретение позволяет уменьшить размеры конструкции, утилизировать все тепло отходящих газов из сифона, уменьшить количество выбросов диоксида из сифона в окружающую среду. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области производства качественных марганцевых ферросплавов из бедных концентратов (как, например, руд, отвальных шлаков, шламов и пылей), а также может найти свое применение для безкоксовой переработки бедных марганцевых руд и концентратов, а также техногенных отходов металлургии (конвертерных пылей, масляных шламов, конкреций морского шельфа и пр.).

Традиционно во всем мире, например, бедные марганецсодержащие руды и техногенные отходы на ферромарганец последовательно перерабатывают в отражательной печи (конструкция широко известна специалистам), затем шлак переливают в электропечи, футерованные угольными блоками (патент Австралии кл. №254219, 15.4 и РЖ «Металлургия», 1967, №3), в которых ведут восстановительные плавки.

Недостаток известного вида оборудования:

- необходимость в использовании трех печных агрегатов, в каждом из которых выдерживается определенная температура;

- высокий расход энергоресурсов из-за потери тепла при транспортировке расплавов и значительной суммарной площади теплопроводящих поверхностей печных агрегатов;

- низкое сквозное использование марганца;

- большие выбросы вредных веществ (пылей, диоксидов и пр.) в окружающую среду.

Известен печной агрегат для выплавки марганцевых ферросплавов, называемый в металлургии дуплекс-печью. Например, в а.с. 1038366 (МКИ: С21С 5/52, опубл. 30.08.83 г., Бюлл. №32) описана последовательная схема: загрузка бедных марганецсодержащих материалов в первую электропечь, а затем перегрузка продуктов плавки в следующую электропечь и их последующая плавка. Из-за широкой известности конструкции электропечей, их описание здесь не приводится.

Недостатки этого технического решения:

- высокое энергопотребление (до 1000 кВтч электроэнергии на тонну передельного марганцовистого шлака);

- повышенные потери марганца с попутным металлом (до 20%);

- низкая востребованность получаемого попутного металла;

- низкая степень извлечения марганца из передельного шлака в ферромарганец;

- высокая кратность шлака.

Общим недостатком обоих известных печных агрегатов является то, что эти агрегаты способны работать удовлетворительно (с точки зрения технико-экономических показателей) только в случае предварительной подготовки шихты (сушки агломерации, брикетировании, грануляции и т.п.);

при точном согласовании времени загрузки, пребывания и выгрузки материала по каждому агрегату дуплекс-процесса; при включении в схему сложной системы газоочистных установок (так как процесс сопряжен со значительными выбросами мелкодисперсных материалов и диоксидов в окружающую среду).

Известны печные агрегаты для дуплекс-процессов, как, например, для переработки мелкодисперсных окисленных бедных никельсодержащих руд. В этих агрегатах устранены вышеперечисленные недостатки, в том числе недостатки приведенных известных дуплекс-печей. Наиболее прогрессивный агрегат описан в патенте РФ №234888 по заявке №2006109262 от 24.03.2006 г. (авторы Салихов З.Г., Щетинин А.П., Ишметьев Е.Н.) на «Печь Ванюкова для плавки материалов, содержащих цветные и черные металлы».

Это техническое решение принято за прототип заявляемого изобретения как наиболее близкое по назначению и достигаемым положительным техническим результатам.

Прототип по существу представляет из себя последовательно соединенные или сообщающиеся два печных агрегата: печь Ванюкова и электродуговую печь, незначительные изменения конструкции которых могут быть потребованы в зависимости от назначения рассматриваемого типа дуплекс-печи и достигаемых положительных результатов.

Печь Ванюкова по прототипу содержит:

- жидкофазную плавильную шахту с кессонированными поясами с нижним и верхним рядами фурм;

- патрубки для загрузки шихты и отвода печных газов на своде и отверстия для отвода жидкого металла;

- наклонную или ступенчатую подину;

- перегородку с нижним окном или окнами для перетекания шлакового расплава в сифон;

- на своде сифона установлен(ы) электрод(ы) с возможностью перемещения;

- канал(ы) для выпуска шлаковой и металлической составляющих расплава из нижней части сифона.

К недостаткам прототипа относятся:

- большая суммарная площадь поверхностей агрегата и связанные с этим потери тепла (размеры восстановительной камеры сопоставимы или даже больше размеров плавильной камеры);

- недостаточная утилизация тепла окисления газов СО, выделяющихся при работе сифона в режиме электродуговой печи (для изменения вязкости шлака на границе разделения металла и шлака);

- значительное количество выбросов СО (диоксида) из сифона в окружающую среду;

- потребности в углеродсодержащем материале (кокс или угль) при получении передельного марганцевого шлака или ферромарганца;

- большой объем невостребованного синтетического чугуна или требующего дальнейшего передела, получаемого на первой стадии выплавки марганцевых ферросплавов.

Цель изобретения: создание печного агрегата - дуплекс-печи для выплавки марганцевых ферросплавов из железомарганцевых бедных руд, концентратов и техногенных отходов металлургии. Совокупность новых признаков существенного совершенствования прототипа дает положительный технический эффект - устраняет недостатки известных печных агрегатов для выплавки марганцевых ферросплавов.

Предлагаемая дуплекс-печь для выплавки марганцевых сплавов содержит жидкофазную плавильную шахту с кессонированными поясами с нижним и верхним рядами фурм и с отверстиями для отвода газов и загрузки шихты и выпуска жидкого металла, наклонную или ступенчатую подину, перегородку с нижним окном или окнами для выпуска шлакового расплава в сифон, на своде которого установлен(ы) электрод(ы) для регулирования температуры расплава, и каналом(ами) для выпуска шлаковой и металлической составляющих расплава из нижней его части.

В ней роль торцовой стенки плавильной шахты и сифона выполняет перегородка, верхняя кромка которой опирается на свод плавильной шахты, а нижняя - на ее подину, свод сифона, через окно(а) перегородки, выполненной(ных) для отвода газов из-под его свода, на уровне ниже горизонтальной оси верхнего ряда фурм жидкофазной плавильной шахты, сообщена с плавильной шахтой и содержит патрубки для загрузки углеродсодержащих материалов (кокс, уголь и т.д.) в зону горения дуги электрода(ов), а в нижней части сифона установлена сплошная перегородка, верхняя кромка которой заканчивается выше горизонтальной оси нижнего ряда фурм, а нижняя кромка опирается на подину сифона. Параллельно установленные сплошная перегородка и поперечная перегородка с окнами образуют канал для перетока расплава из плавильной зоны на поверхность слоя углеродсодержащего восстановителя в сифоне.

Кроме того, дуплекс-печь для выплавки марганцевых сплавов, свод ее сифона через окно перегородки, играющей и роль общей торцевой стенки между плавильной шахтой и сифоном с электродом(ами), сообщен с плавильной шахтой ниже горизонтальной оси верхнего ряда фурм, например, на 8-12 размеров устья фурм.

Для подтверждения достижения цели получения положительных технических эффектов и доказательства существенности отличительных признаков приведем описание работы предлагаемой конструкции дуплекс-печи при выплавке марганцевых сплавов из бедных руд и техногенных отходов.

Дуплекс-печь для выплавки марганцевых сплавов из железомарганцевых бедных руд и концентратов и техногенных отходов металлургии содержит (см. чертеж): кессонированную жидкофазную плавильную шахту - 1 с корпусом - 2 (далее корпус не упоминается); фурмы нижнего ряда - 3; фурмы верхнего ряда - 4; свод - 6 с патрубками 7 для загрузки шихты на переработку и патрубками - 8 для отвода печных газов на своде и патрубок - 9 для отвода жидкого металла, подину - 10 (ровную, наклонную, ступенчатую или другой формы), сифон - 11 с установленным(и) на его своде электродом(ами) - 12 для регулирования температуры расплава и каналами - 14 для выпуска шлаковой и металлической составляющей расплава, поперечную перегородку - 13, верхняя кромка которой опирается на свод 6 плавильной шахты - 1, а нижняя - на ее подину - 10; свод сифона - 14 с отверстиями для подачи углеродсодержащего угля или кокса (не обозначены); в качестве торцевой стенки корпуса 2 плавильной шахты 1 и сифона 11 использована перегородка 13, имеющая нижнее(ие) окно или окна - 15 и окно - 16 для отвода печных газов из-под свода сифона 11 в нижнюю зону верхнего ряда фурм 4; торцевая стенка сифона 11 выполнена в виде сплошной поперечной перегородки 17, верхняя кромка которой заканчивается выше горизонтальной оси нижнего пояса ряда фурм 3, а сама перегородка 17 расположена параллельно поперечной перегородке 13 с окнами 15 на расстоянии, достаточном для перетекания всего объема потока расплава из плавильной шахты 1 через окно 15 и верхнюю кромку перегородки 17 на поверхность слоя углеродсодержащего материала в сифоне 11. Работает дуплекс-печь следующим образом.

Дуплекс-печь нагревают до определенной температуры по заранее заданному временному графику. Затем загружают расплавленным шлаком (мартеновским, доменным или другим легкоплавким шлаком) кессонированную жидкофазную плавильную шахту 1 до набора уровня до нижнего ряда фурм 3. После прогрева свода 6 через патрубки 7 постепенно начинают загружать шихту и уголь, а кислородно-воздушно-газовая (метан) смесь, подаваемая через нижний ряд фурм 3 и пусковые горелки (не показаны) создают барботирующую жидкофазную среду по всему объему плавильной шахты 1. Поскольку железомарганцевое сырье (отходы обогащения и др.), нефракционированный уголь, флюс (для обеспечения необходимой вязкости расплава) активно перемешиваются, то тепло от сгорания угля (и метана) расходуется на нагрев и расплавление шихты, а продукты неполного его сгорания - оксид углерода (СО) и H₂ используются в качестве восстановителя оксидов, термодинамическая прочность которых ниже, чем у закиси марганца, т.е. тех, которые можно восстановить с помощью оксида углерода. Оксиды марганца в этих условиях не восстанавливаются. Восстановленное железо и фосфор осаждаются на подину 10 печи и этот сплав, пользующийся большим спросом металлургов (90% Fe, 0,5-3,0% Mn; 0,3-0,5% Si; 3,5-4,0% С; 2,5-4,0% Р) непрерывно выходит из патрубка 9 плавильной шахты 1. Шлак, освобожденный от примесей (железо, фосфор, цветные металлы) и содержащий в основном оксиды марганца и оксиды, чья термодинамическая прочность выше, чем у закиси марганца (оксиды кремния, кальция, магния, алюминия, бария и др.), через нижнее(ие) окно(окна) 15 поперечной перегородки 13 и верхнюю кромку сплошной перегородки 17 непрерывно перетекает на нагретый слой углеродсодержащего восстановителя, образованного загрузкой его через загрузочные патрубки 11 на своде сифона 11. Проходя через углеродсодержащий слой, оксиды марганца и кремния восстанавливаются в разной степени, в зависимости от требуемой номенклатуры ферросплава (углеродистый ферромарганец или силикомарганец), что определяется температурой, толщиной слоя и основностью конечного шлака в сифоне 11 (эти параметры поддерживаются высокоточной системой автоматики - на чертеже не показана). Полученные продукты плавки выпускаются из печи одновременно и раздельно. Благодаря загрузке шихты в объем плавильной шахты 1, заполненной мелкодисперсными «частицами» расплава, и «кучное» (в виде плотного потока) движение потока шихты с последующим погружением в расплав в условиях отсутствия высоких скоростей отходящих газов в надшлаковом пространстве не создают условия для выноса пылей из жидкофазной плавильной шахты. Это подтверждено практикой работы печей: жидкофазная плавка при переработке мелкодисперсных материалов обеспечивает снижение выноса пылей до 30 раз по сравнению с шахтной, доменной или отражательной печи(ами). Поскольку загружаемая марганецсодержащая шихта сначала, погружаясь в слой расплавленного шлака, смачивается, затем фурмами нижнего ряда выбрасывается в верхнюю зону плавильной шахты 1, реакция восстановления железа идет многократно интенсивнее, чем в других известных печных агрегатах, а отделение СО и Н₂ от процесса восстановления происходит в верхней зоне шахты и дожигаются фурмами верхнего ряда фурм. При этом тепло, выделяющееся при дожигании СО и H₂, входя в контакт с мельчайшими частицами металла и шлака, возвращается обратно в жидкофазный барботирующий слой.

Образующийся расплав восстановленных оксидов в сифоне 11 выводится через патрубок (отверстие 14) сифона. Состав этого продукта плавки: 70-75% Mn, 17-20% Si, 1,5-2,5% С, 0,1-0,3% Р и остальное Fe. Выделяющиеся при получении этого продукта газы СО непрерывно отводятся через окно(а) 16 в перегородке 13 и сгорают до СО₂ (т.е. исчезает особо опасный для экологии диоксид), а тепло (ориентировочно 30% тепла плавильной зоны печи (на эту величину можно сократить подачу теплоносителей в плавильную зону печи, при этом благодаря общей степени - перегородки 13 сокращается 1/4 площадь вертикальных частей печи, а следовательно, на столько же сокращаются потери тепла в окружающую среду) передается жидкофазному барботирующему слою.

Таким образом, совокупность новых элементов и их расположения позволяют повышать извлечение Fe на 30-35%, марганца на 15-25% и одновременно утилизировать тепло отходящих газов обратно в процессы дуплекс-печи, что снижает также энергозатраты на 15-25%, а также позволяет избавиться, практически полностью, от особо опасных для здоровья диоксидов.

Предлагаемое устройство дуплекс-печь для реализации способа производства ферромарганца или силикомарганца успешно может быть применено и для производства других видов ферросплавов из бедных руд, железомарганцевых концентратов и отходов металлургии, без использования кокса и без предварительной подготовки перерабатываемого сырья с потерей ценных компонентов на 20-40% на этой стадии.

Дуплекс-печь для выплавки марганцевых сплавов из железомарганцевых бедных руд и концентратов и техногенных отходов металлургии, содержащая жидкофазную плавильную шахту с кессонированными поясами с нижним и верхним рядами фурм, с патрубками для загрузки шихты и отвода печных газов на своде и отверстием для отвода жидкого металла, наклонную или ступенчатую подину, перегородку с нижним окном или окнами для перетекания шлакового расплава в сифон, на своде которого установлен(ы) электрод(ы) для регулирования температуры расплава и канал(ы) для выпуска шлаковой и металлической составляющих расплава из нижней части сифона, отличающаяся тем, что в своде сифона выполнены отверстия или окна для загрузки углеродсодержащих материалов, перегородка с нижним окном или окнами для перетекания шлакового расплава в сифон выполнена в виде общей торцевой стенки для жидкофазной плавильной шахты и сифона с электродом(ами) и имеет окно или окна для отвода газов из-под свода сифона, расположенное(ые) на уровне не выше горизонтальной оси верхнего ряда фурм жидкофазной плавильной шахты, сифон снабжен сплошной поперечной перегородкой, установленной в нижней его части параллельно с общей торцевой стенкой для жидкофазной плавильной шахты и сифона на расстоянии, достаточном для перетекания необходимого объема расплава шлака из жидкофазной плавильной шахты на поверхность нагретого слоя углеродсодержащего материала, при этом сплошная поперечная перегородка полностью отделяет сифон от жидкофазной плавильной шахты, а ее верхняя кромка расположена выше горизонтальной оси нижнего ряда фурм жидкофазной плавильной шахты.