Способ прямого извлечения металлов из оксидных форм металлосодержащего сырья, различных видов руд, техногенных отходов и устройство для прямого извлечения металлов из различных форм в металлическую или другие оксидные фазы
METHOD FOR DIRECT EXTRACTION OF METALS FROM OXIDE FORMS OF METAL-CONTAINING RAW MATERIALS, VARIOUS TYPES OF ORES, MAN-MADE WASTE AND A DEVICE FOR DIRECT EXTRACTION OF METALS FROM VARIOUS FORMS INTO METAL OR OTHER OXIDE PHASES

Изобретение относится к металлургии, преимущественно к переработке металлосодержащего сырья, в частности к извлечению металлов из металлосодержащего сырья, различных видов руд, техногенных мелкодисперсных отходов оксидных, гидрооксидных, окисных и гидроокисных форм металлургических и других производств, в том числе «красных» шламов, пиритных огарков, отходов пылегазоочистки металлургических, медеплавильных, ферросплавных, сталелитейных производств, шлаков, шламов, кеков, клинкеров, отходов хромитовых песков, окалин, сплесов, скрапа, высевок и других подобных отходов.
Известен способ [1] переработки маслосодержащей прокатной окалины, включающий в себя сбор окалины, высокотемпературную обработку в проходных печах, в результате чего получают обезмасленную окалину, представляющую собой вторичное сырье, пригодное для получения ферросплавов, агломератов для доменного производства.
Недостатком известного способа является то, что окалина не восстанавливается, а лишь обезмасливается.
Известен способ [2] получения железа прямого восстановления в электродуговых печах и агрегатах восстановления по одностадийной технологии с использованием неокускованного железорудного сырья и углеродсодержащего материала.
Существенным недостатком известного способа является принудительный барботаж расплавленного металла в ванне пузырьками окислительного газа, вводимого в расплав, и низкий процент восстановленного железа.
Наиболее близким решением является способ [3, 4], в котором оксидное сырье, содержащее металлы группы железа, подвергают плавке в присутствии металлического расплава и углеродсодержащего восстановителя, процесс ведут в электродуговой печи постоянного тока, имеющей, по меньшей мере, один подовый электрод и один графитированный сводовый электрод, в которую загружают шихту, зажигают электрическую дугу между графитированным электродом и шихтой, причем электрическая цепь источника электропитания замыкается через графитированный электрод, шихту, электропроводную подину или подовые электроды. Для надежного электрического контакта между подиной и шихтой на подине оставляют часть расплава предыдущей плавки («болото»), на которую загружают шихту и оксидное сырье.
Существенным недостатком известного способа является малая скорость извлечения и неполное восстановление металлов из оксидного сырья, образование большого количества шлака, засоренного недовосстановленными металлами.
Ближайшим прототипом является способ [5] прямого восстановления железа из дисперсного оксидного сырья, включающий возбуждение плазмы дугового разряда в восстановительном газе, вдув шихты тангенциально стенке цилиндрической плавильной камеры плазменной печи, ее расплавление, восстановление оксидной шихты, сбор и раздельный выпуск металла и шлака.
Недостатком такого способа получения расплава шихты является нестабильность процесса восстановления, в результате чего трудно извлечь металлы.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является процесс восстановления расплавленных шлаков путем инжекции углерода в металлический расплав [6, 7].
Однако в этом процессе не достигаются необходимые для полного восстановления металлов из оксидной формы величины концентрации углерода.
Общими признаками известных способов, прототипов, устройств и предлагаемого изобретения для извлечения металлов из металлосодержащего сырья, различных видов руд, техногенных мелкодисперсных отходов оксидных форм являются: плавка металлосодержащего сырья оксидной формы в присутствии металлического расплава и углеродистого восстановителя, а процесс восстановления металлов идет в рабочем плавильном пространстве ванны электродуговых печей постоянного или переменного тока.
Сущность способа прямого извлечения металлов из металлосодержащего сырья, различных видов руд, техногенных отходов оксидных форм, позволяющего достичь положительного эффекта, минуя промежуточные окислительно-восстановительные процессы, в металлическую или другие оксидные фазы, заключается в использовании заявляемого изобретения, где совокупность всех отличительных существенных признаков обеспечивает максимально высокую степень и скорость извлечения металлов из оксидных и других форм металлосодержащего сырья, различных видов руд и техногенных отходов, за счет преобладания скорости прямого извлечения целевых металлов из оксидов, гидрооксидов, окислов, гидроокислов до исходного металла над скоростью их плавления при одновременном снижении удельных энергозатрат, снижения объема образующихся шлаков, низкого процента выноса мелкодисперсного сырья из рабочего плавильного пространства ванны устройства, выполненного в виде электродуговой печи постоянного тока и сконструированного таким образом, где в отличие от известных устройств [8], выбранных в качестве прототипа, электропитание заявляемого в изобретении устройства осуществляется через «короткую сеть», имеющую минимальную величину реактивного сопротивления, которая в сочетании с электропечным трансформатором устройства, позволяющим производить регулирование напряжения под нагрузкой в диапазоне рабочих напряжений при плавке в более низких областях, чем для процесса плавки во время работы классических электродуговых печей постоянного и переменного тока, гарантирует устойчивую, длительную, безаварийную работу с единичными перегрузками от 1,0 до 16,0 кило Ампер и более в течение 2 секунд и с пиковыми значениями тока до 100 килоАмпер и более на «короткой» дуге постоянного тока длиной от 0,5 до 10 миллиметров при низких рабочих выпрямленных напряжениях в диапазоне от 20 до 130 Вольт и большой силе выпрямленного тока от 1,0 до 100,0 килоАмпер и более, одновременно создавая повышенные значения коэффициента мощности до 0,999 и электрического коэффициента полезного действия устройства до 98%.
Целью изобретения является: Способ прямого извлечения металлов из оксидных форм металлосодержащего сырья, различных видов руд, техногенных отходов и Устройство для прямого извлечения металлов из различных форм в металлическую или другие оксидные фазы, применением которого решается переработка металлосодержащего сырья, различных видов руд и глобальная проблема утилизации техногенных мелкодисперсных отходов металлосодержащего сырья, в частности отходов пылегазоочистного оборудования металлургических, медеплавильных, никелевых, сталеплавильных, ферросплавных производств, шлаков, шламов, кеков, клинкеров, отходов хромитовых песков, прокатных окалин, сплесов, скрапа, высевок, различных видов руд, минуя промежуточные формы восстановления, таких как губчатое железо, наиболее простым, надежным, позволяющим максимально полно, с наибольшей скоростью и максимально высокой степенью извлекать целевые металлы и ценные окислы металлов, с высокой производительностью и наиболее выгодным с точки зрения экономики процессом.
С этой целью в заявляемом изобретении:
1. Для обеспечения начала эффективного протекания процесса прямого извлечения металлов при температурах 180,300,390°С с увеличением интенсивности извлечения металлов с 600,800°С, вплоть до достижения расплавом 1650°С внутреннее рабочее плавильное пространство ванны устройства выполняют огнеупорной футеровкой яйцеподобной формы в виде тупой части яйца.
2. Для обеспечения наибольших скоростей нагрева, производительности процесса и проведения прямых восстановительных плавок для полного прямого извлечения металлов из различных форм в металлическую или другие оксидные фазы, минуя промежуточные окислительно-восстановительные процессы, источник постоянного тока для электропитания устройства сконструирован и выполнен для создания стабильной, щеточной, короткой дуги постоянного тока длиной от 0,5 до 10 миллиметров с эффектом практически полного поглощения генерируемой омической энергии концентрически расходуемой посредством уникальной конструкции диодного выпрямителя, создающим электромагнитное перемешивание расплавленного металла непрерывными колебаниями электрического и электромагнитного полей, проходящими через весь объем загруженной ванны определенным силовым неравновесным температурным полем.
3. Прямое извлечение металлов из оксидных форм металлосодержащего сырья, различных видов руд, техногенных отходов, в том числе из оксидных, гидрооксидных, окисных и гидроокисных форм, пиритных огарков, шлаков, «красных» шламов, окалин, высевок, шламов и прочих пылевидных, мелкодисперсных и кусковых отходов, а также восстановления металлического кремния из кремнийсодержащих отходов без очистки от масел и органических примесей, без предварительного нагрева шихты и ее загрузки в устройство с допустимой до 20% влажности, производят за счет проходящих в неравновесном температурном поле рабочего плавильного пространства ванны устройства термодинамических взаимодействий в присутствии углерода из углеродсодержащей добавки в виде графитовой стружки, коксика, отходов угля, угольной пыли или других графитсодержащих отходов и добавок, вводимой в рабочее плавильное пространство ванны устройства одновременно с загрузкой металлосодержащего сырья оксидной или других форм в пропорции не менее 1:100 (10 килограмм углеродсодержащей добавки на 1000 килограмм шихты) или по необходимости в других пропорциях, но не более 6:10.
4. Для повышения степени чистоты извлекаемых металлов без продувки газами, а также снижение содержания углерода из расплава до 0,001%, проводят заданной по времени от 5 до 30 минут и температуре от 1450°С до 1650°С термовременной выдержкой жидкого расплава в неравновесном температурном поле рабочего плавильного пространства ванны заявленного в изобретении устройства.
5. Для обеспечения высокой степени прямого извлечения металлов из металлосодержащего оксидного сырья с содержанием неметаллических включений до 70% и увеличения скорости прямого извлечения металлов электропечной трансформатор устройства выполняют с функцией регулировки напряжения под нагрузкой с расположением диапазона рабочих напряжений при плавках, в более низких областях от 20 до 130 Вольт, чем для процесса плавок во время работы классических электродуговых печей постоянного и переменного тока.
6. Для обеспечения непрерывного процесса прямого извлечения металлов из металлосодержащего сырья, различных видов руд, техногенных отходов, в том числе «красных» шламов, пиритных огарков, отходов пылегазоочистного оборудования металлургических, медеплавильных, ферросплавных, сталелитейных производств, шлаков, шламов, кеков, клинкеров, отходов хромитовых песков, окалин, сплесов, скрапа, высевок и других подобных отходов до исходного металла, а также снижения негативного влияния работы устройства, выполненного в виде электродуговой печи постоянного тока (5), на питающую сеть, создания условий устойчивой, длительной, безаварийной работы с номинальным выпрямленным током от 1,0 до 10 килоАмпер и более, текущая подача которого поддерживается с уменьшенным мерцанием, с перегрузками от 6 до 16 килоАмпер и более в течение 2 секунд и с пиковыми значениями тока до 100 килоАмпер и более на стабильной, щеточной «короткой» дуге постоянного тока длиною от 0,5 до 10 миллиметров при низких, с функцией регулировки под нагрузкой выпрямленных рабочих напряжениях в диапазоне от 20 до 130 Вольт и большой силе выпрямленного тока от 1,0 до 100,0 килоАмпер и более, источник питания устройства, выполняют в комплекте, состоящем из двух сблокированных преобразовательных трансформаторов с уравнительным реактором (1), входного токоограничивающего реактора (2) и двух диодных выпрямителей (3), соединяемых параллельно и покомплектно в один или несколько рядов в количестве от одного и более комплектов в ряду в зависимости от мощности устройства и количества установленных сводовых графитированных электродов (4), количество которых зависит от емкости и тоннажа устройства: с одним сводовым графитированным электродом - при емкости устройства до 1 тонны - Фиг. 1 «Устройство емкостью до 1 тонны», трех и более сводовых графитированных электродов - при емкости до 200 тонн - Фиг. 2, 3 «Устройство емкостью до 200 тонн».
7. Для снижения энергозатрат, обеспечения надежного контакта подовых электродов с шихтой во все периоды плавки, повышения скорости и степени извлечения металлов, подовый анодный подвод заявляемого устройства выполняют из меди в виде одного или нескольких подовых водоохлаждаемых электродов с центральной круглой стальной вставкой, имеющей выход в рабочее плавильное пространство ванны устройства одной центральной или тремя и более стальными самовосстанавливающимися пластинами, приваренными к вставке под углом 120 градусов и менее.
8. Для наиболее выгодного дальнейшего применения извлеченных металлов из металлосодержащего сырья, различных видов руд, техногенных отходов, в частности из «красных» шламов, производят ввод в расплав извлеченного из металлосодержащего сырья железа, находящегося в рабочем плавильном пространстве ванны заявляемого в изобретении устройства, выполненного в виде электродуговой печи постоянного тока, процентнозаданного количества алюминия от 0,2 до 30 процентов от веса жидкого расплава в ванне устройства, что вызывает усиление электролитического воздействия дуги постоянного тока устройства, необходимого для получения товарной продукции из суперчугунов со стопроцентной перлитной или мартенситной матрицей или ферроалюминия.
9. Для создания условий преобладания скорости прямого извлечения металлов над скоростью плавления металлосодержащего сырья, различных видов руд, техногенных отходов, являющегося важнейшим условием для стопроцентного прямого извлечения целевых металлов из оксидов, гидрооксидов, окислов и гидроокислов, металлосодержащего сырья до исходного металла, «короткую сеть» предлагаемого в изобретении устройства выполняют с минимальной величиной реактивного сопротивления, что в сочетании с заданными характеристиками электропечного трансформатора устройства не только обеспечивает работу устройства на «короткой» дуге постоянного тока длиною от 0,5 до 10 миллиметров при низких выпрямленных напряжениях от 20 до 130 Вольт и большой силе выпрямленного тока от 1,0 до 100,0 килоАмпер и высокой от 10 до 15 метров в минуту для одного сводового графитированного электрода или автономно для каждого из трех и более в отдельности сводовых графитированных электродов скоростью перемещения сводовых графитированных электродов, но и повышает значения коэффициента мощности до 0,999 и электрического коэффициента полезного действия устройства до 98%.
Совокупность представленных существенных отличий предлагаемого изобретения по технической сущности и достигаемому результату позволяют максимально полно, с наибольшей скоростью, высокой степенью извлечения и наиболее выгодно извлекать металлы из металлосодержащего сырья любой оксидной, гидрооксидной, окисловой, гидроокисловой и других форм в металлическую или другие оксидные фазы, обеспечивая при этом высокую производительность процесса утилизации техногенных отходов и переработки различных видов руд с экономическим эффектом.
Пример осуществления предлагаемого изобретения: «Способ прямого извлечения металлов из оксидных форм из металлосодержащего сырья, различных видов руд, техногенных отходов и Устройство для прямого извлечения металлов из различных форм в металлическую или другие оксидные фазы», в частности восстановления железа и оксида скандия из железосодержащих отходов алюминиевого производства - «красных» шламов.
В устройство, выполненное в виде электродуговой печи постоянного тока емкостью 1 тонна, с зафутерованным внутренним рабочим плавильным пространством ванны в виде тупой части яйца (яйцеподобной), с одним сводовым графитированным электродом, с одним подовым медным водоохлаждаемым электродом с центральным круглым стальным стержнем с выходом в рабочее плавильное пространство ванны круглой стальной частью, имеющим «короткую сеть» с минимальной величиной реактивного сопротивления в паре с электропечным трансформатором, позволяющим регулировать напряжение под нагрузкой с диапазоном рабочих напряжений в низких областях, обеспечивающими длительную работу устройства на «короткой» дуге при низких выпрямленных напряжениях и большой силе выпрямленного тока, создающими при этом повышенные значения коэффициента мощности и электрического коэффициента полезного действия устройства, а также созданной за счет перечисленных отличий дуги постоянного тока, обеспечивающей непрерывные колебания электрического и электромагнитного полей, проходящих через весь объем рабочего плавильного загруженного пространства ванны устройства определенным силовым неравновесным температурным полем, усиливающим термодинамические и электролитические взаимодействия с присутствием углерода из углеродсодержащей добавки в виде угольной пыли, приводящие в результативной совокупности к преобладанию скорости извлечения целевых металлов из оксидов, гидрооксидов, окислов и гидроокислов металлосодержащего сырья, различных видов руд, техногенных отходов до исходного металла над скоростью их плавления, загружают шихту (металлосодержащее сырье), зажигают электрическую «короткую» дугу между графитированным электродом и шихтой, при этом электрическая цепь источника электропитания устройства замыкается через графитированный электрод, шихту и подовый электрод. Для обеспечения в дальнейшем надежного электрического контакта между подиной и шихтой на подине оставляют часть расплава предыдущей плавки («болото») в количестве до 10-20% от массы загружаемой в печь шихты, на которую в дальнейшем загружают основную часть оксидного сырья, в частности «красный» шлам, смешанный с мелким углем в пропорции 100:1. Загруженную порцию металлической шихты весом 100 килограмм полностью расплавляют для создания «болота», после чего сверху загружают основную часть «красного» шлама весом 1000 килограмм, смешанного с углем в пропорции 100:1, между которой и ранее расплавленной шихтой формируется обширная область электрического контакта, обеспечивающего всей совокупностью представленных существенных отличий заявляемого изобретения, полное прямое извлечение железа и оксида скандия из «красного» шлама. Процесс прямого извлечения железа в основном, заканчивается по получению жидкого расплава, после чего делают термовыдержку в течение 10 минут для стопроцентного извлечения железа, а полученный расплав сливают в формы. При этом из одной тонны «красного» шлама извлечено 334,66 килограмм товарной продукции в виде круга из суперчугуна со стопроцентной перлитной структурой с гарантированным химическим составом чугуна и 338,2 килограмма металлургического шлака с содержанием 0,45% оксида скандия [Фиг. 4, 5].
В представленных существенных отличиях, заявляемое изобретение по востребованности на внутреннем и внешнем рынках соответствует всем критериям патентоспособности. Изобретение обладает новизной, так как на настоящий момент заявителем не обнаружено ни одного известного из мирового уровня техники решения, характеризующегося такой же совокупностью существенных признаков, как в предлагаемом для патентной экспертизы изобретения. Это подтверждает проведенный заявителем патентный поиск.
Заявляемое изобретение: «Способ прямого извлечения металлов из оксидных форм металлосодержащего сырья, различных видов руд, техногенных отходов и Устройство для прямого извлечения металлов из различных форм в металлическую или другие оксидные фазы» имеет изобретательный уровень, так как заявителем не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками. Более того, потребность в предлагаемом изобретении, способном перерабатывать металлосодержащее сырье, различные виды руд и утилизировать техногенные мелкодисперсные металлосодержащие отходы оксидных, гидрооксидных, окисных и гидроокисных форм с экономическим эффектом, в том числе маслосодержащие отходы и отходы с содержанием до 70% неметаллических включений и 20% влажности, очень велика в количественном выражении, так как решает проблему получения из техногенных отходов высокоценного вторичного сырья для металлургических и первичных заготовок смежных металлообрабатывающих производств; исключения сброса окалин и отходов пылегазоочисток в отвалы и возможности перерабатывать то, что уже накоплено в отвалах трубопрокатных и листопрокатных производств; улучшения экологической ситуации в местах расположения металлургических и прокатных производств и исключения выплаты штрафов за загрязнение окружающей среды токсичными веществами.
Проблема утилизации техногенных мелкодисперсных металлосодержащих отходов, в том числе «красных» шламов, глобальна и по настоящее время не существовало способа и устройства, позволяющих их утилизировать с экономическим эффектом, получая товарную продукцию в виде слитков извлеченного железа и металлургического шлака с высоким содержанием высокоценных оксидов, в частности оксида скандия.
Предлагаемое изобретение решает эту проблему, так 12-ти тонное устройство по предлагаемому изобретению способно за год работы извлечь железо из «красных» шламов в количестве 11 тысяч тонн в виде стальных или чугунных заготовок в процессе утилизации 36 тысяч тонн «красных» шламов, а их скопилось сотни миллионов тонн и продолжает накапливаться.
На Фиг. 6, 7, 8, 9, 10 показаны примеры применения предлагаемого изобретения «Способ прямого извлечения металлов из оксидных форм металлосодержащего сырья, различных видов руд, техногенных отходов и Устройство для прямого извлечения металлов из различных форм в металлическую или другие оксидные фазы»: Фиг. 6 - Акт №1 промышленной апробации технологии комплексного, экономически выгодного и экологически безопасного процесса утилизации «красных» шламов путем прямого восстановления железа из оксидов железа и получения товарной продукции - слитков на дуговых печах постоянного тока изготовления ООО «ТМ», Россия, г. Набережные Челны., Фиг. 7 - Акт №2 промышленной апробации технологии комплексного, экономически выгодного и экологически безопасного способа утилизации «красных» шламов путем прямого восстановления железа из оксидов железа и получения товарной продукции -ферроалюминия марки ФА10 на дуговых печах постоянного тока изготовления ООО «ТМ», Россия, г. Набережные Челны., Фиг. 8 - Акт №3 промышленной апробации технологии комплексного, экономически выгодного и экологически безопасного способа утилизации ванадийсодержащих отходов (отработанных катализаторов) путем прямого восстановления ванадия из оксидов ванадия и получения товарной продукции - феррованадия на дуговых печах постоянного тока изготовления ООО «ТМ», Россия, г. Набережные Челны., Фиг. 9 - Акт №4 промышленной апробации технологии комплексного, экономически выгодного и экологически безопасного способа утилизации медьсодержащих отходов (шлаки, окалины, шламы, высевки) путем прямого восстановления меди, бронз, латуней из оксидов меди и получения паспортной товарной продукции с марочным химическим составом - слитки, круги, отливки на дуговых печах постоянного тока изготовления ООО «ТМ», Россия, г. Набережные Челны, Фиг. 10 - Акт промышленного применения способа прямого получения железа из железосодержащих отходов металлургического производства, в частности из прокатной окалины в печах постоянного тока изготовления ООО «ТМ» г. Набережные Челны, Россия. Плавка произведена 05.06.2018 г. на ПДППТ-0,09А1/315.
Предлагаемое изобретение промышленно применимо, так как совокупность существенных признаков и каждая отличительная особенность заявляемого изобретения в отдельности не вызывает сомнения в их воспроизводимости. Вся совокупность существенных признаков заявляемого изобретения и каждый его признак в отдельности направлены на достижение технического и технологического результата по прямому извлечению металлов из оксидов, окислов, гидроокислов, гидрооксидов и других форм металлосодержащего сырья в металлическую или другие оксидные фазы, в том числе с содержанием керамики до 70%, с различным фракционным составом от 0 мм до 1000 см, с влажностью до 20%, а вместе с ними и экономического результата.
Использование заявленного изобретения для прямого извлечения металлов в металлическую и другие оксидные фазы из металлосодержащих отходов металлургического, ферросплавного, глиноземного, гальванического и других производств, а также отходов и шламов после абразивной очистки и обработки поковок, заточки инструмента, отходов пылегазоочистки сталеплавильных печей, стружки, с влажностью до 20%, отходов катализаторов, конденсаторов, электронного лома, аккумуляторов, руд и прочего сырья, с содержанием неметаллических включений до 70% исключает загрязнение окружающей среды, уменьшает затраты и удешевляет продукцию металлургических заводов.
Получение товарной продукции из извлеченных металлов из металлосодержащего сырья, различных видов руд, техногенных отходов по заявленному изобретению в виде оксидов особо ценных металлов, ферроалюминия, ферроникеля, слитков и заготовок из меди, стали, суперчугунов с мартенситной или перлитной матрицей, пригодных для дальнейшего использования в металлургии или смежных металлообрабатывающих производств, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Источники информации
1. Патент Германии №4008027, Кл. С22В 1/00, 1/20, 1990 г.
2. Патент РФ №2511519, Кл. С21В 1/00,2012 г.
3. Окороков Г.Н., Донец А.И. и др. Нагрев стали разрядом постоянного тока на установке выпечной обработки. 1 №0038920Х, Сталь, №5,1994, с. 38.
4. Шалимов А.Г. Современные тенденции использования электропечей постоянного тока для выплавки стали за рубежом. 1 №0038-9201, Сталь, 35, 1994, с. 40-42.
5. Патент Франция №2663723, МКИ С21С 5/52; С22В9/16; F27B 3/08; F27D 3/16; 27.12.91 г.
6. Патент USA №4002466, С22В 4/00; С21В 5/00; Н05Н 1/26; Н05Н 1/34; С21С 005/52; кл. 75/10-12,65ЕВ, 1977 г.
7. А.с. СССР, №1608225, кл.С21В 13/00, 1990 г.
8. Патент США, №4110107, С22В 7/04; С21В 3/00; С21В 3/04; С21В 003/04; С22В 007/04; кл. 75/24; 21, 72, 74, 82;40; 1978 г.
9. Полупроводниковые выпрямители./ Под редакцией Ф.И. Ковалева, Г.П. Мостковой. М: Энергия, 1979 г.