ПЛАВИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ
MELTING UNIT

Изобретение относится к металлургии и к области переработки твердых промышленных и бытовых отходов, также может быть использовано в энергетике для сжигания или газификации углей с высоким содержанием золы на поверхности расплавленного шлака.
Стенки металлического корпуса плавильных камер плавильных агрегатов приходится защищать огнеупорной футеровкой от разрушающего воздействия высокой температуры рабочего пространства. В процессе эксплуатации плавильной камеры происходит износ огнеупорной футеровки в результате воздействия высоких температур, химической коррозии и механической эрозии материала огнеупора. Поэтому плавильную камеру периодически останавливают для холодного ремонта футеровки, в результате снижается производительность и ухудшаются технико-экономические показатели работы плавильного агрегата.
Обеспечив образование гарнисажа (конгломерата из спекшихся шихтовых материалов, частиц футеровки, шлака, пыли) на рабочей (внутренней) поверхности металлического корпуса плавильной камеры, можно значительно продлить время непрерывной работы плавильного агрегата. Организовать образование гарнисажа на рабочей поверхности корпуса плавильной камеры можно, интенсивно охлаждая наружную поверхность стенки корпуса.
В плавильных агрегатах черной и цветной металлургии для охлаждения стен корпусов плавильных камер применяют воду [1, 2], несмотря на существенные недостатки воды, как теплоносителя: образования слоя накипи на внутренней поверхности охлаждаемого элемента; возможности образования при закипании воды паровых пробок, приводящих к разрушению охлаждаемого корпуса; опасности взрыва при попадании воды из разрушенного водоохлаждаемого элемента в расплавленные металл и шлак.
В связи с этим проявляется интерес к созданию систем охлаждения корпусов плавильных камер агрегатов, использующих в качестве теплоносителя не воду, а жидкометаллические теплоносители, имеющие значительно более высокие температуры кипения и лучшие теплотехнические свойства (теплопроводность, теплоемкость и др.) [3].
На практике плавильные камеры, использующие для охлаждения корпуса жидкометаллические теплоносители, пока не используются из-за сложности конструкции и трудности обслуживания и ремонта [4-7].
В качестве ближайшего аналога заявляемых технических решений заявителем выбраны известные «Способ охлаждения корпуса плавильного агрегата и плавильный агрегат для его осуществления» (патент RU 2383837) [8].
Известный плавильный агрегат содержит плавильную камеру с металлическим корпусом, выполненным в виде двустенной металлической оболочки с герметичной полостью, заполненной жидкометаллическим теплоносителем - натрием, теплообменник для охлаждения жидкометаллического теплоносителя газообразным теплоносителем, огнеупорную футеровку ванны расплавленного металла, устройства загрузки, нагрева и расплавления шихты, раздельные выпуски для металла и шлака, устройства удаления и очистки печных газов и утилизации их тепла, теплообменник для охлаждения жидкометаллического теплоносителя газообразным теплоносителем размещен непосредственно на корпусе плавильной камеры, его наружная оболочка расположена на расстоянии 50-300 мм по диаметру от наружной стенки плавильной камеры и выполнена в виде герметичного металлического цилиндра или его части с патрубками для подачи холодного и отбора нагретого газообразного теплоносителя, охватывающего плавильную камеру, наружная стенка которой служит внутренней оболочкой теплообменника, при этом в полости между наружной стенкой плавильной камеры и наружной оболочкой теплообменника на наружной стенке плавильной камеры закреплены на расстоянии 300 мм друг от друга изогнутые медные полосы.
Корпус плавильной камеры имеет отверстие с охлаждаемым патрубком для отбора газообразных продуктов плавки из плавильной камеры и использования их для подогрева шихтовых материалов перед загрузкой в плавильную камеру в подогревателе, а также для загрузки нагретых шихтовых материалов в плавильную камеру.
Корпус плавильной камеры имеет отверстие со стыковочным охлаждаемым устройством, выполненным с возможностью направления газообразных продуктов плавки в энергетический котел-утилизатор для утилизации физического и химического тепла газообразных продуктов плавки и получения пара для выработки электроэнергии.
Известный плавильный агрегат имеет следующие недостатки:
- неразъемный металлический корпус плавильной камеры с относительно небольшими отверстиями для загрузки шихты и отбора газообразных продуктов плавки (диаметром примерно 1 м) сильно затрудняет подачу в него огнеупоров и кладку огнеупорной футеровки металлической ванны при подготовке к эксплуатации плавильного агрегата и при необходимости ее ремонта;
- охлаждение нижней части корпуса плавильной камеры, охватывающей огнеупорную футеровку металлической ванны, приводит к образованию металлической настыли на футеровке и уменьшению объема металлической ванны;
- охлаждение первичного жидкометаллического теплоносителя - натрия вторичным газообразным теплоносителем в теплообменнике, расположенном непосредственно на корпусе плавильной камеры, требует организации движения газообразного теплоносителя в теплообменнике с очень большой скоростью и приводит к очень большому расходу газообразного теплоносителя и необходимости иметь в цехе мощную воздуходувку;
- при расположении летки для выпуска металла в нижней части откоса огнеупорной футеровки ванны очень трудно и сложно ее открывать из-за образования в ней прочного тугоплавкого конгломерата из огнеупорного материала и остатков металла, о чем свидетельствует многолетний опыт эксплуатации плавильных агрегатов в металлургии (доменные печи, мартеновские печи и др.);
- трудно организовать слив готового металла из плавильной камеры несколькими порциями;
- трудно быстро полностью слить металл из плавильной камеры в случае возникновения аварийной ситуации.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков ближайшего аналога и повышение эффективности и надежности работы плавильного агрегата.
Техническими результатами предлагаемого изобретения являются:
- повышение производительности плавильного агрегата;
- уменьшение суммарного расхода тепловой и электрической энергии на производство товарной продукции;
- облегчение обслуживания агрегата персоналом.
Технические результаты достигаются тем, что в плавильном агрегате, содержащем плавильную камеру с топливокислородными горелками, подогреватель шихтовых материалов теплом отходящих из плавильной камеры газов, систему охлаждения корпуса плавильной камеры, систему дозирования и загрузки шихтовых материалов, устройства для раздельного слива металла и шлака, устройства для утилизации тепла газов, отходящих из подогревателя шихтовых материалов, согласно изобретению корпус плавильной камеры выполнен разъемным, состоящим из съемной охлаждаемой верхней и неохлаждаемой нижней частей, линия разъема корпуса находится на высоте 200-400 мм от расчетного максимального уровня жидкого металла в металлической ванне, съемная охлаждаемая верхняя часть корпуса выполнена в виде двустенной металлической оболочки с герметичной полостью, заполненной жидкометаллическим теплоносителем, промежуточный теплообменник системы охлаждения с вторичным жидкометаллическим теплоносителем размещен непосредственно в герметичной полости, заполненной первичным жидкометаллическим теплоносителем, водожидкометаллический теплообменник для охлаждения вторичного жидкометаллического теплоносителя размещен на опорной площадке плавильной камеры, нижняя неохлаждаемая часть корпуса плавильной камеры, охватывающая металлическую ванну, выложена огнеупорной футеровкой и установлена на наклоняющейся опорной площадке, снабженной механизмом наклона, для слива металла плавильная камера снабжена футерованным огнеупорами эркером, оборудованным леткой с шиберным запорным устройством, стены огнеупорной футеровки металлической ванны подняты в пространство съемной водоохлаждаемой верхней части корпуса на 200-500 мм выше линии разъема корпуса.
Угол наклона опорной площадки с установленной на ней плавильной камерой относительно поперечной горизонтальной оси составляет 4-7° в противоположные стороны
Первичным и вторичным жидкометаллическим теплоносителем является натрий.
Первичным и вторичным жидкометаллическим теплоносителем является сплав свинец-висмут.
В подогревателе шихтовых материалов теплом отходящих из плавильной камеры газов установлена топливокислородная горелка.
В подогревателе шихтовых материалов теплом отходящих из плавильной камеры газов установлены две топливокислородные горелки.
Подогреватель шихтовых материалов может быть выполнен в виде шахтного подогревателя, расположенного на площадке плавильной камеры.
Подогреватель шихтовых материалов может быть выполнен в виде наклонно установленного вращающегося цилиндрического подогревателя шихтовых материалов теплом отходящих из плавильной камеры газов.
Разъемный корпус плавильной камеры позволяет, убрав верхнюю часть корпуса, без особых затруднений подавать в нижнюю часть корпуса  плавильной камеры огнеупоры и производить кладку футеровки металлической ванны при подготовке к эксплуатации плавильного агрегата или при необходимости производить ремонт футеровки ванны, что сокращает время подготовки агрегата или время ремонта и повышает его производительность.
Расположение линии разъема корпуса плавильной камеры на высоте 200-400 мм от расчетного максимального уровня жидкого металла в металлической ванне дополнительно к основному эффекту исключает возможность ухода жидкого металла из плавильной камеры по разъему корпуса и исключает аварийные простои агрегата.
Расположение линии разъема корпуса плавильной камеры ниже 200 мм от расчетного максимального уровня жидкого металла в металлической ванне увеличивает вероятность возможного ухода жидкого металла из плавильной камеры в случае непредвиденного увеличения объема металла.
Расположение линии разъема корпуса плавильной камеры выше 400 мм от расчетного максимального уровня жидкого металла в металлической ванне уменьшает высоту съемной верхней охлаждаемой части корпуса плавильной камеры, соответственно уменьшает площадь охлаждаемой поверхности корпуса, защищенной гарнисажем, и увеличивает размеры футеровки ванны и расход огнеупорных материалов.
Охлаждение первичного жидкометаллического теплоносителя, находящегося в герметичной полости двустенной металлической оболочки корпуса, вторичным жидкометаллическим теплоносителем, проходящим через промежуточный теплообменник, размещенный непосредственно в герметичной полости двустенной металлической оболочки корпуса, позволяет резко уменьшить размеры промежуточного теплообменника и исключить необходимость большого расхода вторичного газообразного теплоносителя, исключить необходимость установки мощной воздуходувки для подачи газообразного теплоносителя и снизить суммарный расход энергии на производство продукции.
Размещение водожидкометаллического теплообменника для охлаждения вторичного промежуточного жидкометаллического теплоносителя непосредственно на опорной площадке плавильной камеры позволяет уменьшить размеры системы охлаждения корпуса плавильной камеры, повысить надежность работы плавильного агрегата, исключить простои и повысить производительность агрегата.
Имеющая огнеупорную футеровку неохлаждаемая нижняя часть корпуса плавильной камеры, охватывающая металлическую ванну, уменьшает интенсивность отвода тепла из металлической ванны, металл в ней не переохлаждается, исключается возможность образования металлической настыли на футеровке и уменьшения объема металлической ванны, что увеличивает производительность агрегата.
Оборудованный леткой с шиберным запорным устройством футерованный огнеупорами эркер плавильной камеры значительно облегчает и ускоряет открывание и закрывание летки, обеспечивает своевременный слив металла из плавильной камеры, что увеличивает производительность агрегата и облегчает его обслуживание.
Установка плавильной камеры на наклоняющейся опорной площадке, снабженной механизмом наклона, обеспечивает возможность слива металла и шлака порциями и возможность быстрого и качественного обслуживания металлической летки эркера (закрывания шиберного запорного устройства и засыпки летки огнеупорным порошком), что увеличивает производительность и облегчает обслуживание агрегата персоналом.
Угол наклона опорной площадки с установленной на ней плавильной камерой относительно поперечной горизонтальной оси, составляющий от 4 до 7° в противоположные стороны, обеспечивает возможность облегчения и быстрого обслуживания эркера при минимальном увеличении нагрузок на конструкции плавильного агрегата. Угол наклона опорной площадки 4° удобен для крупных плавильных агрегатов, угол наклона 7° удобен для небольших агрегатов.
Поднятие стен огнеупорной футеровки металлической ванны плавильной камеры в верхнюю охлаждаемую часть корпуса плавильной камеры на 200-500 мм выше линии разъема корпуса плавильной камеры обеспечивает гарантированное исключение возможности повреждения рабочей поверхности стенки корпуса при вскипании и подъеме жидкого металла в процессе работы плавильного агрегата, что исключает простои и повышает производительность агрегата.
Продолжение кладки огнеупорной футеровки металлической ванны в верхнюю охлаждаемую часть корпуса плавильной камеры на 200 мм удобно для крупных плавильных агрегатов, имеющих большую площадь поверхности ванны.
Продолжение кладки огнеупорной футеровки металлической ванны в верхнюю охлаждаемую часть корпуса плавильной камеры на 500 мм удобно для небольших плавильных агрегатов, имеющих малую площадь поверхности ванны.
Применение в качестве первичного и вторичного жидкометаллических теплоносителей натрия, имеющего наилучшие теплотехнические свойства среди известных жидкометаллических теплоносителей, позволяет интенсивно отводить тепло с внутренней рабочей стенки верхней части корпуса плавильной камеры, обеспечивает образование и постоянное наличие гарнисажа на ней, уменьшает и исключает затраты времени на ремонт футеровки и повышает производительность агрегата.
Применение в качестве первичного и вторичного жидкометаллических теплоносителей сплава свинец-висмут также позволяет с достаточной интенсивностью отводить тепло с внутренней рабочей стенки верхней части корпуса плавильной камеры, обеспечивает образование и постоянное наличие гарнисажа на ней, уменьшает и исключает затраты времени на ремонт футеровки и увеличивает производительность агрегата.
Применение сплава свинец-висмут выгоднее в случаях, когда в цехе, использующем плавильный агрегат, нет возможности обеспечить необходимые для работы с натрием в качестве жидкометаллического теплоносителя высокую квалификацию обслуживающего персонала и высокую культуру производства.
Установка одной или двух топливокислородных горелок в подогревателе шихтовых материалов теплом отходящих из плавильной камеры газов позволяет увеличить температуру нагрева шихтовых материалов и за счет этого увеличить производительность плавильного агрегата, не меняя габариты плавильной камеры.
Шахтный подогреватель шихтовых материалов теплом отходящих из плавильной камеры газов, расположенный на площадке плавильной камеры, позволяет эффективно подогревать кусковые шихтовые материалы, увеличить производительность плавильного агрегата и улучшить технико-экономические показатели его работы.
Наклонно установленный вращающийся цилиндрический подогреватель шихтовых материалов теплом отходящих из плавильной камеры газов позволяет эффективно подогревать мелкие сыпучие шихтовые материалы, увеличить производительность плавильного агрегата и улучшить технико-экономические показатели его работы.
Устройство и работа плавильного агрегата поясняются рисунками 1, 2 и 3.
Плавильный агрегат содержит плавильную камеру 1 с разъемным металлическим корпусом. Верхняя съемная охлаждаемая часть 2 корпуса плавильной камеры 1 выполнена в виде двустенной металлической оболочки с герметичной полостью 3, заполненной первичным жидкометаллическим теплоносителем, промежуточный теплообменник с вторичным жидкометаллическим теплоносителем размещен непосредственно в герметичной полости 3, заполненной первичным жидкометаллическим теплоносителем, водожидкометаллический теплообменник 4 для охлаждения вторичного промежуточного теплоносителя размещен рядом с плавильной камерой 1 непосредственно на опорной площадке 5 плавильной камеры 1.
Нижняя часть корпуса 6 плавильной камеры 1, охватывающая металлическую ванну 7, выполнена неохлаждаемой, имеет огнеупорную футеровку 8. Плавильная камера 1 установлена на наклоняющейся опорной площадке 5, снабженной механизмом наклона 9, позволяющим наклонять опорную площадку 5 с установленной на ней плавильной камерой 1 и водожидкометаллическим теплообменником 4 относительно поперечной горизонтальной оси, расположенной ниже максимального уровня металла в металлической ванне 7.
Плавильная камера 1 имеет эркер 10, футерованный огнеупорным кирпичом, оборудованный сливным отверстием 11 с шиберным запорным устройством 12. Огнеупорная футеровка 8 металлической ванны 7 поднята выше линии разъема корпуса плавильной камеры 1 в верхнюю охлаждаемую часть 2 корпуса плавильной камеры 1.
В верхней охлаждаемой части 2 корпуса плавильной камеры 1 выполнены отверстие 13 для загрузки шихтовых материалов и отверстие 14 для отвода отработавших газов из камеры 1 в систему утилизации тепла газов, снабженные специальными патрубками 15, 16 для присоединения плавильной камеры к системам загрузки шихты (условно не показана) и утилизации тепла отходящих газов (условно не показана).
В верхней части 2 корпуса плавильной камеры 1 в специальных патрубках размещены также топливокислородные горелки 17, инжекторы для вдувания порошкообразных материалов в расплав 18 и устройство 19 для отбора проб металла, шлака и замера температуры расплава. Для слива шлака плавильная камера 1 имеет шлаковую летку 20 с запорным механизмом 21 и сливным желобом 22. Подогреватель шихтовых материалов теплом отходящих из плавильной камеры газов выполнен в виде шахтного подогревателя, расположенного на площадке плавильной камеры, или в виде наклонно установленного вращающегося цилиндрического подогревателя.
Плавильный агрегат готовят к работе и запускают в работу следующим образом.
При снятой верхней охлаждаемой части 2 корпуса плавильной камеры 1 выкладывают огнеупорную футеровку 8 металлической ванны 7 и эркера 10 в нижней неохлаждаемой части 6 корпуса плавильной камеры 1. Затем на нижнюю часть 6 корпуса устанавливают верхнюю охлаждаемую часть 2 корпуса плавильной камеры 1, продолжают кладку огнеупорной футеровки 8 металлической ванны 7 в верхнюю часть 2 корпуса плавильной камеры 1 на необходимую высоту, соединяют плавильную камеру 1 с системами подачи шихты, утилизации тепла отработавших отходящих газов и охлаждения верхней части 2 корпуса. Далее заполняют систему охлаждения корпуса жидкометаллическим теплоносителем и начинают разогревать плавильную камеру 1, включив топливокислородные горелки 17 на половину максимальной мощности при работающей системе охлаждения верхней части 2 корпуса плавильной камеры 1. Разогрев футеровку 8 металлической ванны 7 до температуры 1000°С начинают загрузку металлической шихты в плавильную камеру 1 через систему подогрева шихтовых материалов и загрузочное отверстие 13. Топливокислородные горелки 17 включают на полную мощность. Заполнив металлическую ванну 7 жидким металлом, загружают в плавильную камеру через отверстие 13 стандартную шихту, содержащую металлические, рудные, шлаковые компоненты и при необходимости углеродистый восстановитель.
Плавильный агрегат переходит на постоянный режим работы. В результате интенсивного охлаждения жидкометаллическим теплоносителем рабочей поверхности верхней части 2 корпуса плавильной камеры 1 на этой охлаждаемой поверхности образуется слой гарнисажа в шлаковой зоне и в свободном пространстве над шлаком.
Накапливающееся излишнее количество металла периодически сливают из плавильной камеры 1 в сталеразливочный ковш, помещенный под эркер 10. Для этого открывают сливное отверстие 11, повернув шиберное запорное устройство 12.
Чтобы закрыть сливное отверстие 11 после окончания слива металла, наклоняют опорную площадку 5 в сторону противоположную эркеру 10, освобождая сливное отверстие 11 от жидкого металла. Затем закрывают шиберное запорное устройство 12 и засыпают сливное отверстие 11 огнеупорным порошком.
Излишнее количество шлака сливают периодически или непрерывно из плавильной камеры 1 через шлаковую летку 20, открыв запорный механизм 21, по сливному желобу 22 в шлаковую чашу.
Образующиеся при работе плавильного агрегата газы отводятся из плавильной камеры 1 в системы подогрева шихтовых материалов и утилизации тепла газов через отверстие 14 по патрубку 16. Далее плавильный агрегат работает непрерывно в течение длительного времени до появления необходимости проведения ремонтов футеровки свободного пространства и шлаковой зоны. Исключение необходимости охлаждения нижней части корпуса 6 плавильной камеры 1 и наличие эркера 10 со сливным отверстием 11 упрощает и облегчает организацию слива металла из плавильной камеры 1, и не приводит к образованию настыли на поду металлической ванны 7.
Таким образом предлагаемое изобретение дает возможность осуществить длительный непрерывный процесс плавления и переработки различных шихтовых материалов, не останавливая плавильный агрегат для ремонта футеровки, снизить эксплуатационные затраты при эксплуатации плавильного агрегата.
Источники информации
1. Гудим Ю.А. Производство стали в дуговых печах. Конструкции, технология, материалы. / Ю.А. Гудим, И.Ю. Зинуров, А.Д. Киселев. - Новосибирск. Изд-во НГТУ, 2012. - 547 с.
2. Уткин Н.И. Производство цветных металлов. - М. Интермет Инжиниринг. 2004. - 442 с.
3. Жидкометаллические теплоносители / Боришанский В.М., Кутателадзе С.С., Новиков И.И. и др. - М.: Атомиздат, 1976. - 328 с.
4. Патент Великобритании №1566980, кл. F27D 1/12, 1980.
5. Патент США №4913734, кл. F27B 11/08, 1990.
6. Патент США №3735010, кл. F27D 1/12, 1973.
7. Патент RU 2067273 «Способ охлаждения плавильной печи и плавильная печь для его осуществления». Авторы: Белинский B.C., Борисов В.В., Олейчик В.И., Поплавский В.М., Денисов В.В., Решетов О.И., Решетин А.С., Олейчик И.В., Кравченко И.Н. Патентообладатель: Акционерное общество «Технолига».
8. Патент RU 2383837 «Способ охлаждения корпуса плавильного агрегата и плавильный агрегат для его осуществления». Авторы: Голубев А.А., Гудим Ю.А., Трегубов И.О., Сергеев В.В., Надинский Ю.Н. Патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью - Промышленная компания «Технология металлов».