СПОСОБ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ
METHOD FOR ELECTROSLAG REMELTING OF METAL-CONTAINING WASTES

Областью применения изобретения является электрометаллургия стали, а именно электрошлаковый переплав (ЭШП) металлосодержащих отходов (стружки, окатышей и других) в водоохлаждаемом кристаллизаторе [1, 2].
Известен способ электрошлакового переплава [3] в водоохлаждаемом кристаллизаторе (рис.26 стр.60) железосодержащих порошков железной губки, скрапа, оксидов, отходов ферросплавов, лигатуры и других отходов. При этом происходит прямой передел этих отходов в легированную или углеродистую сталь, а также в ферросплавы.
В данной конструкции печи ЭШП (электрошлакового переплава) [3. стр.60 рис.26] применяют расходуемый электрод из дешевой нелегированной стали и при работе печи ЭШП в шлаковую ванну (4) кристаллизатора (5) подают необходимое количество металлоотходов с помощью дозирующего устройства (1) с последующим образованием в пространстве под электродом металлической ванны (3) за счет передачи тепла от электрода шлаку и отходам.
Далее жидкая металлическая ванна (3) затвердевает на водоохлаждаемой поверхности (2) кристаллизатора с последующей вытяжкой затвердевшего стального слитка вытягивающим механизмом печи. Переменный электрический ток, проходящий по электроду и шлаку, создает теплопроводящий поток [1, 2], поддерживает в расплавленном состоянии, а часть тепла, выделяемого в шлаковой ванне, передается расходуемому электроду, торец которого оплавляется и капли металла попадают в слиток. Таким образом, чтобы переплавить металлосодержащие отходы (стружку, окатыши и др.) методом ЭШП требуется металлический расходуемый электрод, значительный расход тепла и металла от оплавления самого электрода, что является энергетически и технологически неэффективным для переработки больших количеств металлоотходов.
Кроме того, из-за значительных потерь тепла на нагрев металлического электрода, потерь тепла в окружающее пространство и отсутствие возможности перемешивания шлаковой ванны, например, газами или за счет образования газового разряда под электродом все известные способы [1, 3] не приспособлены для эффективной переработки больших количеств металлоотходов, что является существенным недостатком всех известных способов [2, 3].
Задачей изобретения является разработка нового более эффективного способа ЭШП для переработки металлосодержащих отходов (стружки, окатышей, мелких кусков металла и других) непрерывно по ходу процесса [3 стр.60, рис.26] на основе применения другой технологии с меньшими потерями тепла, без использования металлического расходуемого электрода, обеспечения более интенсивного теплообмена и плавления отходов в системе электрод-шлаковая ванна - кристаллизатор.
Существенное снижение потерь металла при переработке отходов достигается путем замены расходуемого электрода из металла на нерасходуемый [4, 5], включающий в себя держатель, к которому подводится электроэнергия и погружаемый в шлаковый расплав наконечник из карбидообразующего материала с осевым отверстием [5].
Применение нерасходуемого электрода с наконечником из карбидосодержащего материала [4] в процессе непрерывного ЭШП [3] позволяет получать электрический разряд (дугу), что способствует интенсификации теплообмена за счет дополнительного образования тепла от излучения электрической дуги на отходы в шлаковой ванне кристаллизатора.
Однако, несмотря на достигнутые успехи, данный способ [3], как и другие известные способы [1, 2] электрошлакового переплава, не нашли широкого применения для переработки металлосодержащих отходов из-за высоких издержек по эксплуатации и больших тепловых потерь в системе электрод-шлаковая ванна-кристаллизатор.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ [6] электрошлакового переплава металлосодержащих отходов. Данный способ позволяет [6 стр.29, рис.2] методом ЭШП осуществлять, например, переработку очищенной металлической стружки. Для интенсификации процесса плавления стружку подают в наиболее горячую приэлектродную зону путем использования в технологии ЭШП системы подачи стружки и других отходов [6 стр.29, рис.2], при этом система подачи включает: бункер (1), весовой дозатор (2), наклонный желоб (3), воронку (4), электрод (5), источник питания (6), тиристорный регулятор тока (7) и кристаллизатор (8). Техническим результатом является то, что процесс ЭШП по прототипу [6] осуществляется непрерывно, как и в способе [3], но с использованием расходуемых металлических электродов без образования электрических дуг для подогрева шлаковой ванны и интенсификации процесса плавления отходов в кристаллизаторе.
Недостатком указанного способа [6] также является то, что в технологии непрерывного ЭШП не предусмотрены такие мероприятия, как непрерывная подача в зону плавления отходов шлакообразующих и углеродсодержащих материалов, регулирование характеристики электрической дуги в приэлектродном пространстве, подача инертных (аргон, азот) и других газов, например природного, в зону воздействия электрической дуги на шлаковый расплав с целью интенсификации теплообмена и режима плавления отходов в кристаллизаторе, а также не предусмотрена организация подачи отходов (стружки, окатышей и др.) в кристаллизатор с целью исключения возможности замыкания цепи электрод - стружка (отходы) - кристаллизатор.
Поставленная задача и цель достигаются тем, что в предлагаемом способе электрошлакового переплава металлосодержащих отходов в кристаллизаторе используют (фиг.1) раздельный принцип подачи металлосодержащих отходов: (стружку (16), окатыши и др.) из бункера (2), закрепленного элементами (1) - через весы - дозатор (3) по передаточному транспортеру (4) и воронку (6) через наклонный желоб (5) подают в водоохлаждаемый кристаллизатор (7), а шлакообразующие и углеродсодержащие материалы подают через устройство загрузки (11), а также поток аргона или другого газа, поступающий через трубу (10) и через осевое отверстие (13) нерасходуемого электрода (12) в верхнюю часть кристаллизатора (7), образует шлаковый расплав (20), избыток которого сливается через шлаковую летку (8) в шлаковую чашу (9), а на внутреннюю поверхность стенки кристаллизатора напыляют огнеупорный слой (22), и, кроме того, в пространстве под электродом (12) металлосодержащие отходы, шлакообразующий и углеродсодержащий материал с потоком аргона или другого газа концентрируют в объеме электрической дуги (21) и в приэлектродном пространстве шлаковой ванны (20) с тем, чтобы осуществлять процесс плавления в восстановительных условиях [7] и наводить требуемый состав шлака при условии, что электрическая дуга (21) располагается вертикально к торцу наконечника электрода (25), и в то же время регулируют длину электрической дуги (21) путем изменения расхода аргона или другого газа с обеспечением максимальной удельной тепловой мощности в этой дуге для заданного расхода металлосодержащих отходов.
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>V</mi><mi>В</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>d</mi><mi>Э</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mn>4</mn></mfrac><msub><mi>L</mi><mi>Д</mi></msub><mo>,</mo></mrow>
В
При этом в объеме под электродом (25) в зоне действия электрической дуги (21) на шлаковый расплав (20) обеспечивают восстановительный характер плавления [7] металлосодержащих отходов (16) путем изменения расхода углеродсодержащего материала, подаваемого через осевое отверстие (13) электрода (12) в электрическую дугу (21) в потоке аргона (азота) или другого газа, например природного газа, и в то же время осуществляют качественное формирование шлакового расплава (20) при плавлении поступающих из воронки (6) металлосодержащих отходов или металлической стружки (16) в приэлектродном пространстве кристаллизатора (7), где формируют жидкий металл (23) и затем образуют твердую непрерывнолитую заготовку (24) требуемого качества. Кроме того, электрод (12) с водоохлаждаемой частью (14), осевым отверстием (13) и электрической дугой (21) размещают в объеме воронки (6) и в шлаковом расплаве (20) в верхней части кристаллизатора (7) таким образом, чтобы оси электрической дуги, воронки, электрода и кристаллизатора совпадали между собой, а в приэлектродном пространстве кристаллизатора образуют объем жидкого металла (23):
который соотносят с производительностью переплава отходов P=ΔV·ρ·1000 т/ч, где
э
d - диаметр электрода, м;
д
L - длина дуги, м;
3
ρ - плотность металла, кг/м;
В
3
ΔV - объем в приэлектродном пространстве, где осуществляется в основном процесс плавления металлосодержащих отходов (м), например стружки, окатышей, мелких кусков металла, порошков и других материалов.
При этом токоподвод (19) к нерасходуемому электроду (12) с керамическим наконечником (25) осуществляется от источника питания (17) с регулированием подаваемой мощности с помощью тиристорного блока (18) через электрододержатель (15).
Таким образом, настоящим изобретением решается задача повышения эффективности электрошлакового переплава металлосодержащих отходов в кристаллизаторе (фиг.1) на основе применения целого комплекса новых технических и технологических решений, позволяющих достигнуть высоких технико-экономических и качественных показателей переработки отходов с получением высококачественных литых стальных заготовок или заготовок из цветных и других металлов. Основные принципы работы по предлагаемому способу на основе использования устройства (фиг.1) базируются на технологических условиях работ [3, 6], но с учетом новых отличительных признаков предлагаемого изобретения, изложенных выше.
Предлагаемый способ ЭШП может быть в соответствии с устройством (фиг.1) реализован с использованием, например, известного устройства [3, стр.60, рис.26], переработки отходов [3, стр.29, рис.2], но с учетом применения элементов новых конструктивных (фиг.1) и новых предлагаемых выше технологических решений по разработке непрерывного ЭШП отходов.
Источники информации
1. А.Д.Свенчанский, М.Я.Смелянский. Электрические промышленные печи. М.: «Энергия», 1970 - 264 с.
2. Лютый И.Ю., Латаш Ю.В. Электрошлаковая выплавка и рафинирование металла. Киев: Наукова думка, 1982. - 185 с.
3. А.Г.Глебов, Е.И.Мошкевич. Электрошлаковый переплав. М.: Металлургия, 1982. - 343 с.
4. Патент РФ №2158062. Способ защиты нерасходуемого электрода в шлаковом расплаве, www.kifa-patent.ru
5. Е.Н.Крючков и др. К расчету теплопереноса в полом электроде дуговой печи. Изв. вузов «Черная металлургия», №6, 2004, с.74-75.
6. А.Е.Волков, А.Г.Шалимов. Производство легированной стали методом электрошлакового переплава стружки. Сталь №12, 1989. С.27-30.
7. Швеция 12 В13П. Способ восстановительной плавки окислов железа с использованием полого электрода в дуговой печи. Заявка 449108 от 25.05.81, №8103267 МКИ С21В 11/10.