ДУПЛЕКС-ПЕЧЬ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ МАРГАНЦЕВЫХ СПЛАВОВ ИЗ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ БЕДНЫХ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ И ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИИ
DUPLEX-FURNACE FOR SMELTING OF MANGANESE ALLOYS FROM FERRIMANGANESE BASES AND CONCENTRATES AND ANTHROPOGENIC WASTES OF METALLURGY

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.
2
2
2
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 H 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 Н от процесса восстановления происходит в верхней зоне шахты и дожигаются фурмами верхнего ряда фурм. При этом тепло, выделяющееся при дожигании СО и H, входя в контакт с мельчайшими частицами металла и шлака, возвращается обратно в жидкофазный барботирующий слой.
2
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 СО (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.