ПЕЧЬ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ
FURNACE FOR ELECTROSLAG REMELTING OF METAL-BEARING WASTES

Изобретение относится к электрометаллургии стали и может быть использовано при переработке металлосодержащих отходов (металлошлаковой стружки, металлизованных окатышей, кусков металла, шлаков с корольками металлов и т.д.) в печах [1, 2] электрошлакового переплава (ЭШП).
Известны печи электрошлакового переплава [3с 227, рис.8-1], в которых сущность процесса заключается в следующем. Расходуемый электрод (поз.1 на рис.8-1) из переплавляемого металла погружается в слой жидкого электропроводящего шлака (2), размещенный в водоохлаждаемом металлическом кристаллизаторе (3), к которому примыкает водоохлаждаемый поддон (4). Электрический ток, проходящий по электроду (1) и шлаку (2), поддерживает последний в расплавленном состоянии. Часть тепла, выделяемого в шлаковой ванне, передается электроду, торец которого оплавляется. Использование печи на основе данного метода [1,3] электрошлакового переплава (ЭШП) для переработки отходов (стружки, окатышей и др.) не является технологически и экономически эффективным из-за значительных потерь [2] и затрат тепла на расплавление электрода.
В целях снижения тепловых потерь в системе электрод-шлак-кристаллизатор применяют схему ЭШП [1] с.58, при которой шлаковая ванна размещается в футерованной огнеупорами емкости, установленной над водоохлаждаемым медным кристаллизатором. Известна работа [1, рис.26, с.60] по выплавке стальных слитков методом дугового шлакового переплава (ДШП). В печи поэтому методу, в отличие от печей ЭШП [2, 3] используется устойчивый дуговой разряд (электрическая дуга) между торцом расходуемого электрода и поверхностью жидкого металла. Промышленной проверкой установлено [1, с.60], что печь непрерывного действия по методу ДШП может дать непрерывную заготовку металла, не уступающую таковой при выплавке [1, 2] по методу ЭШП со значительно меньшими (в 1,5-2 раза) энергетическими затратами.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является печь ЭШП по методу электрошлакового переплава [4] металлической стружки (рис.2, с.29), включающая бункер (1), весовой дозатор (2), воронку (4), электрод (5), источник питания (6), тиристорный регулятор тока (7) и водоохлаждаемый кристаллизатор (8). Данная конструкция печи ЭШП [1, 4] предусматривает схему плавки стружки, мелких кусков металла [4 рис.2, с.29] или других металлоотходов при помощи дозирующего устройства (2) с использованием для подогрева шлака с помощью расходуемого металлического и нерасходуемого графитизированного электрода, например графитового [5].
Подачу стружки (окатышей и др.) в кристаллизатор [4, поз.8 на рис.2] осуществляют таким образом, чтобы исключить возможность замыкания цепи электрод-стружка-кристаллизатор. Для интенсификации процесса плавления в печи ЭШП стружку и другие металлоотходы подают в наиболее горячую приэлектродную шлаковую зону, что обеспечивается ленточным дозатором (3) и шнековым питателем (4).
Недостатком данной конструкции печи электрошлакового переплава является то, что в технологической схеме [4] системы электрод-шлак-кристаллизатор используется принцип генерации тепла за счет подвода электрического тока через электрод к шлаку без образования электрической дуги, что не позволяет интенсифицировать теплообмен путем излучения дуги, а следовательно, меньшая доля тепла в системе электрод - шлак используется на плавление стружки (окатышей и др.) в шлаковом расплаве под электродом.
Изобретением является обеспечение в предлагаемой печи ЭШП (фиг.1) более высоких температурных условий за счет использования тепла излучения для плавления стружки и других металлосодержащих отходов в приэлектродном пространстве в системе электрод - шлак - кристаллизатор на основе образования электрической дуги в этой системе на выходе из отверстия в торцевой части электрода [5, 6], что не предусматривается в прототипе [4] и в других известных конструкциях печей ЭШП [1, 3].
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемой новой конструкции печи ЭШП используется (фиг.1) нерасходуемый электрод (12), который по всей своей длине имеет осевое отверстие (13) с выходом из него при работе печи электрической дуги (21), причем оси электрической дуги (21), воронки (6), кристаллизатора (7) и нерасходуемого электрода (12) размещены соосно между собой в шлаке (2), а внутренняя поверхность верхней части кристаллизатора (7) имеет напыленный футерованный огнеупорный слой (22), причем нерасходуемый электрод (12) в печи имеет на конце наконечник (25) с осевым отверстием (13), который выполнен из карбидообразующего материала [5], в шлаке (20) торец наконечника (25) размещен ниже торца воронки (6) в верхней части кристаллизатора (7) и, к тому же, над желобом (5) установлены бункер (2) и весовой дозатор (3), которые предназначены для подачи отходов через воронку (6) в водоохлаждаемый кристаллизатор (7), в верхней части нерасходуемого электрода (12 в осевом отверстии (13) размещены приемная воронка (11) с трубой (10) так, чтобы через воронку (11) подавался бы шлакообразующий и углеродсодержащий материал, а по трубе (10) аргон (азот) или другой газ, например природный, а также в печи ЭШП предусмотрено, что верхняя часть кристаллизатора (7) имеет в стенке отверстие и патрубок (шлаковую летку) для отвода жидкого шлака (8) из кристаллизатора (7) в шлаковую чашу (9).
Кроме того, в печи ЭШП (фиг.1) предусмотрено, что нерасходуемый электрод (12) с наконечником (25) подсоединен к источнику питания (17) и имеет регулятор тока (18), а на выходе из кристаллизатора предусмотрен механизм вытяжки затвердевшей (24) металлической заготовки [4].
Общий вид конструкции предлагаемой печи ЭШП приведен на фиг.1, а особенности ее работы заключаются в следующем. После закрепления в печи нерасходуемого электрода (12) с наконечником (25) из графитизированного материала по центру воронки (6) и кристаллизатора (7) и установления затравки (металлической шайбы) на поддоне подают электроэнергию (15) к электроду (12) с образованием электрической дуги (21) между электродом и стружкой (16) на металлической шайбе. При дуговом разряде (21) начинает расплавляться стружка (16) и шлакообразующий материал с образованием на поддоне (металлической шайбы) жидкого шлака (20) и расплавленного металла (23) в верхней части кристаллизатора (7), где имеется напыленный футерованный из огнеупора слой (22). Далее, по мере накопления жидкого металла (23) в кристаллизаторе осуществляется вытяжка затвердевшего стального слитка (24), а в зону электрической дуги (21) с высокими температурами, соответственно, в печи ЭШП (фиг.1) предусмотрена технология непрерывного обновления шлака (20) и его скачивания через шлаковую летку (8) в шлаковую чашу (9). Для обеспечения вспенивания шлака и восстановительных условий при плавлении отходов осуществляется подача в шлак (20) углеродсодержащего материала в потоке аргона (10) или другого газа, например природного газа, который, к тому же, снижает или устраняет окисление [5, 6] торцевой части электрода (25), подается необходимый расход стружки (16) или других металлосодержащих отходов по схеме, например, печи непрерывного ЭШП [4 с.60 рис.26]. Подача стружки (окатышей и других материалов) в зону жидкого шлака (20) и электрической дуги (21) в приэлектродном пространстве осуществляется (см. фиг.1) по тракту бункер (2) с крепежами (1), весы-дозатор (3) и воронку (6) над кристаллизатором (7).
Шлакообразующие материалы подаются в зону жидкого шлака (20) и электрической дуги (21) через промежуточную воронку (11) с помощью загрузочного устройства, а аргон (азот) или другой газ по трубе (10) по осевому отверстию (13) нерасходуемого электрода (12) в кристаллизатор (7). Нерасходуемый электрод (12) удерживается электродержателем (15) с токоподводом (19). Электрический ток от источника питания (17) подается на электрод (12) с применением системы регулирования мощности дуги (18).
Экспериментальная проверка работы печи ЭШП (фиг.1) в лабораторных условиях подтверждает принципиальную возможность и эффективность практического использования данной конструкции печи непрерывного электрошлакового переплава металлосодержащих отходов (стружки, окатышей и т.д.). Этот принцип работы печи ЭШП частично рассмотрен в работе [1 с.60, рис.26] с подтверждением ее практического использования [4 с.29, рис.2].
Внедрение в практику использования электрошлакового переплава металлосодержащих отходов на основе новой конструкции печи (фиг.1) позволит осуществлять переплавку отходов в высококачественную сталь при снижении в 1,5-2 раза энергетических затрат в сравнении с типовой схемой ЭШП по прототипу [4 с.29, рис.2] и по данным работ [1, 3].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.Г.Глебов, Е.И.Мошкевич. Электрошлаковый переплав. М.: Металлургия, 1985, - 343 с.
2. И.Ю.Лютый, Ю.В.Латаш. Электрошлаковая выплавка и рафинирование металла. Киев: Наукова думка, 1982, - 185 с.
3. А.Д.Свенчанский, М.Я.Смелянский. Электрические промышленные печи. М.: «Энергия», 1970, - 264 с.
4. А.Е.Вомков, А.Г.Шакимов. Производство легированной стали методом электрошлакового переплава стружки. М.: Сталь №12, 1989, с.27-30.
5. Патент РФ №2158062. Способ защиты нерасходуемого электрода в шлаковом расплаве. www.kifa-patent.ru.
6. Швеция 12В13П. Способ восстановительной плавки окислов железа с использованием полого электрода в дуговой печи. Заявка 449108 от 25.05.81, №8103267, МКИ С21В 11/10.