АЛЮМИНОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И ПЛАВИЛЬНЫЙ ГОРН ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ALUMINOTHERMIC METHOD FOR OBTAINING METALS, AND MELTING FURNACE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к внепечному производству чистых металлов и сплавов в оксидных металлотермических процессах, в частности алюминотермических, протекающих за счет выделения тепла в химических реакциях восстановления металлов из оксидов или концентратов.
Известны способы внепечного получения металлов или сплавов в алюминотермических процессах, осуществляемые в плавильных горнах, футерованных огнеупорным кирпичом. Например, в способе выплавки ферротитана перед началом плавки на подину горна насыпают часть шихты и зажигают магниевым порошком, электрической дугой и т.д. Через 30-40 секунд после зажигания начинают равномерно загружать шихту с таким расчетом, чтобы она закрывала тонким слоем поверхность колошника в течение всей плавки (1. Алюминотермическое производство ферросплавов и лигатур / Ю.Л.Плинер, С.И.Сучильников, Е.А.Рубинштейн. - М.: Научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1968. - С.94-95).
Известен способ внепечной выплавки феррониобия в наклоняющемся плавильном агрегате, при котором из бункера смешанная шихта поступает по желобу в наклоняющийся плавильный горн, установленный на вагонетке. Слив металла и шлака осуществляют в чугунную нефутерованную изложницу, на дне которой укладывают слиток металлического хрома. Сначала сливают часть шлака так, чтобы слой шлака несколько превышал толщину слитка феррониобия, с целью образования гарниссажа на внутренней поверхности сборной изложницы, затем сливают остальной шлак и металл. Расплав охлаждают в изложнице в течение 2,5 ч, затем ее разбирают и после дополнительной выдержки металл и шлак отправляют на разделку (2. Алюминотермия / Н.П.Лякишев, Ю.Л.Плинер, Г.Ф.Игнатенко, С.И.Лаппо. - М.: Металлургия, 1978. - С.293-295).
Один из основных недостатков внепечной алюминотермической плавки - высокие температуры кристаллизации шлака в связи с невозможностью применения больших количеств флюсующих добавок вследствие напряженности теплового баланса плавки. В процессе плавки в результате начавшейся экзотермической реакции восстановления образуются продукты реакции - металл и шлак. Выделяющиеся в реакционной зоне газы (продукты разложения гидратов и карбонатов, присутствующих в компонентах шихты, или другие газы, выделяющиеся из металлических компонентов шихты, а также заполняющий поровое пространство воздух) при температуре процесса многократно увеличиваются в объеме и должны быть выведены из зоны реакции.
Известен плавильный футерованный горн для выплавки металла (например, ферротитана или феррониобия, или др.), состоящий из разборной чугунной шахты цилиндрической формы, установленной на передвижной вагонетке. Шахта цилиндрической формы с некоторым утолщением в нижней части выполняется в виде разъемных половин. Площадка тележки, на которой установлена шахта, футерована шамотным кирпичом. Швы шахты тщательно заделывают листовым асбестом и промазывают огнеупорной глиной (1. С.95, рис.55).
Однако производственные технологии и современные конструкции горна не предусматривают отвод газов из зоны реакции, что приводит к выбросу газов через расплав металла и шлака. При этом металл и шлак перемешиваются, что препятствует их разделению, а при интенсивном течении реакции плавка сопровождается выбросами металла и шлака из горна. Течение процесса регулируют термичностью шихты, ее брикетированием, изменением соотношения высоты горна к его диаметру и другими приемами. Основная причина потерь металла - это проплавление шихты, сопровождаемое перемешиванием расплава выделяющимися в зоне реакции газами, что является недостатком указанных выше способа и плавильного горна. Кроме того, недостатком является сложность организации непрерывных технологических процессов.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в уменьшении потерь металла со шлаком, создании оптимальных условий восстановления металла путем повышения скорости перемещения реакционной зоны и отделения основных процессов восстановления металла от перехода примесей из шлака в металл.
Указанная задача решается тем, что алюминотермический способ получения сплавов, включающий заполнение футерованного горна экзотермической шихтой, инициирование протекания экзотермической реакции, выпуск шлака и отделение металла от шлака, характеризуется тем, что экзотермическую шихту загружают в тонкостенный цилиндр, который предварительно устанавливают в шахте плавильного горна коаксиально его перфорированным стенкам, пространство между тонкостенным цилиндром и стенками шахты засыпают зернистым газопроницаемым огнеупорным материалом, затем тонкостенный цилиндр, разделяющий экзотермическую шихту и зернистый газопроницаемый огнеупорный материал, удаляют, шихту засыпают сверху также зернистым газопроницаемым огнеупорным материалом, инициируют начало экзотермической реакции, во время которой происходит дренажный отвод газов через газопроницаемый огнеупорный материал и перфорированные стенки горна, а после окончания реакции и выпуска шлака осуществляют разборку горна и отделение слитка от остатков шлака.
Для осуществления указанного способа и решения поставленной задачи предложен плавильный горн для алюминотермического способа получения металлов, содержащий шахту, корпус цилиндрической формы и огнеупорное основание, характеризующийся тем, что в стенках корпуса шахты выполнены отверстия, на внутренней поверхности корпуса закреплена металлическая сетка, а горн снабжен тонкостенным цилиндром из жести, диаметр которого равен 0,6-0,8 диаметра корпуса шахты и который установлен в огнеупорном основании коаксиально стенкам корпуса с возможностью свободного продольного передвижения относительно корпуса шахты.
Особенностью изобретения является то, что заявляемый алюминотермический способ получения металлов или сплавов осуществляется с организованным дренажным отводом газов из зоны проплавления шихты через газопроницаемую засыпку и перфорированный корпус горна. В результате экзотермической реакции в верхнем слое шихты образуется подвижный слой металла и шлака, перемещающийся сверху вниз следом за реакционным фронтом. По мере развития экзотермической реакции слой металла и шлака увеличивается, газы из реакционного слоя удаляются через поровое пространство шихты и изолирующей засыпки через сетку и отверстия в корпусе горна. В процессе плавки опускающийся слой металла и шлака выполняет роль жидкого поршня, сжимающего газы в поровом пространстве горна под реакционным слоем шихты, сформированным с помощью предварительно устанавливаемого, а затем удаляемого тонкостенного цилиндра, в цилиндрический «брикет». Газопроницаемость зернистого огнеупорного материала и отверстия в стенках корпуса обеспечивают отвод газов в процессе плавки из шихты ниже реакционной зоны. При такой организации газового потока из зоны реакции происходит нагрев нижележащих слоев шихты теплом отходящих газов. Известно, что нагрев экзотермической шихты на 100°C эквивалентен повышению термичности шихты на 32 ккал/кг (134 кДж/кг) (1. С.24). Плавка протекает в большом диапазоне линейных скоростей перемещения реакционной зоны без выброса газов через слой металла и шлака.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дан общий вид горна (после заполнения шихтой и огнеупорной засыпкой); на фиг.2 - общий вид горна в сборе на момент начала осуществления способа; на фиг.3 изображено протекание процесса плавки с отводом газов из зоны проплавления шихты; на фиг.4 изображен момент способа в конце плавки после образования слитка металла под шлаком.
Плавильный горн для алюминотермического способа получения металлов (фиг.1) содержит шахту, состоящую из корпуса 1, который выполнен цилиндрической формы и на внутренней поверхности которого закреплена металлическая сетка 2. Горн снабжен тонкостенным цилиндром 3 из жести, диаметр d которого равен 0,6-0,8 D диаметра корпуса шахты. В стенках корпуса 1 шахты выполнены отверстия 4. Корпус 1 шахты закреплен на стационарном огнеупорном основании 5 с углублением для формирования слитка (или передвижной тележке, на чертеже не показано), а тонкостенный цилиндр 3 установлен в основании коаксиально стенкам корпуса с возможностью свободного продольного передвижения относительно корпуса шахты.
Способ осуществляют следующим образом.
Тонкостенный цилиндр 3, предварительно установленный в основании горна коаксиально стенкам корпуса 1, заполняют экзотермической шихтой 6 (фиг.1). Затем пространство между временно установленным цилиндром 3 и внутренней поверхностью корпуса 1 с закрепленной на ней металлической сеткой 2 заполняют огнеупорным материалом 7. Сетка 2, закрепленная на внутренней поверхности корпуса, предохраняет от высыпания огнеупорного материала 7. После заполнения шихтой цилиндра 3 и создания огнеупорного газопроницаемого слоя цилиндр 3 удаляют из горна (фиг.2), а верхнюю часть горна засыпают теплоизолирующим слоем 8 огнеупорного материала, через который вводят запал 9 для инициирования экзотермического процесса.
На фиг.3 изображено протекание процесса плавки с организованным дренажным отводом газов из зоны проплавления шихты: верхний слой А - шлак с огнеупорным газопроницаемым слоем 8, под ним - слой Б жидкого металла, ниже - реакционный слой В. Стрелками показан выход газов через металлотермическую шихту, огнеупорный газопроницаемый слой и перфорированные стенки корпуса.
На фиг.4 изображен момент способа в конце плавки после образования слитка металла 10 под шлаком 11. К концу плавки в горне на границе металлотермической шихты и огнеупорного газопроницаемого слоя образуется прошлакованный слой 12 огнеупорного газопроницаемого материала. По окончании плавки шлак 11 выпускают через летку 13 в шлаковню 14.
Пример конкретного осуществления способа.
3
2
2
3
Для производства 200-250 кг ферровольфрама ФВ-75 (ГОСТ 17293-93) из вольфрамита (WO 51,8%, FeO 2,83%, MnO 13,34%, CaO 2,32%, SiO 26,18%, AlO 2,09%) используется футерованный огнеупорным кирпичом горн следующих размеров (применяемый в настоящее время способ):
H - высота 1000 мм; D - диаметр корпуса 700 мм; d - диаметр тонкостенного цилиндра - 500 мм. Горн устанавливают на основание из дробленного кварца с приямком глубиной 200 мм.
Состав шихты, кг:
1
Концентрат
362
2
Окалина
70
3
Селитра калиевая
10
4
Ферросилиций ФС 75
3
5
Известь
17
6
Плавиковый шпат
10
7
Al порошок
75
Общая масса шихты
547
Термичность шихты 504 ккал/кг (2109 кДж/кг).
После перемешивания в смесителе, шихта засыпается в горн без утрамбовки. Горн закрывают технологической крышкой с отверстием в центре для поджигания шихты и отвода газов.
Для сравнения приводятся результаты плавки (предлагаемый способ), выполненной в перфорированном горне аналогичных размеров, с таким же составом, массой и термичностью шихты. Для плавки применялся перфорированный горн с огнеупорным газопроницаемым материалом вышеуказанных размеров.
Диаметр плавильного пространства определяется диаметром тонкостенного удаляемого перед плавкой цилиндра (d=500 мм).
Параметр плавки
Футерованный горн
Перфорированный горн
1
Время горения шихты, мин.
14
10
2
Линейная скорость перемещения фронта горения шихты, мм/с
1,43
2,00
3
Скорость проплавления шихты, кг/(м<sup>2</sup>·мин)
199
280
4
Содержание вольфрама в сплаве, %
71,6
73,4
5
Степень извлечения ведущего элемента (W), %
93,5
95,4
Предлагаемый металлотермический способ получения металла и плавильный горн для его осуществления обеспечивает уменьшение потерь металла со шлаком за счет создания оптимальных условий восстановления металла: организация дренажного отвода газов из зоны проплавления шихты исключает выброс металла в верхнюю часть горна; повышение скорости перемещения реакционной зоны способствует отделению основного процесса восстановления металла от процесса перехода примесей шлака в металл.
Конструкция горна позволяет также организовать конвейерное производство металла. После выпуска шлака горн откатывают (убирают), и под вытяжной зонт устанавливают следующий горн, подготовленный к плавке. Горн предыдущей плавки разбирают, огнеупорный газопроницаемый материал остывает на поддоне, при этом убирают слиток и остатки шлака. Все операции с горном на выплавку 200-250 кг металла от момента зажигания шихты до извлечения слитка занимают около 30 минут.