ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ АЗОТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И ФЕРРОСПЛАВОВ И ЛИНИЯ ЕЕ ЗАГРУЗКИ И СУШКИ СЫРЬЯ

Полезная модель относится к области черной металлургии, в частности, к получению азотированных металлов и ферросплавов, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), которые используются при легировании стали.
Известна технологическая линия азотирования ферросплавов, включающая линию приготовление брикетов из ферритовых порошков и установку азотирования с реактором, подключенную к линии подачи азота. Брикет с таблеткой поджигающего состава размещается реакторе установки азотирования куда подается азот под давлением (1-150 атм) и инициируется реакция СВС за счет воспламенения таблетки нагретой спиралью из вольфрама или нихрома. После инициирования реакции, азотирование брикетов проходит в режиме горения. Процесс азотирования, включая охлаждение образцов, занимает 20-30 мин. Температура в зоне горения 1500-2000°С, см., SU №255221, G 01 G 1/00, 1967 г.
Наиболее близким аналогом к заявленной полезной модели (как в части технологической линии азотирования металлов и ферросплавов, так и части линии загрузки сырья) является технологическая линия по приготовлению азотированных металлов и ферросплавов, включающая установку азотирования с реактором и реакционным контейнером для порошкового сырья, подключенную к линии подачи азота. При проведении реакции азотирования порошок сырья засыпают в металлический стакан (реакционный контейнер) и помещают в реактор. Реакцию СВС и фронт горения инициируют с помощью поджигающей спирали, на которую подают импульс тока, после чего происходит реакция взаимодействия порошка сырья с азотом в режиме СВС при давлении азота 1-150 атм (SU №1385622, М.кл. С 22 С 33/00, 1986 г.).
Недостатком вышеуказанных аналогов является низкая производительность и неэффективность процесса азотирования из-за трудностей контроля реакции азотирования, а также частого погасания процесса азотирования с резким снижением качества получаемого продукта. Это обусловлено возникновением фильтрационных затруднений при прохождении азота через слой прореагировавшей смеси (спеченного продукта), т.к.. на стабильность этого процесса (следовательно и на качество готовой продукции) сильно влияет влажность сырья и плотность его в брикетах или засыпки в реакционном контейнере (в аналогах сушка сырья и равномерная плотность его брикетирования или засыпки не предусмотрена).
Задачей, решаемой полезной моделью является обеспечение возможности высокопроизводительного
промышленного выпуска азотированных металлов и ферросплавов с обеспечением их высокого качества.
Решение указанной задачи обеспечено тем, что технологическая линия азотирования металлов и ферросплавов, включающая установку азотирования с реактором, снабженным запальником и загрузочным контейнером, подключенную к линии подачи азота, согласно полезной модели, установка азотирования выполнена многореакторной и снабжена системами азотоснабжения и охлаждения реакторов, оборудованных КИП, подключенных к центральному щиту с возможностью контроля и регулирования на центральном щите тока в запальнике, температуры и давления в реакторах в процессе азотирования, а также подъемно-транспортным механизмом и линиями загрузки и выгрузки контейнеров, при этом подъемно-транспортный механизм установлен с возможностью обслуживания реакторов, а также линий загрузки и выгрузки контейнеров, склада сырья и готовой продукции.
В предпочтительных вариантах выполнения количество реакторов составляет не менее 4, система азотоснабжения снабжена теплоизолированной криогенной емкостью, газификационной установкой, рампой азотных баллонов высокого давления, понижающим редуктором, азотопроводами реакторов и сбросных азотопроводами в виде свечей, при этом КИП этой системы выполнены в виде манометров: система охлаждения реакторов снабжена основным и подпиточным резервуарами дистиллята, основным и резервным циркуляционными насосами, фильтром, водоохладителем с дутьевым вентилятором, при этом КИП этой системы выполнены в виде расходомеров, термопар и манометров; в качестве подъемно-транспортного механизма использован кран с напольным управлением; линия загрузки контейнеров снабжена трехпозиционным поворотным столом, установленным в зоне обслуживания крана; линия выгрузки контейнеров снабжена разделочным столом, установленным в зоне обслуживания крана.
Решение указанной задачи обеспечено также тем, что линия загрузки и сушки сырья, включающая реакторный контейнер, выполненный с возможностью его размещения в реакторе установки азотирования, согласно полезной модели, упомянутая линия загрузки снабжена вакуумным средством с ваку-умпроводом и технологическими контейнерами, снабженными патрубками, выполненным с возможностью подключения к вакуумпроводу и предназначенными для загрузки реакторных контейнеров и сушки в них сырья, при этом технологические контейнеры снабжены двумя группами сменных крышек, крышки одной из групп которых выполнены с загрузочными патрубками, снабженными гибкими всасывающими рукавами, а крышки другой группы выполнены газонепроницаемыми для обеспечения вакуумирования технологических контейнеров при сушке сырья, при этом упомянутая линия снабжена электрофицированными вакуумметрами и водомерами, подключенными к центральному щиту с обеспечением возможности
контроля и регулирования процесса загрузки и сушки сырья. В предпочтительных вариантах выполнения, реакторный контейнер выполнен в виде разъемного цилиндрического корпуса с газопроницаемыми стенками и снабжен рукавным фильтром, размещенным внутри корпуса; корпус реакторного контейнера выполнен из просечного металлического листа; средство для создания вакуума выполнено в виде насоса вентиляторного типа и, по крайней мере, одного водокольцевого насоса с питательным насосом, подключенных через задвижки к общему вакуумпроводу, снабженного циклоном, при этом на всасывающей линии насоса вентиляторного типа установлен фильтр, а на всасывающей линии водокольцевого насоса установлен обратный клапан; насос вентиляторного типа и водокольцевой насос средства для создания вакуума подключены к вакуумпроводу с возможностью их включения, соответственно, только при загрузке сырья и только при сушке сырья; средство для создания вакуума снабжено резервным водокольцевым насосом, подключенным параллельно к основному водокольцевому насосу.
Технический результат при использовании предложенных полезных моделей заключается в повышении качества продукции, а также снижении брака и аварийности при промышленном производстве азотированных металлов и ферросплавов.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
- На фиг.1 показана структурная схема предложенной технологической линии;
- на фиг.2 - схема системы азотоснабжения;
- на фиг.3 - схема системы охлаждения реакторов;
- на фиг.4 - общий вид реакционного контейнера;
- на фиг.5 - общий вид (продольный разрез) реакционного контейнера;
- на фиг.6 - фрагмент (укрупнено) фиг.5;
- на фиг.7 и 8 общий вид (продольные разрезы спереди и сбоку) реактора;
- на фиг.9 - общий вид (продольный разрез) технологического контейнера, подключенного к загрузочной линии.
- на фиг.10 - графическая схема технологического процесса.
Технологическая линия азотирования металлов и ферросплавов размещена в здании 1, в котором расположен склад 2 сырья и готовой продукции с отделениями 3 и 4, соответственно подготовки и загрузки сырья и складирования готовой продукции. Упомянутая технологическая линия содержит многореакторную установку азотирования 5, снабженную системами азотоснабжения 6 и охлаждения 7 реакторов 8, которые оборудованы контрольно-измерительными приборами (КИП), подключенными к центральному щиту 9 с возможностью контроля и регулирования тока в запальнике 10, температуры и давления в реакторах 8 в процессе азотирования. Технологическая линия снабжена также подъемно-транспортным механизмом в виде крана 11 с напольным управлением и линиями загрузки и выгрузки реакторных контейнеров 12, при этом кран 11 установлен с возможностью обслуживания реакторов 8, линий загрузки и выгрузки реакторных контейнеров 12, а также склада сырья и готовой продукции. Для обеспечения необходимой производительности, предпочтительно, чтобы количество реакторов 8 составляло
не менее 4 (по 150-160 кг порошка в каждом реакторном контейнере). Система азотоснабжения 6 снабжена теплоизолированной криогенной емкостью 13, газификационной установкой 14, рампой азотных баллонов высокого давления 15, понижающим редуктором 16, азотопроводами 17 реакторов 8 и сбросных азотопроводов в виде свечей 18, при этом КИП этой системы выполнены в виде манометров 19а, 196 и 19в. Система охлаждения реакторов 8 снабжена основным 19 и под ниточным 20 резервуарами дистиллята, основным 21 и резервным 22 циркуляционными насосами, фильтром 23, водоохладителем 24 с дутьевым вентилятором 25, при этом КИП этой системы выполнены в виде расходомеров 26, термопар 27 и манометров 28. Линия загрузки реакторных контейнеров 12 снабжена также трехпозиционным поворотным столом 29, установленным в зоне обслуживания крана 11, а на линии выгрузки реакторных контейнеров в зоне обслуживания крана 11 установлен разделочный стол 30.
Линия загрузки и сушки сырья включает реакторные контейнеры 12, выполненные с возможностью их размещения в реакторах 8 установки азотирования; вакуумное средство с вакуумпроводом 31 и технологическими контейнерами 32, снабженными патрубками 33, выполненными с возможностью подключения к вакуумпроводу 31. Технологические контейнеры 32 предназначены для загрузки реакторных контейнеров 12 и сушки в них сырья. Для загрузки и сушки сырья технологические контейнеры снабжены двумя группами сменных крышек. Крышки 34, одной из групп которых выполнены с загрузочными патрубками 35, снабженными гибкими всасывающими рукавами (условно не показаны), а крышки 36 (см. фиг.10) другой группы выполнены газонепроницаемыми для обеспечения вакуумирования технологических контейнеров 32 при сушке сырья. Каждый реакторный контейнер 12 (см. фиг.4-6) выполнен в виде разъемного цилиндрического корпуса с газопроницаемыми стенками, сегменты которого подвижно соединены петлями 37 и снабжены замками 38. Кроме того, для улавливания порошка при загрузке, в каждом реакторном контейнере 12 расположен рукавный фильтр, горловина которого закреплена зажимом в верхней части этого контейнера (см. фиг.6). Корпус реакторного контейнера 12 может быть выполнен из просечного металлического листа. Средство для создания вакуума выполнено в виде насоса 39 вентиляторного типа и, по крайней мере, одного водокольцевого насоса 40 с питательным насосом 41, подключенных через задвижки 42-46 к общему вакуумпроводу 31, снабженному циклоном 47, при этом на всасывающей линии насоса вентиляторного типа установлен фильтр 48, а на всасывающей линии водокольцевого насоса установлен обратный клапан 49. В случае использования резервного кольцевого насоса 50, он подключен параллельно основному насосу 40, а на его всасывающей линии установлен обратный клапан 51. Задвижки 44 и 46 обеспечивают возможность включения насоса 39 только при загрузке сырья, а насоса 40 только при сушке сырья. Кроме того, упомянутая линия снабжена электрофицированными вакуумметрами 52, 53 и водомером 54, подключенными к центральному щиту 9 (см.
фиг.1) с обеспечением возможности контроля и регулирования процесса загрузки и сушки сырья.
Технологическая линия по приготовлению азотированных металлов и ферросплавов и линия загрузки и сушки сырья работают следующим образом.
Сырье в мешках 56 доставляется автотранспортом на склад и передается в отделение подготовки и загрузки сырья. Далее мешки передаются на трехпозиционный загрузочный поворотный стол 29 где они распаковываются. (Стол 29 применяется также для загрузки и приема пустых реакторных контейнеров 12, а также комплектования кассет этих контейнеров). Затем всасывающий рукав патрубка 35 крышки 34 технологического контейнера 32 (в котором предварительно установлен реакторный контейнер 12) погружается в мешок и при включенном насосе 39 осуществляется загрузка порошка сырья в реакторный контейнер 12 с контролем его загрузки по вакуумметрам 52, 53 (заполнение считается законченным по достижению разряжения 0,2 ата). После заполнения контейнера 12, выключают насос 39, затем на технологическом контейнере 32 заменяют крышку 34 на крышку 36, включают насос 40 и вакуумируют технологический контейнер 32, осуществляя этим вакуумную сушку порошка сырья. Продолжительность сушки составляет не менее 2 часов. По окончанию сушки контейнер разгерметизируется и крышка снимается. После этого, сухие реакторные контейнеры 12 устанавливаются в кассету (условно не показана), которую краном 11 передают к установке азотирования 5, затем извлекают из кассеты и устанавливают в реакторы 8, при этом на контейнерах 12 устанавливается запальное средство (в виде молибденовой проволоки на запальных стержнях, вставляют их в гнезда запальника и присыпают проволоку слоем обрабатываемого материала), подсоединяют его к штекеру кабеля запальника 10 на корпусе реактора 8, который после этого запирается крышкой. Заполняют (после продувки) азотные баллоны высокого давления рампы 15 азотом, продувают реакторы 8 азотирования и заполняют их азотом, запускают систему охлаждения реакторов 8, подают напряжение на запальники и запускают процесс азотирования. Этот процесс контролируется КИП по нагреву охлаждающей воды от входа до выхода из охлаждающей рубашки реакторов. Процесс азотирования может продолжаться до 8 часов, в течение которых фронт реакции, поглощающий азот и выделяющий тепло продвигается по слою обрабатываемого материала с верху вниз. Контроль завершения реакции осуществляется соответствующим термопарами по снижению разницы температур воды на входе и выходе (менее 3°С) и/или повышения температуры донной термопары (до 600°С) и/или прекращение потребления реактором азота - прекращение падения давления в баллонах рампы 15.
Сущность процесса азотирования заключается в проведении высокотемпературной гетерогенной реакции между компонентами шихты (Si, V, Mb, Cr, Mn) и сжатым азотом. В ходе азотирования протекают следующие экзотермические реакции:
2
3
4
2
2
2
2
3Si+2N→SiN+Q; 2V+N→2VN+Q; 2Cr+N→2CrN+Q; 4Cr+N→2CrN+Q;
2
5
2
2
8
2
2
2
2
5Mn+N→MnN+Q; 8Mn+N→MnN+Q; 2Nb+N→2NbN+Q; 4Nb+N→2NbN+Q.
Все реакции протекают с уменьшением объема, т.е. для поддержания требуемой интенсивности процесса необходимо высокое давление (на уровне 50-90 ати).
По окончанию процесса азотирования реакторы охлаждаются и разгерметизируются, при этом снимаются крышки реакторов 8 (при помощи крана) и извлекаются стержни электродов. Затем краном 11 реакторные контейнеры 12 извлекаются из реактора 8 и передаются на разделочный стол 30, где их вскрывают и после очистки от остатков спека, реакторные контейнеры 12 краном устанавливаются в кассеты (условно не показаны) и передаются на загрузку. Полученные цилиндрические спеки (при нормальном азотировании образуется плотный спек) раскалывают (на разделочном столе 30) на куски длиной не более 300 мм, которые загружаются в тарные мешки для складирования и отгрузки потребителям.
Предложенная технологическая линия азотирования металлов и ферросплавов, снабженная линией ее загрузки и сушки сырья, обеспечивает возможность работы, как в циклическом, так и в непрерывном режимах работы (по мере завершенности реакции азотирования в отдельных реакторах) с обеспечением удобства обслуживания, безопасности и механизации погрузочно-разгрузочных работ.
Использование предложенных полезных моделей обеспечивает высокопроизводительное и малоотходное промышленное производство азотированных металлов и ферросплавов.