Способ электрошлакового переплава металлосодержащих отходов

Авторы патента:

C22B9/18 - электрошлаковая переплавка

Владельцы патента RU 2487181:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к электрошлаковому переплаву металлосодержащих отходов. В способе используют электрод с осевым отверстием для образования на его торце вертикальной электрической дуги и кристаллизатор, на внутренней поверхности стенки которого напылен огнеупорный слой, при этом подачу металлосодержащих отходов осуществляют через желоб и воронку, а шлакообразующих и углеродсодержащих материалов - через осевое отверстие электрода в потоке аргона, азота или природного газа, в приэлектродное пространство шлаковой ванны в зону воздействия образованной на торце электрода вертикальной электрической дуги, а процесс плавления металлосодержащих отходов осуществляют в восстановительных условиях с наведением требуемого состава шлаковой ванны в верхней части кристаллизатора, при этом электрод, воронку и кристаллизатор устанавливают соосно. Изобретение позволяет осуществлять непрерывный процесс плавления отходов и образования шлакового расплава в приэлектродном пространстве в объеме электрической дуги с меньшими тепловыми потерями в окружающую среду и в восстановительных условиях. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

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.

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): $Δ V_{В} = \frac{π \cdot d_{Э}^{2}}{4} L_{Д},$ который соотносят с производительностью переплава отходов P=ΔV_В·ρ·1000 т/ч, где

d_э - диаметр электрода, м;

L_д - длина дуги, м;

ρ - плотность металла, кг/м³;

ΔV_В - объем в приэлектродном пространстве, где осуществляется в основном процесс плавления металлосодержащих отходов (м³), 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.

1. Способ переплава металлосодержащих отходов в кристаллизаторе электрошлаковой печи (ЭШП), включающий подвод электроэнергии к электроду и подачу в шлаковую ванну кристаллизатора металлосодержащих отходов, шлакообразующих и углеродсодержащих материалов, отличающийся тем, что используют электрод с осевым отверстием для образования на его торце вертикальной электрической дуги и кристаллизатор, на внутренней поверхности стенки которого напылен огнеупорный слой, при этом подачу металлосодержащих отходов осуществляют через желоб и воронку, а шлакообразующих и углеродсодержащих материалов - через осевое отверстие электрода в потоке аргона, азота или природного газа, в приэлектродное пространство шлаковой ванны в зону воздействия образованной на торце электрода вертикальной электрической дуги, а процесс плавления металлосодержащих отходов осуществляют в восстановительных условиях с наведением требуемого состава шлаковой ванны в верхней части кристаллизатора, при этом электрод, воронку и кристаллизатор устанавливают соосно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируют и стабилизируют длину электрической дуги путем изменения расхода газа с обеспечением максимальной удельной тепловой мощности электрической дуги для данного расхода металлосодержащих отходов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстановительные условия плавления металлосодержащих отходов в приэлектродном пространстве обеспечивают путем изменения расхода углеродсодержащего материала.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в приэлектродном пространстве шлаковой ванны кристаллизатора осуществляют плавление металлосодержащих отходов с образованием жидкого металла, из которого формируют твердую непрерывную заготовку требуемого качества.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрод, воронку и кристаллизатор устанавливают соосно и размещают в шлаковой ванне верхней части кристаллизатора.

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, а именно к электрошлаковому переплаву стали. .

Установка электрошлакового переплава и способ ее управления // 2486264

Способ получения биметаллического слитка // 2485188

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к области специальной электрометаллургии, а именно к производству биметаллических слитков с использованием электрошлаковой технологии.

Печь электрошлакового переплава металлосодержащих отходов // 2483126

Изобретение относится к области черной и цветной металлургии, в частности к печам электрошлакового переплава металлосодержащих отходов с применением нерасходуемых электродов.

Способ перемешивания шлаковой ванны при электрошлаковом переплаве расходуемого электрода // 2483125

Изобретение относится к спецэлектрометаллургии и может быть использовано при изготовлении слитка стали электрошлаковым переплавом расходуемого электрода. .

Способ электрошлакового переплава // 2479649

Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано при выплавке слитков электрошлаковым переплавом расходуемых электродов. .

Система управления электрододержателем с электродом установки электрошлакового переплава, сварки и наплавки // 2468102

Изобретение относится к производству электрошлакового металла и может быть использовано для электрошлаковой сварки металла, электрошлаковой наплавки. .

Установка для электрошлаковой выплавки крупных полых и сплошных слитков // 2456355

Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано для электрошлаковой выплавки крупных полых слитков с толщиной стенки более 300 мм и сплошных слитков с диаметром больше 300 мм.

Способ контроля уровня жидкой металлической или шлаковой ванны в кристаллизаторе и устройство для его осуществления // 2456118

Способ электрошлакового переплава и устройство для его осуществления // 2448173

Изобретение относится к специальной электрометаллургии и может быть использовано для электрошлаковой выплавки слитков. .

Способ электрошлакового переплава // 2487182

Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано при выплавке слитков электрошлаковым переплавом расходуемых электродов

Электрошлаковая печь для выплавки слитков // 2489505

Изобретение относится к области спецэлектрометаллургии и может быть использовано при конструировании электрошлаковой печи для выплавки слитков

Способ электрошлакового переплава и устройство для его осуществления // 2497959

Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано при электрошлаковом переплаве расходуемого электрода для выплавления слитка. Датчики уровня шлаковой ванны размещают в стенке кристаллизатора, а переплав осуществляют с использованием дополнительного источника питания и двух затравок для обогрева периферийной зоны шлаковой ванны, размещенных горизонтально напротив друг друга в стенке кристаллизатора вблизи торцов расходуемых электродов, при этом дополнительный источник питания включают параллельно относительно упомянутого источника питания с образованием двух независимых электрических контуров, каждый из которых включает один из расходуемых электродов, шлаковую ванну, размещенные в поддоне затравки и затравки для обогрева периферийной зоны шлаковой ванны, причем в период приплавления размещенных в поддоне затравок к нижней части выплавляемого слитка отключают электрический контур между шлаковой ванной и затравками для обогрева периферийной зоны шлаковой ванны, а при получении сигнала от датчиков уровня шлаковой ванны о наличии разбаланса в скоростях плавления расходуемых электродов увеличивают скорость плавления электрода с меньшим заглублением в шлаковую ванну при одновременном уменьшении скорости плавления электрода с большим заглублением до устранения разбаланса. Изобретение позволяет быстро устранить разбаланс при переплаве расходуемых электродов, улучшить качество выплавляемого металла. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Способ электрошлакового переплава и устройство для его осуществления // 2497959

Способ получения крутоизогнутых отводов // 2503515

Изобретение относится к литью крутоизогнутых отводов с использованием электрошлаковой технологии. Трубный отвод формируют электрошлаковым переплавом полого расходуемого электрода, диаметр которого соответствует диаметру трубного отвода. Электрошлаковый металл накапливают в кольцевом пространстве между составным внешним и внутренним кристаллизатором. Формирование трубного отвода осуществляют за несколько операций, каждая из которых включает установку очередной секции составного внешнего кристаллизатора после заполнения шлаком кольцевого пространства между внутренним кристаллизатором и предыдущей секцией составного внешнего кристаллизатора. Перемещение кристаллизаторов после установки очередной секции внешнего кристаллизатора осуществляют встречно, при этом внутренний кристаллизатор перемещают вертикально вверх внутри полого расходуемого электрода, а внешний составной - опускают по заданному радиусу трубного отвода вниз до достижения жидким металлом краев очередной секции. Изобретение позволяет получать трубные отводы любой толщины из металла, обладающего высокой свариваемостью, за счет использования электрошлакового литья. 3 ил.

Способ электрошлаковой выплавки заготовки корпуса с патрубком // 2506142

Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано для выплавления фасонных заготовок, в частности корпусов фонтанной арматуры, с фланцами и патрубками. Переплав расходуемого электрода в шлаковой ванне с выплавкой вертикального корпуса и горизонтальных патрубков и увеличением вводимой в нее электрической мощности во время выплавки патрубков. До начала выплавки патрубков кристаллизатор в зоне их формирования дополнительно подогревают горячей водой, а затем увеличивают вводимую в шлаковую ванну электрическую мощность на 11-16%, которую с завершением выплавления патрубков плавно уменьшают на 28-35% до режима обогрева и поддерживают в течение 0,4-0,7 общего времени выплавления упомянутой заготовки, после чего осуществляют плавное увеличение вводимой электрической мощности до рабочего значения с обеспечиванием выплавления оставшейся части корпуса и поддерживают ее неизменной до начала вывода усадочной раковины перед завершением процесса выплавки. Изобретение позволяет повысить качество металла выплавляемых патрубков и металла в зоне сопряжения патрубков с корпусом.

Способ электрошлаковой выплавки стали с получением полого слитка // 2532537

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при электрошлаковой выплавке стали для получения литых полых слитков. Осуществляют переплав в кристаллизаторе с охлаждаемым дорном расходуемых металлических электродов на основном и добавочном флюсах. При этом используют расходуемые вращающиеся металлические электроды с осевыми отверстиями, через которые в процессе переплава на шлаковую ванну подают добавочный флюс, осуществляют непрерывное определение температуры шлака и металла в кристаллизаторе, концентрации кислорода и содержания углерода в металле, положения границы раздела шлак-металл с помощью датчика контроля температуры и датчика с электрохимическим элементом, и осуществляют переплав упомянутых электродов с обеспечением оптимальной температуры шлакометаллического расплава. Изобретение позволяет поддерживать оптимальный состав жидкого шлака по ходу кристаллизации полого слитка, а использование датчика температуры и датчика с электрохимическим элементом способствует повышению качества выплавляемых слитков. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Электрошлаковая печь для получения полого слитка // 2533579

Изобретение относится к области металлургии, а конкретнее, к печам электрошлаковой выплавки стали для получения полых слитков. Печь выполнена с возможностью непрерывного измерения по ходу переплава расходуемых металлических электродов температуры шлака и металла в кристаллизаторе, концентрации кислорода и углерода в металле и контроля положения уровня границы раздела шлак-металл, и снабжена системой контроля уровня заглубления торцов упомянутых электродов в шлакометаллический расплав в кристаллизаторе, связанной с компьютерной системой с интерфейсом, обеспечивающей управление процессом переплава электродов в печи с учетом упомянутых измеренных данных, при этом расходуемые металлические электроды выполнены с возможностью вращения вокруг своей оси и с осевыми отверстиями по всей длине, посредством которых соединены с патрубками устройства для подачи раскислителей и шлакообразующих сыпучих материалов в зону переплава торцов упомянутых электродов. Изобретение позволяет осуществлять электрошлаковую выплавку стали для получения качественных полых слитков с подачей через осевые отверстия полых электродов добавочного флюса и других сыпучих материалов, что позволяет поддерживать оптимальный состав жидкого шлака по ходу кристаллизации полого слитка, а использование датчика температуры и датчика с электрохимическим элементом позволяет по ходу процесса контролировать температуру и окисленность металла для повышения качества полых слитков. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ раскисления стали при электрошлаковом переплаве // 2541333

Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано при электрошлаковом переплаве сталей с низким содержанием кислорода. Способ включает расплавление расходуемого электрода, замер активности кислорода и последующее раскисление шлаковой ванны смесью для раскисления, содержащей, мас.%: алюминий 8-12, кальций 19-23 и железо 74-69, которую принудительно подают на границу раздела шлаковой и металлической ванн в потоке нейтрального газа, причем количество оксида железа в расплавленном шлаке поддерживают не более 0,55 мас.%, а скорость подачи упомянутой смеси для раскисления составляет 0,9-1,1 скорости заполнения объема металлической ванны жидким металлом расходуемого электрода. Изобретение позволяет снизить содержание кислорода в металле выплавляемого слитка, а также уменьшить число необходимых замеров активности кислорода и угар раскислителя.

Расходуемый электрод для выплавки слитков из инструментальной трещиночувствительной стали методом электрошлакового переплава // 2549024

Изобретение относится к области металлургии и предназначено для получения методом электрошлакового переплава (ЭШП) слитков из трещиночувствительной стали. Расходуемый электрод содержит инвентарную головку и сплавляемую часть, состоящую из верхней и нижней стальных частей разного состава. Верхняя часть выполнена из инструментальной трещиночувствительной стали. Нижняя часть выполнена из низкоуглеродистой нелегированной стали и ее масса составляет 35-50% массы технологической обрези низа слитка. При ЭШП расходуемого электрода получают слиток из инструментальной трещиночувствительной стали требуемого химического состава без трещин и с меньшим расходом дорогостоящей инструментальной стали. 1 ил., 3 табл.