Спосіб плавлення шихти в електротермічному плавильному пристрої

1 Спосіб плавлення шихти в електротермічному плавильному пристрої, що включає формування зони теплогенерацм в плавильній камері, ПІДВІД електричного струму до периферійних зон секторів та плавлення шихти, який Винахід належить до галузі металурги, зокрема, до способів плавлення в електропечах чорних та кольорових металів, і може бути використаний в пристоях для переробки ВІДХОДІВ довільного ХІМІЧНОГО складу Відомий спосіб плавлення шихти в плавальній ванні електропечі, включяючий формування в плавильній камері зони, в якій електрична енергія перетворюється в теплову, і ввід в зону електричного струму за допомогою електродів (Серебряный Я Л Электроплавка медноникелевых руд и концентратов М, Металлургия, 1974, 248с С 4849) Ознаками, загальними для аналога та винаходу, що заявляється, є формування зони теплогенерацм в термокамері та ввід електричного струму в зону, де електрична енергія перетворюється в теплову Зона теплогенерацм в приведеному аналозі формується ВІДПОВІДНО до профілю плавильної камери, і в горизонтальному перерізі має форму прямокутника ПІДВІД струму здійснюється за допомогою електродів, введених в центрову зону матеріалу, що заповняє камеру При такому способі генерування тепла еквіпотенціальні лінії електричного поля згущуються безпосередньо навкруги електродів, і 90% електричної енергії перетворюється в теплову в зонах на відстані одного діаметру від електродів Очевидно, що цим способом неможливо сфокусувати електричне поле в геометричному центрі плави відрізняється тим, що зону теплогенерацм формують у вигляді суміжно ізольованих зрізаних секторів із струмопровідного матеріалу, зрізаними вершинами утворюючих периметр осьового стовпа зони теплогенерацм, нагрівають матеріал пропусканням струму, після чого подають шихту на розжарений матеріал 2 Спосіб плавлення шихти в електротермічному плавильному пристрої за п 1, який відрізняється тим, що як струмопровідний матеріал використовують графіт льної камери, забезпечити, таким чином, максимальне тепловиділення в м центрі і, за рахунок цього, підвищити к к д нагрівання, знизити питомі витрати електроенергії і розхід електродів і інтенсифікувати процес нагрівання шихтових матеріалів Відомий також аналог, у якому зона теплогенерацм формується в плавильній камері, що має в поперечному перерізі форму круга (Струнский Б Н Руднотермические плавильные печи М , Металлургия, 1972 368с С 106-107) І в цьому аналозі 90% тепла також генерується в безпосередній близкості біля електродів, на відстані одного діаметру від осі електроду Електроди розташовуються з таким розрахунком, щоб зони тепловиділення від окремих електродів перекривались Тобто, відстань між електродами встановлюється приблизно рівною одному діаметру електроду В результаті зона, в якій електрична енергія перетворюється в теплову, тобто зона теплогенерацм обмежується ЗО - 40% повного об'єму матеріалу, що нагрівається Цей аналог має ті ж недоліки, що і перший , оскільки і при такому способі плавлення шихти практично вся енергія виділяється в приелектродних (активних) ділянках, залишаючи ІНШІ ДІЛЯНКИ, В тому числі і осьову зону матеріалу, що нагрівається, відносно холодними (пасивними) Як прототип обрано спосіб плавлення матеріалу електротермічному плавильному пристрої, у якому матеріал формують шляхом пресування за О і ю 57744 допомогою пресувального пристрою або під впливом власної ваги для утворення захисного шару між розплавом і стінками печі, а ПІДВІД струму здійснюють електродами в центрову зону печі (Заявка № 2-143084 (Япония) Способ и электропечь для плавления материала, используемого для изготовления неорганического волокна Кокай Токке Кохо Опубл РЖ № 4 - 6 Изобретения стран мира, М 1991 г) В прототипі, як і в описаних вище аналогах, ввід струму в зону теплогенерацм здійснюється за допомогою електродів, впроваджених в центрову зону печі Характерні особливості теплового поля при такому способі теплогенерування ті ж, що і в аналогах і докладно розкриті в монографіях, із яких взято аналоги Причому, визначальною особливістю генерування тепла є те, що ділянка, де відбувається перетворення електричної енергії в тепловоу, тобто зона теплогенерацм становить всього ЗО - 40% об'єму, що займає матеріал, в якому виділяється тепло, самій зоні теплове поле дуже нерівномірне Оскільки 80 - 50% енергії, яка водиться в зону теплогенерацм, виділяється в перехідному контакті електрод-матеріал Очевидно, що генерування 80 - 50% розрахованої на весь об'єм плавильного пристрою енергії в такому відносно малому об'ємі, яким є об'єм матеріалу в перехідному контакті, приводить до багаторазового перевищення на цій ДІЛЯНЦІ необхідної технологічної температури Шихта в прототипі формується і подається в термокамеру між зоною теплогенерацм і стінками термокамери, тому температурне перенапруження на ДІЛЯНЦІ перехідного контакту за рахунок прямого відводу температури на корисне нагрівання шихти не знімається В результаті, значна доля генерованого в контактному переході тепла витрачається на перегрів електроду Це тепло, внаслідок достатньо високої теплопровідності графіту знімається через водоохолоджувачі струмопідводи, що суттєво знижує тепловий к к д процесу Вказані технічні особливості прототипу обумовлюють слідуючі негативні наслідки понижений к к д нагріву внаслідок неможливості зняти температурне напруження в перехідному контакті електрод-шихта за рахунок відводу тепла безпосередньо на нагрів шихти, завищені питоми витрати електроенергії викликані заниженням к к д нагріву і підвищенням падіння напруги на електродах внаслідок збільшення їх омічного опору в результаті перегріву, підвищений розхід електродів через перебільшені теплову і струмову ерозії в контактних переходах , занижена інтенсивність процесу нагріву шихтових матеріалів внаслідок відсутності можливості подавати матеріал безпосередньо в зону максимальної теплогенерацм Способом плавлення шихти, який включає формовку матеріалу і ПІДВІД електричного струму, описаним у прототипі, неможливо забезпечити фокусування нагріваючого електричного поля з максимальним тепловиділенням в геометричному центрі електротермічного плавильного пристрою і, за рахунок цього, підвищити тепловий к к д нагріву, знизити питомі витрати електроенергії і розхід електродів і інтенсифікувати процес нагріву і плавлення шихтових матеріалів В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу плавлення шихти в електричному плавильному пристрої, в якому шляхом фокусування електричного поля в геометричному центрі пристрою ділянка максимального питомого теплогенерування створюється в осьовій зоні матеріалу, в якому виділяється тепло, і за рахунок цього підвищується к к д процесу, знижуються питомі витрати електроенергії і інтенсифікується процес нагріву і плавлення шихтових матеріалів Поставлена задача вирішується, що в способі плавлення шихти в електротермічному плавильному пристрої, включаючому формування зони теплогенерацм в плавильній камері, ПІДВІД електричного матеріалу до периферійних ділянок зони та плавлення шихти, згідно з винаходом, зону теплогенерацм формують у вигляді суміжно ізольованих струмопровідних зрізаних секторів, наприклад із графіту, зрізаними вершинами створюючих периметр осьового стовпа зони теплогенерацм, нагрівають графіт пропусканням струму, після чого шихту подають на розжарений графіт Технічна суть винаходу пояснюється кресленням на якому А, В, С - електроди, підключені до ВІДПОВІДНИХ фаз джерела живлення, аа', вв', сс' - радіальні діелектричні кордони, які формують із графіту сектори - а'асс', с'свв', в'ваа', - урізані вершини яких утворюють периметр авс осьового стовпа зони теплогенерацм, тонкими ЛІНІЯМИ показано шлях струму в матеріалі, що нагрівається, тобто, активну зону теплогенерацм КІЛЬКІСТЬ ЛІНІЙ струму на кожній ДІЛЬНИЦІ акти вної зони ілюструє густину теплової енергії на цій ДІЛЯНЦІ Із креслення видно, що формовка зони теплогенерацм у вигляді суміжно ізольованих секторів, запобігаючи замиканню ЛІНІЙ струму по найкоротший відстані між різнофазними електродами, тобто по периферії матеріалу, в якому виділяється тепло, водночас штучно створює потрібний напрямок протікання струму - через зрізані відкриті вершини секторів, і далі - через осьову ділянку зони теплогенерацм А поскільки електроди вводяться в периферійні, пристіночні зони секторів, то струмом пронизується практично весь об'єм теплогенератора, значно збільшуючи, у порівнянні з прототипом, активну зону Таким чином, кожен окремий сектор, обмежений діелектричними вертикальними стінками, уявляє собою фазове омічне навантаження з послідовно спадним від периферії до центру перерізом ВІДПОВІДНО, ПО відомому закону, від периферії до центру росте опір кожного послідовно взятого елементарного провідника, на які умовно можна розбити сектор Пропорційно зростанню опору в кожному такому провіднику збільшується і теплогенерація Джоуля-Ленца А поскільки об'єм матеріалу, в якому це тепло виділяється, від периферії до центру зменшується по квадратичній залежності, то і густина теплової енергії, що виділяється в теплогенераторі, буде збільшуватись також по квадратичній залежності з 57744 коефіцієнтом, що відповідає зростанню омічного опору і досягне максимального значення в геометричному центрі матеріалу, де перетинаються лінії струму всіх фаз Такий спосіб нагріву матеріалу, в якому виділяється тепло, сприяє підвищенню теплового к к д , оскільки, забезпечуючи потрібну для процесу технологічну температуру з максимумом в осьовій зоні, залишає периферійні ділянки, тобто ділянки, з яких тепло може випромінюватись у навколишнє середовище відносно холодними Переміщення ділянки, де створюється необхідна для забезпечення потрібної технологічної температури густина теплової потужності, від поверхні електродів в осьову ділянку теплогенерацм, знімає з електродів функції технологічних елементів по створенню саме цієї густини теплової потужності, залишаючи електродам лише функції струмопідводячих елементів Це дозволяє значно збільшити поперечний переріз електродів, в результаті чого наряду зі зменшенням електричних витрат, включається перегрівання контактних ділянок, що зменшує питомі витрати електроенергії і збільшує тепловий к к д Окрім цього, осьове місцезнаходження ділянки з максимальною температурою дозволяє безперешкодженно здійснювати завантаження шихтових матеріалів безпосередньо в епіцентр найвищих температур, і таким чином інтенсифікувати процес плавлення шихти Можливість здійснення описаного способу ілюструється слідуючим прикладом В термічну камеру плавильного пристрою на рівній по периметру відстані крізь бокові стінки вводять електроди, з'єднаної з різними фазами трьохфазного джерела живлення Після цього за допомогою завантажувального шаблону в камеру завантажують матеріал-теплогенератор, наприклад, грудковий магнезит Завантажувальним шаблоном матеріал-теплогенератор у камері формують у вигляді зрізаних секторів, які розділяються вертикальними шарами вогнетривкого ізолятора В разі необхідності, вертикальні шари грудкового електроізолятору можуть бути замшени суцільними вогнетривкими стінками, встановлюваними в момент завантаження теплогенератора, або стінками, змонтованими в камері стаціонарно По закінченню операції завантаження на електроди подають напругу і протікаючий через графітовий сектор струм розігріває графіт Монотонне збільшення КІЛЬКОСТІ Джоулевого тепла у напрямку від периферії до центру при одночасному зменшенні об'єму (маси) матеріалу (графіту), в якому це тепло виділяється, супроводжується ефектом явно вираженого підвищення температури графіту від стінок камери до центру з досягненням максимального значення в осьовій зоні Причому, завдяки тому, що густину теплової потужності в об'ємі зони теплогенерацм можна регулювати за рахунок одних лише операцій з матеріалом, зменшуючи об'єм осьового стовпа матеріалу аж до короткозамкненого контакту між фазами, в осьовій зоні може бути створена як завгодно велика густина теплової потужності, в результаті чого і осьова температура може бути створена як завгодно велика, аж до випарювального плавлення графіту - 4500°С Такий рівень температурозабезпечення процесу свідчить про широкі технологічні можливості винаходу, порівняльні з плазменим нагрівом, але здійснювані значно дешевше і простіше технічно Після досягнення в активній (осьовій) зоні теплогенератору необхідної технологічної температури зверху на розжарений графіт завантажують шихту При згаданому вище рівні можливих температур на розжареному шарові графіту інтенсивно плавиться любий вид металургійної шихти Одержаний розплав фільтрується через шар грудкового графіту і збирається в копильнику плавильного агрегату 57744 ФІГ. Комп'ютерна верстка С Волобуєв Підписано до друку 05 08 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна