Спосіб відновлення та плавлення металовмісної сполуки та пристрій для його здійснення

1. Способ восстановления и плавки металлосодержащего соединения, включающий загрузку шихты, содержащей смесь металлосодержащего соединения и соответствующего измельченного восстановителя, в нагревательную камеру индукционной печи канального типа с ванной расплавленного металла, формируя в ходе загрузки, по меньшей мере, одну кучу шихты над поверхностью ванны расплавленного металла, отличающийся тем, что шихту загружают в нагревательную камеру таким образом и с такой скоростью, которые обеспечивают формирование сплошного слоя шихты, размещенного наподобие моста над всей поверхностью ванны расплавленного металла и шлака, в результате чего в шихте формируют реакционную зону, в которой происходит восстановление всего метал л осодержащего соединения, и расположенную под ней зону плавления, в которой происходит плавление всего восстановленного металла, причем процесс регулируют таким образом, что слой шихты поддерживают сплошным преимущественно в течение всего процесса восстановления металлосодержащего соединения в твердой фазе. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шихту загружают в нагревательную камеру через пространственно разнесенные загрузочные отверстия, причем сплошной слой шихты образуют за счет формирования воедино оснований формируемых куч шихты. 3. Способ по п. 1 или п. 2, отличающийся тем, что сплошной слой шихты поддерживают путем регулирования размеров куч шихты внутри нагревательной камеры. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что сплошной слой шихты формируют, загружая шихту в нагревательную камеру через загрузочные отверстия, расположенные в стратегически выверенных положениях, и/или путем выбора количества загрузочных отверстий и скорости, с которой шихту загружают через эти отверстия, и/или путем регулирования уровня расплавленного металла в нагревательной камере 5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что регулирование процесса осуществляют путем регулирования, по меньшей мере, одного из следующих параметров: параметров способа, при помощи которого шихту загружают в нагревательную камеру, скорости, с которой шихту загружают в нагревательную камеру, дисперсности шихты, степени однородности шихты, скорости, с которой нагревают нагревательную камеру. 6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что размер частиц шихты не превышает 10 мм, предпочтительно 6 мм и более предпочтительно 3 мм. 7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что образующуюся во время восстановления металлосодержащего соединения окись углерода, проходящую через шихту, сжигают, и выделяющееся тепло используют в процессе 8 Способ по п. 7, отличающийся тем, что сжигание окиси углерода осуществляют с помощью кислородных и/или воздушных горелок, расположенных в камере над шихтой. 9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что используют металлосодержащее соединение, содержащее один или несколько из следующих металлов: железо, хром, марганец, медь, цинк, свинец. 10. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что в качестве металлосодержащего соединения используют железосодержащее соединение. 11. Устройство для восстановления и плавки металлосодержащего соединения, содержащее однокамерную индукционную печь канального типа, имеющую, по меньшей мере, два загрузочных отверстия, выпускное отверстие для расплавленно О ю со со ш З 53645 4 го металла и выпускное отверстие для шлака, рез него шихты с образованием сплошного слоя, отличающееся тем, что расположение и размеразмещенного наподобие моста над всей поверхры, по меньшей мере, одного загрузочного отверностью ванны расплавленного металла и шлака, стия обеспечивают рассыпание загружаемой че Заявляемая группа изобретений относится к получению металлов из металлосодержащих соединений путем электротермической обработки. Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ производства стали (патент США № 5411570, МПК С21С 5/28, опубл. 1995 г.), включающий загрузку шихты в нагревательную камеру индукционной печи канального типа с ванной расплавленного металла Загружаемая шихта содержит смесь металлосодержаицего соединения и соответствующего измельченного восстановителя. В ходе загрузки формируют две кучи шихты над поверхностью ванны расплавленного металла, которые отделены друг от друга слоем шлака, плавающего на поверхности ванны расплавленного металла У заявляемого способа восстановления и плавки металлосодержащего соединения и прототипа совпадают следующие существенные признаки: способы включают загрузку шихты, содержащей смесь металлосодержащего соединения и соответствующего измельченного восстановителя, в нагревательную камеру индукционной печи канального типа с ванной расплавленного металла, формируя в ходе загрузки, по меньшей мере, одну кучу шихты над поверхностью ванны расплавленного металла. Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому устройству для восстановления и плавки металлосодержащего соединения является выбранное в качестве прототипа устройство для производства стали по патенту США № 5411570, МПК С21С 5/28, опубл 1995 г. Это устройство содержит однокамерную индукционную печь канального типа с удлиненной полой стальной цилиндрической камерой. Нагревательная камера имеет множество загрузочных отверстий, расположенных вдоль ее верхней стороны, выпускное отверстие для расплавленного металла и выпускное отверстие для шпака У заявляемого устройства для восстановления и плавки металлосодержащего соединения и прототипа совпадают следующие существенные признаки: устройства содержат однокамерную индукционную печь канального типа, имеющую, по меньшей мере, два загрузочных отверстия, выпускное отверстие для расплавленного металла и выпускное отверстие для шлака. При использовании известного способа производства стали и устройства для его осуществления получению ожидаемого технического результата препятствуют следующие причины В большинстве традиционных способов восстановления металлосодержащего соединения используют нагревание металлосодержащего соединения (обычно окиси металла) в присутствии восстановителя, такого как соответствующее углеродосодержащее соединение или ему подобное. Смесь металлосодержащего соединения и восстановителя обычно называют шихтой. В упомянутом выше традиционном способе производства стали скорость, при которой происходит нагревание, обычно настолько высока, что значительная часть шихты расплавляется до момента завершения реакций восстановления. Поэтому значительная часть восстановления происходит в жидкой фазе. При такой плавке шихты образуется шлак, который помимо окисей упомянутого металлосодержащего соединения содержит также окиси других металлов, которые могут присутствовать в шихте. Для восстановления упомянутых окисей необходимо дополнительное количество восстановителя для реакции, что может увеличить выход металла с нежелательно высоким содержанием углерода. Высокое содержание углерода в продукте обычно последовательно уменьшают путем окисления либо вводя в продукт кислород в виде газообразного кислорода или воздуха, либо используя соответствующую окись металла, которая присутствует в реакционной среде. Следовательно, такая реакция окисления также происходит в жидкой фазе. Понятно, что, помимо необходимости избыточного начального количества восстановителя, для последующего окисления этого восстановителя необходим еще и дополнительный этап в способе В результате упомянутых выше реакций восстановления и окисления ниже поверхности расплавленного металла и шлака образуется относительно большой объем нежелательных газов, которые затем выходят из расплавленного металла и шлака в виде пузырьков В упомянутом выше способе производства стали, шихта загружается в однокамерную индукционную печь канального типа двумя кучами, которые отделены друг от друга слоем шлака, плавающего на поверхности ванны расплавленного металла. При таком расположении шихта имеет возможность попадать прямо в ванну расплавленного металла или в шлак, который может присутствовать, так что при этом, по крайней мере, частично восстановления шихты происходит в жидкой фазе. Это приводит не только к образованию нежелательных газов в нагревательной камере, но также и к возможным потерям продукта из-за его повышенной газовой пористости за счет повышенного содержания газов в расплавленном металле. Заявляемое изобретение направлено на создание такого способа восстановления и плавки металлосодержащего соединения, при реализа 5 53645 6 \ I ции которого, за счет обеспечения новых условий газов. На практике отсутствие пузырьковых обравосстановления и плавки метапласодержащего зований в ванне расплавленного металла и в обсоединения, обеспечивается достижение техничеразуемом шлаке используется в качестве показаского результата, заключающегося в сокращении теля того, что процесс проходит правильно и продолжительности процесса, уменьшении выхогазовой пористости в готовом металле практичеда металла с нежелательно высоким содержаниски не будет. ем углерода и повышенной газовой пористостью. При такой плавке в шихте образуется шлак, Заявляемое изобретение направлено на созкоторый не содержит окиси других металлов, кодание такого устройства для восстановления и торые могут присутствовать в шихте. Следоваплавки металлосодержащего соединения, при тельно, нет необходимости в дополнительном реализации которого, за счет изменения располоколичестве восстановителя для реакции, что прижения загрузочных отверстий и их параметров, водило к увеличению выхода металла с нежелаобеспечивается достижение технического результельно высоким содержанием углерода. Вследсттата, заключающегося в сокращении продолживие того, что можно осуществлять процесс таким тельности процесса, уменьшении выхода металла образом, что нет необходимости в последующем с нежелательно высоким содержанием углерода и удалять какое-то избыточное количество восстаповышенной газовой пористостью. новителя, количество дополнительных этапов в способе уменьшается по отношению к их числу в В соответствии с изобретением поставленная известных вышеупомянутых способах. задача решается с помощью способа, который включает загрузку шихты, содержащей смесь меСогласно изобретению регулирование проталлосодержащего соединения и соответствуюцесса восстановления и плавки металлосодержащего измельченного восстановителя, в нагреващего соединения осуществляют путем регулиротельную камеру индукционной печи канального вания, по меньшей мере, одного из следующих типа с ванной расплавленного металла. В ходе параметров: загрузки формируют, по меньшей мере, одну кучу параметров способа, при помощи которого шихты над поверхностью ванны расплавленного шихту загружают в нагревательную камеру индукметалла. При этом шихту загружают в нагревационной печи; тельную камеру индукционной печи таким обраскорости, с которой шихту загружают в нагрезом и с такой скоростью, которые обеспечивают вательную камеру; j формирование сплошного слоя шихты, размедисперсности шихты; щенного наподобие моста над всей поверхностью степени однородности шихты; ванны расплавленного металла и шлака. В рескорости, с которой нагревают нагревательзультате этого в шихте формируют реакционную ную камеру. зону, в которой происходит восстановление всего Так как согласно изобретению шихту загружаметаллосодержащего соединения, и расположенют в нагревательную камеру таким образом и с ную под ней зону плавления, в которой происхотакой скоростью, которые обеспечивают формидит плавление всего восстановленного металла. рование сплошного слоя шихты, размещенного Причем процесс регулируют таким образом, что наподобие моста над всей поверхностью ванны слой шихты поддерживают сплошным преимущерасплавленного металла и шлака, не вступающая ственно в течение всего процесса восстановления в реакцию шихта не сможет вступить в непосредметаллосодержащего соединения в твердой фазе. ственный контакт с жидким металлом или шлаком. Поэтому значительно устраняется такой "короткий В соответствии с изобретением поставленная цикл", который мог бы стать причиной некоторых задача решается с помощью устройства для осуреакций, происходящих в жидкой фазе. ществления вышеупомянутого способа, которое содержит однокамерную индукционную печь каТам, где шихту, например, загружают в нагренального типа. Нагревательная камера этой инвательную камеру через пространственно разнедукционной печи имеет, по меньшей мере, два сенные загрузочные отверстия, способ включает загрузочных отверстия, выпускное отверстие для этап осуществления загрузки так, чтобы сплошной расплавленного металла и выпускное отверстие слой шихты образовывался за счет формирования для шлака. При этом расположение и размеры, по воедино оснований формируемых куч шихты. меньшей мере, одного загрузочного отверстия Загрузка шихты должна осуществляться таким обеспечивают рассыпание загружаемой через образом, чтобы основания куч слились, образуя него шихты с образованием сплошного слоя, разнепрерывный слой шихты, который размещался мещенного наподобие моста над всей поверхнобы наподобие моста над всей поверхностью ванстью ванны расплавленного металла и шлака. ны расплавленного металла и шлака. Такой мост позволяет предупредить прямой контакт материаЗаявитель установил, что такое устройство ла шихты, падающего с куч, с жидким металлом является особо подходящим благодаря легкости или шлаком. регулирования скорости нагревания в такой печи. Между признаками заявляемой группы изобретеФакт формирования такого моста можно устаний и достигаемым техническим результатом суновить любым удобным образом, например, визуществует следующая причинно-следственная ально и/или с помощью аппарата, регистрирующесвязь. го изображение нагревательной камеры и т.д. Практически такую визуальную регистрацию можВследствие того, что ни одна реакция в нагрено осуществить, вставив жесткий элемент в виде вательной камере индукционной печи теперь не "мерной рейки" от верха нагревательной камеры в происходит в жидкой фазе, практически устраняшихту. ется появление нежелательных вышеупомянутых Формирование упомянутого моста и поддержание сплошного слоя шихты можно осуществить путем регулирования размера куч шихты внутри нагревательной камеры. Альтернативно и/или дополнительно это можно осуществить, загружая шихту в камеру через загрузочные отверстия, расположенные в стратегически выверенных положениях, и/или путем выбора количества загрузочных отверстий и скорости, с которой шихту загружают через эти отверстия, и/или путем регулирования уровня расплавленного металла в нагревательной камере. Заявитель установил, что размер частиц используемой шихты не должен превышать 10мм, предпочтительно 6мм, и более предпочтительно Змм. При использовании шихты из частиц такого небольшого размера практически каждая частица полностью восстанавливается до отдельного металла в реакционной зоне и, следовательно, остается твердой до тех пор, пока температура частицы не повысится до температуры, необходимой для плавления невостановленных окисей, которые могут присутствовать в частице. Следовательно, существует очень незначительная возможность для какого-то количества расплавленной окиси металла, плавящейся при более низкой по сравнению с металлом температуре, перейти из такой частицы в шлак. Так, например, в случае с железом, ядро частицы обычно включает FeO, которая плавится при температуре 1378°С, в то время как корка частицы включает Fe, который плавится только при 1535° С. Следовательно, при использовании более крупных частиц, по сравнению с вышеупомянутыми, температура ядра такой частицы могла бы повыситься до вышеупомянутой температуры 1378°С еще до того, как Fe или FeO в частице восстановились, что могло привести к выходу жидкой FeO из ядра. Так как упомянутые реакции в твердой фазе регулируются путем диффузии, максимальная скорость требуемого нагрева будет зависеть от размера частиц и степени однородности шихты, причем степень смешивания компонентов шихты предпочтительно должна быть такой, чтобы шихта представляла собой однородную смесь. Далее, согласно изобретению, способ может включать этап сжигания над шихтой окиси углерода (СО), которая образуется во время восстановления метал л о содержащего соединения и которая проходит через шихту. Такое сжигание можно осуществлять, например, с помощью кислородных и/или воздушных горелок, расположенных в нагревательной камере над шихтой. Выделяющееся при этом тепло используют в процессе. Это позволяет увеличить температуру внутри нагревательной камеры, в основном благодаря излучению от свода нагревательной камеры. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения в качестве металлосодержащего соединения используют соединение, которое предпочтительно включает или является железосодержащим соединением. В других вариантах осуществления изобретения используют металлосодержащее соединение, содержащее один или несколько из следующих 8 53645 металлов: железо, хром, марганец, медь, цинк, свинец. Один из вариантов осуществления изобретения будет описан на примере со ссылкой на иллюстративный материал, который представляет собой схематический поперечный разрез индукционной печи согласно изобретению (см.фиг.). В этом варианте осуществления изобретения используется индукционная печь 1 канального типа, которая включает вытянутую трубчатую нагревательную камеру 2 кольцевой конфигурации в поперечном сечении. Эта нагревательная камера снабжена вдоль всего пода двумя рядами индукторов, лишь два из которых 3 и 4 показаны на чертеже. При этом каждый ряд включает пять таких индукторов мощностью порядка 2,2МВт каждый. Нагревательная камера 2 содержит два параллельных ряда загрузочных отверстий, лишь два из которых, 5 и 6, показаны на чертеже. Загрузочные отверстия расположены вдоль противоположных продольных сторон нагревательной камеры 2 Нагревательная камера 2 снабжена множеством кислородных горелок, расположенных вдоль ее верхней части, из которых лишь две горелки, 7 и 8, показаны на чертеже Загрузочные отверстия 5 и 6 используются для введения шихты 9 в индукционную печь 1 для формирования продольно размещенных куч 10 и 11, которые плавают на поверхности ванны расплавленного металла 12. При необходимости расплавленный металл можно ввести вначале процесса в нагревательную камеру через загрузочное отверстие (не показано). Шихта 9 представляет собой однородную смесь в виде частиц углеродосодержащего соединения, например, такого как уголь, и окиси железа. Угле род осодержащее соединение представлено в концентрации немного меньшей по сравнению с концентрацией, обеспечивающей стехи о метрическое количество углерода, необходимого для восстановления руды. Размер частиц шихты 9 позволяет ей проходит через 3-миллиметровое решето. Шихту 9 вводят в нагревательную камеру 2 таким образом и с такой скоростью, что основания куч 10 и 11 сливаются друг с другом воедино, формируя тем самым сплошной слой 13 из шихты 9, который наподобие моста простирается над всей ванной расплавленного металла 12 и шлаком 15. Факт формирования такого сплошного слоя 13 можно установить, например, визуально с помощью мерной рейки, которая вставляется в нагревательную камеру 2 сверху, или с помощью соответствующего смотрового окна (не показано) в стенке нагревательной камеры 2. Факт формирования сплошного слоя 13 также можно установить с помощью соответствующего устройства для записи изображения (не показано), которым снабжают нагревательную камеру 2. В процессе восстановления и плавки металлосодержащего соединения образуется реакционная зона в кучах 10 и 11 шихты 9, которая в действительности простирается от основания куч до их вершин. В то же время формируется зона плавле 53645 10 ния 14, которая простирается между основаниями даря теплу, которое подается к этому слою от куч 10 и 11 и верхней поверхностью ванны расокиси углерода (СО), сжигаемого горелками 7 и 8. плавленного металла 12. Во время реакции вос8 то же время твердое восстановленное железо становленная шихта 9 передвигается под дейстплавится в зоне плавления 14, из которой оно певием тяжести из реакционной зоны к зоне ремещается под действием тяжести в ванну расплавления 14. плавленного металла 12 Шлак 15, который образуется во время такого Вследствие того, что ни одна реакция в нагреплавления, находится ниже зоны плавления 14 и вательной камере 2 индукционной печи 1 теперь плавает как в туннеле на поверхности ванны расне происходит в жидкой фазе, практически устраплавленного металла 12. Туннель со шлаком 15 няется появление нежелательных газов Отсутстведет к выходному отверстию для шлака (не покавие пузырьковых образований в ванне расплавзано) в нагревательной камере 2, а загрузочные ленного металла 12 и в образуемом шлаке 15 отверстия, например 5 и 6, для шихты расположеявляется показателем того, что процесс проходит ны относительно этого выходного отверстия для правильно и газовая пористость в готовом металшлака так, чтобы шлак 15 в туннеле направлялся ле практически отсутствует. к выходному отверстию для шлака. При такой плавке в реакционной зоне в шихте Образующуюся во время восстановления ме9 образуется шлак, который не содержит окиси таллосодержащего соединения окись углерода других металлов, которые могут присутствовать в (СО), проходящую через шихту 9, сжигают с исшихте 9. Следовательно, нет необходимости в пользованием множества кислородных горелок, из дополнительном количестве восстановителя для которых лишь две, 7 и 8, показаны. Выделяющеереакции, и поэтому готовый металл не содержит ся при этом тепло используют в процессе. нежелательно высокое количество углерода Вследствие того, что нет необходимости в послеВ ходе восстановления и плавки металлосодующем удалять какое-то избыточное количество держащего соединения сплошной слой 13 шихты восстановителя, количество дополнительных эта9 служит для того, чтобы предупредить попадание пов в способе уменьшается. Так обеспечивается какого-то количества материала шихты 9 с куч 10 достижение технического результата, заключаюи 11 в туннель со шлаком 15 или в жидкий металл щегося в сокращении продолжительности процесв ванне расплавленного металла 12, предупрежса, уменьшении выхода металла с нежелательно дая тем самым "короткий цикл". высоким содержанием углерода и повышенной Тепло, подаваемое в ванну расплавленного газовой пористостью. металла 12 через индукторы, например 3 и 4, рассеивается в кучах 10 и 11 шихты 9. Это тепло, наряду с теплом, выделяющимся при сжигании окиси углерода (СО) горелками 7 и 8, заставляет окись железа и углерод шихты 9 вступать в реакцию, которая приводит к восстановлению окиси железа. Это восстановление происходит в самом верхнем 20-миллиметровом слое куч 10 и 11, следовательно, в твердой фазе, в основном, благо Следует отметить, что еще одно преимущество заявляемого изобретения состоит в том, что поскольку при восстановлении и плавки металлосодержащего соединения используются частицы шихты относительно малого размера, до 10мм, то можно использовать такие виды шихты, которые обычно раннее не применялись без предварительного гранулирования и/или спекания. 14 12 Фиг. 11 53645 ТОВ "Міжнародний науковий комгтет' вул. Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 12