Изобретение относится к металлургии, энергетике, производству минеральных вя- жущих веществ и может использоваться для аппаратурного оформления различных тех- нологических процессов.

Известны барботажные гарнисажные плавильные камеры, используемые в черной металлургии для жидкофазного получения чугуна «Процесс Ромелт» [1] и в цветной ме- таллургии при получении сульфидного сплава - штейна «Плавка в жидкой ванне» [2]. Данным камерам свойственны следующие недостатки: во-первых, гарнисажный тепло- изоляционный слой имеет большие тепловые потери; во-вторых, барботажные тепло- мас- сообменные процессы малоэффективны и очень чувствительны к вязкости перерабатыва- емого расплава.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту являются футерованные вращающиеся технологические камеры. Такие камеры используют в чер- ной металлургии при производстве чугуна «Доред-процесс» [3] и стали «Калдо-процесс» [4]. Вращающаяся футерованная поверхность позволяет создать хорошие условия для тепло- массообменных процессов в камере. Вместе с тем, вращающиеся технологические камеры имеют ряд недостатков. Во-первых, сложный привод, так как кроме вращения во- круг продольной оси привод должен обеспечивать наклон камеры для выпуска продуктов плавки. Это делает оборудование громоздким и сложным в эксплуатации. Во-вторых, ка- меры имеют низкую экономическую эффективность из-за длительных простоев, связан- ных с ремонтом футеровки.

Задачей изобретения является разработка технологической камеры для реализации термохимических процессов, которая позволит устранить недостатки, известные из уров- ня техники. Камера должна быть универсальной, то есть позволять проводить основные термохимические процессы, связанные с производством чугуна, стали, цветных металлов, минеральных вяжущих веществ и так далее. При этом процессы должны проходить с низ- ким уровнем тепловых потерь и высоким уровнем тепло - массообмена между работаю- щими фазами. Кроме этого необходимо снизить простои камеры, связанные с ремонтом футеровки.

Предлагаемая рол-камера имеет корпус, представляющий собой пустотелый ролик, валок или барабан [roll (англ.) - ролик, валок, барабан т.д. В выражении «рол-камера», рол - подлежащее, а камера - сказуемое, обозначающее признак подлежащего. В описании термины рол, камера и корпус камеры могут использоваться как. равнозначные.], с сим- метричной цилиндрическо-конической поверхностью с большим диаметром в централь- ной по его длине зоне. Внутренняя рабочая поверхность корпуса футерована. Рол уста- новлен с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси. С обеих сторон в него вве- дены невращающиеся вставки, в которых сформированы подводящие каналы, обеспечи- вающие подачу в камеру материалов и газовых смесей и отводящий канал, по которому из камеры отводят образующуюся пылегазовую смесь. Кроме этого на невращающихся вставках размещают видеокамеры и приборы, позволяющие контролировать процессы в камере и каналах вставок. Каждая вставка установлена с образованием щели между внут- ренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью вставки. Щель используют в ка- честве канала для подачи в рол-камеру газовых смесей. Вставки выполнены с возможно- стью их выведения из камеры, а в местах контакта вставок с вращающимся корпусом установлены уплотнительные манжеты. В центральной части корпуса камеры установлен загрузочный люк.

В частных случаях выполнения в центральной части корпуса установлен шибер- ный затвор для выпуска жидких продуктов и механизм для отбора проб.

В частных случаях выполнения на поверхность футеровки нанесены неровности- лйфтеры.

В частных случаях выполнения на невращающихся вставках установлены горелки для сжигания дополнительного топлива.

В частных случаях выполнения в отводящем канале установлена система затво- ров, позволяющая регулировать расход и логистику пылегазовой смеси.

Из уровня техники известно, что в черной и цветной металлургии используют гар- нисажные плавильные камеры, в которых можно проводить длительные плавильные ком- пании без ремонта футеровки. Однако создать в таких камерах хорошие условия для плав- ки сложно. Этим камерам свойственна высокая потеря тепла через стенки камеры, плохая передача тепла из зоны дожигания в расплав и недостаточное перемешивание образую- щихся фаз в ванне. Кроме этого, в черной металлургии для реализации термохимических процессов, связанных с производством чугуна и стали используют вращающиеся футеро- ванные камеры. Такие камеры позволяют создать хорошие условия для плавки, но значи- тельно снижают продолжительность плавильной компании из-за вынужденных простоев, связанных с ремонтом футеровки.

В предлагаемом изобретении термохимические процессы проводят во вращающей- ся футерованной рол-камере, а проблему изнашиваемой футеровки решают посредством быстрой замены старой камеры (с изношенной футеровкой) на новую - уже готовую к ра- боте. Это становится возможным благодаря тому, что выпуск продуктов плавки произво- дят не наклоном камеры, а через загрузочный люк (шиберный затвор), расположенный на ее корпусе. Теперь вращение происходит вокруг неподвижной горизонтальной оси. В свя- зи с этим, значительно упрощается привод камеры, а значит, уже ничто не мешает снять с опорных роликов рол с изношенной футеровкой и установить на его место новый рол, го- товый к работе. Кроме этого, выполнение технологической камеры в едином корпусе поз- воляет создавать в ней необходимую атмосферу или вакуум, что значительно расширяет диапазон физико-химических процессов, проводимых в камере.

Возможная конструкционно-компоновочная схема рол-камеры показана на черте- жах, где схематично представлены:

Фиг. 1 - продольный вертикальный разрез рол-камеры в рабочем положении;

Фиг. 2 - разрез рол-камеры по линии А-А по Фиг. 1 ;

Фиг. 3 - рол-камера по Фиг.1 в положении замены камеры

Фиг. 4-а - Принципиальная схема работы уплотнительной манжеты при создании избыточного давления в камере.

Фиг. 4-6 - Принципиальная схема работы уплотнительной манжеты при создании в камере вакуума.

Фиг. 5-а - Принципиальная схема создания заданной атмосферы в камере.

Фиг. 5-6 - Принципиальная схема создания в камере вакуума.

Корпус камеры 1 выполняют из нескольких симметрично расположенных участ- ков, образованных коническими и цилиндрическими поверхностями. Центральный ци- линдрический участок 2 имеет наибольший диаметр. На нем располагают загрузочный люк 3, шиберные затворы 4 и механизм 5 для отбора проб. С обеих сторон от центрально- го - расположены конические участки 6, которые опять переходят в боковые цилиндриче- ские участки 7 меньшего диаметра. На центральном цилиндрическом участке 2 располо- жены бандажи опор качения (на чертежах не изображены), а на боковых 7 - приводные венцы зубчатых передач (на чертежах не изображены). Внутренняя поверхность камеры 1 имеет футеровку 8, позволяющую минимизировать потери тепла через корпус. С обеих сторон в горловины камеры 1 вводят невращающиеся вставки 9 и 10. В частном случае выполнения по Фиг.1 одна вставка 9 - подающая, через нее вводят материалы, а другая вставка 10 - отводящая, через нее отводят пылегазовую фазу. Вставки 9 и 10 выполняют с возможностью их быстрого выведения из камеры 1 для замены старой камеры на новую. Так, в соответствии с формой выполнения по Фиг. 3 для возможности быстрого выведе- ния вставки 9, 10 камеры установлены на колёсных тележках 11.

В частном случае исполнения в подающей вставке 9 размещают каналы (механиз- мы) подачи материалов и газовых смесей (на чертеже изображены частично и позициями не обозначены). Материалы, участвующие в процессе, могут быть представлены распла- вами, твердыми материалами и газовыми смесями.

В частном случае исполнения на вставке 9 размещают горелки для сжигания над расплавом дополнительного топлива (на чертежах изображены, но позициями не обозна- чены). Горелка - устройство, обеспечивающее устойчивое регулируемое сгорание топлива посредством смешивания его с окислителем. К сжиганию дополнительного топлива (газо- образного или жидкого) прибегают в том случае, если в камере не хватает тепла, а вносить твердое топливо по каким-то причинам нельзя.

В частном случае исполнения по Фиг.1 в отводящей вставке 10 размещают канал, по которому из камеры отводят пылегазовую смесь (на чертеже показан, но позицией не обозначен). В частных случаях исполнения в отводящем канале размещают систему за- творов, позволяющую регулировать расход и логистику отходящих газов. Система может состоять из одного или нескольких затворов. Наиболее часто используют следующие за- творы: шлюзовой затвор (см.Фиг.5-а поз.19), соединяющий (отделяющий) камеру от кот- ла-утилизатора или других агрегатов, расположенных за камерой (по ходу движения газа); вакуумный затвор, (см.Фиг.5-б поз.20), соединяющий (отделяющий) камеру от паро- эжекторного вакуумного насоса (используется при создании вакуума в камере).

Между вращающейся поверхностью камеры 1 и неподвижной поверхностью вста- вок 9, 10 формируют щель 12, через которую в рол-камеру вносят газовые компоненты, необходимые для проведения заданного термохимического процесса. Это может быть окислитель, инертный газ, газ - восстановитель или смеси указанных газов. Кроме этого, их подача через щели 12 предотвращает затекание в них расплава при кипении ванны.

Позицией 13 обозначена горизонтальная ось вращения камеры 1. Из уровня техни- ки известно, что вращающаяся футерованная поверхность позволяет создать хорошие условия для тепло - массообменных процессов между работающими фазами в камере. Позициями 14 и 15 обозначены жидкие работающие фазы. Работающая газовая фаза на Фиг.5-а и 5-6 показана условно и обозначена соответственно «Аргон» и «Вакуум». В частном случае исполнения жидкие фазы могут быть представлены металлом 14 и шлаком 15, штейном 14 и шлаком 15 и так далее. Максимально допустимый объем жидких фаз в камере показан на чертежах. Работающую газовую фазу создают таким образом, чтобы обеспечить протекание физических и физико-химических процессов в жидких фазах в за- данном направлении с заданной интенсивностью. Футеровка 8 вращающейся камеры иг- рает ключевую роль в перемещении реагентов и энергии межу работающими фазами. Так, чтобы дозировано подать газовую фазу в ванну, ее вводят через щели 12 в камеру, а не- ровности футеровки, в результате вращения, заносят ее в расплав. Передачу тепловой энергии между работающими фазами также производят футеровкой, посредством враще- ния камеры. При этом возможны случаи, когда источник тепла находится в газовой фазе (дожигание отходящих из ванны газов) или в расплаве (проведение экзотермических ре- акций в жидкой фазе). В любом случае, футеровка 8 в результате вращения камеры отво- дит тепло из более теплой фазы в холодную. Кроме этого, в процессе вращения камеры происходит активное перемешивание рабочих фаз футеровкой 8. В частных случаях ис- полнения, чтобы еще больше активизировать массообменные процессы в ванне, на по- верхность футеровки 8 наносят искусственные неровности - лифтеры (на чертежах не изображены).

В случае износа футеровки 8 производят замену камеры. Для этого невращающие- ся вставки 9,10 выводят из горловин корпуса. В частном случае исполнения по Фиг.З вы- вод вставок производят путем перемещения колёсных тележек 11. После выведения вста- вок рол-камеру меняют. При этом новую камеру, если это необходимо, перед установкой разогревают на стенде. После введения вставок 9,10 новая рол-камера начинает работать в штатном режиме. Таким образом, быстрая замена (перевалка) камеры позволяет значи- тельно сократить простои технологического оборудования, связанные с ремонтом футе- ровки.

Рол-камера является агрегатом периодического действия. Периодичность термохи- мического процесса и хороший тепло-массообмен между работающими фазами является важным достоинством рол-камеры. Действительно, интенсивное перемешивание работа- ющих фаз в специально созданных условиях можно проводить сколь угодно долго, только в условиях периодической плавки. Это позволяет доводить до конца наиболее продолжи- тельные операции, такие как разделение жидких фаз, рафинирование или дегазация целе- вого продукта.

Для организации газонепроницаемого соединения между вращающимся корпусом 1 и отводящими вставками 9 и 10 используют уплотнительные манжеты. Уплотнительные манжеты позволяют создавать в рол-камере как избыточное, так и остаточное давление (вакуум).

На Фиг.4-а показана принципиальная схема работы манжеты при создании избы- точного давления в камере 1. При работе под давлением по каналу 16 через щель 12 в ка- меру 1 подают соответствующие газовые смеси. При этом, под действием избыточного давления внутренний лепесток манжеты 17 прижимается к соединительному кольцу 18, закрепленному на корпусе камеры 1, препятствуя выходу газа в цех. Следует заметить, что подача газа через щель 12, кроме уже перечисленных целей, позволяет создать ком- фортные температурные условия для работы уплотнительной манжеты. На Фиг.4-б показана принципиальная схема работы манжеты при создании в каме- ре вакуума. При создании в плавильной камере вакуума канал 16, по которому в камеру подают газовую смесь, закрывают. Под действием атмосферного давления наружный ле- песток манжеты 17 прижимается к соединительному кольцу 18, закрепленному на корпусе камеры 1 , препятствуя поступлению газа из цеха в камеру. В частных случаях исполнения у наружного лепестка манжеты 17 создают избыточное давление инертного газа. Это поз- воляет, с одной стороны, плотнее прижать манжету 17 к соединительному кольцу 18, а с другой - в случае подсоса, позволит заполнить камеру инертным газом, но не воздухом.

На Фиг. 5-а показана принципиальная схема создания в камере атмосферы аргона. Для заполнения рол-камеры аргоном шлюзовой затвор 19, соединяющий камеру с другим оборудованием, закрывают не полностью (регулируют расход пылегазовой фазы), а через щели 12 в камеру подают аргон. Совместное регулирование расхода газа через щели 12, расхода шихтовой смеси через вставку 9 и дросселирование отходящей пылегазовой фазы затвором 19 позволяет создать в рол-камере оптимальное избыточное давление, которое обеспечивает надежную работу уплотнительных манжет (см Фиг.4-а) и не препятствует протеканию термохимических процессов в заданном направлении.

На Фиг.5-б показана принципиальная схема создания в камере вакуума. Для созда- ния в рол-камере вакуума щели 12 и каналы подачи материалов, расположенные в пода- ющей вставке 9, закрывают. Шлюзовой затвор 19, соединяющий камеру с котлом- утилизатором, закрывают, а вакуумный затвор 20, соединяющий камеру с пароэжектор- ным вакуумным насосом, открывают. Шиберный затвор 4, механизм отбора проб 5 и за- грузочный люк 3 не уплотняют, поскольку они в процессе вращения и взаимодействия с расплавом становятся непроницаемыми для газа.

Выпуск жидких продуктов плавки производят через шиберный затвор 4, располо- женный на центральном цилиндрическом участке 2 камеры 1. При этом, поворотом каме- ры 1 выпускное отверстие шиберного затвора 4 подводят к жидкой фазе 14 или 15, в зави- симости от того, какой продукт необходимо выпустить, и открывают затвор. Для обслу- живания шиберного затвора 4 камеру 1 поворачивают так, чтобы затвор 4 находился в верхнем положении. В частных случаях выполнения, для удобства эксплуатации на кор- пусе камеры 1 устанавливают два шиберных затвора, размещая их диаметрально противо- положно (на чертежах не изображено). В этом случае облуживание одного затвора 4 сов- мещают с выпуском жидкой фазы 14 через другой.

В частных случаях исполнения, когда необходимо полностью удалить из камеры жидкую фазу 15, используют загрузочный люк 3. После максимально возможного выпус- ка фазы 15 через шиберный затвор 4 камеру 1 поворачивают таким образов, чтобы по- верхность удаляемой фазы находилась у нижней кромки люка 3. Затем в камеру вводят скребки или другие специальные механизмы для удаления фазы.

В частных случаях исполнения процесс отбора проб из камеры механизирован. Механизм 5 для отбора проб устанавливают на цилиндрическом участке 2 корпуса камеры 1. Оператор подводит механизм 5 отбора проб в то место, где необходимо произвести за- бор расплава. По команде с пульта происходит всасывание расплава в заборник, подобно тому, как шприц втягивает лекарство. Втянутый в приемник расплав проходит через окно холодильника, который, смещаясь, вырезает пробу из втянутого цилиндра расплава. Обра- зец струей газа или воды выталкивается из окна холодильника в контейнер, а рамка холо- дильника возвращается в исходное положение, пропуская шток заборника, который, дви- гаясь в обратную сторону, вталкивает неиспользованный расплав обратно в камеру.

Подачу твердых реагентов в камеру, в зависимости от их фракционного состава, производят через загрузочный люк 3 или вставку 9. При подаче материалов через вставку 9 используют трубопроводный пневмотранспорт или пневможелоб. При этом в качестве транспортирующей среды, в зависимости от создаваемых в камере условий, используют воздух, обогащенное кислородом дутье, нейтральный газ или другие газовые смеси. Со- став газовой смеси, используемой в качестве транспортирующей среды, может не совпа- дать с составом газовой смеси, вводимой через щели 12.

Для подачи расплава в рол-камеру используют загрузочный люк 3 или канал в по- дающей вставке 9. При этом для подъема расплава в канал используют ковш или пита- тель, в котором создают избыточное давление. Ввод расплава через подающую вставку 9 производят, не прерывая вращения плавильной камеры, то есть в процессе плавки.

Для подачи в рол-камеру таких материалов, как раскислители, ферросплавы, мик- родобавки и т.д. на подающей вставке 9 устанавливают специальные механизмы или по- дающие устройства.

Для подачи в рол-камеру больших объемов газа на подающей вставке 9 устанавли- вают фурму (фурмы).

В частных случаях использования для вовлечения в производство материалов, ко- торые не могут быть загружены в камеру через подающую вставку 9, используют загру- зочный люк 3, расположенный в центральной части камеры. Через люк вводят большие объемы расплава, крупный лом и так далее. Это позволяет расширить перечень использу- емых в рол-камере материалов и сократить время их загрузки.

Материалы, используемые в рол-камере, могут быть представлены расплавами, твердыми материалами и газовыми смесями. Продукты, образующиеся в рол-камере, представлены, в основном, расплавами и пылегазовыми смесями. Таким образом, полу- ченный в рол-камере продукт, можно повторно использовать как исходный материал в другой рол-камере. Это открывает широкие перспективы использования рол-камер в ме- таллургии, энергетике и производстве вяжущих для переработки вторичных материаль- ных и энергетических ресурсов (BMP и ВЭР).

Далее, упомянутые выше и другие достоинства рол-камеры будут проиллюстриро- ваны на примерах. Рассмотренные примеры не ограничивают возможности использования рол-камер.

Пример 1 Получение белого штейна (файнштейна) из сульфидных медно- никелевых руд и концентратов.

Поступающие на переработку медно-никелевые руды и концентраты готовят к плавке традиционным способом. В результате подготовки шихтовая смесь приобретает заданную крупность, влажность, постоянный состав по содержанию шлакообразующих элементов и оптимальное отношение металла к сере.

Для переработки используют рол-камеру (см Фиг. 1-3), футерованную кислыми ог- неупорами. Корпус 1 вращается вокруг горизонтальной оси 13 на опорных роликах. Вра- щение задают четыре, симметрично расположенных привода, работа которых синхрони- зируется гидромуфтами. Крутящий момент от привода к камере передается через два зуб- чатых колеса, симметрично расположенных относительно центра камеры 1 на цилиндри- ческих участках 7 (привод на чертежах не показан).

В рол-камере после предыдущего металлургического цикла остался конвертерный шлак 70% FeO, 5% (Cu+Ni) и 25% S1O2, который используют в начале плавки как жид- кую ванну. Через подающую вставку 9 в рол-камеру вводят подготовленную шихтовую смесь. Фракционный состав смеси (0-5)мм. Подачу материалов в рол-камеру производят пневмотранспортом, используя в качестве транспортирующей среды обогащенный кисло- родом воздух. Через щели 12 в рол-камеру тоже подают обогащенный кислородом воздух, но содержание кислорода в этой смеси регулируют таким образом, чтобы обеспечить за- данную скорость окисления сульфида железа, вносимого с шихтовой смесью. Окисление сульфида железа происходит как во взвешенном состоянии, когда шихтовая смесь попада- ет в камеру, так и в жидкой ванне, когда шихтовая смесь достигает расплава. Совместное регулирование расхода газа через щели 12, расхода шихтовой смеси через вставку 9 и дросселирование отходящей пылегазовой фазы затвором 19 позволяет создать в рол- камере небольшое избыточное давление, необходимое для нормальной работы уплотни- тельных манжет. Кроме этого, подача газовой смеси через щели 12 обеспечивает ком- фортный тепловой режим для работы манжеты и предотвращает попадание в щель ка- пель расплава из кипящей ванны.

Окисление сульфидов железа - основной экзотермический процесс плавки на штейн, а доставка кислорода в ванну - важнейший параметр тепловой балансировки про- цесса. Количество кислорода, поступающего в ванну, зависит от его содержания в газо- вой смеси, подаваемой через щели 12 и частоты вращения рол-камеры. В рассматривае- мом примере плавку на штейн проводят при частоте вращения камеры 20 об/мин.

После того как объем жидкой фазы (шлака и штейна) в рол-камере достигнет мак- симально допустимого значения, проводят мероприятия, направленные на разделение штейна от шлака. Удельный вес сульфидов и оксидов отличается незначительно, поэтому в известных способах производства [2] большое количество сульфидной взвеси удаляется из агрегата со шлаком. Плавка в рол-камере позволяет решить эту проблему. Разделение фаз при плавке на штейн проводят следующим образом. Сначала прекращают процесс окисления сульфида железа. С этой целью прерывают подачу шихтовой смеси в камеру и меняют окислительную атмосферу в ней на нейтральную. Для этого шлюзовой затвор 19 прикрывают, а через щели 12 в камеру подают инертный газ. Частоту вращения камеры увеличивают до 30 об/мин. В результате интенсивного перемешивания сульфидной и ок- сидной фазы происходит переход взвеси из шлака в штейн. Перед выпуском шлака вра- щение камеры прекращают и выдерживают несколько минут, чтобы фазы разошлись по слоям.

Для выпуска шлака выпускное отверстие шиберного затвора 4 вращением камеры 1 устанавливают выше уровня штейна и выпускают находящийся в плавильной камере шлак. После выпуска шлака плавку на штейн повторяют несколько раз, до тех пор, пока не наберут заданный объем штейна в камеру. Состав полученного штейна 1 1% Ni, 9% Си, 55%Fe и 25%S. Выпущенный из рол-камеры шлак поступает в миксер, где его состав усредняют. Результирующий состав шлака в миксере 60%FeO, 22%SiC> ₂ , 15% AI ₂ O ₃ , 3%СаО. В ожидании дальнейшей переработки (см. Пример 2) контролируют температуру шлакового расплава 1450°С и, если необходимо, корректируют содержание извести, что- бы обеспечить требуемую вязкость.

После выпуска избыточного шлака приступают к конвертации полученного штей- на. Для этого шлюзовой затвор 19 открывают. Через щели 12 в камеру подают обогагцен- ный кислородом воздух. Через подающую вставку 9 вводят кремневку. Частота вращения камеры - 20 об/мин. О ходе процесса окисления сульфида железа судят по содержанию свободного кислорода в отходящей газовой фазе. По мере необходимости, на всех этапах плавки берут пробы штейна и шлака. Перед выпуском файнштейна проводят разделение фаз. Процедура разделения фаз описана выше. Оставшийся в рол-камере конвертерный шлак переходит на следующий металлургический цикл, а файнштейн направляют на дальнейшую переработку для отделения меди от никеля.

Пример 2 Получение стали.

Для получения стали используют рол-камеру (см Фиг. 1-3). Камера футерована ос- новными огнеупорами. Привод камеры как в примере 1.

В рол-камере после предыдущего металлургического цикла остается оборотный шлак. Состав оборотного шлака: 0.1% FeO, 8.9%Si0 ₂ , 21.4%А1 ₂ 0з, 68,3%СаО. Перед началом восстановительного этапа плавки через загрузочный люк 3 в рол-камеру залива- ют шлаковый расплав из миксера (см.Пример 1) и загружают известь. Расход шлакового расплава и извести регулируют таким образом, чтобы основность реакционной среды пе- ред началом плавки была положительной. В рассматриваемом примере восстановитель- ную плавку проводят при повышенной основности В=2.2. Это позволяет перевести в шлак серу, поступившую с сульфидной плавки. В процессе плавки в исходный расплав вводят шихтовые материалы. В состав шихтовых материалов входят железосодержащее сырье, восстановитель и флюс. В качестве железосодержащего материала (кроме шлака с плавки на штейн) в рассматриваемом примере используют смесь, состоящую из 80% же- лезной руды - Fe _06m =58% и 20% прокатной окалины - Fe ₀₆ m=71%. В качестве восстанови- теля используют уголь марки «Т», а в качестве флюса - известь. Фракционный состав шихтовых материалов (0-5)мм. Шихтовую смесь подают в рол-камеру пневмотранспор- том. В качестве транспортирующей среды используют кислородсодержащее дутье. Расход шихтовых материалов регулируют таким образом, чтобы пена на поверхности ванны не переходила в брызговой режим, а равномерно покрывала все зеркало расплава.

Для поддержания теплового баланса в рол-камере часть образующихся газов дожи- гают над ванной. Для этого через щели 12 вводят технический кислород. Таким образом, источником тепла в рол-камере на восстановительном этапе плавки является зона дожига- ния, а футеровка доставляет тепло в расплав.

Отходящую из рол-камеры пылегазовую смесь с температурой 1615°С и степенью дожигания по углеродным компонентам - 45% отводят в котел-утилизатор для полного дожигания.

Совместное регулирование расхода газа через щели 12, расхода шихтовой смеси через вставку 9 и дросселирование отходящей пылегазовой фазы затвором 19 позволяет создать в рол-камере небольшое избыточное давление, необходимое для нормальной ра- боты уплотнительных манжет. Кроме этого, подача газовой смеси через щели 12 обеспе- чивает комфортный тепловой режим для работы манжеты и предотвращает попадание на неё капель расплава из кипящей ванны. Частота вращения камеры на восстановительном этапе плавки - 15 об/мин.

Когда объем расплава в рол-камере достигнет максимально допустимого значе- ния, подачу шихтовых материалов в камеру прекращают. После затухания восстанови- тельных процессов в ванне, вращение камеры прекращают. После 10 минутного отстаи- вания ванны производят выпуск шлака. Для этого, выпускное отверстие шиберного затво- ра вращением камеры устанавливают выше уровня металла и выпускают избыточный шлак. Чтобы ускорить истечение шлак из камеры, шлюзовой затвор 19 закрывают и в ка- меру через щели 12 под давлением подают аргон. После выпуска избыточного шлака вос- становительную плавку повторяют до тех пор, пока не наберут заданный объём чугуна. В рассматриваемом примере восстановительную плавку повторяют 5 раз. Выпущенный из рол-камеры избыточный шлак направляют в миксер. Шлак, образующийся в процессе жидкофазного восстановления чугуна, имеет следующий состав: 0.1% FeO, 28.4%SiC> ₂ , 8.4%А1 ₂ 0З, 62.6%СаО. Чугун, полученный в процессе жидкофазного восстановления, пе- реходит на окислительный этап плавки. Состав чугуна: 4.49%С, 0.04%Mn, 0.03%Si, 0.01%S, 0.04Р.

В начале окислительного этапа плавки проводят удаление из металла фосфора по- средством продувки расплава кислородом. Кислород подают в рол-камеру через фурму, которая находится в подающей вставке 9. Чтобы снизить образрвание бурого дыма, в струю кислорода вводят известь. В результате продувки и интенсивного перемешивания жидкой фазы в рол-камере образуется шлак с основностью В=2.3, в который из металла переходят удаляемые примеси. Поскольку в результате окислительного рафинирования выделяется значительное количество тепла, дожигание отходящих из ванны газов не про- изводят. Степень дожигания СО в отходящем газе - 1.52%, а температура газовой смеси - 1630°С. Рафинирование металла от примесей заканчивают выпуском шлака, содержащего фосфор. Состав основных компонентов шлака: 10.5% FeO, 24.7%Si0 ₂ , 6.3%А1 ₂ 0з, 56.8%СаО.

Далее из металла удаляют избыточный углерод и готовят шлак для раскисления- легирования. Вначале окисление углерода проводят дутьем через фурму. Чтобы использо- вать образующееся в ванне тепло, параллельно вводят шлакообразующие компоненты, а именно: известь и боксит. Боксит содержит AI ₂ O ₃ - разжижающий компонент в раскис- ленном шлаке. Основность шлака на этом этапе В=6.6, а отношение В/А1 ₂ Оз=0.27. Кроме этого, в шлак вносят материалы, которые будут восстанавливаться на этапе раскисления- легирования. В рассматриваемом примере для прямого легирования вносят марганцевую руду. После того как в ванну подано заданное количество дутья, его подачу прекращают, а окисление углерода продолжают за счет восстановления оксидов железа, содержащихся в шлаке. Для поддержания теплового баланса производят частичное дожигание отходя- щих из ванны горючих газов. Для этого в зону дожигания через щели подают кислородсо- держащее дутье. Пылегазовая смесь, отходящая на этом этапе плавки, имеет температуру 1680°С. Степень дожигания углеродных компонентов в газовой фазе - 27.0%.

Заключительный период окислительного этапа плавки объединяет частные техно- логические процессы, связанные с раскислением и легированием стали. Шлюзовой затвор 19 закрывают, а вакуумный затвор 20 открывают, соединяя рол-камеру с пароэжекторным вакуумным насосом (см.Фиг 5-6). Частота вращения камеры в процессе вакуумирования - 10 об/мин. При этом происходит удаление из стали всего водорода и, частично, азота и кислорода. После выхода на заданное остаточное давление бОПа вакуумный затвор закры- вают. При разряжении (снижении парциального давления СО) в плавильной камере со- здаются условия для восстановления из шлака марганцевой руды и вакуумно-углеродного раскисления стали. Чтобы уменьшить испарение металла, плавильную камеру заполняют аргоном. Для этого вакуумный затвор 20 закрывают, шлюзовой затвор 19 приоткрывают, а через щели 12 в рол-камеру подают аргон. Для окончательного раскисления и легирова- ния в ванну через подающую вставку 9 вводят раскислители: ферросилиций и алюминий. Чтобы пополнить приходную часть теплового баланса и разогреть металл до заданной температуры, в зону дожигания, используя горелки (на чертеже показаны, но позицией не обозначены) подают природный газ, уже смешанный с кислородом. После раскисления- легирования в рол-камере остается сталь и раскислинный глиноземистый шлак. Состав стали: 0.085%С, 0.5%Mn, 0.3%Si, 0.006%S, 0.008%Р (ст 08 ГОСТ1050-2013). Состав шла- ка: 0.01% FeO, 9.8%SiC> ₂ , 24.5%А1гОз, 64.3%СаО. Чтобы шлак при выпуске не попал в сталь, производят его загущение. Для этого во вращающуюся рол-камеру через подаю- щую вставку 9 подают известь. Известь подают пневмотранспортом. В качестве транспор- та используют аргон. При перемешивании шлак густеет, и металл выпускают в ковш, а загущенный шлак переходит на следующую плавку.

Шлак, выпущенный из рол-камеры на всех этапах плавки стали поступает в миксер для усреднения его состава. Состав усредненного шлака после миксера: 0.9% FeO, 25.8%Si0 ₂ , 9.3%А1 0З, 62.3%СаО. Полученный шлаковый расплав используют в примере 3 для получения портландцементного клинкера. Пример 3 Производство портландцементного клинкера.

Для производства портландцемента используют рол-камеру (см Фиг. 1-3). Камера футеро- вана основными огнеупорами. Привод камеры как в примере 1. Под рол-камерой распола- гают клинкерный холодильник для ускоренного воздушного охлаждения получаемого клинкера.

Температура футеровки рол-камеры перед загрузкой материала -1300°С. Сначала во вращающуюся камеру через подающую вставку 9 вводят корректирующие добавки (известь и железную руду). В результате вращения камеры происходит разогрев материла. Далее через загрузочный люк 3 заливают порцию шлака из миксера (см.Пример2). Для активизации процесса алитообразования сырьевую смесь в рол-камере подогревают. С этой целью в камеру через подающую вставку 9 вводят уголь, а через боковые щели 12 кислородно- воздушную смесь. В результате сжигания топлива и образования клинкерных минералов температура сырьевой смеси поднимается до 1433°С. Синтез элита и белита продолжается около 30 минут. По истечении этого времени температура сырьевой смеси в камере начинает снижаться. Для начала синтеза легкоплавких минералов смесь охлажда- ют. С этой целью в камеру через подающую вставку 9 вводят известняк. В результате эн- дотермической реакции декарбонизации температура смеси снижается до 1292°С. Выпуск клинкера в холодильник производят, когда в камере остается около 3% жидкой фазы. Для выгрузки открывают загрузочный люк 3, поворачивают камеру люком вниз и, раскачивая рол-камеру, выпускают клинкерные шары в холодильник. После ускоренного охлаждения портландцементный клинкер с модульными характеристиками: КН=0.91, п=2.01, р=2.33 отправляют на склад.

Пример 4 Переработка отходов угольной ТЭС с получением стального полупро- дукта и портландцементного клинкера.

В качестве топлива на угольной ТЭС используют бурый уголь, добываемый на Бе- резовском месторождении Канско-Ачинского угольного бассейна. Сжигание угля произ- водят в котлах с жидким шлакоудалением, на которых предусмотрены накопители, позво- ляюхцие организовать периодический выпуск шлакового расплава. Температура шлаково- го расплава - 1500°С. Состав шлака: 9.2% FeO, 30.6%SiC> ₂ , 11.2%А1 ₂ 0з, 42.8%СаО, 4.6%MgO. Кроме шлака в системе пылеочистки ТЭС образуется зола-унос. Температура золы - 26°С. Состав золы: 3.6% FeO, 12.0%SiO ₂ , 4.4%А1 ₂ 0 ₃ , 16.8%СаО, 2.4%MgO, 52.8%С.

Для переработки отходов угольной ТЭС используют рол-камеру (см Фиг. 1-3). Ка- мера футерована основными огнеупорами. Привод камеры как в примере 1. Под рол- камерой располагают клинкерный холодильник для ускоренного воздушного охлаждения клинкера.

В рассматриваемом примере в рол-камере последовательно проводят жидкофазное восстановление чугуна, окислительное рафинирование стали и получение портландце- ментного клинкера.

Поступающий с ТЭС расплав шлака заливают в рол-камеру через загрузочный люк 3. Через подающую вставку 9 во вращающуюся камеру пневмотранспортом подают ших- товые материалы. В состав шихтовых материалов входит зола-унос, уголь, железная руда, пыль из системы воздухоочистки рол-камеры и известь. Расход шихтовых материалов ре- гулируют таким образом, чтобы пена на поверхности ванны не переходила в брызговой режим, а равномерно покрывала все зеркало расплава. Восстановительную плавку про- должают до тех пор, пока не наберут заданный объём расплава в камеру.

Тепловую балансировку процесса проводят посредством дожигания образующихся в ванне горючих газов. Для этого в камеру через щели 12 вводят кислородсодержащее ду- тье. Состав шихтовой смеси и расход кислорода в дутье регулируют таким образом, чтобы степень дожигания СО в отходящей газовой смеси была 99.9%.

Пылегазовая смесь с температурой 1655°С поступает в водогрейный котел, а затем - в систему аспирации. Извлеченную из отходящих газов пыль используют при формиро- вании шихтовой смеси.

Для удаления из чугуна вредных примесей и избыточного углерода в зону дожига- ния через щели 12 подают кислородсодержащее дутье. Часть дутья в результате вращения камеры лифтерами и неровностями футеровки доставляется через слой шлака в металл, а оставшаяся часть участвует в окислении отходящего из ванны СО. Частота вращения рол- камеры на этом этапе плавке - 30 об/мин. Чтобы повысить основность шлака, в расплав вводят известь. В результате окислительного рафинирования получают стальной полу- продукт и шлак. Состав полупродукта: С=1.0%, 0.02%S, 0.02%Р. Состав шлака: 0.4% FeO, 25.3%Si0 ₂ , 8.5%А1гОз, 60.6%СаО. Температура жидких продуктов плавки - 1530°С. Температура пылегазовой смеси на выходе из камеры - 1690°С. Степень дожигания СО в отходящей газовой смеси - 99.9%.

Выпуск продуктов плавки производят через клинкерный холодильник. Для этого в клинкерном холодильнике открывают загрузочный люк, разводят газораспределительные решетки и открывают выпускное отверстие. Затем поворотом рол-камеры шиберный за- твор 4 устанавливают в нижнее положение и выпускают весь металл и, если это необхо- димо, то и часть шлака. Сталь после раскисления в ковше отправляют для дальнейшей пе- реработки, а шлак отправляют на грануляцию с получением в качестве целевого продукта активной минеральной добавки для цемента.

После выпуска жидких продуктов плавки в рол-камере остается шлак, который пе- рерабатывают в клинкер. Температура шлакового расплава -1530°С. Во вращающуюся рол-камеру через подающую вставку 9 вводят корректирующие добавки: известь и желез- ную руду. Учитывая высокую температуру исходного расплава, сырьевую смесь не подо- гревают. В результате внесения корректирующих добавок температура сырьевой смеси снижается до 1483°С. Синтез элита и белита продолжается около 30 минут. Для начала синтеза легкоплавких минералов смесь охлаждают. С этой целью в камеру вводят извест- няк. В результате эндотермической реакции декарбонизации температура смеси снижает- ся до 1292°С. Выпуск клинкера в холодильник производят, когда в камере остается около 3% жидкой фазы. Для выгрузки клинкера открывают загрузочный люк, поворачивают ка- меру люком вниз и, раскачивая камеру, выпускают материал в холодильник на газорас- пределительную решетку. После ускоренного охлаждения в холодильнике портландце- ментный клинкер с модульными характеристиками: КН=0.91, п=2.15, р=2.35 отправляют на склад

Литература:

1. Процесс Ромелт / Под ред. В.А.Роменца - М.: «МИСиС». Изд. «Руда и Металлы», 2005.- 400с.

2.Плавка в жидкой ванне / Под ред. А.В.Ванюкова - М.: «Металлургия», 1988. - 208с.

3.Кожевников И.Ю. Бескоксовая металлургия железа. - М.: «Металлургия», 1970. 336с.

4.Кудрин В.А. Металлургия стали: учебник для вузов. 2-е изд., переработ. и доп. - М: «Металлургия», 1989, - 560с.