Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для получения стали

Изобретение относится к устройствам для получения стали и может быть использовано в металлургии.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату, принятому за прототип, является устройство для получения стали по патенту РФ №2425153 на изобретение, использование которого позволяет получать сталь в непрерывном режиме из термитной смеси.

Устройство-прототип содержит бункер для термитной смеси, соединенный с ним дозатор, снабженный шнеком, установленным внутри дозатора; шнек снабжен огнеупорным мундштуком с конусностью 0,5-15º для непрерывного прессования стержня из термитной смеси, прикрепленным к нижней части дозатора; реакционную камеру, в которой выполнены летки для скачивания шлака и металла, расположенные на разных уровнях, съемную крышку с отверстием, при этом дозатор размещен в отверстии съемной крышки, а нижний край огнеупорного мундштука расположен ниже уровня летки для скачивания шлака.

На первом этапе термитная смесь, состоящая из окалины, алюминиевой крупки, модификаторов и наполнителя (например, стружка из черного сплава) подготавливается (измельчается и перемешивается), загружается в виде порошка в реакционную камеру, активируется поджиганием запала, после чего осуществляется восстановительная реакция с образованием жидкого металла и шлака. Процесс восстановления стали протекает в реакционной камере при температурах более 2700ºС по известным реакциям.

Далее термитная смесь в виде прессованного стержня подается в непрерывном режиме в реакционную камеру под слой расплавленного шлака. Термитный стержень формируется экструзией дозатором, снабженным шнеком, установленным внутри дозатора, и огнеупорным мундштуком с конусностью 0,5-15º. Производительность процесса получения стали в прототипе определяется скоростью подачи термитного стержня, получаемого экструзией, в реакционную камеру, где прогреваются компоненты смеси, из которых формируется термитный стержень.

В прототипе регулирование скорости формирования и подачи термитного стержня не представляется возможным, т.к. его плотность находится в прямой зависимости от скорости экструзии термитной смеси, находящейся в очень узком диапазоне варьирования, и площади контакта компонентов термитной смеси. Велика вероятность разрушения стержня, в силу изменения скорости экструзии термитной смеси, приводящая к его диспергированию и, как следствие, неоправданной потере компонентов термитной смеси, окислению и переходу в шлаковую фазу алюминия, наполнителя и модификаторов. При такой скорости подачи термитного стержня восстановленный металл затвердевает, частично окисляется, не успевая скачиваться в изложницу. При высоких температурах процесса восстановления стали в реакционной камере огнеупорный мундштук изнашивается от трения с термитным стержнем и выгорает от взаимодействия с агрессивной средой – расплавами металла и шлака, что требует его частой замены и остановки устройства. Остановка устройства приводит к затвердеванию расплавов шлака и металла во внутренней полости огнеупорного мундштука дозатора, блокируя подачу термитной смеси в реакционную камеру при возобновлении технологического процесса, т.е. требует трудовых затрат на его ремонт и восстановление.

Процесс восстановления стали осуществляется с выделением тепла. Часть этого тепла нагревает компоненты термитной смеси в реакционной камере, обеспечивая протекание процесса восстановления стали, а оставшаяся – выбрасывается в окружающее пространство. Конструкция прототипа не позволяет использовать тепло, выделяемое в процессе восстановления стали, для предварительного подогрева компонентов термитной смеси, что могло бы повысить производительность устройства.

Недостатком прототипа является его недостаточная производительность для получения стали из термитной смеси.

Задачей изобретения является повышение производительности устройства для получения стали из термитной смеси.

Техническим результатом изобретения является повышение производительности устройства для получения стали из термитной смеси.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве для получения стали, содержащем бункер для термитной смеси, соединенный с дозатором, внутри которого установлен шнек, дозатор установлен в отверстии съемной крышки реакционной камеры, в камере выполнены летки для скачивания шлака и металла, предусмотрены следующие отличия: устройство дополнительно снабжено газоотводной камерой, которая герметично присоединена к крышке с отверстием и к внешней поверхности дозатора, газоотводная камера снабжена задвижкой, шнек выполнен полым, к нему подсоединен газоотводной патрубок, который снабжен задвижкой.

Новым в заявленном устройстве является то, что

- устройство дополнительно снабжено газоотводной камерой,

-- которая герметично присоединена к крышке с отверстием

--- и к внешней поверхности дозатора,

---- газоотводная камера снабжена задвижкой;

- шнек выполнен полым,

-- к шнеку подсоединен газоотводной патрубок,

--- газоотводной патрубок снабжен задвижкой.

Совокупность известных и новых признаков устройства позволяет достичь технического результата. Благодаря тому, что устройство снабжено газоотводной камерой, которая герметично присоединена к крышке с отверстием и к внешней поверхности дозатора и газоотводная камера сообщается с полостью реакционной камеры, а также газоотводная камера снабжена задвижкой, появляется возможность направлять горячие газы, выделяющиеся при экзотермическом установившемся процессе восстановления стали, вдоль внешней стенки дозатора, нагревая ее и тем самым нагревая термитную смесь, подаваемую шнеком. Благодаря тому, что шнек выполнен полым и к нему подсоединен газоотводной патрубок, снабженный задвижкой, появляется возможность пропускать горячие газы из реакционной камеры через полость шнека и разогревать транспортируемую шнеком термитную смесь. Задвижками, установленными в газоотводной камере и газоотводном патрубке, соединенным с полым шнеком, регулируется скорость потока, выделившихся в результате экзотермической реакции газов и их давление, что позволяет регулировать интенсивность и температуру нагрева термитной смеси в дозаторе. При прогреве термитной смеси из нее удаляется свободная и химически связанная влага, выгорают органические загрязнители (СОЖ, масла) и происходит довершение окислительных процессов в окалине, что в совокупности обеспечивает увеличение количества выделяемой теплоты, стабильность прохождения экзотермических процессов восстановления стали, т.е. без интенсивного кипения, взрывов и выбросов. Достижением термитной смесью температуры плавления алюминия (t_пл. = 660ºС) и выше обеспечивается: связывание компонентов термитной смеси; пропитывание окалины и плакирование модификаторов, что максимально увеличивает поверхность контакта реагентов и уменьшает их трение о поверхности шнекового дозатора; увеличение температуры экзотермических реакций. При выходе термитной смеси из шнекового дозатора в атмосферу реакционной камеры образуются связанные расплавом алюминия пластичные комья, не рассыпающиеся, а деформирующиеся при ударе о восстановленный расплав или шлаковую корку. Это обеспечивает более полное прохождение химических реакций с максимально возможным массовым выходом стали и снижение расхода восстановителя (алюминия). Управление давлением атмосферы в реакционной камере обеспечивает поддержание уровня расплава шлака, а также интенсивность его скачивания и выпуска стали.

Предлагаемое устройство благодаря прогреву термитной смеси в дозаторе за счет использования тепла, выделяющегося при восстановлении стали, позволяет: увеличить массовый выход стали свыше расчетных значений до 72% от массы термитной смеси за счет дополнительного введения в смесь до 50% наполнителя (по экспериментальным данным); увеличить скорость процесса производства в 1,5 раза, включая скачивание шлака и выпуск стали; снизить расход алюминия в термитной смеси на 25-40%; за счет снижения трения термитной смеси о поверхности шнекового дозатора и увеличения скорости подачи термитной смеси в реакционную камеру снизить потребляемую мощность электродвигателя привода шнека.

Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняется чертежом, на котором представлено устройство для получения стали из термитной смеси. Устройство содержит бункер 1 для термитной смеси, привод, содержащий электродвигатель 2 и редуктор 3, реакционную камеру 4 сферической формы, в которой выполнены летка 5 для скачивания шлака и летка 6 для скачивания стали, расположенные на разных уровнях; съемную крышку 7 с отверстием 8, в котором установлен дозатор 9, соединенный с бункером 1. В дозаторе 9 установлен полый шнек 10, внутренняя полость шнека 10 соединена с газоотводным патрубком 11, в котором установлена задвижка 12. Устройство снабжено газоотводной камерой 13, которая через патрубок 14 герметично присоединена к крышке 7 с отверстием 8, благодаря чему соединяется с полостью 15 реакционной камеры 4. Также газоотводная камера 13 присоединена к внешней поверхности дозатора 9 и снабжена задвижкой 16.

Устройство работает следующим образом. Подготавливают термитную смесь, состоящую из алюминиевого порошка, наполнителя, окалины и модификаторов. В качестве модификатора может быть использован, например, для получения стали, соответствующей по химическому составу Ст45, порошок ферросилиция ФС-45 фракции 0,5 мм с содержанием кремния 44% и остальных элементов не более: S=0,02%, Р=0,05%, Al=2%, Mn=0,6%, Cr=0,5%, C=0,2%, а наполнитель – стружка из черного сплава (до 50% от массы термитной смеси).

Термитная смесь из бункера 1 поступает на шнек 10 дозатора 9. Шнек 10 приводится во вращение электродвигателем 2 через редуктор 3. Термитная смесь по зазору между шнеком 10 и внутренней стенкой дозатора 9 уплотняясь, заполняет до необходимого объема реакционную камеру 4. Уплотненные комья из термитной смеси в реакционной камере 4 воспламеняют с помощью запала.

На первой стадии процесс восстановления стали протекает в реакционной камере 4 и проходит по известным реакциям.

В процессе непрерывной подачи комьев термитной смеси и прохождения экзотермической реакции образуется расплав шлака, который всплывает в полном объеме на поверхность восстановленного металла и горячий газ. Шлак непрерывно скачивается из реакционной камеры 4 через летку 5, а металл – через летку 6. Горячий газ выводится через полый шнек 10 и газоотводную камеру 13, сообщающуюся с полостью 15 реакционной камеры 4 через патрубок 14, герметично сопряженный со съемной крышкой 7 с отверстием 8, нагревая термитную смесь через стенки дозатора 9 и полого шнека 10. Интенсивность нагрева термитной смеси осуществляется управлением давления и, как следствие, скоростью прохождения разогретого газа по полому шнеку 10 и газоотводной камере 13 посредством задвижек 12 и 16. Открытие задвижки 12 и задвижки 16 обеспечивает увеличение скорости потока разогретого газа, уменьшение давления и снижение интенсивности передачи тепла термитной смеси, а закрытие – наоборот.

Расплавление восстановителя - порошка алюминиевого сплава, позволяет повысить интенсивность прохождения процесса восстановления стали, регулировать скорость подачи уплотненного состава термитной смеси регулированием скорости вращения шнека 10 приводом 3 с электродвигателем 2. При прекращении вращения шнека 10, в случае необходимости, восстановительный процесс прекращается. Возобновлением вращения шнека 10 осуществляется подача термитной смеси в полость 15 реакционной камеры 4 и процесс продолжается. Достижением давления горячего газа в полости 15 реакционной камеры 4, выделяющегося в результате прохождения термодинамического процесса, рабочих значений обеспечивается возможность регулирования толщины расплава шлака, увеличение скорости его скачивания и слива жидкого металла. Заявленное техническое решение позволяет повысить производительность устройства для получения стали из термитной смеси.