Результат интеллектуальной деятельности: ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ФЕРРОСПЛАВОВ, ЛИГАТУР И БЕСКИСЛОРОДНЫХ ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ МЕТАЛЛУРГИИ

Изобретение относится к металлургии и касается технологической линии для производства композиционных ферросплавов и лигатур, а также бескислородных огнеупорных материалов на основе нитридов, боридов, силицидов и других соединений для металлургического производства.

В современной металлургии широко используют различные материалы, содержащие бескислородные соединения, в частности ферросплавы, лигатуры, огнеупоры, керамику и т.д. В отличие от природных оксидных материалов все такие соединения синтетические. Для их получения применяют печную технологию (Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. - М.: Металлургия. 1988. 784 с.). Однако качество печных материалов не в полной мере удовлетворяет металлургов. Синтез в печах сопровождается расходом большого количества электро- и тепловой энергии.

Альтернативой печному синтезу композиций на основе бескислородных соединений является технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). СВС или синтез горением, является уникальным с точки зрения энергоэффективности. Возможность одновременного воздействия высоких температур и давлений позволяют придавать синтезируемым материалам новые качества. Среди привлекательных сторон СВС метода отметим его скоротечность и высокую производительность. СВС технологии разработаны для многих отраслей промышленности (Мержанов А.Г. Твердопламенное горение. - Черноголовка: ИСМАН. 2000. - 224 с.), однако специализированные технологические линии для промышленного получения таких материалов до настоящего времени практически отсутствуют.

В работе А.А. Филиппенкова, Ю.А. Дерябина и Л.А. Смирнова «Эффективные технологии легирования стали ванадием» (Екатеринбург: УрО РАН, 2001. - 211 с.) представлена технологическая линия для получения азотированного феррованадия методом СВС, содержащая конусно-инерционную дробилку, импульсный пневматический измельчитель, ротационный пылеотделитель, воздушно-центробежный классификатор, пневматический циркуляционный смеситель и реактор СВС. Схема производства включает следующие операции:

- измельчение феррованадия (и отсева от производства стандартного феррованадия) до порошковых фракций заданной крупности;

- установку тигля с порошком измельченного феррованадия в реактор СВС;

- установку зажигающего (инициирующего) устройства; герметизацию реактора, продувку и заполнение рабочего объема азотом;

- зажигание шихтовой смеси;

- азотирование сплава в самораспространяющемся режиме горения;

- охлаждение готового продукта;

- сброс давления из реактора и разгерметизацию рабочего объема реактора;

- выгрузку готового продукта.

Продуктом является плавленый азотированный феррованадий плотностью от 5,3 до 6,4 г/см3 и содержанием азота от 2 до 12%. Главным недостатком данной линии является отсутствие технологической возможности производства безазотистых композиций ферросплавов, лигатур и других бескислородных соединений. Кроме того, отсутствует возможность сушки исходной шихты (при повышенной влажности исходных компонентов) для успешной реализации СВС процесса. Также отсутствует система измельчения и фракционирования полученных спеков, что необходимо для последующего использования готового продукта при выплавке стали и другого применения.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является «Технологическая линия азотирования металлов и ферросплавов» (Патент РФ №48536 от 13.01.2005, МПК С22С 33/00, 33/04, опубл. 27.10.2005 Бюл. №30 - прототип), включающая установку азотирования, оборудованную реактором СВС с запальником, реакторным контейнером (выполненным с возможностью размещения в реакторе установки азотирования) и контрольно-измерительными приборами, подключенную к системам азотоснабжения и охлаждения реакторов, при этом линия оборудована поворотным и разделочным столами с размещенным между ними подъемно-транспортным механизмом, образующими линии загрузки и выгрузки реакторных контейнеров, установкой азотирования выполненной многореакторной и складом сырья и готовой продукции, технологически связанного с многореакторной установкой азотирования посредством линий загрузки и выгрузки реакторных контейнеров, при этом подъемно-транспортный механизм установлен с возможностью обслуживания реакторов, поворотного и разделочного столов, а также склада сырья и готовой продукции. Недостатком прототипа является отсутствие возможности проведения синтеза в вакууме и в среде технологических газов, что необходимо для получения безазотистых композиций, например, материалов на основе боридов, карбидов, силицидов. Также, отсутствует участок приготовления шихтовых смесей, без которого получение СВС способом ряда нитридов и других соединений просто невозможно. Наряду с аналогом технологическая линия-прототип не содержит участок измельчения спеков, что необходимо для использования готового продукта в виде порошков или кусков различного фракционного состава.

Задача, решаемая заявляемым изобретением - создание универсальной технологической линии, которая позволяла бы получать в промышленных масштабах широкую номенклатуру композиционных ферросплавов, лигатур и бескислородных огнеупорных материалов для черной и цветной металлургии.

Поставленная задача решается тем, что предлагается технологическая линия для производства композиционных ферросплавов, лигатур и бескислородных огнеупорных материалов для металлургии, включающая склад сырья, участок синтеза с технологическими установками в виде СВС реакторов, оборудованных запальными устройствами и подключенных к системам азотоснабжения и охлаждения, участок разделки тиглей и склад готовой продукции. При этом заявляемая линия дополнительно включает системы вакуумирования и снабжения СВС реакторов различными технологическими газами; участок шихтоподготовки, оборудованный взаимосвязанными системами приготовления шихтовых смесей с их одновременной вакуумной сушкой и загрузки тиглей шихтой для осуществления синтеза; участок дробления, помола и фракционирования спеков готовой продукции.

При этом изобретение дополнительно характеризуется тем, что:

- система газоснабжения реакторов позволяет проводить процесс синтеза в среде различных технологических газов: азота, аргона, углекислоты, гелия и др. с избыточным давлением от 0,0001 до 15 МПа, а также смесей указанных газов;

- система азотоснабжения включает станцию продуктов разделения воздуха с возможностью производства газообразного азота чистотой от 99,0 до 99,999%, а также систему подогрева газообразного азота от 25 до 1000°С перед подачей в реактора с целью синтеза азотсодержащих соединений и сплавов с невысокой энтальпией образования.

- система вакуумирования реакторов оборудована таким образом, что позволяет проводить процесс синтеза в вакууме глубиной от 0,0001 до 0,1 МПа с целью удаления вредных примесей и приданию синтезируемому продукту свойств, недостижимых при других условиях.

- участок шихтоподготовки оборудован как минимум одним лопастным смесителем, оснащенным обогреваемой рубашкой, что позволяет приготавливать однородные смеси исходных компонентов и осуществлять их одновременную сушку;

- участок шихтоподготовки оборудован как минимум одним устройством вакуумной загрузки тиглей в виде вращающегося барабана по револьверному принципу, обеспечивающим скоростное заполнение реакторных тиглей шихтой требуемой плотности (пористости) и удаление абсорбционных газов;

- участок дробления, помола и фракционирования спеков включает комплекс единиц оборудования (каскадно-гравитационный классификатор, конусно-инерционная дробилка, шаровая мельница, вибрационная мельница, щековая дробилка, грохот, сито вибрационное, струйная мельница и ударно-центробежная мельница), которое позволяет получать готовый продукт различного фракционного состава.

Новая технологическая линия позволяет получать композиционные ферросплавы различного состава: нитриды ферросилиция, феррохрома, феррованадия, силикомарганца, силикокальция, ванадия-алюминия, марганца металлического, борид ферротитана, ферросилицид титана, борид феррониобия, нитрокарбид кремния, сульфид ферромарганца и другие, а также лигатуры для выплавки цветных металлов и сплавов: алюминий-титан-бор, алюминий-ванадий, алюминий-медь-никель, титан-бор-углерод и других, бескислородные огнеупорные материалы на основе тугоплавких соединений алюминия, титана, кремния, магния, хрома и других металлов: TiB₂, AlB₂, AlN, Ti₅Si₃, CrN, AlB₁₀, MgB₁₂, Si₃N₄ и др.

Работа технологичной линии строится следующим образом (Фиг. 1): шихтовые материалы поступают на склад сырья 1, откуда после проверки качества подаются на участок шихтоподготовки 2, где производится дозировка и вакуумная загрузка компонентов в лопастной смеситель 2б, в котором осуществляется приготовление шихтовой смеси заданного состава и одновременная сушка компонентов (рубашка смесителя заполнена этиленгликолем и способна разогреваться до температуры 120°С). Готовая смесь по трубопроводу 2в поступает в устройство загрузки 2а и закачивается в тигли посредством вакуума. После чего тигли с шихтой передаются на участок синтеза 3 и устанавливаются в реактора 3а, после чего производится установка запального устройства и герметизация. Запускается система охлаждения реакторов 3б, и в зависимости от типа получаемого продукта в реактор подается соответствующий технологический газ (или смесь газов) от системы газоснабжения 3в или создается вакуум при помощи системы вакуумирования 3г. В случае синтеза азотсодержащих лигатур и сплавов в реактор закачивается азот от системы азотоснабжения 3д (оборудованной станцией продуктов разделения воздуха), который может дополнительно подогреваться в системе нагрева 3е. По окончанию синтеза реактор разгерметизируется, демонтируется запальное устройство, извлекается тигель со спеком и передается на участок 4, где производится механизированная разделка тигля с последующей передачей спеков на участок дробления, помола и фракционирования 5. После измельчения и фракционирования готовый продукт упаковывается и передается на склад готовой продукции 6.