СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ДУГОВОЙ ПЕЧИ
METHOD OF STEEL MAKING IN ARC-TYPE FURNACE

Областью применения изобретения является металлургия, а именно электрометаллургия стали, в которой основой является непрерывная подача металлизованных окатышей в ванну дуговой сталеплавильной печи [Меркер Э.Э. и др. Патент РФ на изобретение №2385952 от 10.04.2010; бюл. №19].
Известен также способ электроплавки стали на основе применения непрерывной загрузки металлизованных окатышей в ванну дуговой печи через осевые отверстия в графитовых электродах [Меркер Э.Э. и др. Патент РФ на изобретение №2360009 от 27.06.20109; бюл. №18].
В известных процессах электроплавки стали графитовые электроды, погруженные в шлаковый расплав, окисляются, что снижает их стойкость и ухудшает технико-экономические показатели плавки в целом. Кроме того, окисляется также и боковая поверхность электрода вследствие выгорания электрода в окислительной атмосфере печи. Это обстоятельство является существенным недостатком всех известных способов электроплавки стали.
Задачей изобретения является создание восстановительной (инертной) атмосферы в пространстве под электродами печи, т.е. в той части шлаковой ванны дуговой печи, где находятся в работе графитовые электроды. Это позволяет уменьшить воздействие окислительной атмосферы на снижение стойкости графитовых электродов путем подачи металлизованных окатышей, графитсодержащих материалов, восстановительных (инертных) газов через осевые отверстия электродов в ванну печи. Например, в качестве защитных восстановительных газов используют природный газ или углеродсодержащие материалы [Кузин С.А. и др. Патент РФ на изобретение №94026565 от 27.06.1996; или Стадничук А.В. и др. Патент РФ на изобретение №2218676 от 10.12.2003].
Однако, несмотря на достигнутую экономию графитовых материалов и улучшение показателей электроплавки стали, известные вышеназванные и другие изобретения [патент США №4852120, МКИ4 Н05В 7/12, 1989] не нашли широкого практического применения из-за высоких издержек по эксплуатации электродов и их неэффективности применения в условиях эксплуатации дуговых печей с применением непрерывной подачи металлизованных окатышей в ванну при окислительной атмосфере в подэлектродном пространстве агрегатов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ [патент РФ №2158062] защиты электрода в шлаковом расплаве под электродами в печи, причем расходуемый электрод из карбидообразующего материала имеет осевое отверстие, позволяющее [Поволоцкий Д.Я. и др. Устройство и работа сверхмощных дуговых сталеплавильных печей. М.: Металлургия, 1990. 176 стр., стр.69, рис.35] осуществлять подачу восстановительного углеродсодержащего газа с расходом его в ванну печи в зависимости от объема приэлектродной зоны в шлаковом расплаве.
Техническим результатом данного способа является то, что надежность работы и стойкость электрода существенно возрастают с повышением технико-экономических показателей работы агрегата.
4
2
2
Недостатком указанного способа является то, что при подаче углеродсодержащего газа в ванну дуговой печи через осевое отверстие в электроде в приэлектродную зону, т.е. в зону шлакового расплава, где находятся высокотемпературные электрические дуги, определенная часть восстановительного газа, например метана (СН), разлагается на углерод («C») и водород («H») с поглощением большого количества тепла по реакции, что снижает эффективность передачи тепла от дуг шлаку, а образующаяся при этом «сажа» (от углерода «С») может сконцентрироваться в отверстии электрода и заблокировать это отверстие при недостатке кислорода («О») в шлаке, идущего на окисление углерода. В этом случае если по содержанию в шлаке имеется избыток, то при реакции горения метана образуется значительное количество окислительных газов СО и HO, которые, поднимаясь вверх по поверхности электродов, будет окислять их поверхности, что снижает их стойкость в процессе электроплавки.
Для решения этой сложной технической задачи и устранения недостатков из известных как в прототипе [патент РФ №2158062], так и в других изобретениях [Поволоцкий Д.Я. и др. Устройство и работа сверхмощных дуговых сталеплавильных печей. М.: Металлургия, 1990. Стр.176, стр.69, рис.35] необходимо в приэлектродной зоне создавать восстановительную атмосферу с контролируемым расходом восстановительного (инертного) газа или углеродсодержащего материала. Причем в случае использования углеродсодержащего материала при реакции образуется восстановительный газ (СО) и вместе с углеродом «С» создаются благоприятные условия по защите поверхности графитовых электродов от окисления. Использование инертных газов (аргон, азот и др.) в качестве носителя углеродсодержащего материала является важным положительным фактором, т.к. инертный газ создает не только восстановительную атмосферу в приэлектродной зоне, но и стабилизирует горение электрических дуг и интенсифицирует [Окороков Н.В. и др. М.: Электротермия, №9, 1962. С.13-19] процессы перемешивания при плавлении окатышей в шлаке.
Таким образом, настоящим изобретением решается комплексная техническая задача по защите поверхности графитового электрода, в особенности его торцевой части, где находится отверстие для выхода в шлаковый расплав металлизованных окатышей, углеродсодержащего материала и восстановительного (инертного) газа. Кроме того, новым техническим результатом является то, что плавление окатышей осуществляется в зоне воздействия дуг на шлак в условиях восстановительной атмосферы вследствие осуществления контролируемого расхода углеродсодержащего материала и восстановительных (инертных) газов.
Это достигается благодаря тому, что подачу окатышей через отверстие электрода осуществляют в шлаковый расплав совместно или раздельно с порошкообразным углеродсодержащим материалом в потоке восстановительного (инертного) газа.
Образующийся газ (СО) при сгорании углерода («С») в подэлектродном пространстве создает практически по всей площади торцевой и боковой поверхности электрода подвижный (газодинамический) защитный восстановительный слой из окиси углерода, что восстанавливает углерод на поверхности электрода.
в
э
ш
3
При этом расход инертного (восстановительного) газа устанавливают из расчета скорости изменения образовавшегося объема шлака в подэлектродной зоне ванны: , где ΔV - изменение объема этой зоны в ванне, м; d - внешний диаметр электрода, м; Н -заглубление электрода в шлаковом расплаве, м; τ - время, мин.
-
Таким образом, предлагается новый способ выплавки стали в дуговой печи с использованием подачи металлизованных окатышей, порошкообразного материала и газов через осевое отверстие электрода в ванну агрегата, включающий расчет оптимального расхода газа и углеродсодержащего материала, а также определение изменения объема подэлектродной зоны при расплавлении в ней окатышей, отличающийся тем, что в качестве газа используют инертные газы или смесь инертных и восстановительных газов, осуществляют раздельную подачу металлизованных окатышей и углеродсодержащего материала в потоке инертного газа или смеси инертных и восстановительных газов через конус из электроизоляционного материала с патрубками, установленный в осевом отверстии электрода над электрододержателем, с соблюдением соотношения:  где , , соответственно расход углеродсодержащего материала, потери углерода в результате окисления электродов в шлаковом расплаве и приход углерода в подэлектродную (приэлектродную) зону ванны при расплавлении в ней металлизованных окатышей, кг/плавку.
ж
Работа по данному способу осуществляется следующим образом (см. фиг.1). После загрузки металлошихты (металлолом, окатыши, стружка и т.д.) в дуговую печь в результате воздействия электрических дуг на шихту образуется жидкий металл (1) и расплав шлака (2), причем электроды (3) могут быть первоначально размещены как над шлаком, так и затем в жидком шлаке. Электрод (3) с осевым отверстием (4) поддерживается в дуговой печи электрододержателем (5), с помощью которого осуществляют подвод электроэнергии на электрод с целью образования электрических дуг. В печи электрод имеет конус (6) с патрубками для подачи на расплавление углеродсодержащего материала (7) и металлизованных окатышей (8) в жидком шлаке. Причем окатыши, углеродсодержащий материал, инертный и восстановительные газы (9) подаются в ванну печи через осевое отверстие (4) электрода (5) в шлак (2) для создания соответствующих благоприятных условий плавления окатышей в области воздействия высокотемпературных электрических дуг (10) с обеспечением восстановительной атмосферы в подэлектродном пространстве (11) шлаковом расплаве ванны. В результате подачи углеродсодержащего материала (7) в подэлектродное пространство (11) осуществляется реакция окисления углерода: «С»+(FeO)=Fe+CO↑, где «С» - углерод порошка и окатышей, FeO - окисел железа в шлаковом расплаве (2) и СО - монооксид углерода, %. С помощью подачи инертного и восстановительного газов через патрубки конуса (6) поддерживают восстановительную атмосферу в изменяющемся объеме ([ΔV]↓В, м↑3/мин) подэлектродного пространства (11) в шлаковом расплаве. Тем самым устраняются условия окисления электродов в восстановительной атмосфере и одновременно интенсифицируются процессы нагрева и плавления окатышей в ванне дуговой печи.
Практическая реализация предлагаемого способа выплавки стали в дуговой печи может быть осуществлена с использованием известного устройства [патент РФ №2374582. Опубл. 27.11.2009. Бюл. №33] и способов электроплавки стали в дуговой печи [патент РФ №2360009. Опубл. 27.06.2009. Бюл. №18] с защитой электродов [патент РФ №2158062] в шлаковом расплаве.
Список литературы
1. Меркер Э.Э. и др. Патент РФ на изобретение №2385952 от 10.04.2010 г., бюл. №19.
2. Меркер Э.Э. и др. Патент РФ на изобретение №2360009 от 27.06.2009 г., бюл. №18.
3. Кузин С.А. и др. Патент РФ на изобретение №94026565 от 27.06.1996 г.
4. Стадничук А.В. и др. Патент РФ на изобретение №2218676 от 10.12.2003 г.
5. Патент США №4852120, МКИ4 Н05В 7/12, 1989 г.
6. Патент РФ №2158062.
7. Поволоцкий Д.Я. и др. М.: Металлургия, 1990 г., 176 с.; с.69; рис.35.