СПОСОБ НАГРЕВА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛОМА В ШАХТНОМ ПОДОГРЕВАТЕЛЕ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ И ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF HEATING METAL SCRAP IN SHAFT HEATER OF ARC STEEL-MAKING FURNACE AND BURNER FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано для повышения производительности и снижения удельного расхода электроэнергии при работе дуговых сталеплавильных печей.
Известен способ нагрева металлического лома дуговой сталеплавильной печи отходящими газами и устройство для его реализации в виде шахтного подогревателя (Abel М., Dorndorf М., Hein М., Huber Н. Highly productive electric steelmaking at extra low conversion costs. MPT International, 2011, no. 3, p. 92-96).
В этой конструкции шахта располагается над сводом и в нижней части имеет удерживающие пальцы. Металлический лом с помощью завалочной корзины загружается в шахту и удерживается пальцами. Образующиеся в дуговой печи при доводке предыдущей плавки газы проходят через слой лома в шахте и отводятся в систему газоудаления через патрубок в верхней ее части. После выпуска очередной плавки пальцы раскрываются и нагретая шихта попадает в рабочее пространство печи. Начинается новая плавка. Включаются дуги, пальцы перемещаются в горизонтальное положение и в шахту загружается новая порция металлического лома. Газы из рабочего пространства печи проходят через шахту и нагревают очередную порцию лома.
Описанный способ и конструкция печи имеют следующие недостатки.
Одновременная выгрузка лома из шахты в рабочее пространство печи может привести к поломке электродов. С другой стороны, при односторонней подаче металлического лома в трехфазной дуговой печи происходит перегрев футеровки откосов и панелей со стороны, противоположной шахте. Это может привести к преждевременному выходу из строя стеновых панелей. Кроме того, для шахтной печи характерна относительно низкая температура нагрева лома, в то время, как газы после прохождения через шахту необходимо нагревать до 850-900°С для разложения диоксинов и фуранов, выделяющихся из лома. На разложение этих высокотоксичных соединений затрачивается значительная часть энергии, которая была возвращена в процессе плавки за счет нагрева лома отходящими газами.
Известен способ и усовершенствованная конструкция дуговой сталеплавильной печи, при которой подвижная шахта располагается рядом с печью, а в нижней части шахты имеется толкатель (см. Fuchs G., Rummler K., Hassing М. New Saving Electric Arc Furnace Designs. AISTech Conference, P 183-188, Pittsburgh, May, 2008 г.).
При этом способе нагрева металлический лом загружают сверху в шахту. Образующиеся в печи технологические газы пропускают в шахте снизу вверх и отводят через патрубок в верхней части шахты на газоочистку. Технологические газы отдают свое тепло металлическому лому и производят его нагрев. Нагретый лом из нижней части шахты через окно выдачи лома с помощью толкателя выгружают в рабочее пространство дуговой печи. Здесь производится дальнейший нагрев лома, его расплавление и нагрев металлического расплава дугами. Горящие на поверхности металлического расплава дуги покрыты пенистым шлаком, что позволяет исключить перегрев стеновых панелей. Несколько повышается температура нагрева лома.
Описанный выше способ может быть принят за прототип. Основным недостатком данного способа нагрева металлического лома является низкая температура. Она не превышает 450°С. По-прежнему не решается проблема диоксинов и фуранов.
Известно горелочное устройство для нагрева металлического лома в дуговой сталеплавильной печи (см. Ю.А. Гудим, И.Ю. Зинуров, А.Д. Киселев. «Производство стали в дуговых печах. Конструкция, технология, материалы», Новосибирск: изд-во НГТУ, 2010 г. с. 186-187).
В этой конструкции вертикально расположенная водоохлаждаемая горелка, содержащая корпус, снабженный подводом природного газа и кислорода, которая вводится в рабочее пространство дуговой сталеплавильной печи между футеровкой стен (или панелями) и металлическим ломом. Устройство включает подвижную каретку с закрепленной на ней горелкой с боковыми соплами (см. рис. 5.16 на стр. 187 указанного выше источника). Каретка перемещается по колонне, неподвижно закрепленной на металлоконструкции печи. Кроме того, устройство снабжено механизмом поворота горелки вокруг вертикальной оси, что позволяет расширить зону нагрева металлического лома.
Описанное горелочное устройство может быть принято за прототип. Недостатком устройства является сложность конструкции и необходимость остановки дуговой печи для его обслуживания, что приводит к снижению производительности печи.
Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение температуры нагрева металлического лома в шахте дуговой сталеплавильной печи, а также разложение диоксинов и фуранов, содержащихся в отходящих газах.
Технический результат достигается тем, что способ нагрева металлического лома в шахтной дуговой сталеплавильной печи включает загрузку металлического лома в шахту, примыкающую к дуговой сталеплавильной печи и его нагрев, периодическую выгрузку лома с помощью толкателя из шахты через окно выдачи лома в рабочее пространство дуговой печи, дальнейший нагрев лома, его расплавление и нагрев металлического расплава дугами и отвод образующихся в рабочем пространстве печи технологических газов через сводовый патрубок на газоочистку, при этом горючую смесь, используемую для нагрева металлического лома и состоящую из газообразного топлива, кислорода и балластных продуктов горения, охлажденных после прохождения через слой лома в шахте, готовят в горе л очном устройстве и подают в нижнюю часть шахты.
Охлажденные балластные продукты горения из верхней части шахты эжектируются в горелочное устройство кислородом с помощью инжекторов.
Охлажденные балластные газы после прохождения через слой лома в шахте в количестве, равном количеству продуктов горения газообразного топлива, поступающего в горелочное устройство, удаляют после смешения с технологическими газами в рабочем пространстве печи через сводовый патрубок, а остальные балластные газы подают в горелочное устройство.
Разрежение, создаваемое кислородными инжекторами, в 3-5 раз превышает разрежение, создаваемое системой удаления газов из печи.
Технический результат достигается также тем, что в горелочном устройстве для нагрева металлического лома в шахтной дуговой сталеплавильной печи, включающем корпус, подводы кислорода и природного газа, расположенную в верхней его части кислородную камеру с подводом кислорода, верхнюю смесительную камеру для кислорода и балластных газов, соединенных патрубками для забора балластных газов, из верхней части шахтного подогревателя, а также камеру газового топлива с подводом газа и нижнюю смесительную камеру для балластных газов, кислорода и газообразного топлива, соединенную патрубками с нижней частью шахтного подогревателя, при этом верхняя и нижняя смесительные камеры соединены инжекторами, расположенными внутри корпуса.
Предлагаемый способ и горелочное устройство для нагрева металлического лома в шахтной дуговой сталеплавильной печи поясняются рисунками. На фиг 1 показан вид на горелочное устройство сбоку, на фиг 2 - вид спереди и на фиг 3 показана установка горелочного устройства на шахтной печи.
Дуговая сталеплавильная печь 1 снабжена сводовым патрубком 2 и шахтным подогревателем металлического лома 3. В верхней части шахтный подогреватель 3 имеет шибер 4, а в нижней части толкатель 5 с приводом для дискретной загрузки нагретого лома из шахтного подогревателя в рабочее пространство дуговой печи 1.
К боковой поверхности шахтного подогревателя крепится горелочное устройство 6. При необходимости горелочное устройство 6 устанавливается с трех сторон шахтного подогревателя 3.
Горелочное устройство 6 содержит в верхней части кислородную камеру 7 с подводом кислорода 8 и кислородными соплами 9. Кислородная камера 7 соединяется с помощью всасывающих патрубков 10 с шахтным подогревателем 3. По всасывающим патрубкам 10 охлажденные балластные газы из шахты эжектируются в верхнюю смесительную камеру 11, где они смешиваются с кислородом.
В нижней части горелочного устройства имеется камера газового топлива 12 с подводом газа 13 и соплами 14 для подачи газового топлива в нижнюю камеру смешения 15. Верхняя смесительная камера смешения 11 с нижней смесительной камерой 15 соединяется инжекторами 16, с помощью которых балластные газы и кислород подаются в нижнюю смесительную камеру 15. Горючую смесь из нижней смесительной камеры 15 с помощью патрубков 17 подают в нижнюю часть шахтного подогревателя 3.
При работающей дуговой сталеплавильной печи 1 открывается шибер 4 и в шахтный подогреватель 3 загружают металлический лом, после чего шибер 4 закрывают. Нагрев лома производится с помощью горелочного устройства 6. Для этого в верхней части горелочного устройства 6 через подводы 8 в камеру 7 подают кислород, который через сопла 9 подают в инжектор 16 и благодаря разрежению, создаваемому инжекторами, в смесительную камеру 11 засасываются балластные газы из верхней части шахтного подогревателя 3. Смесь кислорода и балластных газов с помощью эжекторов 16 подается в нижнюю смесительную камеру 15. Сюда же подается газовое топливо через подвод 13, камеру 12 и сопла 14. В нижней смесительной камере 15 происходит смешение балластных газов, кислорода и газового топлива. Образовавшаяся смесь с помощью патрубков 17 подается в нижнюю часть шахтного подогревателя 3, где воспламеняется, и продукты горения, пронизывая слои металлического лома, поднимаются вверх и отдают свое тепло лому. Охлажденные балластные газы после прохождения через слой лома в шахтном подогревателе 3 в количестве, равном количеству продуктов горения газообразного топлива, поступающего в горелочное устройство 6, попадают в рабочее пространство дуговой печи 1, где смешиваются с технологическими газами и удаляются через сводовый патрубок 2 в систему очистки газов. Остальные балластные газы поступают в верхнюю камеру 11 горелочного устройства 6, откуда с помощью инжектора 16 эжектируются с помощью кислорода в нижнюю смесительную камеру 15, где смешиваются с газообразным топливом. Полученная смесь подается в нижнюю часть шахтного подогревателя 3 и процесс нагрева металлического лома продолжается.
Нагретый в нижней части шахтного подогревателя 3 металлический лом с помощью толкателя 5 подается в рабочее пространство дуговой печи 1, где происходит его расплавление электрическими дугами и нагрев металла до температуры выпуска. После выпуска очередной плавки на «болото» (жидкий остаток), составляющее 30-50% от общей массы металла, находящегося в печи, начинают загрузку нагретого в шахте лома. Одновременно производится загрузка в шахту свежих порций лома и его нагрев описанным выше способом.
Благодаря тому, что нагрев металлического лома в шахтном подогревателе 3 производят специальной горючей смесью, включающей газообразное топливо, кислород и балластные продукты горения, подготовленные в горелочном устройстве 6, обеспечиваются оптимальные условия нагрева металлолома в шахте. Наличие охлажденных балластных газов обеспечивает снижение температуры продуктов горения, поступающих в нижнюю часть шахты. При этом обеспечивается нагрев лома до 800-1100°С и исключается оплавление отдельных кусков.
Эжекция охлажденных балластных газов кислородом с помощью инжекторов 16 позволяет обеспечить хорошее смешение балластных газов и кислорода, а также обеспечить подачу балластных газов из шахты в нижнюю смесительную камеру 15 с минимальными затратами.
Благодаря удалению продуктов горения газообразного топлива, поступающего в горелочное устройство, через рабочее пространство печи после смешения с технологическими газами, в горелочное устройство эжектируется оптимальное количество балластных газов. При разрежении, создаваемом кислородными инжекторами, менее чем в 3 раза превышающем разрежение, создаваемое системой удаления газов из рабочего пространства печи, количество подаваемых в горелочное устройство балластных газов будет недостаточно для разбавления продуктов горения, поступающих в шахтный подогреватель. При этом будет наблюдаться оплавление отдельных кусков лома и их спекание.
При разрежении, создаваемом кислородными инжекторами, более чем в 5 раз превышающем разрежение, создаваемое системой удаления газов из рабочего пространства печи, количество балластных газов превысит оптимальное количество и температура продуктов горения, поступающих в шахтный подогреватель, будет недостаточна для нагрева лома до 800°С.
В горелочном устройстве создается смесь для горения и последующего нагрева металлического лома в шахтном подогревателе, состоящая из балластных газов, кислорода и газового топлива. Благодаря наличию инжекторов, соединяющих верхнюю и нижнюю смесительные камеры, кислородом высокого давления из верхней части шахтного подогревателя эжектируются балластные газы. Кислород, балластные газы и горючие газы хорошо смешиваются в нижней смесительной камере. Полученная смесь через патрубки подается в нижнюю часть шахты, где воспламеняются и поток продуктов горения с температурой 1200-1250°С пронизывает слой лома в шахте. Часть этих продуктов горения вновь эжектируется в горелочное устройство, а меньшая его часть через рабочее пространство дуговой печи удаляется в систему очистки газов.
Пример реализации способа для нагрева металлического лома в шахтной дуговой сталеплавильной печи и горелочного устройства для его реализации.
Горючую смесь готовят в горелочном устройстве и подают в нижнюю часть шахтного подогревателя. Горючая смесь состоит из 18% природного газа, 37% кислорода и 45% балластных газов, охлажденных после прохождения через слой лома в шахтном подогревателе до температуры 800°С.
Охлажденные балластные газы из верхней части шахтного подогревателя 3 эжектируют в горелочное устройство кислородом с помощью двух инжекторов 16. Коэффициент инжекции равен 1,9. Кислород и балластные газы в нижней смесительной камере 15 смешиваются с природным газом и через патрубки 14 подаются в нижнюю часть шахты. Здесь смесь воспламеняется и продукты горения с температурой ~1200-1250°С проходят через слой металлического лома в шахтном подогревателе, нагревая ее до температуры 800-850°С.
Часть этих продуктов горения (~30%), равная количеству продуктов горения природного газа, поступающего в горелочное устройство, удаляют после смешения с технологическими газами в рабочем пространстве печи через сводовый патрубок 2. Остальная часть продуктов горения (~70%), так называемые балластные газы, после прохождения через слой металлического лома в шахтном подогревателе с температурой ~800°С засасываются в горелочное устройство и вновь эжектируются кислородом в нижнюю смесительную камеру.
Для обеспечения «забора» из шахтного подогревателя достаточного количества балластных газов разрежение, создаваемое инжекторами, в 4,2 раза превышает разрежение, создаваемое системой удаления газов из рабочего пространства печи.
Отличительной особенностью горелочного устройства 6 является наличие двух инжекторов 16, соединяющих верхнюю 11 и нижнюю 15 смесительные камеры. При этом из верхней смесительной камеры с помощью кислорода давлением 14 атмосфер эжектируются балластные газы с коэффициентом эжекции 1,9.
Использование способа нагрева металлического лома в шахтной дуговой сталеплавильной печи и горелочного устройства для его реализации позволит обеспечить нагрев металлического лома до 800-850°С и обеспечить удельный расход электроэнергии на дуговой печи 182-190 кВт⋅ч/т.