СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ
METHOD OF STEEL CASTING IN ARC STEEL FURNACE

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве стали в дуговых сталеплавильных печах.
Известен способ выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи, включающий в себя завалку шихты, ее расплавление, проведение окислительного периода плавки путем продувки ванны металла кислородом, проведение восстановительного периода и выпуск металла из печи (Поволоцкий Д.Я., Гудим Ю.А., Зинуров И.Ю. Устройство и работа сверхмощных дуговых сталеплавильных печей. - М.: Металлургия, 1990. - с.80-104).
К недостаткам известного способа следует отнести довольно низкую производительность электродуговых печей, так как максимальная мощность трансформатора используется только в процессе расплавления шихты, после расплавления и до выпуска металла вводимая мощность составляет половину установленной мощности трансформатора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи (Еланский Г.Н., Линчевский Б.В., Кальменев А.А. Основы производства и обработки металлов. - М.: МГВМИ, 2005, с.144-147).
Способ включает в себя завалку шихты, ее частичное расплавление, проведение подвалки шихты, полное расплавление шихты, проведение окислительного периода плавки путем продувки ванны кислородом и выпуск металла из печи.
Недостатки прототипа состоят в следующем. Во-первых, полная мощность трансформатора используется лишь в процессе расплавления шихты. Во-вторых, при проведении подвалки шихты теряется значительное количества теплоты, из-за чего снижается производительность печи и возрастают удельные затраты энергии при производстве металла. Кроме того, продувка ванны металла кислородом сопровождается высоким угаром металла при достижении металлом температуры кипения; величина угара достигает наивысших значений в зонах контакта с поверхностью ванны дуги и струи кислорода. Все это приводит к ухудшению экологической ситуации в цехе за счет выбивания плавильной пыли через неуплотняемые отверстия печи.
Задачами изобретения являются повышение производительности печи, снижение угара металла и улучшение экологической ситуации в электросталеплавильном цехе.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи, включающем в себя завалку шихты, ее плавление, проведение окислительного периода плавки, совмещенное с выпуском металла из печи, причем расплавление шихты проводят при максимальной вводимой электрической мощности на высшей ступени напряжения трансформатора при непрерывной подаче шихты и обеспечивают высоту слоя шихты над уровнем порога печи, равную (1-1,5)·L, где L - длина дуги, причем массовую скорость подачи шихты в печь устанавливают равной скорости расплавления металла.
Устройство для выплавки стали представляет собой дуговую сталеплавильную печь, у которой в боковой стене печи имеется окно для непрерывной подачи шихты в рабочее пространство, в своде печи между электродами выполнено отверстие, через которое подают шихту в печь, а желоб для слива металла выполнен с пористым дном, через которое в струю металла подают кислород при выпуске стали из печи.
Изобретение обладает новизной, что следует из сравнения с прототипом, изобретательским уровнем, так как явно не следует из существующего уровня техники, практически осуществимо в современных дуговых сталеплавильных печах.
Предлагаемый способ выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи осуществляется следующим образом.
Загрузку шихты осуществляют непрерывно через окно в боковой стенке печи, а с момента образования жидкого металла на подине шихта подается и через отверстие в своде между электродами, что позволяет максимально эффективно использовать мощность трансформатора и исключить подвалку шихты. Все это приводит к росту производительности печи и снижению энергетических затрат при производстве металла.
Одним из недостатков традиционного способа ведения плавки в дуговой сталеплавильной печи является высокий угар металла. Большие значения угара металла связаны с тем, что только небольшая часть тепла, получаемого ванной от электрических дуг и в результате протекания экзотермических реакций окисления элементов расплава, усваивается массой металла, обладающего низкой теплопроводностью (λ=20-27 Вт/м·К). Вследствие этого температура поверхности жидкой ванны достигает точки кипения, что, в свою очередь, приводит к интенсивному испарению с поверхности. В объеме металла при взаимодействии с кислородной струей образуются локальные зоны, в которых температура металла близка к точке кипения. Очевидно, что максимальная величина угара металла за счет его испарения наблюдается в зоне контакта электрических дуг с зеркалом ванны внутри окружности, охватывающей электроды, поскольку температура поверхности ванны под стабильно горящими дугами в течение всей плавки практически равна температуре кипения металла. Величина угара металла при продувке ванны кислородом определяется двумя составляющими: потерями металла за счет его окисления и испарением элементов расплава.
Подача шихты через отверстие в своде между электродами приводит к снижению угара металла в зоне действия электрических дуг за счет того, что для нагрева, плавления и перегрева материала шихты до температуры кипения необходимо определенное количество тепла, излучаемого электрическими дугами, а вводимый материал, забирая часть тепла, снижает среднемассовую температуру высокотемпературной зоны ванны расплава и выравнивает температуру зеркала ванны.
Продувку металла кислородом осуществляют в период выпуска металла из печи, подавая его в желоб через пористое дно. При таком способе введения кислорода в металл образуется большое количество маленьких пузырьков кислорода, что резко увеличивает суммарную удельную поверхность раздела кислород-металл и, следовательно, реакционную поверхность. Следствием этого является увеличение контактной поверхности и интенсивности реакций окисления, что, в свою очередь, существенно повышает эффективность использования кислорода, сокращает его удельный расход, уменьшает продолжительность продувки и сокращает угар металла.
Пример осуществления способа выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи большой вместимости показан на фигуре 1.
Фиг.1. Разрез дуговой сталеплавильной печи,
где: 1 - подина печи с откосами;
2 - боковые стены печи;
3 - отверстие
4 - устройство непрерывной загрузки шихты;
5 - отверстие в своде между электродами для подачи шихты;
6 - сливной желоб;
7 - сталевыпускное отверстие
8 - кислородная камера.
Основную часть шихты ~70-80% от общей массы загрузки (металлический лом, твердый чугун и шлакообразующие) непрерывно загружают в печь с помощью транспортирующего устройства 4, например с помощью конвейера, через окно 3 в боковой стене 2. Загрузку шихты осуществляют таким образом, чтобы обеспечить высоту слоя шихты над уровнем порога печи равной (1-1,5)·L, где L - длина дуги (для дуговой сталеплавильной печи вместимостью 100 т: L=0,6 м), причем массовую скорость подачи шихты в печь устанавливают равной скорости расплавления, например, 5 т/минуту. При наличии слоя шихты над уровнем порога печи менее (1-1,5)·L тепловой поток излучением от верхней части дуги будет направлен на стены и свод печи, что приведет к увеличению продолжительности плавки и, как следствие этого, к снижению производительности печи. Если слой шихты над уровнем порога печи будет более (1-1,5)·L, то возможны обвалы шихты, что приведет к поломкам электродов и, следовательно, к снижению производительности печи.
Расплавление шихты проводят при максимальной вводимой электрической мощности на высшей ступени напряжения трансформатора. При образовании жидкой фазы на подине печи 1 начинают подачу шихты (железорудные окатыши, мелкий лом и др.) через отверстие 5 для снижения температуры в зоне взаимодействия электрических дуг с металлом с целью ликвидации локальных высокотемпературных зон и, следовательно, уменьшения интенсивности угара. Кроме того, происходит частичное окисление элементов расплава (С, Si, Mn, Fe, P) за счет реакций с кислородом (в связанном виде) окатышей и загрязнений лома (ржавчина). Так как эти реакции идут с выделением тепла - экзотермические, то увеличивается вводимое тепло, сокращается время плавки и, следовательно, в некоторой степени повышается производительность печи.
Масса загружаемой через отверстие в своде шихты составляет ~20-30% от общей массы загрузки. После накопления достаточного количества металла на подине печи он сливается через желоб 6 с пористым днищем через сталевыпускное отверстие 7. В желобе проводят продувку металла кислородом через пористое днище из кислородной камеры 8 с целью окисления избыточного углерода для дегазации металла (удаление азота, водорода). Раскисление и легирование при необходимости производят в сталеразливочном ковше.
Устройство для выплавки стали представляет собой дуговую сталеплавильную печь, которая отличается наличием в боковой стенке печи окна для непрерывной подачи шихты, в своде печи между электродами выполнено отверстие, через которое подают шихту, а желоб для слива металла выполнен с пористым дном, через которое подают кислород при выпуске металла, что способствует увеличению производительности печи, снижению удельного расхода кислорода и угара металла и улучшению экологической ситуации в электросталеплавильном цехе.
Реализация предложенного способа выплавки стали обеспечит получение дополнительно 50 тыс. тонн стали в год, что позволит получить экономический эффект в размере около 400 млн руб. в расчете на 100-тонную печь.