СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЫПЛАВКОЙ СТАЛИ В ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ
METHOD OF STEEL MAKING IN ARC-TYPE STEEL-MAKING FURNACE

Изобретение относится к металлургии, а именно к электросталеплавильному производству, и может быть использовано для электроплавки стали с управлением процессом непрерывной загрузки металлизованных окатышей в дуговых печах.
Известен способ выплавки стали (СССР (II) 711336, Кл. С21С 5/52. БИ №3 от 25.03.1980 г.) с загрузкой металлизованных окатышей и других сыпучих материалов в плавильную зону электропечи, а также известен способ выплавки стали ("Электрометаллургия", №9, 1962, - с.13-18.) при загрузке окатышей в ванну дуговой сталеплавильной печи.
В процессе ведения плавки окатышей в дуговой печи требуется (СССР №523142, кл. С21С 5/52, 1976 и авт. свид. СССР №2082763 (13). С21С 5/52. Бюл. №18 от 27.06.1997 г.) оптимальное соблюдение электрических параметров плавки в зависимости от теплового состояния шлако-металлической ванны агрегата, определяемое соотношением расхода окатышей в ванну и скорости их плавления по ходу плавки в печи.
Для достижения высокой эффективности тепловой работы дуговой печи ("Электрометаллургия", №9, 1962, - с.13-18.) с применением трубчатых электродов для подачи металлизованных окатышей в ванну печи (РФ №2374582. Опубл. 27.11.2009 г. Бюл. №33; РФ №2385952 от 10.04.2010 г.) разработаны различные методы управления процессом плавки металлизованных окатышей (СССР №523142 кл. С21С 5/52, 1976 и Авт. Свид. СССР №2082763 (13). С21С 5/52. Бюл. №18 от 27.06.1997.), учитывающие тепловые параметры работы дуговой печи.
Недостатком всех вышеназванных способов выплавки стали (СССР (II) 711336, кл. С21С 5/52. БИ №3 от 25.03.1980 г.; "Электрометаллургия", №9, 1962, - с.13-18.) с управлением (СССР №523142, кл. С21С 5/52, 1976 и авт. свид. СССР №2082763 (13). С21С 5/52. Бюл. №18 от 27.06.1997.; РФ №2374582. Опубл. 27.11.2009 г. Бюл. №33; РФ №2385952 от 10.04.2010 г.) процессами загрузки, нагрева и плавления окатышей в дуговой печи является невозможность учета при проведении расчетов таких факторов, как определение месторасположения локальных высокотемпературных зон при контакте электрических дуг с поверхностью жидкого металла под шлаком в ванне агрегата, а также отсутствие метода расчета поверхности мениска на локальной зоне внедрения электрических дуг в металл и, как следствие, невозможность определения оптимальной скорости загрузки металлизованных окатышей в эти локальные высокотемпературные зоны в подэлектродном пространстве ванны печи.
Для сокращения длительности электроплавки металлизованных окатышей, уменьшения пылеуноса с поверхности менисков в локальных зонах контакта электрических дуг с металлом и снижения расхода электроэнергии на процесс требуется осуществлять управление процессами электроплавки стали в соответствии с параметрами теплового состояния ванны при оптимизации режима загрузки окатышей на поверхности менисков жидкого металла, что не предусмотрено во всех известных способах электроплавки стали.
Наиболее близким к изобретению является способ (РФ №2487172. БИ №19 от 10.06.2013; РФ №2487306 от 10.06.2013. БИ №19.) электроплавки стали при непрерывной подаче металлизованных окатышей через трубчатые (полые) электроды и электрические дуги в подэлектродное высокотемпературное пространство в ванне агрегата. Однако в этих условиях электроплавки стали расход металлизованных окатышей не согласовывается с размерами поверхностей менисков в зонах контакта электрических дуг с жидким металлом, что не позволяет эффективно устранить испарение металла и пылеобразование при температурах более 3000°C на поверхностях менисков, а это, в свою очередь, не приводит к возможному повышению скорости плавления окатышей, увеличению выхода годной стали, снижению расхода электроэнергии на процесс и повышению производительности дуговой печи.
Техническим результатом является повышение эффективности электроплавки стали при непрерывной загрузке металлизованных окатышей в локальные высокотемпературные зоны в ванне дуговой печи, т.е. сокращение продолжительности плавки, снижение пылеуноса из зоны плавления окатышей и расхода электроэнергии за счет исключения накопления нерасплавившихся металлизованных окатышей в ванне агрегата.
ок
пл
ок
пл
мен
ок
ок
ок
ок(э)
ок
ок(э)
ок
ок(э)
в
ме
t
в
ме
0
опт
ме
мен
эл
∂
мен
эл
∂
∂
a-к
u
а-к
а-к
u
u
2л
∂
Э
кэ
х
кз
х
к
кэ
∂
ок
ок
ок
CO
в
CO
в
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>≤</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mi>N</mi><mo>/</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mfrac><mrow><mn>3</mn><mi>K</mi><msub><mi>S</mi><mrow><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mo>/</mo><mn>3</mn><mi>π</mi><msubsup><mi>r</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow><mn>3</mn></msubsup><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mfrac><mrow><mn>0,9069</mn><mo>*</mo><mn>3</mn><msub><mi>S</mi><mrow><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><msubsup><mi>r</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>3,6276</mn><msub><mi>S</mi><mrow><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>н</mi></mrow></msub><msub><mi>r</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow></msub><msub><mi>ρ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>К</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>π</mi><mrow><mn>2</mn><mo>*</mo><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>q</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>τ</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>t</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>п</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>м</mi><mi>е</mi></mrow></msub></mrow><mi>τ</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1539</mn><mo>−</mo><mn>85</mn><mrow><mo>[</mo><mi>C</mi><mo>]</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>м</mi><mi>е</mi></mrow></msub></mrow><mi>τ</mi></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow><mn>2,9782</mn></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>−</mo><mn>3,7975</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>α</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mn>0,0084</mn><msub><mi>r</mi><mrow><mi>щ</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mn>0,7868</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mo>∂</mo></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mn>2</mn><mi>ф</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mo>∂</mo></msub><msub><mi>х</mi><mi>Э</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mo>∂</mo></msub><msub><mi>r</mi><mi>к</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>ф</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mn>2</mn><mi>л</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow>
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>N</mi><mi>u</mi><mo>*</mo><mi>λ</mi></mrow><mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
2
2
-3
-3
0,791
2
2
Технический результат по данному изобретению достигается тем, что в способе управлениявыплавкой стали в дуговой печи для электроплавки стали, включающем подачу металлизованных окатышей через трубчатые электроды, электрические дуги в шлаке и металле, а также включающем компьютерную систему управления ходом электроплавки, отличающемся тем, что электрические дуги под электродами контактируют с жидким металлом и образуют на нем поверхности менисков, а металлизованные окатыши через электроды, дуги и шлак направляют на эти поверхности менисков с тем, чтобы расчетная скорость загрузки окатышей (V, кг/с) не превышала скорость их плавления (V, кг/с), т.е. процесс электроплавки выполняют при соблюдении условия
, кг/с, где m - масса окатыша, кг; N - число окатышей на поверхностях менисков, шт.; τ - время плавления окатыша, с;
- Евклидовый коэффициент оптимальной укладки N числа окатышей на поверхности мениска; S - поверхность мениска, м; S - поверхность, которую занимает один окатыш, м; r - радиус окатыша, м, и при этом скорость загрузки окатышей (V, кг/с) сравнивают с (V, кг/с) и с помощью компьютерной системы корректируют скорость V по V, зависящую от энергетической мощности печи, т.е. при соблюдении условия, что V≤V=[Δq|(СV]/τ, где
- теплоусвоение ванны, кВт; Q - текущая величина теплосодержания шлако-металлической ванны в печи, кДж; с - теплоемкость металла, кДж/(кг·К); G - начальная масса металла до подачи окатышей в ванну, кг; τ - время, с;
- оптимальная скорость нагрева металла по ходу электроплавки, °C/мин, где Δt=75±15°C - оптимальный перегрев металла над ликвидусом; t и t - оптимальная и текущая температура металла по ходу электроплавки, °C; [С] - концентрация углерода в жидком металле, % и, кроме того, способ, отличающийся тем, что рассчитывают S=2π(R+L)*h и
, где R - радиус электрода, м; L=(U-U)|β - длина дуги, м; U - анодно-катодное падение напряжения, которое для условий выплавки электростали в ДСП принимали равным U=30 В; β - градиент напряжения в столбе дуги (в зависимости от периода плавки β=500-1000 В/м);
- напряжение дуги, В;
- вторичное фазное напряжение трансформатора, В; U - вторичное линейное напряжение, В; I - сила тока дуги, Ом; х=хк - эксплуатационное индуктивное сопротивление электрической цепи, мОм; х=3,4·10 и к=1,07÷1,15 - параметры, зависящие от периода плавления; r=0,4 мОм - активное сопротивление электрической цепи; х=3*10I - высота заглубления дуги, м; r - радиус окатыша, мм;
- коэффициент  теплоотдачи от дуги на поверхность мениска в зоне плавления окатышей, где λ=1,1 - коэффициент теплоотдачи, Вт/м·К; d=0,012 - средний диаметр металлизованных окатышей, м; Nu=0,l94*Re - число Нуссельта, где Re=W*d/v - число Рейнольдса; W=V/S - скорость перемешивания ванны, м/с; V - скорость обезуглероживания металла в период плавления окатышей, которая по результатам обработки опытных плавок составляет 0,02% [С]/мин; S - площадь поверхности ванны, м; ν - кинематический коэффициент вязкости шлака, м/с.
ок
ок
ок(э)
мен
ок
ок
ок(э)
ок
ок(э)
Принципиальное отличие предложенного способа от известного по прототипу (РФ №2487172. БИ №19 от 10.06.2013; РФ №2487306 от 10.06.2013. БИ №19.), включающего скорость подачи металлизованных окатышей в подэлектродное пространство в зависимости от параметров их нагрева и плавления, заключается в том, что выбор скорости текущей загрузки окатышей (V, кг/с) осуществляют в зависимости от плавки и электрических параметров дуг, а также от размеров поверхностей менисков, и вводят коррекцию этой скорости (V, кг/с) по скорости (V, кг/с), учитывающей теплоэнергетическое состояние шлако-металлической ванны в дуговой печи. Иначе говоря, существенная новизна изобретения заключается в том, что при определении поверхности менисков (S) в зоне контакта электрической дуги с жидким металлом под шлаком находят требуемое количество окатышей (N) для этой поверхности и затем рассчитывают скорость их плавления (V, кг/с), сравнивают значение V со скоростью V и корректируют V≤V, т.е. создаются условия плавки окатышей при максимальных энергетических возможностях работы дуговой печи.
На фиг.1 приведена структурная схема, поясняющая описываемый способ электроплавки стали в дуговой печи.
В межплавочный период сигналы с датчика веса лома (1) и датчика веса вспомогательных сыпучих материалов (2) поступают в блок управления (3) компьютерной системы (управляющая микроЭВМ), где они запоминаются.
В процессе непрерывной загрузки металлизованных окатышей из бункера (4) по конвейерам (5) и (6) в воронку (7) и при плавлении окатышей в печи (8) сигналы с датчика потребляемой активной мощности (9) поступают в блок управления (3) компьютерной системы. В зависимости от величины активной мощности блок управления (3) выбирает начальную скорость загрузки металлизованных окатышей и выдает сигнал в исполнительный механизм системы загрузки (10). При этом теплоэнергетическое состояние ванны контролируется системой контроля температуры металла (11) и коррекция скорости загрузки окатышей осуществляется блоком управления (3) путем изменения задания исполнительному механизму загрузки (10). Сигналы с датчика потребляемой мощности (12) и с датчика веса металлизованных окатышей (13) поступают в блок управления (3). При этом датчиками тока (14) и напряжения (15) оцениваются электрический режим и параметры электрических дуг в системе трубчатые электроды (16) и жидкий металл (17) под шлаком и осуществляется расчет величины теплоусвоения ванны (18). Электрические дуги (19), образующиеся на торцах электродов (16), воздействуют на шлак и достигают локальной зоны (20) с образованием высокотемпературных поверхностей менисков на жидком металле (17), где располагаются, нагреваются и плавятся металлизованные окатыши при весьма высоких скоростях, т.е. в 5-6 раз выше скорости плавления окатышей вне зоны высоких температур. Программный блок (21) осуществляет расчеты параметров плавления окатышей в зонах контакта дуг с поверхностью менисков с учетом ввода других данных (22) для компьютерной системы.
По ходу электроплавки стали (см. фиг.2) в электроды (16) через шланги (23), конусные воронки (24) и осевые отверстия электродов (25) металлизованные окатыши поступают в локальную зону (20) на металл (17), где они нагреваются в электрической дуге (19). Электрическая энергия подается на электрододержатель (26) электрода (16) для образования в его торце электрической дуги (19), являющейся основным теплогенератором процесса. Сыпучие материалы, например углеродистый порошок (“С”) (27), подаются совместно или раздельно с окатышами (28) в конусную воронку (24), а затем эти материалы движутся в потоке азота (29) или другого газа по осевому отверстию электрода (25) в ванну дуговой печи, причем зона плавления окатышей (20) находится во вспененном шлаке (30) и распространяется в объеме (31) влияния электрической дуги. Углеродистый порошок (27) и газообразный азот (29) способствуют созданию восстановительной атмосферы в зоне плавления окатышей (20).
ок
ок(э)
ок
ок
ок
ок(э)
ок
ок(э)
ок
Расчетная скорость загрузки окатышей (V) в программном блоке (21) передается в блок управления (3), фиксируется, сравнивается и корректируется, при необходимости, по скорости загрузки окатышей (V), определяемой в зависимости от величины активной мощности, и эти сигналы блок управления (3) выдает на исполнительный механизм системы загрузки. В идеале расчетная скорость подачи окатышей (V) должна обеспечивать постоянную загруженность трех поверхностей менисков с тем, чтобы исключить (или существенно снизить) испарение железа за счет охлаждения окатышами температуры поверхности металла в менисках до температуры испарения металла. Этим самым решается задача уменьшения пылеуноса из локальных поверхностей нагрева и плавления окатышей и, одновременно, существенно возрастают скорости (в 5-6 раз) плавления окатышей. Однако скорость загрузки окатышей (V) в локальные зоны менисков должна быть соизмерима с теплоэнергетическими возможностями дуговой печи, т.е. V≤V. Если имеются возможности увеличения v, что фиксируется расчетами в программном блоке (21), то нужно увеличивать и тепловую мощность печи, т.е. >V, а если нет такой возможности, то следует V уменьшать путем воздействия на расчетные параметры электрического и технологического режимов электроплавки стали с учетом особенностей подачи окатышей через трубчатые (полые) электроды в ванну дуговой печи. Эффективность применения предлагаемого способа электроплавки стали в дуговой печи не вызывает сомнения ("Электрометаллургия", №9, 1962, - с.13-18.; 4 - РФ №2374582. Опубл. 27.11.2009 г. Бюл. №33; РФ №2385952 от 10.04.2010 г.) из-за того факта, что температура поверхности в зоне контакта электрических дуг с металлом примерно на 800-1200°C выше, чем в зонах вне действия дуг, и поэтому организованная подача окатышей в эти локальные высокотемпературные зоны по новому методу расположения окатышей приводит к увеличению скорости их плавления, а следовательно, к повышению производительности печи и снижению расхода электроэнергии на процесс плавки стали.
Анализ предварительных данных (СССР (II) 711336, кл. С21С 5/52. БИ №3 от 25.03.1980 г.; 2 - "Электрометаллургия", №9, 1962, - с.13-18.) при локальной загрузке металлизованных окатышей в зону высоких температур (РФ №2487172. БИ №19 от 10.06.2013; РФ №2487306 от 10.06.2013. БИ №19.) в ванне дуговой печи свидетельствует о том, что при использовании предлагаемого способа электроплавки стали достигается существенное снижение выноса плавильной пыли из агрегата, повышается выход годной стали, увеличивается производительность печи (на 3-5%) и уменьшается удельный расход электроэнергии на процесс (более 35 кВт·ч/т) выплавки стали в дуговых печах. Результаты проведенных исследований ("Электрометаллургия", №9, 1962, - с.13-18.; 4 - РФ №2374582. Опубл. 27.11.2009 г. Бюл. №33; РФ №2385952 от 10.04.2010 г.; РФ №2487172. БИ №19 от 10.06.2013; РФ №2487306 от 10.06.2013. БИ №19.] свидетельствуют о существенной эффективности применения предлагаемого способа электроплавки стали в дуговых печах, работающих с применением нового метода загрузки металлизованного сырья в зону высоких температур агрегата.