СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR MELTING STEEL IN ARC STEEL MELTING FURNACE AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION OF THIS PROCEDURE

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 завалку шихты, подогретой в шахтном подогревателе, ее расплавление, проведение окислительного и восстановительного периодов плавки и выпуск металла из печи (Лопухов Г.А. Передовые технологии электросталеплавильного производства. // Электрометаллургия, №8, 1999, с.15-16). В шахте шихта нагревается отходящими газами до средней температуры около 800°C, при этом температура газов на входе в шахту составляет 1600°C.
Недостатком известного способа выплавки стали является низкое усвоение шихтой тепла печных газов, и как следствие этого, теплосодержание массы подогреваемой шихты невысоко и неравномерно из-за ее неравномерного прогрева - нижние слои оплавляются, а верхние слои остаются относительно холодными.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ выплавки стали в дуговой печи конструкции фирмы Fuchs Systemtechnik (Зиборов А.В., Балдаев Б.Я., Маслов Е.А., Петров А.А., Кузнецов С.Н. Опыт работы шахтной печи в электросталеплавильном производстве ОАО «Северсталь». // Труды 8-го конгресса сталеплавильщиков, 2005, с.256-257).
После выпуска металла предыдущей плавки в печь загружают около 60% шихты, предварительно нагретой за счет тепла отходящих газов, просасываемых через шахту, установленную над водоохлаждаемым сводом обычной дуговой сталеплавильной печи. Затем осуществляют загрузку оставшейся части шихты (без подогрева) через шахту и начинают ее расплавление. Процесс расплавления интенсифицируют применением топливно-кислородных горелок и продувкой металла кислородом. После полного расплавления шихты металл доводят до заданного химического состава, необходимой температуры и выпускают из печи.
Недостатком прототипа является высокий удельный расход природного газа на подогрев шлака для достижения требуемой жидкоподвижности, которая ухудшается в связи с остыванием шлака из-за интенсивного отбора значительного количества тепла охлаждаемыми элементами, установленными в кладке печи (свод, стеновые панели). Ухудшение жидкоподвижности шлака приводит к увеличению продолжительности плавки за счет увеличения времени для достижения заданного химического состава металла.
Задачей изобретения является снижение удельных затрат энергии за счет сокращения расхода природного газа и повышения теплосодержания подогреваемой печными газами шихты благодаря более полному использованию тепла печных газов.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи, включающем завалку в печь шихты, подогретой в шахтном подогревателе, ее расплавление, проведение окислительного и восстановительного периодов плавки, дожигание продуктов неполного горения газов и выпуск металла из печи, в течение всей плавки в подсводовое пространство печи подают природный газ, а дожигание продуктов неполного горения газов обеспечивают путем ввода кислорода в шахту подогревателя шихты через выполненные в боковых стенах шахты отверстия. Дуговая сталеплавильная печь с шахтным подогревателем шихты содержит свод печи с отверстиями для ввода газа и подогреватель шихты, установленный над сводом печи, причем в своде печи отверстия для ввода газа расположены равномерно по полуокружности напротив шахтного подогревателя, а шахтный подогреватель шихты выполнен с отверстиями в боковых стенах шахты для ввода кислорода, расположенными на расстоянии от 0,3 до 0,7 высоты шахты.
Изобретение обладает новизной, что следует из сравнения с прототипом, изобретательским уровнем, так как явно не следует из существующего уровня техники, практически осуществимо на современных ДСП с шахтным подогревателем шихты.
Сущность способа поясняется следующим.
3
Известно, что одной из проблем, возникающих при эксплуатации охлаждаемых конструкций свода и стен ДСП, является уменьшение жидкотекучести шлака из-за снижения его температуры. Чтобы обеспечить необходимый уровень температуры шлака (и, следовательно, его жидкотекучесть), в рабочее пространство вводят дополнительное количество тепла с помощью топливно-кислородных горелок, в качестве топлива в которых используется высококалорийный природный газ. Расход газа достаточно большой (по данным ОАО «Северсталь» удельный расход природного газа составляет ~4 м/т, и объясняется это следующим образом: современные ДСП оснащены охлаждаемыми элементами, которые «подстуживают» шлак, и их применение требует дополнительного подвода тепла. Тепло, уносимое охлаждаемыми элементами, компенсируется топливно-кислородными горелками.
Необходимое теплосодержание шлака, обеспечивающее его жидкоподвижность, определяется алгебраической суммой двух тепловых потоков: теплового потока, падающего от газового факела на тепловоспринимающую поверхность шлака, и теплового потока от поверхности шлака к охлаждаемым поверхностям рабочего пространства. В связи с тем, что охлаждаемые рабочие поверхности стен и свода ДСП имеют низкие температуры, то и тепловой поток в сторону стен и свода имеет большое значение. Поэтому для поддержания баланса тепла требуется большой расход топлива, компенсирующего уходящий тепловой поток.
3
В предлагаемом способе горение подаваемого природного газа является неполным, так как содержащегося в печи воздуха недостаточного для полного горения. Известно, что согласно стехиометрическим реакциям полного горения природного газа количество воздуха на единицу топлива составляет не менее 10 м/т. Поэтому в продуктах горения подаваемого природного газа вместе с СО содержатся светящиеся сажистые частицы - продукт разложения углеводородов при высокой температуре и в отсутствие достаточного количества окислителя. Такие продукты горения обладают достаточно высокой оптической плотностью (степенью черноты), выполняя роль экрана, препятствующего теплоотдаче от поверхности плавящейся шихты или шлака в период после расплавления к охлаждаемым поверхностям рабочего пространства. Следовательно, реализуется другой способ поддержания необходимого теплосодержания и жидкоподвижности шлака - экранирование его поверхности от охлаждаемых конструкций, установленных в кладке печи. Расход природного газа при этом существенно уменьшается, так как для создания экранирующего эффекта требуется газа в 1,5-2 раза меньше по сравнению с его расходом на топливно-кислородные горелки.
Кроме того, для предварительного подогрева шихты отходящие продукты сжигания природного газа просасываются через шахтный подогреватель шихты. Температура отходящих газов составляет не менее 1600°C, что приводит к оплавлению нижних слоев стального лома в подогревателе, при этом образуется сплошной массив, препятствующий прохождению печных газов через весь слой шихты в подогревателе. Поэтому верхние слои шихты остаются относительно холодными.
В предлагаемом способе выплавки стали температура отходящих газов значительно ниже, так как горение природного газа осуществляется с недостатком кислорода, физическое тепло продуктов горения передается нижним слоям шихты, не перегревая и не оплавляя шихту. Дожигание отходящих газов (их химическое тепло) будет использовано в верхних слоях шихты за счет кислорода, подаваемого через боковые стены шахты. Таким образом, шихта будет прогрета более равномерно, без оплавления, и ее теплосодержание будет выше.
Пример осуществления способа выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи емкостью 150 т с шахтным подогревателем шихты показан на чертежах:
1 - дуговая сталеплавильная печь с шахтным подогревателем шихты;
2 - расположение отверстий для подачи природного газа в рабочее пространство печи.
3
3
После выпуска из печи предыдущей плавки производят осмотр свода 1 и боковых стен 2 и, в случае удовлетворительного их состояния проводят завалку шихты в два этапа: 1) сбрасывание с удерживающих пальцев шахты подогревателя шихты 40-70 тонн стального лома, предварительно нагретого за счет тепла отходящих газов предыдущей плавки до средней температуры около 800°C; 2) загрузка через шахту с помощью загрузочной корзины оставшейся части (60-70 тонн) стального лома. После этого печь включают на расплавление. В течение всей плавки в подсводовое пространство печи подают 400 м (~2,5 м/т) природного газа, например, через девять отверстий 3 диаметром 10 мм в своде печи 1, равномерно расположенных по полуокружности против шахтного подогревателя. Горение природного газа, подаваемого в печь через отверстия 3, осуществляется с недостатком окислителя, поэтому в продуктах горения вследствие недожога содержатся светящиеся сажистые частицы из-за разложения углеводородов. Эти продукты горения обладают достаточной оптической плотностью и являются экраном, препятствующим теплоотдаче от поверхности плавящейся шихты или шлака после расплавления к охлаждаемым поверхностям печи.
3
3
Дожигание просасываемых через шахту отходящих газов (использование их химического тепла) осуществляют в верхних слоях шихты за счет 500 м (~3,5 м/т) кислорода, подаваемого, например, через десять отверстий 5 диаметром 8 мм в боковых стенах шахты 4.
После полного расплавления шихты металл доводят до заданного химического состава, необходимой температуры и выпускают из печи в соответствии с обычной технологией выплавки стали в ДСП с шахтным подогревателем шихты.
Таким образом, проведение плавки с вводом природного газа в подсводовое пространство с недостатком кислорода в течение всей плавки позволит снизить расход природного газа, а дожигание продуктов сгорания (отходящих газов) кислородом в шахте подогревателя шихты увеличит ее теплосодержание и повысит равномерность нагрева загружаемой в печь шихты, что в конечном итоге позволит снизить затраты на производство стали.
Дуговая сталеплавильная печь с шахтным подогревателем шихты, содержащая свод печи с отверстиями для ввода газа и подогреватель шихты, установленный над сводом печи, причем в своде печи отверстия для ввода газа расположены равномерно по полуокружности напротив шахтного подогревателя, а шахтный подогреватель шихты выполнен с отверстиями в боковых стенах шахты для ввода кислорода, расположенными на расстоянии от 0,3 до 0,7 высоты шахты.
При подаче кислорода через отверстия, расположенные ниже 0,3 высоты шахты, нижние слои шихты в подогревателе могут получить такое количество тепла (и физическое, и химическое тепло уходящих газов), которое вызовет оплавление шихты, что будет препятствовать прохождению печных газов через слой. В случае подачи кислорода выше 0,7 высоты шахты часть химического тепла не будет использована, так как отходящие газы с высокой температурой поступят в дымоотводящую систему.
3
Снижение удельного расхода природного газа на 1,5 м на тонну выплавленной стали и увеличение теплосодержания подогретой шихты, выраженной в 15 кВт·ч/т, позволит получить экономический эффект около 35 рублей на тонну выплавленной стали. При годовом производстве 1 млн. т экономический эффект составит около 35 млн. руб.