Лазерная сталеплавильная печь

Лазерная сталеплавильная печь

Реферат

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве стали в сталеплавильных цехах.

Наиболее близкими по технической сути к предлагаемому изобретению являются плавильные металлургические печи, в которых для плавления стали используют электрические дуги переменного и постоянного тока или электронные лучи.

Электродуговая печь переменного тока (Кудрин В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. - М.: Мир, ООО «Издательство ACT», 2003. - с.253) имеет корпус круглого сечения, закрытый сводом (огнеупорным или водоохлаждаемым), под (ванну для расплавляемого металла), футерованный огнеупорными материалами, три проходящих через свод графитизированных электрода, подключенных к печному трехфазному трансформатору. Электродуговая печь постоянного тока дополнительно имеет тиристорный преобразователь переменного тока в постоянный ток и водо- или воздухоохлаждаемые подовые электроды (Кудрин В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. - М.: Мир, ООО «Издательство ACT», 2003. - с.253). Электроннолучевая печь имеет герметичный стальной кожух, в котором размещены огнеупорный тигель для плавки и форма для заливки готового металла, либо переплавляемая заготовка и кристаллизатор под ней. Для работы печи необходим выпрямитель переменного тока и разгоняющее напряжение до 30 кВ.

К недостаткам известных электродуговых печей следует отнести необходимость использования мощных трансформаторов, дорогих графитизированных электродов, тиристорных преобразователей, подового электрода, а также высокий расход огнеупоров (Еланский Г.Н., Линчевский Б.В., Кальменев А.А. Основы производства и обработки металлов. - М.: МГВМИ, 2003. - с.162).

К недостаткам известных электроннолучевых печей следует отнести необходимость поддержания в процессе плавки глубокого вакуума 10^-2-10^-3 Па, т.к. при наличии воздуха или любого другого газа электроны на пути от катода до нагреваемого металла будут задержаны электронами атомов газов, составляющих атмосферу печи, и процессы плавления и нагрева металла происходить не будут (Сидоренко М.Ф., Косырев А.И. Автоматизация и механизация электросталеплавильного и ферросплавного производств. - М.: Металлургия, 1975. - с.214). Поэтому шихтовые материалы, переплавляемые в электроннолучевых печах, требуют предварительной дегазации путем вакуумной плавки или отжига (Линчевский Б.В. Вакуумная металлургия стали и сплавов. - М.: Металлургия, 1970. - с.183). Кроме того, из-за большого перегрева ванны потери металла на испарение достигают 24,2% (Юнаков В.М. и др. // Сталь, 1967, №7, с.606).

Задачей изобретения является улучшение качества и снижение себестоимости получаемой стали, а также уменьшение капитальных затрат на ее производство.

Поставленный технический результат достигается тем, что предлагаемая электрическая печь для плавки стали имеет корпус, закрытый сводом, под, футерованный огнеупорными материалами, и снабжена одним или несколькими лазерами, установленными на своде или стенах печи и оборудованными устройствами для непрерывного кругового или возвратно-поступательного перемещения в горизонтальной плоскости, а корпус печи соединен трубопроводом с вакуумной системой с возможностью подключения для вакуумирования металла и отключения после окончания вакуумирования.

Изобретение обладает новизной, что следует из сравнения с прототипом, и изобретательским уровнем, так как явно не следует из существующего уровня техники, практически осуществимо в действующих электросталеплавильных цехах.

Предлагаемая электрическая печь (см. чертеж) имеет корпус, закрытый сводом 1, под 2, футерованный огнеупорными материалами, рабочее окно 3, и один или несколько оптических квантовых генераторов большой плотности энергии - лазеров (Физическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1990, том 2. - с.549). Лазеры могут быть установлены на огнеупорном или водоохлаждаемом своде - сводовые лазеры 4, или на стенах печи - стеновые лазеры 5, или на своде и стенах одновременно.) Лазеры оборудованы устройствами для непрерывного кругового или возвратно-поступательного перемещения в горизонтальной плоскости. Эти перемещения необходимы для того, чтобы не перегревать металл 6 в одной точке. Корпус одного или нескольких лазеров герметично соединен с корпусом печи, который соединен трубопроводом 7 с вакуумной системой с возможностью подключения для вакуумирования металла непосредственно в печи и отключения после окончания вакуумирования. Это позволяет отказаться от продувки металла кислородом с целью дегазации, уменьшить угар легирующих, отказаться от установки в цехе отдельных агрегатов для вакуумирования металла. Кроме того, улучшается качество получаемой стали, так как отсутствует загрязнение металла продуктами сгорания графитизированных электродов и топлива топливно-кислородных горелок. Легирование металла осуществляют вводом в печь ферросплавов из бункера 8 через отверстие в своде 9, закрываемое шиберным затвором. Выпуск готового металла из печи осуществляют через выпускное отверстие 10, обслуживание которого производят через отверстие 11.

Процесс выплавки стали в лазерной сталеплавильной печи, не оборудованной вакуумной системой по классической технологии, состоит из четырех периодов: межплавочный простой, период плавления, окислительный период и восстановительный период. Например, при выплавке нержавеющей стали типа 08Х18Н10Т после подготовки печи в межплавочный простой в нее загружают шихтовые материалы, обеспечивающие по расплавлении содержание углерода 0,35-0,40%; хрома 12-14%; никеля 10-12%; серы ≤0,025%; фосфора ≤0,025%. Плавление шихты ведут на максимальной мощности оптических квантовых генераторов до полного расплавления шихты, непрерывно перемещая генерируемое ими излучение по кругу или возвратно-поступательно для предотвращения локального перегрева ванны. В предлагаемой печи нет необходимости уменьшать подводимую мощность во второй половине периода плавления, как это предусмотрено в дуговых печах для уменьшения нагрева футеровки открытой электрической дугой. Суммарная мощность генераторов зависит от заданной производительности печи. Так для 100-тонной печи при продолжительности периода плавления равной 60 минут суммарная мощность генераторов должна составлять 40 МВт. Если продолжительность периода плавления составит 30 минут, то суммарная мощность генераторов должна быть 70 МВт. Мощность одного генератора равна суммарной мощности деленной на количество генераторов, установленных на печи. Период плавления заканчивается, когда температура металла достигнет 1500-1520°С.

После этого начинают окислительный период - продувку металла кислородом. Через 10-15 минут после начала продувки кислородом оптические квантовые генераторы отключают, чтобы не перегреть металл, поскольку даже при отключенных генераторах температура металла в конце продувки составляет 1800-1900°С. Продувку кислородом заканчивают и переходят к восстановительному периоду плавки, когда содержание углерода в металле станет равным 0,06-0,07%, и сразу вводят феррохром для снижения температуры металла. Затем включают генераторы, и доводят металл до заданного химического состава и температуры ˜ 1600°С. После чего производят выпуск металла из печи в ковш.

Предлагаемая печь может быть оборудована вакуумной системой. В этом случае нет необходимости проводить окислительный период для дегазации металла и восстановительный период для доведения заданного химического состава и температуры металла. Технологический процесс состоит из межплавочного простоя и периода плавления. Расчет шихты, загружаемой в печь, ведут сразу на заданный химический состав: углерод 0,08%; хром 18%; никель 10%; титан 0,40% и другие элементы согласно технологической инструкции. После загрузки шихтовых материалов печь закрывают сводом, включают вакуумную систему и оптические квантовые генераторы. Вакуумирование металла продолжается весь период плавления, предотвращая угар легирующих элементов и насыщение металла азотом, водородом и кислородом. Период плавления и вся плавка заканчивается, когда температура металла достигнет 1590-1600°С. После чего отключают генераторы, вакуумную систему и выпускают металл в ковш.

Если в цехе установлены агрегаты внепечной обработки стали (установка ковш-печь, вакууматор), а лазерная печь не оборудована вакуумной системой, то технологический процесс в лазерной печи состоит только из периода плавления, по окончании которого металл при температуре 1520°С выпускают в ковш, а вакуумирование, доводку химического состава и температуры металла производят в агрегатах внепечной обработки.

Электрическая печь для плавки стали, содержащая корпус, закрытый сводом, под, футерованный огнеупорными материалами, отличающаяся тем, что она снабжена одним или несколькими лазерами, установленными на своде или стенах корпуса печи и оборудованными устройствами для непрерывного кругового или возвратно-поступательного перемещения в горизонтальной плоскости, а корпус печи соединен трубопроводом с вакуумной системой с возможностью подключения для вакуумирования металла и отключения после окончания вакуумирования.