Способ регулирования электроплавки железорудных металлизованных окатышей в дуговой сталеплавильной печи

Способ регулирования электроплавки железорудных металлизованных окатышей в дуговой сталеплавильной печи

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Областью применения изобретения является металлургия, а именно электрометаллургия производства стали на основе применения непрерывной подачи металлизованных окатышей (брикетов и др. сыпучих материалов) в ванну дуговой печи [1 - Меркер Э.Э. и др. Способ управления электрическим режимом дуговой печи. Патент РФ на изобретение №2385952 от 13.05.09. Бюллетень №19].

В процессе электроплавки стали при непрерывной подаче железорудных металлизованных окатышей (ЖМО) в ванну дуговой печи определяют величину тепловой мощности излучения электрических дуг в агрегате и в зависимости от которой рассчитывают фактическую величину теплосодержания ванны Δ q в = Q в τ , кВт, где Q_в - расход электроэнергии (кВт*ч) за время τ, сек плавки ЖМО в печи, а текущую температуру металла в ванне (t_в, °C) находят из выражения t в = Δ q в / ( G τ * c ¯ ) , где c ¯ - теплоемкость металла в ванне печи, кДж/(кг*°C); G_τ - текущая масса металла в печи, кг. Недостатком известного способа [1 - Меркер Э.Э. и др. Способ управления электрическим режимом дуговой печи. Патент РФ на изобретение №2385952 от 13.05.09. Бюллетень №19] является то обстоятельство, что значение Δq_в определяют только по значению Q_в без учета других источников прихода тепла в дуговую печь, т.е. без Q_СО - прихода тепла от дожигания окиси углерода над ванной, кВт; Q_т - приход тепла от сжигания топлива (природного газа, мазута или углеродистого порошка), кВт; Q_экз - тепло экзотермических реакции окисления углерода [С, %], кремния [Si, %], фосфора [Р, %] и других элементов, что снижает точность расчета текущей величины Δq_в и скорости плавления окатышей V_пл, кг/с и не позволяет более эффективно осуществлять подачу ЖМО при оптимальной скорости загрузки окатышей (V_ок, КГ/С) в дуговую печь.

Известен способ электроплавки металлизованных окатышей в дуговой печи [2 - Меркер Э.Э. и др. Дуговая печь для выплавки стали с использованием металлизованных окатышей. Патент РФ №2374582 от 27.11.09. Бюллетень №33] с подачей ЖМО (брикетов и других материалов) через полые графитовые электроды с применением водоохлаждаемой фурмы с двумя ярусами сопел для подачи кислорода на продувку металла и дожигание окиси углерода (CO) над ванной. При этом фурма снабжена измерительной штангой с датчиком температуры, что позволяет измерять текущую температуру металла (Т_м, °C) в печи и осуществлять расход окатышей (брикетов и др.) в дуговую печь по фактической температуре (t_в, °C) шлакометаллического расплава в печи.

В качестве недостатка в указанном способе электроплавки окатышей следует отметить то, что при подаче ЖМО по ходу плавки стали не учитывается оптимальный уровень перегрева металла (ΔТ_л, °C) над линией ликвидус, т.е. при наличии Т_опт=ΔТ_л+Т_ликв=ΔТ_л+(1539-85[С, %]), где [С, %] - текущее содержание углерода в металле, %; T_ликв - температура ликвидуса, °C.

Это достигается благодаря тому, что концентрацию углерода [С, %] определяют по активности кислорода в металле (а _[O]) с помощью датчика Э.Д.С. и температуры [3 - Меркер Э.Э., Степанов А.Т. Датчик для замера окисленности и температуры жидкого металла. Авт. свид. СССР №640198. Открытия изобретения. 1978. №48. С. 158], который позволяет непрерывно по ходу плавки стали [4 - Лузгин В.П. и др. Кислородные зонды в сталеплавильном производстве. // М.: Металлургия, 1989. - 144 с.; рис. 35 стр. 97] измерять в металле температуру T_м и T_опт для оптимизации режима загрузки ЖМО в агрегате.

Задачей изобретения является повышение энергоэффективности электроплавки металлизованных окатышей (брикетов и др.) при непрерывной подаче ЖМО через полые (трубчатые) электроды, т.е. осуществление процесса электроплавки окатышей при существенном снижении расхода электроэнергии (Q_в→min, кВт*ч/т), повышении производительности агрегата и заметном уменьшении энергоемкости производства. В частности, это достигается благодаря тому, что при электроплавке ЖМО через полые (трубчатые) электроды [5 - Меркер Э.Э., Карпенко Г.А. Способы электроплавки стали в дуговой печи. Патент РФ №2476603 от 14.06.2011. Бюллетень №6; Патент РФ №2483119 от 27.05.2013. Бюллетень №6] совместно с окатышами подают в ванну дуговой печи углеродсодержащие материалы и природный газ, что позволяет интенсифицировать процессы электроплавки стали и снизить удельный расход электроэнергии на плавку и повысить производительность печи. Однако, при этом образуется окись углерода (CO), которая не дожигается дополнительными потоками кислорода в печи, что представляется возможным осуществить с помощью устройств (например, ТКГ - топливно-кислородных горелок) или фурмой для дожигания CO кислородом [6 - Сугнура Сабуро и др. Способ выплавки стали в дуговой печи. Заявка 59 - 104419, Япония. Заявл. 03.12.1982, №57 - 212502. Опубл. 16.06.1984. МКИ C21C 5/52]. При этом тепло, выделяющееся за счет сжигания на выходе из сопел ТКГ или за счет дожигания CO кислородом над ванной, используется для нагрева металла и шлака в дуговой печи, сокращая при этом потребность в электроэнергии и повышая производительность агрегата.

Однако, несмотря на достигнутые успехи в повышении энергоэффективности электроплавки стали с применением подачи ЖМО в ванну агрегата, все вышеизложенные и другие способы [7 - Меркер Э.Э. и др. Способ электроплавки стали в дуговой печи. Патент РФ №2360009 от 27.06.09. Бюллетень №18] не позволяют комплексно решить данную проблему, заключающуюся в том, чтобы осуществлять оптимальный расход окатышей (V_ок, кг/с) при существующей скорости их плавления (V_пл, кг/с) в ванне печи с учетом определения ее тепловой мощности (Δq_в, кВт) и оптимальной скорости нагрева металла (V_{t опт}, °C/мин) на основе всех поступающих источников тепла (Q_в, Q_СО, Q_т и др.) в металл и шлак агрегата необходимо осуществлять процесс регулирования расхода окатышей (V_ок, кг/с) по данным оптимальной скорости нагрева металла (V_{t (опт)}) в ходе протекания электроплавки ЖМО в печи.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ [7 - Меркер Э.Э. и др. Способ электроплавки стали в дуговой печи. Патент РФ №2360009 от 27.06.09. Бюллетень №18] электроплавки металлизованных окатышей в дуговой печи с использованием полых (трубчатых) электродов, через которые осуществляют подачу окатышей в ванну (V_ок, кг/с) в зону высоких температур под электродами в зависимости от тепла (Q_в, кВт*ч/т), усвоенного ванной, т.е. металлом и шлаком. При этом скорость загрузки окатышей (V_ок, кг/с) осуществляют при соблюдении ее равенства со скоростью их плавления (V_пл, кг/с) при условии [Q_в/ΔН*G_ок)]≥1,2, где ΔН - изменение энтальпии загруженных в ванну окатышей при их нагреве от исходной температуры плавления, кВт*ч/т; G_ок - масса загруженных окатышей в данный момент в печь, кг. При этом Q в = Q Σ д − ( Q и з л ф + Q и з л ш л ) , где Q Σ д - тепловая мощность всех электрических дуг в печи, кВт*ч/т; Q и з л ф и Q и з л ш л - соответственно потери тепла излучением от электрических дуг на футеровку свода и стен печи и от излучения шлаком в рабочее пространство печи, кВт*ч/т. Недостатком данного способа (прототипа) является то, что для определения величин Q и з л ф и Q и з л ш л необходимо осуществлять непрерывное измерение температуры металла (Т_м, °C) по ходу электроплавки ЖМО, например, по способу [2 - Меркер Э.Э. и др. Дуговая печь для выплавки стали с использованием металлизованных окатышей. Патент РФ №2374582 от 27.11.09. Бюллетень №33] с измерением температуры металла и определением концентрации углерода в нем с помощью датчика Э.Д.С. и температуры, установленного в торце фурмы, позволяющая к тому же осуществлять дожигание окиси углерода (CO) струями кислорода. В то же время представляется возможным, например, по способу [6 - Сугнура Сабуро и др. Способ выплавки стали в дуговой печи. Заявка 59 - 104419, Япония. Заявл. 03.12.1982, №57 - 212502. Опубл. 16.06.1984. МКИ C21C 5/52] осуществить дополнительный нагрев металла и шлака с помощью боковых фурм (или ТКГ) в печи за счет дожигания CO кислородом над ванной, а также за счет сжигания топлива или углеродистого коксика в агрегате, что является дополнительным источником для определения величины Δq_в или Q_в, однако этот источник не учитывается в прототипе при определении расхода (V_ок, кг/с) для данной скорости плавления окатышей (V_пл, кг/с) и, к тому же, не осуществляется непрерывный фактический контроль скорости нагрева металла (V_t, °C/мин).

Таким образом, настоящим изобретением решается важная научно-техническая задача на основе устранения существенных недостатков во всех известных способах по повышению энергоэффективности электроплавки металлизованных окатышей в дуговой печи, снижения расхода электроэнергии, увеличения производительности агрегатов и уменьшения энергоемкости производства.

Это достигается благодаря тому, что предлагаемый способ электроплавки металлизованных окатышей в дуговой печи, включающий подачу окатышей (брикетов и др. сыпучих материалов) через полые (трубчатые) электроды, топлива через топливно-кислородные горелки (ТКГ) на шлак, кислорода через сопла фурмы, а также измерение активности кислорода (углерода) в металле методом Э.Д.С. и температуры датчиком в ванне печи, отличается тем, что расход металлизованных окатышей (V_ок, кг/с) осуществляют по зависимости от тепловой мощности ванны (Δq_в, кВт) и скорости нагрева металла в ней (V_t, °C/мин), которую определяют по выражению V о к = ( Δ q в / ( V t * c ¯ ) − G 0 ) / τ , при этом Δq_в=Q_в/τ+(Q_экз+Q_CO+Q_т), где Q_в - расход электроэнергии на плавку, кВт*ч; Q_СО, Q_т, Q_экз - приходы тепла в ванну от дожигания окиси углерода (CO), сжигания топлива из ТКГ и за счет экзотермических реакций в печи, кВт; G₀ - начальный вес металла в печи до начала подачи окатышей в ванну, кг; c ¯ - средняя теплоемкость металла, кДж/(кг*°C), причем скорость нагрева металла V_t определяют как V t = ( T д " − T д ' ) / ( τ 2 − τ 1 ) , где T д ' и T д " непрерывно измеряемые датчиком в ванне печи температуры металла (°C) в моменты времени τ₁ и τ₂ (мин), а также находят текущий вес металла в печи, равный G_r=G₀+V_ок·τ, и скорость обезуглероживания металла по выражению V_c=(C₂-C₁)/(τ₂-τ₁), [С, %]/сек, где C₁ и C₂ - концентрации углерода в моменты времени τ₁ и τ₂, причем C₁ и C₂ определяют по ходу процесса плавки ЖМО по активности кислорода (а _[O]) в металле, измеряемый датчиком Э.Д.С. и температуры, и к тому же способ отличается тем, что расход окатышей (V_ок, кг/с) регулируют по V_t=V_t(опт), то величину Δq_в уменьшают, а если V_t>V_t(опт), то значение Δq_в повышают до уровня, когда V_t=V_t(опт), при этом оптимальную скорость нагрева металла в печи V_t(опт) определяют как V_t(опт)=[(T_опт-T_ликв)-Т_м]/τ=(ΔТ_л+(1539+85[С, %])-Т_м)/τ, где T_опт, T_ликв, Т_м - температура металла оптимальная в ванне дуговой печи, температура ликвидуса и текущая температура металла в печи, °C; ΔТ_л - степень перегрева металла над линией ликвидуса, равная, например, в дуговой печи 75±15°C; [С, %] - текущая концентрация углерода, определяемая с помощью датчика Э.Д.С. (3 - Авт. свид. СССР №640198. Открытия изобретения. 1978. №48. с. 158) и температуры (4 - Кислородные зонды в сталеплавильном производстве. // М.: Металлургия, 1989. - 144 с.; рис. 35, стр. 97), который размещают в торце корпуса фурмы и, следовательно, способ отличается тем, что дожигание CO осуществляют кислородом, поступающего из сопел фурмы и ТКГ на шлак в пропорции от объема CO над ванной, который определяют, например, по зависимости V_CO=3,1·10^-4·V_C·G_τ м³/с, где G_τ - текущий вес металла в печи, равный G_τ=G₀+V_oк·τ, а скорость обезуглероживания металла при этом равна V_с=(C₂-C₁)/(τ₂-τ₁), [C, %]/сек, где C₁ и C₂ - концентрации углерода в моменты времени τ₁ и τ₂, причем C₁ и C₂ определяют по ходу процесса плавки ЖМО по активности кислорода (а _[O]) в металле, измеряемой датчиком Э.Д.С. и температуры, установленным в торце фурмы, при этом способ, отличающийся тем, что концентрацию углерода [%С] в металле определяют по активности кислорода (а _[O]) и температуре металла (Т_м, °C) с помощью датчика Э.Д.С. в торце фурмы, например, по корреляционному выражению а _[O]=0,0025±0,0032/[%C], причем a [ O ] = exp ( E 1 ln a 0 " − E 2 ln a 0 ' E 1 − E 2 ) , где E₁ и E₂ - измеренные значения Э.Д.С. в ячейках датчика (мВ), а a 0 ' и a 0 " - активности кислорода в стандартных электродах сравнения датчика.

Анализ известных (1 - Патент РФ на изобретение №2385952 от 13.05.09. Бюллетень №19; 2 - Патент РФ №2374582 от 27.11.09. Бюллетень №33; 5 - Патент РФ №2476603 от 14.06.2011. Бюллетень №6; 7 - Патент РФ №2360009 от 27.06.09. Бюллетень №18) и других способов электроплавки металлизованных окатышей в дуговой печи позволяет сделать заключение о наличии в предлагаемом изобретении существенной новизны, заключающейся в том, что текущий расход окатышей (V_ок, кг/c) осуществляют и регулируют в ходе плавки стали по оптимальной скорости нагрева металла в печи (V_t(опт), °C/сек), учитывающей все источники поступления тепла в ванну агрегата при измерении текущей (V_t, °C/сек) с помощью датчика температуры.

Поэтому отношение V_t/V_t(опт)=К_опт=1±0,05 представляется универсальным критерием для оптимизации энерготехнологического режима электроплавки стали ЖМО, позволяющим, в отличие от всех известных способов, обеспечивать высокую энергоэффективность процесса, повысить производительность печи и снизить в целом энергоемкость производства электроплавки.

Работа по данному способу осуществляется (см. фиг. 1) следующим образом. Способ электроплавки ЖМО осуществляется в дуговой печи (1), где показана центральная часть свода печи (2) и топливно-кислородные горелки (3) для дополнительного подогрева металла и шлака в печи. Для подачи электроэнергии в печь используются полые (трубчатые) графитовые электроды (4), расположенные в центральной части (5) свода дуговой печи, которая в своем составе имеет водоохлаждаемую фурму с соплами (6) и датчик Э.Д.С. и температуры (7), установленный в торце фурмы. Для интенсификации процессов электроплавки ЖМО используют наряду с топливом и кислород (8), подаваемый из сопел ТКГ на шлак. Дополнительное дожигание CO над ванной осуществляют кислородом (9), поступающим из сопел фурмы (6) в пространство между электродами (4) над шлаком в печи. В области вокруг электродов (4) имеется зона плавления окатышей.

В целях осуществления непрерывного контроля температуры металла (Т_м, °C) и определения скорости нагрева металла (V_t, °C/сек) по ходу плавки кислородная фурма (фиг. 2) содержит измерительную штангу (11) с датчиком температуры и Э.Д.С. (19), и, кроме того, фурма имеет верхние сопла (12), позволяющие подавать кислород (13) на дожигание CO над шлаком (14) в печи. При этом нижние сопла фурмы (15) используются для подачи кислорода (16) на продувку расплава, что интенсифицирует экзотермические реакции окисления примесей в металле (17). Измерительная штанга (18) внутри фурмы (11) при электроплавке ЖМО погружается в металл (17), что позволяет с помощью датчика Э.Д.С. и температуры в штанге (19) осуществлять измерение (20) величины Э.Д.С. в электрохимической ячейке датчика совместно с температурой и определять тем самым значение активности кислорода и концентрации углерода в жидком металле (17), а затем и находить скорость обезуглероживания металла (V_с, °C/сек).

На фиг. 3 приведена обобщенная схема дуговой печи (1), включающая полые электроды (4), фурму с измерительной штангой и датчиком Э.Д.С. и температуры (19) с приборами измерения температуры металла (21) с одновременным определением скорости нагрева металла (V_t, °C/сек), которая служит основным критерием эффективности определения оптимальной скорости подачи окатышей в печь через осевые отверстия (22) электродов (4) в дуговой печи. Основным источником прихода тепла в печь является электроэнергия, которая преобразуется на электродах в электрические дуги (28) и контролируется системой приборов (23) для определения электрических параметров электроплавки ЖМО.

Расход окатышей осуществляется устройством (24) с обеспечением регулирования подачи окатышей через полые электроды (4) в зависимости от теплового состояния шлакометаллической ванны (Δq_в, кВт) с определением текущей скорости нагрева металла (V_t, °C/сек) и оптимизацией скорости загрузки окатышей (V_ок, кг/с) по конвейерной системе (25) агрегата, которая взаимосвязана с бункером (26) подачи окатышей, а также исполнительным механизмом (27). В зависимости от тепловой мощности электрических дуг (28), расхода топлива и кислорода от ТКГ (8) и расхода кислорода (29) из сопел фурмы (9) изменяется расход ЖМО (V_ок, кг/с) через отверстия в электродах (30) в своде печи, причем все виды подачи кислорода в рабочее пространство дуговой печи используются для дожигания CO (31) и окисления примесей металла в ванне печи.

Комплексное использование в дуговой печи (фиг. 1) тепловой мощности электрических дуг и ТКГ, а также источников тепла от использования кислородной фурмы (фиг. 2) позволяет интенсифицировать процессы электроплавки металлизованных окатышей (Δq_в→max) на основе использования контроля (фиг. 3) и регулирования скорости нагрева металла (V_t, °C/сек) относительно оптимально необходимой скорости (V_t(опт), °C/сек), определяемой на основе принципа соблюдения равенства скоростей расхода окатышей (V_ок, кг/с) и их плавления (V_пл, кг/с), что формируется необходимостью соблюдения V_t/V_t(опт)=1 по ходу электроплавки ЖМО.

Таким образом, применение метода контроля расход окатышей (V_ок, кг/с) по ходу электроплавки ЖМО по информации о суммарной фактической величине Δq_в, кВт и скорости нагрева металла (V_t, °C/сек) при соблюдении равенства этой величины оптимально необходимой скорости нагрева металла (V_t(опт), °C/сек), т.е. при соблюдении универсального критерия V_t/V_t(опт)=К_опт=1±0,05, с учетом других факторов, таких как V_пл, V_с, ΔТ_{л ,} является новизной существенно, отличающейся от всех известных способов электроплавки окатышей в ванне дуговой печи.

Предлагаемый способ электроплавки металлизованных окатышей в дуговой печи может быть реализован с использованием известных устройств (3 - Авт. свид. СССР №640198. . Открытия изобретения. 1978. №48. с. 158; 4 - Кислородные зонды в сталеплавильном производстве. // М.: Металлургия, 1989. - 144 с., рис. 35, стр. 97; 6 - Япония. Заявл. 03.12.1982, №57 - 212502. Опубл. 16.06.1984. МКИ C21C 5/52), а экономическая эффективность предлагаемого способа подтверждается результатами известных работ (1 - Патент РФ на изобретение №2385952 от 13.05.09. Бюллетень №19; 2 - Патент РФ №2374582 от 27.11.09. Бюллетень №33; 5 - Патент РФ №2476603 от 14.06.2011. Бюллетень №6; Патент РФ №2483119 от 27.05.2013. Бюллетень №6), использующие частично или полностью методы в предлагаемом изобретении, которые позволяют повысить энергоэффективность электроплавки стали.

1. Способ регулирования электроплавки железорудных металлизованных окатышей (ЖМО) в дуговой печи, включающий подачу в шлакометаллическую ванну через свод печи ЖМО с использованием полых электродов в зону электрических дуг, их плавление с дожиганием окиси углерода (СО) кислородом, поступающим из сопел водоохлаждаемой фурмы в пространство между электродами над шлаком, и дополнительный подогрев шлакометаллической ванны, при этом осуществляют непрерывный контроль температуры металла (T_м, °C) с помощью датчика Э.Д.С. и температуры измерительной штанги, расположенной внутри упомянутой фурмы, отличающийся тем, что определяют тепловую мощность шлакометаллической ванны по выражению Δq_в=Q_в/τ+(Q_экз+Q_СО+Q_T), где Q_B - расход электроэнергии на плавку, кВт·ч/т; Q_CO, Q_T, Q_экз - приходы тепла в ванну от дожигания СО, топлива и экзотермических реакций в печи, кВт, и текущую скорость нагрева металла (V_t, °C/сек) по выражению , где и - непрерывно измеряемая датчиком температура металла (°C) в ванне печи в моменты времени τ₁ и τ₂ (мин), и регулируют текущий расход ЖМО (V_ок, кг/с) в зависимости от тепловой мощности шлакометаллической ванны (Δq_В, кВт) и текущей скорости нагрева металла в ней (V_t, °C/сек) при соблюдении равенства (V_t, °C/сек) оптимальной скорости нагрева металла (V_t(опт), °C/сек), при этом текущий расход ЖМО определяют по выражению , где G₀ - начальный вес металла в печи до начала подачи ЖМО в ванну, кг, c ¯ - средняя теплоемкость металла, кДж/(кг·°C), τ - время, сек.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что если V_t<V_t(_опт), то величину Δq_в уменьшают, если V_t>V_t(опт), то значение Δq_в повышают до уровня, когда Vt=V_t(опт), при этом оптимальную скорость нагрева металла в печи V_t(опт) определяют из выражения V_t(опт)=[(T_опт-T_ликв)-T_М]/τ=(ΔT_л+(1539+85[C,%])-T_М)/τ, где T_опт, Т_ликв, Т_М - оптимальная температура металла в ванне дуговой печи, температура ликвидуса и текущая температура металла в печи, °C; ΔТ_л - степень перегрева металла над линией ликвидуса, равная, например, в дуговой печи 75+15°C; [C, %] - текущая концентрация углерода, определяемая с помощью датчика Э.Д.С. и температуры, который установлен в торце корпуса измерительной фурмы.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дожигание СО осуществляют кислородом, поступающим из сопел фурмы и топлива на шлак в пропорции от объема СО над ванной, который определяют по зависимости V_СО= 3,1·10^-4·V_С G_τ: м³/с,где G_τ - текущий вес металла в печи, равный G_T=G₀+V_ОК·τ, а скорость обезуглероживания металла равна V_c=(C₂-C₁)/(τ₂-τ₁), [С, %]/сек, где C₁ и С₂ - концентрации углерода в моменты времени τ₁ и τ₂, причем С₁ и С₂ определяют по ходу процесса плавки ЖМО по активности кислорода (а_[0]) в металле, измеряемой с помощью датчика Э.Д.С. и температуры, который установлен в торце измерительной фурмы.