MD4422C1 - Instalaţie şi procedeu de producere a oţelului, şi procedeu de utilizare a energiei electrice generate în procesul de producere a oţelului - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la producerea oţelului, în special la instalaţii de producere a oţelului şi la procedee de producere neîntreruptă sau cel puţin ciclică a oţelului.Instalaţia şi procedeul includ în cazul topirii neîntrerupte a oţelului cel puţin primele trei etape şi în cazul topirii ciclice a oţelului toate cele cinci etape din următoarele: topirea neîntreruptă sau cel puţin ciclică a materialelor de încărcare în cuptorul electric cu arc (10); materialele de încărcare, care conţin bucăţi mărunţite de fier vechi (71), mărunţite în sistemul de mărunţire (40) a fierului rebutat (70) şi/sau a fierului vechi (71), fierului redus direct (DRI) şi/sau fierului brichetat fierbinte (HBI), sunt încărcate neîntrerupt sau cel puţin ciclic în timpul procesului de topire în cuptorul cu arc electric (10) cu ajutorul dispozitivelor de transportare (50, 51); o parte din oţelul lichid se descarcă neîntrerupt sau ciclic din baia cu oţel lichid a cuptorului electric cu arc (10); din energia termică, ce se elimină în procesul de topire din cuptorul electric cu arc (10), cu ajutorul generatorului de energie (30, 31, 32), se generează energie electrică neîntrerupt sau cel puţin ciclic în procesul de topire; sistemul de mărunţire (40) atribuit cuptorului electric cu arc (10) se alimentează neîntrerupt sau cel puţin ciclic cu energie electrică generată continuu de generatorul de energie (30, 31, 32) în timpul procesului de topire.

Description

Invenţia se referă la producerea oţelului, în special la instalaţii de producere a oţelului şi la procedee de producere neîntreruptă sau cel puţin ciclică a oţelului.

Pe de o parte oţelul poate fi obţinut din minereu de fier şi din fontă în furnale şi convertizoare cu aer insuflat. Pe de altă parte, din punct de vedere al randamentului energetic, este mult mai avantajoasă producerea oţelului prin topirea în cuptorul electric cu arc a bucăţilor de fier vechi, ce continuă să fie în întreaga lume cel mai utilizat material de încărcare pentru cuptoarele electrice cu arc.

Producerea oţelului în cuptorul electric cu arc (CEA):

În mod obişnuit, într-un cuptor electric cu arc energia electrică şi chimică se utilizează pentru topirea ciclică a materialului de încărcare. În cadrul acestui proces o mare parte din energia totală se transformă în energie termică pentru topirea materialului introdus. Căldura deasupra arcului electric, care se formează între electrod şi materialul de încărcare, se transmite materialului de încărcare în special prin iradiere.

Ca şi în orice alt proces de topire, în acest proces se produce o masă de oxizi, zgură, în care sunt transferate elementele secundare nedorite, separate din materialul topit, care datorită greutăţilor specifice mai joase plutesc deasupra oţelului topit.

În prezent procesul de topire ciclică durează de obicei între 30 şi 60 min (în funcţie de transformator şi materialul de încărcare). După procesul de topire urmează aşa-numita evacuare, în care oţelul lichid se evacuează într-o lingotieră şi ulterior se purifică şi se toarnă cu alte adaosuri de aliaj în funcţie de cerinţele solicitantului. Timpul între două evacuări ale oţelului este definit drept un ciclu al procesului de topire.

Pentru gradul de puritate a oţelului şi calitatea turnării acestuia este importantă cantitatea de zgură în lingotieră în timpul evacuării, fiind potrivită o cantitate cât mai redusă de aceasta sau absenţa scurgerilor de zgură în oţel. Pentru a evita aceste scurgeri până în prezent o practică obişnuită este evacuarea zgurii din cuptor într-o cupă pentru zgură în primul rând şi anterior evacuării oţelului lichid şi turnarea oţelului topit separat de zgură în lingotieră.

Cuptoarele electrice cu arc mai vechi pentru evacuarea separată a zgurii şi a oţelului sunt dotate cu două orificii amplasate pe peretele cuptorului pe părţi opuse şi la niveluri diferite. Aceste orificii de obicei pot fi închise şi controlate cu un sistem de închidere sau cu dispozitive mai moderne cu un sistem de ghidaj. În scopul asigurării evacuării separate a zgurii şi a oţelului cuptorul plin este pivotat spre orificiul respectiv pentru evacuare, ceea ce înseamnă că la început se direcţionează în poziţia de evacuare a zgurii, fiind înclinat între 10° şi 15° spre orificiul de descărcare a zgurii, amplasat la un nivel mai înalt, iar apoi în poziţia de evacuare a masei topite - de circa 45° spre orificiul de evacuare a oţelului, amplasat la un nivel mai jos.

Pentru a face posibilă o reducere cel puţin parţială sau o simplificare a mecanismelor pivotante complicate ale cuptorului s-a propus de a repoziţiona orificiul de evacuare a oţelului de pe peretele lateral al cuptorului în vatra cuptorului. Ca şi în toate cazurile de scurgere în interior, cât şi de scurgere din interior, sub suprafaţa lichidului se pot forma vârtejuri, care datorită mişcării lor descendente circulare sau spiralate, pot avea efecte nedorite de atragere după sine a particulelor de zgură.

Se ştie că anumite resturi de zgură şi/sau resturi de oţel rămân în cantitate minimă (circa 15% din volumul cuptorului) în cuptor, cantitate, care conduce la continuarea nedorită a reducerii topirii ce urmează ciclic.

O particularitate comună a cuptoarelor electrice cu arc moderne este amplasarea orificiului de evacuare a oţelului în vatra cuptorului între centrul cuptorului şi peretele cuptorului. Aşa-numita evacuare excentrică prin vatră (EBT) are drept efect posibilitatea înclinării neînsemnate a cuptorului în acest caz - doar la câteva grade (înclinaţie maximă până la 15°), ceea ce înseamnă că la început, pentru evacuarea zgurii, se înclină spre orificiul de descărcare a zgurii, care ca şi în cazul precedent, este amplasat pe peretele cuptorului, iar apoi, pentru evacuarea oţelului lichid, se înclină spre orificiul de evacuare a oţelului, amplasat excentric în vatra cuptorului. Aceasta oferă avantaje în ceea ce priveşte volumul şi răcirea cuptorului. Mai mult ca atât, prin acest mod de evacuare a oţelului se simplifică problema scurgerii simultane a zgurii.

În cazul în care în cuptoarele electrice cu arc moderne, cum se procedează de obicei, în timpul procesului de topire se adaugă, în special, cu aşa-numitele lănci de afânare, oxigen („afânare”) şi carbon, pe suprafaţă la majoritatea tipurilor de oţel apare o spumă, care constă în mare parte din gazele incluse.

Chiar şi zgurile spumoase pot fi evacuate în mod clasic. Totuşi, o practică uzuală este amplasarea orificiului de evacuare a zgurii în funcţie de nivelul băii de topire, care este definit sau definibil de un sistem de reglare, astfel încât surplusul de zgură spumoasă să poată fi evacuat prin revărsare după depăşirea limitei de capacitate, odată ce baia de topire ajunge la un anumit nivel, evitându-se astfel avantajos pauzele cauzate de evacuarea zgurii în cadrul procesului de topire, la sfârşitul căreia se produce iarăşi evacuarea clasică a oţelului prin EBT.

În scopul obţinerii unei productivităţi mai sporite a cuptorului electric cu arc până în prezent se încerca o topire cât mai rapidă, consumându-se cât mai multă energie electrică pe parcursul întregii perioade de topire şi cu pauze sau intervale intermediare fără alimentare cu energie cât mai scurte. Cu cât este mai scurt intervalul între două procese de evacuare, cu atât este mai flexibilă oţelăria în ceea ce priveşte structura de producere. La aceasta contribuie, printre altele, şi electrozii de 800 mm, lansaţi pe piaţă câţiva ani în urmă, care permit folosirea unor intensităţi mai înalte ale curentului şi evacuări mai rapide. Astfel, în cuptoarele electrice cu arc moderne, arcul electric cu intensitate de până la 140000 A produce până la 200 t de şarjă de deşeuri feroase. În cuptorul electric cu arc temperaturile ating nivele până la 3500°C, iar în baia de oţel lichid - până la 1800°C.

Perioadele de evacuare a zgurii şi de evacuare a şarjei până în prezent condiţionează, totuşi, întreruperi ciclice, tipice pentru alimentarea cu electricitate, materiale de încărcare şi aditivi, cum ar fi materialele solide cu granulaţie fină, cuptoarele funcţionând astfel discontinuu, tipic cuptoarelor electrice cu arc.

Alimentarea cuptoarelor electrice cu arc:

Fierul vechi, ca materie primă recuperată, este disponibil într-o diversitate mare de forme şi configuraţii. În funcţie de proprietăţile sale, cerinţele procesului de topire şi calităţile dezirabile ale oţelului, pentru fierul rebutat şi/sau fierul vechi (deşeurile feroase) se aplică diferite procedee de prelucrare. Preţul fierului vechi se modifică frecvent nu doar în funcţie de situaţia pe piaţă, ci şi datorită proprietăţilor fizice şi chimice ale acestuia.

Pentru producerea oţelului materialul de încărcare se selectează în funcţie de produsul finit, ce urmează a fi produs. Pentru oţelul simplu de grade normale se foloseşte cel mai ieftin fier vechi. Acesta este de obicei fierul rebutat pregătit şi/sau fierul vechi (deşeurile feroase). Densitatea acestui fier vechi este de obicei sub 0,4 kg/dm3. În mod normal sunt necesare trei-patru bene de fier vechi pentru a încărca mantaua unui cuptor electric cu arc ordinar. În cazul în care este necesar, se deschide bolta cuptorului prin pivotare pentru încărcarea mantalei cuptorului, pierderile de energie fiind de 15…20 kWh/t de oţel. Întreruperea procesului de topire, de obicei, pentru 4 până la 7 sau mai multe minute la fiecare evacuare a zgurii şi a oţelului, plus încărcarea cu bene de fier vechi reduce productivitatea şi sporeşte consumul electrozilor din cauza oxidării suplimentare a acestora.

Pentru creşterea densităţii materialului de încărcare se realizează pe larg presarea, deja cunoscută, a fierului vechi. După presarea fierului în pachete densitatea se măreşte şi, respectiv, urmează a fi încărcate mai puţine bene de fier vechi. Procesul de topire, însă, mai trebuie întrerupt pentru încărcare.

Totuşi, aceasta este doar o încărcare iniţială a fierului vechi, după caz cuptorul electric cu arc mai poate fi încărcat cu fier redus direct (DRI) şi/sau fier brichetat fierbinte (HBI) şi materiale ce formează zgură, creându-se condiţii pentru topirea materialelor de încărcare şi formarea unei băi de metal topit, care se acoperă cu zgură topită.

Recuperarea de căldură şi energie, în general:

Poluarea posibilă a aerului cu substanţe gazoase şi praf se consideră cea mai esenţială problemă a mediului ce apare la producerea oţelului din materii brute primare (de obicei, minereuri sau pelete obţinute din minereuri). Oţelăria reprezintă potenţiale surse de emisie de praf şi metale din cuptoare, convertizoare şi la transportarea metalelor topite.

În plus, consumul de energie şi recuperarea căldurii şi energiei sunt aspecte importante în producerea metalelor feroase şi a oţelului. Acestea depind de utilizarea eficientă a energiei, care se conţine în minereuri şi în adaosuri, de energia necesară pentru stadiile procesului, de tipul de energie utilizat şi de metoda de alimentare cu energie, precum şi de folosirea procedeelor eficiente de recuperare a energiei.

Astfel, pentru cuptor şi convertizor s-a propus alimentarea directă sau indirectă de la un dispozitiv de producere a aburului, de la o turbină cu proces de exhaustiune, iar turbina alimentează un generator a cărui energie se foloseşte la alimentarea turbocompresoarelor sau cauperelor din furnale [1, 2].

Se mai cunoaşte utilizarea energiei generate, în particular, indirect de un dispozitiv de producere a aburului, într-un proces de exhaustare într-un cuptor cu vatră pivotantă pentru preuscarea cărbunelui brun, producerea oxigenului, alimentarea reţelei energetice sau alimentarea cu energie a aşa-numitelor cuptoare electrice cu arc acoperite [3, 4, 5, 6].

Cuptoarele electrice cu arc acoperite nu se utilizează, însă, pentru producerea oţelului, ci doar pentru reducerea zgurii în scopul recuperării componentelor metalice.

Recuperarea de căldură şi energie cu cuptorul electric cu arc (EAF):

În timpul producerii oţelului din materii prime secundare, cum ar fi fierul vechi, în cuptoarele electrice cu arc se emit de asemenea substanţe gazoase şi pline de praf; astfel cele mai esenţiale probleme ale mediului se referă de asemenea la emisii.

Unul din procedeele bine cunoscute de recuperare a căldurii dintr-un proces cu evacuare de gaze fierbinţi (gura cuptorului) din cuptorul electric cu arc este, în particular, utilizarea gazelor de evacuare pentru uscarea şi preîncălzirea încărcăturilor [7, 8, 9, 10].

În prezent utilizarea ulterioară a acestei călduri nu se mai realizează. Astfel, sunt necesare instalaţii şi filtre eficiente de desprăfuire.

Recuperarea de energie electrică cu cuptorul electric cu arc (EAF):

Recuperarea energiei electrice înainte sau după curăţarea gazelor de evacuare din proces (gura cuptorului) este de asemenea posibilă pentru majoritatea cuptoarelor electrice cu arc, însă este foarte importantă situaţia locală, cum ar fi, de exemplu, cazurile când cuptorul electric cu arc funcţionează în mini-uzine (uzine compacte) şi în uzine metalurgice şi utilizarea energiei recuperate nu este posibilă decât pentru alimentarea reţelei energetice naţionale, ceea ce deja creează un pericol de perturbaţii nedorite în sistem, cauzate de arderea neregulată a arcului electric, determinată de procedeu. Astfel, persistă permanent solicitări majore de energie pentru alimentarea cu energie a cuptorului electric cu arc.

Deoarece cuptoarele electrice cu arc funcţionează, totuşi, până în prezent ca procese de alimentare periodică, ceea ce înseamnă că ele sunt alimentate ciclic cu materiale de aplicare, cum ar fi bucăţi de fier vechi, fier redus direct (DRI) şi/sau fier brichetat fierbinte (HBI) comprimat, temperatura gazelor de evacuare din proces suferă modificări ciclice. Pentru compensarea acestui fenomen, în contextul studiului ZERO EMISSIONS RESEARCH IN AUSTRIA (ZERIA), la iniţiativa Ministerului Federal de Transport, Inovaţii şi Tehnologie (Federal Ministry of Transport, Innovation and Technology (BMVIT)) şi WIFI din Austria pentru uzina de oţel “Marienhütte” s-a propus efectuarea controlului temperaturii gazelor de evacuare din proces cu un arzător cu gaze adiţional. Pentru aceasta urmează a fi asigurate mijloace complexe de măsurat şi de control [11].

Mai mult decât atât, utilizarea arzătoarelor cu gaze pentru stabilizarea temperaturii gazelor de evacuare din proces implică drept dezavantaje de utilizare suplimentară a energiei primare şi creşterea costurilor eferente din aceasta.

Problema pe care o rezolvă prezenta invenţie este asigurarea unei instalaţii perfecţionate de producere a oţelului, care conţine un cuptor electric cu arc, care va arde mai uniform, va fi alimentat fără folosirea arzătoarelor cu gaze adiţionale, având temperaturi stabile ale gazelor de evacuare din proces, cel puţin pentru perioade îndelungate ale ciclului procesului de topire, fiind astfel mai econom, fiind de asemenea operat fără cauzarea perturbaţiilor de sistem pentru reţeaua energetică locală, precum şi sporirea productivităţii instalaţiei de producere a oţelului astfel încât să se evite intervalele ciclice de întrerupere.

Instalaţia de producere a oţelului, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine:

- un cuptor electric cu arc pentru topirea cel puţin ciclică a materialelor de încărcare, care conţin bucăţi mărunţite de fier vechi, încărcate continuu în cuptorul electric cu arc, care în timpul procesului de topire generează continuu gaze fierbinţi de evacuare;

- un generator de energie, pentru generarea continuă a energiei în timpul procesului de topire din energia termică ce se conţine în gazele fierbinţi de evacuare din cuptorul electric cu arc;

- un sistem de mărunţire, cu care este asigurat cuptorul electric cu arc, pentru mărunţirea fierului rebutat şi/sau a fierului vechi şi pentru producerea bucăţilor mărunţite de fier vechi pentru alimentarea continuă a cuptorului electric cu arc în procesul de topire menţionat;

- un motor electric pentru acţionarea sistemului de mărunţire, alimentat în timpul procesului de topire cu energie electrică recuperată cu generatorul de energie;

- dispozitive de transportare, destinate pentru alimentarea continuă a cuptorului electric cu arc, în timpul procesului de topire, cu bucăţi de fier vechi mărunţite în sistemul de mărunţire.

Deoarece cuptorul electric cu arc este asigurat cu un sistem de mărunţire pentru mărunţirea fierului rebutat şi/sau a fierului vechi (deşeurilor feroase), pentru prima dată este posibilă alimentarea cuptorului electric cu arc cu bucăţi de fier vechi în formă necompactă, mărunţite în sistemul de mărunţire, astfel nefiind necesară presarea prealabilă şi continuă, cel puţin în cadrul ciclului procesului de topire.

La alimentarea continuă a cuptorului electric cu arc cu bucăţi mărunţite, nepresate de fier vechi în formă necompactată, arcul electric poate arde mult mai constant în cadrul ciclului procesului de topire decât într-un caz obişnuit de alimentare periodică cu fier vechi etc. a cuptorului electric cu arc, şi aceasta are drept avantaj evitarea perturbaţiilor nedorite în sistem. Mai mult decât atât, cel puţin în cadrul ciclului procesului de topire apar continuu gaze de evacuare din gura cuptorului, care au aceleaşi caracteristici şi calităţi şi care servesc pentru generarea continuă a energiei cel puţin în măsura necesară în cadrul unui ciclu al procesului de topire pentru alimentarea sistemului de mărunţire, cu care este înzestrat cuptorul electric cu arc. Deoarece arzătoarele cu gaze pentru reglarea procesului de evacuare a gazelor şi alimentarea externă cu energie a sistemului de mărunţire nu se mai utilizează, instalaţia de producere a oţelului, conform prezentei invenţii, funcţionează din punct de vedere economic la un nivel fără egal până în prezent în ce priveşte echilibrul energetic. Astfel, prin arderea mai stabilă a arcurilor electrice productivitatea cuptorului electric cu arc poate fi sporită cu peste 19%, iar cheltuielile de energie pot fi reduse cu aproximativ 14%, totodată emisiile în atmosferă pot fi reduse considerabil.

Datorită faptului că cuptorul electric cu arc cel puţin în cadrul ciclului procesului de topire este alimentat continuu cu bucăţi mărunţite de fier vechi şi, după caz, cu alte materiale de încărcare, acesta, în variantele preferate de realizare a invenţiei, conform revendicării 2, poate conţine o manta a cuptorului, executată din material refractar şi/sau care conţine elemente răcite cu apă şi o boltă a cuptorului permanent închisă în timpul alimentării continue cu bucăţi de fier vechi, în care într-un perete al mantalei cuptorului şi/sau în bolta cuptorului este executat un orificiu de alimentare, care permite alimentarea continuă a cuptorului electric cu arc cu bucăţi de fier vechi mărunţite în sistemul de mărunţire, fără a fi necesară deschiderea bolţii cuptorului în acest scop, cum era uzual până în prezent numai pentru aşa aditivi, cum ar fi cocsul, varul şi calcarul şi în practica normală în oţelăriile care lucrează numai cu fier redus direct (DRI) sau fier brichetat fierbinte (HBI), astfel evitând nu doar timpul îndelungat de alimentare, dar şi pierderile enorme de căldură, spre deosebire de cuptoarele electrice cu arc cunoscute, care trebuie să fie alimentate cu bene de fier vechi prin bolta deschisă a cuptorului.

În stadiul anterior procesul de încărcare a bucăţilor de fier vechi cu bene de fier vechi trebuie să fie repetat de câteva ori, în funcţie de materialul folosit (alimentarea necesară cu metale). Pentru fiecare ciclu de încărcare energia electrică trebuie să fie întreruptă, electrozii ridicaţi, iar bolta cuptorului rotită în exterior. De obicei, pentru cuptoarele electrice cu arc moderne se programează timpul de încărcare de 4…7 min.

S-a demonstrat că eliminarea acestor întreruperi pentru reîncărcare va avea drept rezultat nu doar o perioadă de încălzire mai scurtă, dar şi un consum redus de energie pentru fiecare tonă de oţel produs, deoarece la deschiderea bolţii cuptorului electric cu arc se pierde o cantitate semnificativă de căldură preţioasă prin radiaţie şi convecţie.

După încărcare pierderile de căldură urmează a fi suplinite cu energie electrică, în special la folosirea deşeurilor de fier uşoare sau necompacte, deoarece numărul de bene de fier vechi, care urmează a fi încărcate, creşte.

Un alt efect negativ în timpul încărcării cu bene de fier vechi este emisia sporită de praf şi fum în mediu, când bolta cuptorului se roteşte în afară.

Spre deosebire de cele menţionate, după eliminarea alimentării cu bene, bolta cuptorului nu mai trebuie deschisă în timpul lucrului, astfel încât drept avantaj vine eliminarea pierderilor de timp, a pierderilor de energie prin radiaţie termică. Necesitatea de a roti în afară bolta cuptorului apare doar în cazul reparaţiei acestuia.

Pentru aceasta, totuşi, nu este necesar un dispozitiv complex de ridicare a bolţii, deoarece bolta poate fi ridicată cu o macara oricând este necesară o reparaţie sau o înlocuire.

Cuptorul electric cu arc poate conţine, cum se obişnuieşte în stadiul anterior al tehnicii, o manta dimensionată astfel încât în interiorul ei să se afle o cameră suficientă pentru o cantitate maximă de bucăţi mărunţite de fier vechi în formă netopită, care pot fi topite în cadrul unui ciclu al procesului de topire, astfel un alt avantaj este că chiar şi cuptoarele electrice cu arc deja existente pot fi incluse într-o instalaţie de producere a oţelului conform invenţiei.

În cazul unui cuptor electric cu arc nou-construit, este preferat, conform revendicării 3 a prezentei invenţii, ca acest cuptor să conţină o manta, dimensiunile căreia să asigure un spaţiu interior suficient doar pentru 90%, în special doar pentru 80%, de preferinţă doar pentru 70% din cantitatea maximă de bucăţi mărunţite de fier vechi în formă netopită, care pot fi topite în timpul unui ciclu al procesului de topire.

Datorită faptului că în cadrul ciclului procesului de topire cuptorul electric cu arc este alimentat continuu cu bucăţi mărunţite de fier vechi şi, după caz, cu alte materiale de încărcare, mantaua cuptorului, într-o variantă preferată de realizare a invenţiei, poate fi uneori de dimensiuni mult mai mici decât în cazul de alimentare periodică, conform stadiului anterior al tehnicii.

Cu cât mai mici vor fi dimensiunile mantalei cuptorului, cu atât mai puţin aceasta va trebui răcită.

În consecinţă, deoarece arcul electric funcţionează mai constant, datorită alimentării continue cu materiale de încărcare, este posibilă construirea mantalei cuptorului numai din material refractar, care nu va necesita elemente de răcire a pereţilor.

Posibilitatea de a înlocui panourile răcite cu apă cu material refractar reduce considerabil volumul instalaţiei de tratare a apei (WTP), rezultând economii suplimentare de energie electrică de circa 5%, ceea ce reprezintă un interes special pentru ţările în care este deficit de apă şi aceasta este costisitoare.

În conformitate cu o particularitate adiţională a invenţiei, conform revendicării 4, cuptorul electric cu arc de preferinţă asigură formarea zgurii spumoase în aşa cantităţi, încât arcurile să fie acoperite cel puţin parţial cu un strat de zgură spumoasă.

Arcurile electrice neacoperite cauzează uzura sporită a electrozilor şi încălzirea nedorită a pereţilor cuptorului. Consecinţele ulterioare sunt: randamentul energetic redus, o durată mai prelungită a procesului şi, respectiv, o productivitate redusă. Pentru acoperirea arcului electric este generată zgura spumoasă, înălţimea căreia poate fi controlată prin adiţia, în special, a cărbunelui mărunt şi a oxigenului. Alimentarea cu aceşti agenţi de spumare se face fie manual, fie automat, în conformitate cu o diagramă de control prestabilită, prin suflare porţionată în stratul limită existent între stratul de zgură şi metalul topit şi/sau în zonele stratului de zgură şi/sau de metal topit, adiacente stratului limită.

În trecut era dificilă încărcarea materialelor uşoare, cum ar fi bucăţile mărunţite de fier vechi cu o lungime preferată în orice direcţie, de exemplu de 30 cm maximum, prin zgură în baia de oţel lichid, în particular, din cauza că zgura este prea grea şi materialul urmează a fi încărcat între electrozi. În prezent, datorită practicii cu zgură spumoasă, prin care în oţelul lichid se insuflă mai mult carbon şi oxigen pentru formarea zgurii spumoase, această problemă a fost soluţionată.

Chiar şi procesul de formare a zgurii spumoase însăşi, denumit după tipul de zgură, are numeroase avantaje: se reduce cantitatea necesară de energie cu maximum 5%, graţie scutului termic de zgură spumoasă, se menţine structura arcului electric, se reduce uzura electrozilor şi a materialului ignifug al mantalei cuptorului, se reduc perioadele de evacuare şi se îmbunătăţeşte aplicarea elementelor de aliere, cum ar fi, în particular, a cromului.

În conformitate cu o particularitate adiţională a prezentei invenţii, conform revendicării 5, cuptorul electric cu arc conţine un orificiu de descărcare a zgurii, executat pe peretele mantalei cuptorului, la un nivel definit de un sistem de ghidaj sau de capace oarbe, astfel încât surplusul de zgură spumoasă este evacuat după principiul de supra-scurgere, imediat ce baia de topire ajunge la un anumit nivel, prin aceasta evitându-se avantajos întreruperile cauzate de evacuarea zgurii în cadrul procesului de topire.

Un cuptor electric cu arc, în conformitate cu prezenta invenţie, poate fi de preferinţă construit, conform revendicării 6, astfel încât evacuarea oţelului urmează după fiecare ciclu al procesului de topire, avantajul fiind posibilitatea includerii cuptoarelor electrice cu arc deja existente în instalaţiile de producere a oţelului conform invenţiei.

În contextul celor menţionate şi al altor obiecte vizate, se propune în conformitate cu invenţia, conform revendicării 7, o instalaţie de producere a oţelului, care este bazată pe instalaţii de producere a oţelului bine cunoscute, ce se caracterizează prin aceea că cuptorul electric cu arc este destinat pentru topirea neîntreruptă a materialelor de încărcare, cum ar fi, în particular, bucăţi mărunţite de fier vechi, fier redus direct (DRI) şi/sau fier brichetat fierbinte (HBI), în care o parte din oţelul lichid poate fi evacuată neîntrerupt din baia de oţel lichid a cuptorului electric cu arc prin orificiul de evacuare a oţelului, amplasat pe fundul mantalei cuptorului sau în apropierea acesteia şi materialele de încărcare, care pot fi încărcate neîntrerupt în cuptorul electric cu arc cu ajutorul dispozitivelor de transportare astfel încât avantajul este procesul de topire neîntreruptă.

Deoarece cuptorul electric cu arc conţine un orificiu de evacuare a oţelului, care permite evacuarea neîntreruptă a oţelului, aceasta în combinaţie cu alimentarea neîntreruptă cu materiale de încărcare poate asigura şi menţine un proces de topire continuu.

Materiale de încărcare posibile pot fi, în particular, bucăţi mărunţite de fier vechi, fier redus direct (DRI) şi/sau fier brichetat fierbinte (HBI). Bucăţile mărunţite de fier vechi pot proveni, de preferinţă, conform prezentei invenţii, dintr-un sistem de mărunţire, cu care este asigurat cuptorul electric cu arc, pentru mărunţirea fierului rebutat şi/sau a fierului vechi (deşeurilor feroase); sau alternativ sau cumulativ acestea fiind deja livrate în cuptorul electric cu arc în aşa formă fiind prelucrate preliminar.

Deoarece cuptorul electric cu arc este asigurat cu un dispozitiv de mărunţire, se preferă ca modalităţile de generare a energiei pentru acţionarea sistemului de mărunţire în cadrul procesului de topire să provină de la energia termică cu implicarea gazelor fierbinţi de evacuare din gura cuptorului electric cu arc.

Prin evacuarea neîntreruptă a unei părţi de oţel din baia de oţel lichid şi prin alimentarea neîntreruptă a cuptorului electric cu arc cu materiale de încărcare necompactate, cum ar fi bucăţile mărunţite nepresate de fier vechi, fierul redus direct (DRI) şi/sau fierul brichetat fierbinte (HBI), arcul electric poate arde totdeauna mai mult sau mai puţin constant în cadrul unui proces de topire continuu.

Întreruperi, asemenea celor dintr-un caz obişnuit de alimentare periodică cu fier vechi etc. a cuptorului electric cu arc, precum şi evacuările ciclice se evită completamente, avantajul fiind excluderea perturbaţiilor nedorite în sistem.

Mai mult ca atât, apar continuu gaze de evacuare din gura cuptorului cu aceleaşi caracteristici şi calitate, ceea ce permite generarea neîntreruptă a energiei într-o măsură în care nu putea fi obţinută până în prezent în instalaţiile de producere a oţelului.

Deoarece arzătoarele cu gaze pentru reglarea procesului de evacuare a gazelor şi alimentarea externă cu energie nu se mai folosesc, instalaţia de producere a oţelului, conform invenţiei, funcţionează, din punct de vedere economic, la un nivel fără egal până în prezent în ceea ce priveşte echilibrul energetic. Astfel, prin arderea neîntreruptă a arcurilor electrice, productivitatea cuptorului electric cu arc poate fi sporită cu peste 26%, iar cheltuielile de energie pot fi reduse cu circa 23%, totodată emisiile în atmosferă pot fi reduse considerabil.

Într-o altă variantă preferată de realizare a invenţiei, conform revendicării 8, o parte din oţelul lichid se descarcă din baia de oţel lichid într-o oală de turnare a oţelului, pe janta căreia este format un jgheab, care este suprapus pe janta adiacentă a oalei de turnare a oţelului adiacente pentru a asigura schimbul continuu al oalelor de turnare a oţelului sub fluxul continuu de oţel.

În conformitate cu particularitatea adiţională a invenţiei, conform revendicării 9, instalaţia de producere a oţelului conţine un sistem de control al procesului pe bază de calculator, destinat pentru a direcţiona fără restricţii ratele de alimentare definite ale bucăţilor de fier vechi, astfel încât materialele de încărcare să se afle în echilibru cu energia de topire necesară, ceea ce permite producerea diferitor tipuri de oţel.

Astfel, fiecare material necesită o anumită energie pentru topire, numită entalpie. Prin tehnici moderne de calculator în nivelul de funcţionare „automatizare” şi în nivelul de funcţionare „controlul procesului” este posibilă elaborarea unui profil de topire pentru diferite scenarii de încărcare a cuptorului. Scenariile pe bază de calculator pot selecta, în special, doar încărcarea continuă a bucăţilor mărunţite de fier vechi până la alimentarea continuă cu materiale de încărcare din fier vechi, fier redus direct (DRI) şi/sau fier brichetat fierbinte (HBI). În general bolta cuptorului niciodată nu se va deschide în timpul procesului, reducând semnificativ pierderile costisitoare de energie şi emisiile în atmosferă. Viteza de alimentare se va selecta în funcţie de puterea absorbită, fiind reglată cu viteza de alimentare specifică. Temperatura prestabilită, calculată cu ajutorul nivelului de funcţionare “controlul procesului”, se va stabili în intervalul, care asigură cele mai bune condiţii pentru practica cu zgură spumoasă. Profilul de topire se elaborează astfel încât în cazul unui cuptor electric cu arc, care funcţionează ciclic, încărcarea se opreşte când se ajunge la temperatura de topire. În acest caz nu se mai cere timp pentru afânare.

De asemenea există posibilitatea de a alimenta cuptorul concomitent cu diferite materiale de încărcare, de exemplu cu fier redus direct (DRI) şi/sau fier brichetat fierbinte (HBI) din altă pâlnie de alimentare. Acest material are o entalpie diferită şi de aceea este necesară şi o viteză de alimentare diferită. Totuşi, prin nivelul de funcţionare “controlul procesului” fiecare modificare în amestecul de alimentare poate fi calculată şi controlată.

Nu doar în acest context s-a demonstrat că, în conformitate cu particularitatea adiţională a invenţiei, conform revendicării 10, pentru determinarea vitezei reale de alimentare cu bucăţi de fier vechi este avantajoasă asigurarea mijloacelor de transport cu cel puţin un dispozitiv de cântărire.

De asemenea s-a demonstrat că, în conformitate cu particularitatea adiţională a invenţiei, conform revendicării 11, pentru evitarea întreruperilor procesului de topire este avantajoasă asigurarea mijloacelor de transport cu un dispozitiv de segregare destinat pentru detectarea şi segregarea, în particular prin metode optice, de exemplu, cu camere de supraveghere, a bucăţilor de fier vechi, care, în funcţie de volumul total al cuptorului electric cu arc, depăşesc dimensiunile prestabilite.

În conformitate cu particularitatea adiţională a invenţiei, conform revendicării 12, energia electrică generată pentru alimentarea sistemului de mărunţire poate fi obţinută direct sau indirect, în particular cu un cazan de recuperare, din energia termică, ce se conţine în gazele fierbinţi de evacuare evacuate din gura cuptorului electric cu arc în timpul procesului de topire.

În contextul prezentei invenţii, conform revendicării 13, se poate folosi un cuptor electric cu arc de curent alternativ (AC) de tip obişnuit sau de asemenea un cuptor electric cu arc de curent continuu (DC).

Prezenta invenţie suplimentar se referă, conform revendicării 14, la un procedeu de producere neîntreruptă sau cel puţin ciclică a oţelului în instalaţia de producere a oţelului, conform uneia din revendicările precedente, în care în cazul producerii neîntrerupte a oţelului sunt incluse cel puţin etapele de producere a oţelului de la a) până la c), sau într-un proces ciclic sunt incluse etapele de producere a oţelului de la a) până la e):

a) încărcarea continuă a materialelor de încărcare, inclusiv a bucăţilor de fier vechi mărunţite într-un sistem de mărunţire pentru mărunţirea fierului rebutat şi/sau a fierului vechi, fierului redus direct (DRI) şi/sau fierului brichetat fierbinte (HBI), care se încarcă neîntrerupt sau ciclic în timpul procesului de topire în cuptorul electric cu arc cu dispozitive de transportare;

b) topirea neîntreruptă sau cel puţin ciclică a materialelor de încărcare încărcate continuu în cuptorul electric cu arc în procesul de topire menţionat;

c) evacuarea neîntreruptă sau ciclică a unei părţi din oţelul lichid din baia de oţel lichid a cuptorului electric cu arc;

d) generarea continuă a energiei electrice în timpul procesului de topire din energia termică, ce se conţine în gazele fierbinţi de evacuare din cuptorul electric cu arc, cu ajutorul generatorului de energie;

e) alimentarea sistemului de mărunţire pentru mărunţirea fierului rebutat şi/sau a fierului vechi în timpul procesului de topire cu energie electrică generată continuu de generatorul de energie în timpul procesului de topire.

Ultimul moment, dar nu şi mai puţin important, este că prezenta invenţie, conform revendicării 15, se referă la un procedeu de utilizare a energiei electrice generate de dispozitivele de generare a energiei din energia termică conţinută în gazele fierbinţi de evacuare din gura cuptorului electric cu arc în timpul procesului de topire, în care neîntrerupt sau cel puţin ciclic se topesc materialele de încărcare, cum ar fi, în particular, bucăţile mărunţite de fier vechi, pentru alimentarea neîntreruptă sau cel puţin în cadrul ciclului procesului de topire a sistemului de mărunţire cu care este asigurat cuptorul electric cu arc, care mărunţeşte fierul rebutat şi/sau fierul vechi (deşeurile feroase) într-o instalaţie de producere a oţelului, descrisă anterior sau în continuare.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1 - 6, care reprezintă:

- fig. 1, exemplul unei variante posibile de realizare a generatorului de energie, care generează energie din gazele fierbinţi de evacuare evacuate din gura cuptorului electric cu arc în timpul procesului de topire, folosite pentru acţionarea sistemului de mărunţire, cu care este asigurat cuptorul electric cu arc menţionat (EAF);

- fig. 2, exemplu de realizare a dispozitivelor de transportare, care transportă neîntrerupt sau cel puţin ciclic în cadrul procesului de topire în cuptorul electric cu arc, de exemplu a bucăţilor de fier vechi, mărunţite în sistemul de mărunţire;

- fig. 3, fluxul procesului din prima instalaţie de producere a oţelului, conform revendicării 1, cu procese de topire ciclice, deci cu intervale alternante de topire şi de evacuare;

- fig. 4, fluxul procesului din a doua instalaţie de producere a oţelului, conform revendicării 7, cu un proces de topire neîntrerupt şi un proces de evacuare neîntrerupt care se produc simultan în această instalaţie;

- fig. 5, diagrama productivităţii cuptorului electric cu arc, conform invenţiei, în funcţie de energia absorbită (fără energia chimică) şi viteza de avans a fierului vechi;

- fig. 6, integrarea posibilă a unei instalaţii de producere a oţelului, conform invenţiei, într-o uzină de prelucrare a oţelului.

Lista indicaţiilor de referinţă:

1. instalaţie de producere a oţelului;

2. mini-uzină;

3, 3a, 3b. oale de turnare a oţelului;

4. jgheabul oalei de turnare a oţelului 3;

5. lingotieră;

6. maşină de turnare continuă;

10. cuptor electric cu arc (EAF);

11. electrod de grafit;

12. transformator;

13, 13a, 13b. mantaua cuptorului;

13.1. peretele cuptorului;

13.2. vatra cuptorului;

14. bolta cuptorului;

15. orificiu de alimentare, în special al cincilea orificiu în bolta cuptorului 14;

16. dispozitive de formare a zgurii spumoase;

17. orificiu de evacuare a zgurii;

18. orificiu de evacuare a oţelului, în particular orificiu de evacuare excentrică prin vatră (EBT);

19. sistem de ghidaj sau de închidere;

20. gaze fierbinţi de evacuare din gura cuptorului electric cu arc în timpul procesului de topire;

21. sistem de evacuare a gazelor;

22. cameră de combustie;

23. zona sistemului de evacuare a gazelor 21 cu postcombustie;

24. instalaţie de desprăfuire;

30. cazan de recuperare;

31. turbină cu abur;

32. generator de energie;

40. sistem de mărunţire;

41. motor electric;

42. pâlnie de alimentare cu fier vechi, amplasată la suprafaţă sau sub pământ;

50. alimentator vibrator;

51. bandă transportatoare;

52. sistem de cântărire;

53. dispozitiv de segregare;

54. jgheab rotativ;

60. condensator;

61. instalaţie de tratare a apei (WTP);

62. apă;

70. fier rebutat;

71. bucăţi mărunţite de fier vechi, nepresate, necompacte;

72. metale neferoase preţioase;

80. sistem de control al procesului pe bază de calculator;

I C. consum de fier vechi (viteza de avans);

II. capacitate de producere a oţelului (productivitatea).

Descrierea variantelor preferate de realizare:

În continuare sunt descrise variantele preferate de realizare a prezentei invenţii, numerele de referinţă similare desemnează componente identice sau comparabile.

Cu referinţă la fig. 1-6 în detalii şi, în primul rând, la fig. 1, în care este prezentat exemplul unei variante posibile de realizare a generatorului de energie alcătuit din dispozitive de generare a energiei, care utilizează energia termică conţinută în gazele fierbinţi de evacuare 20 din gura cuptorului electric cu arc 10 în timpul procesului de topire al instalaţiei de producere a oţelului, folosite pentru acţionarea sistemului de mărunţire 40, cu care este asigurat cuptorul electric cu arc 10 menţionat (EAF).

Pentru aceasta, este prevăzut cel puţin un cazan de recuperare 30 instalat în sistemul de evacuare a gazelor 21 al instalaţiei de desprăfuire 24 a cuptorului cu arc electric 10. Cazanul de recuperare 30 poate fi amplasat în particular în orificiul de evacuare al camerei de combustie 22 pentru particulele de praf ce se conţin în gazele de evacuare 20 şi/sau în zona 23 a sistemului de evacuare a gazelor 21 cu post-combustia carbonului sau în mod subordonat în instalaţia precedentă 22 şi în zona 23. În timp ce gazele de evacuare din gura cuptorului 20 în timpul procesului de topire dintr-o instalaţie de producere a oţelului 1 intră în canalul de evacuare a gazelor 21 cu o temperatură constantă în intervalul între 900°C şi 1100°C fără folosirea arzătoarelor cu gaze suplimentare, temperatura gazelor de evacuare - în cazul în care s-a redus până la o temperatură sub 800°C - poate fi din nou majorată prin transformare, graţie adiţiei oxigenului O într-un proces exotermic, a carbonului toxic CO cu oxigen O în bioxid de carbon CO2, care este mai puţin periculos, astfel generându-se temperaturi până la circa 1670°C, care pot fi folosite pentru formarea eficientă a aburului.

După cum se arată schematic în fig. 1, există o posibilitate de aranjare mai ingenioasă a mai multor cazane de recuperare 30 în sistemul de evacuare a gazelor 21 al instalaţiei de desprăfuire 24, astfel încât apa 62, care, de exemplu, este furnizată de instalaţia de tratare a apei 61, poate fi transformată în abur într-o modalitate mai eficientă.

Aburul, generat de cazanul de recuperare 30, alimentează turbina cu abur 31, care alimentează generatorul de energie 32.

Condensatul, generat de turbina 31, este ulterior răcit de un condensator 60 şi pompat direct în instalaţia de tratare a apei 61.

Cu energia electrică obţinută din dispozitivele generatorului de energie 30, 31, 32 este posibilă alimentarea sistemului de mărunţire 40 şi altor sarcini potenţiale de consum ale instalaţiei de producere a oţelului 1 fără utilizarea unei reţele energetice publice.

În fig. 2 sunt prezentate în calitate de exemplu dispozitivele de transport care transportă, de exemplu, bucăţile de fier vechi 71 mărunţite în sistemul de mărunţire 40, spre cuptorul electric cu arc 10 neîntrerupt sau cel puţin ciclic în timpul procesului de topire.

Fierul rebutat 70 şi/sau fierul vechi (deşeurile feroase) 71 de diferite mărimi se încarcă în sistemul de mărunţire 40, cu care - cum e arătat - este de preferinţă asigurat cuptorul electric cu arc 10.

Sistemul de mărunţire 40 livrează bucăţi mărunţite de fier vechi 71 de dimensiuni în general egale. Mai mult decât atât, metalele neferoase preţioase 72 pot fi segregate pentru o comercializare ulterioară.

Bucăţile mărunţite de fier vechi 71 se transportă în formă necompactă şi nepresate spre pâlnia de alimentare cu fier vechi 42, care poate fi amplasată de asemenea sub pământ.

Unul sau mai multe alimentatoare vibratoare 50 controlează cantitatea de bucăţi mărunţite de fier vechi 71, cu care este alimentat cuptorul electric cu arc 10.

În plus, primul sistem de cântărire 52 ajustează exact cantităţile.

Alimentatoarele vibratoare 50 transportă bucăţile mărunţite de fier vechi 71 în formă necompactă şi nepresate cu benzile transportoare 51 şi, de preferinţă, cu jgheabul rotativ 54, amplasat deasupra bolţii cuptorului 14, spre mantaua 13 a cuptorului electric cu arc 10.

Aşadar, jgheabul rotativ 54 livrează, neîntrerupt sau cel puţin ciclic în cadrul ciclului procesului de topire, bucăţile mărunţite de fier vechi 71 spre cuptorul electric cu arc 10.

Un cuptor electric cu arc 10, conform invenţiei, care este alimentat neîntrerupt sau cel puţin ciclic în cadrul ciclului procesului de topire cu bucăţi mărunţite de fier vechi 71, funcţionează cu un consum semnificativ de redus de energie specifică şi o productivitate mult mai înaltă.

Concomitent se reduc semnificativ emisiile în atmosferă, deoarece se exclude deschiderea bolţii cuptorului 14 a mantalei cuptorului 13 pentru încărcarea cu bene de bucăţi de fier vechi.

Mai mult decât atât, instalaţia de desprăfuire 24 de asemenea funcţionează cu un consum de energie semnificativ mai redus, deoarece este exclusă folosirea unui sistem secundar.

În fig. 3 este prezentat mai detaliat ciclul procesului în prima instalaţie de producere a oţelului 1, conform revendicării 1, cu procese ciclice de topire, prin urmare cu intervale de topire şi de evacuare alternante.

Sistemul de mărunţire 40 poate fi încărcat cu fier rebutat 70 şi/sau fier vechi (deşeuri feroase) 71 de mărimi diferite, de exemplu, până la trei sau mai mulţi metri în lungime, în funcţie de dimensiunile sistemului de mărunţire 40 utilizat. Prin mărunţirea acestui fier vechi (a deşeurilor feroase) 71 sistemul de mărunţire 40 produce bucăţi fărâmiţate de fier vechi 71 cu o lungime preferată în orice direcţie în spaţiu de circa 30 cm maximum şi segregă metalele neferoase preţioase 72.

Sistemul de mărunţire 40 este acţionat de motorul electric 41, alimentat de generatorul de energie 32. Ultimul este acţionat de turbina cu abur 31, utilizând aburul de la cel puţin un cazan de recuperare 30, amplasat în sistemul de evacuare a gazelor 21 al instalaţiei de desprăfuire 24 din cuptorul electric cu arc 10. Orice surplus de energie electrică poate fi direcţionat spre alte sarcini potenţiale de consum ale instalaţiei de producere a oţelului 1.

Bucăţile mărunţite de fier vechi 71 sunt descărcate direct din sistemul de mărunţire 40 şi introduse în pâlnia de primire a fierului vechi 42, amplasată la suprafaţă sau sub pământ.

Pentru încărcarea bucăţilor mărunţite de fier vechi 71 în cuptorul electric cu arc 10, operatorul instalaţiei de producere a oţelului 1 poate controla, conform invenţiei, cantitatea de alimentare dezirabilă şi viteza de avans cu dispozitivele electronice de control 80. În acest caz cantitatea şi viteza de avans depind de capacitatea cuptorului, amestecul de alimentare şi capacitatea transformatorului 12 pentru electrozii de grafit 11.

Jgheabul 54, de preferinţă de tip rotativ, se poziţionează deasupra mantalei 13 cuptorului electric cu arc 10. Acest jgheab 54 este un jgheab folosit de obicei pentru alimentarea cuptorului 10 cu aditivi prin aşa-numitul al cincilea orificiu 15 în bolta cuptorului 14. Modelul cuptorului, cum ar fi mărimea cuptorului şi diametrul electrozilor, depinde de capacitatea transformatorului.

Cu începerea procesului neîntrerupt de topire, respectiv, cu fiecare fază ciclică nouă de topire, organizarea fluxului de materiale şi-a demonstrat eficienţa în modul ce urmează: toate dispozitivele de transportare 50 şi 51 demarează în sensul curentului de la cuptorul 10 spre pâlnia de alimentare cu fier vechi 42. Numărul exact de dispozitive de transportare (50, 51) (alimentatoare vibratoare, benzi transportoare) depinde de localizarea sursei de livrare a fierului vechi. În primul rând este acţionată banda transportoare de lângă jgheabul rotativ 54, după care urmează acţionarea benzilor transportoare amplasate înaintea benzii transportoare de lângă jgheabul rotativ 54. Ultimele în reţea sunt acţionate alimentatoarele vibratoare de sub pâlniile de alimentare cu fier vechi 42, care, de preferinţă, sunt controlate de convertizoarele de frecvenţă.

De preferinţă benzile transportoare de lângă jgheabul rotativ 54 sunt asigurate cu două sisteme de cântărire 52, unul din ele fiind amplasat avantajos pe prima bandă transportoare, nemijlocit după alimentatoarele vibratoare, iar al doilea - la sfârşitul căii de transport pe ultima bandă transportoare înainte de intrare în bolta cuptorului 14. Această construcţie asigură o măsurare corectă şi o comparare (dubla verificare) a cantităţii, care urmează a fi încărcată în mantaua 13 a cuptorului electric cu arc 10. În cazul în care cel de-al doilea sistem de cântărire 52 şi primul sistem arată aceeaşi capacitate, acţiuni de corecţie a alimentatoarelor vibratoare nu se vor întreprinde. În cazul unei abateri majore, corecţia poate fi efectuată cu un sistem de calculator 80.

În cazul bucăţilor de fier vechi 71 mărunţite grosier, benzile transportoare pot fi asigurate cu dispozitivul de segregare 53, care le determină, de exemplu, optic cu camere de supraveghere, astfel fiind segregate bucăţile de fier vechi care depăşesc dimensiunile prestabilite.

În cazul unui cuptor electric cu arc 10 care funcţionează în proces de topire ciclic, alimentatoarele vibratoare se stopează când greutatea atinge punctul final stabilit. Benzile transportoare de fier vechi se stopează peste câteva secunde.

Cel puţin prima bandă transportoare, care urmează după alimentatorul vibrator, rămâne, de preferinţă, încărcată complet cu bucăţi de fier vechi 71, iar toate celelalte benzi transportoare pot fi descărcate sau poate să continue alimentarea cu alte materiale, de exemplu cu fier redus direct (DRI), var, cocs, etc. Menţinerea benzii transportoare încărcate cu bucăţi de fier vechi are drept avantaj reducerea minimă a timpului de alimentare pentru următorul ciclu de topire. Cantitatea poate fi calculată de sistemul de calculator 80 al instalaţiei de producere a oţelului 1.

Drept alternativă este posibilă încărcarea cu alte materiale decât bucăţile de fier vechi, sau încărcarea simultană în aceeaşi instalaţie, dar din surse diferite. Aceste materiale, cum ar fi de exemplu varul, cocsul, fierul redus direct (DRI) şi/sau fierul brichetat fierbinte (HBI) presat, de asemenea sunt livrate de ultima bandă transportoare, care este asigurată cu sistemul de cântărire 52. Fiecare din aceste materiale este comandat de operatori sau de un sistem computerizat de control al procesului 80 cu o anumită viteză de avans şi pe o altă bandă transportoare cu sistem de cântărire 52 şi poate fi cu uşurinţă scăzut din greutatea totală măsurată.

În cazul în care spre sfârşit toate materialele de încărcare au fost livrate spre cuptorul electric cu arc 10, care funcţionează în proces de topire ciclic, dispozitivele de transportare 50, 51 sunt stopate complet. Aceasta se referă în special la timpul necesar pentru evacuarea zgurii şi a oţelului.

Intervalele cauzate de evacuarea zgurii şi a oţelului de asemenea cauzează o pauză în evacuarea gazelor şi, respectiv, în generarea energiei, astfel încât sistemul de mărunţire 40 nu va fi acţionat temporar de energia generată de mijloacele de generare a energiei. Deoarece în intervalele menţionate alimentarea cu materiale de încărcare este de asemenea întreruptă, nu urmează efecte nefaste, deoarece, în pofida acestor întreruperi, există avantajul unui randament energetic, care nu a existat până în prezent.

Procedeul menţionat anterior se aplică în măsură egală în cazurile de întrerupere cauzate de întreţinerea tehnică a mecanismelor cuptorului electric cu arc, care funcţionează separat într-un proces de topire neîntreruptă.

În fig. 4 este prezentat fluxul procesului în a doua instalaţie de producere a oţelului 1, conform revendicării 7, în care procesul de topire neîntrerupt şi procesul de evacuare neîntrerupt se produc simultan.

Cuptorul electric cu arc 10 conţine orificiul de evacuare a oţelului EBT (de evacuare excentrică prin vatră) 18. Sub orificiul de evacuare a oţelului 18 este amplasat un sistem de ghidaj sau de închidere 19. Acest sistem de ghidaj sau de închidere 19 permite de a stabili şi de a controla timpul de evacuare dezirabil (timpul de umplere a oalei de turnare sau debitul/viteza de curgere). Amplasarea înălţimii orificiului de evacuare a oţelului EBT 18 este realizată astfel încât sub orificiul de evacuare a oţelului 18 să rămână întotdeauna o anumită cantitate de topitură. În cazul reparaţiilor planificate ale cuptorului, graţie unei asemenea construcţii, încetarea şi începutul rapid al curgerii oţelului sunt posibile prin înclinarea înapoi a cuptorului. Înălţimea băii este controlată de preferinţă cu un calculator prin echilibrarea vitezei de avans (alimentarea continuă a mărunţitorului) şi a cantităţii de evacuare (poziţia sistemului de ghidaj sau de închidere 19).

Evacuarea neîntreruptă va fi posibilă numai în cazul în care materialul de încărcare se adaugă de asemenea neîntrerupt şi se topeşte imediat. Temperatura băii (topire în cuptor) permanent corespunde cerinţelor ce ţin de temperatura de evacuare a topiturii, care în orice moment poate fi ajustată şi controlată prin măsurări. Volumul de evacuare (oţelul brut) pentru o unitate de timp corespunde volumului de topire, constituit din cantitatea adăugată minus pierderile prin topire. Adică evacuarea neîntreruptă este posibilă doar datorită echilibrului existent între materialul de încărcare (controlat de viteza de avans) şi energia de topire necesară (controlată de puterea electrică absorbită). Acest echilibru poate fi controlat de preferinţă cu calculatorul 80.

De obicei, viteza de avans a materialelor de încărcare, cum ar fi a fierului vechi mărunţit 71 etc., este determinată de energia absorbită (viteza de avans specifică). În cazul defectării oalei de turnare a oţelului 3, este necesară reducerea fluxului de oţel (capacitatea cuptorului) în lingotiera 5 şi/sau în maşina de turnat 6. În acest caz energia absorbită se reduce, iar viteza fluxului de fier vechi de asemenea va descreşte. Cantitatea de evacuare (viteza/debitul de curgere) se va reduce de asemenea prin schimbarea poziţiei sistemului de ghidaj sau de închidere 19 al orificiului de evacuare a oţelului 18.

Oala de turnare 3a este asigurată pe janta sa cu jgheabul 4, care se suprapune peste janta oalei de turnare a oţelului adiacente 3b. Jgheabul 4 asigură schimbul liber al oalelor de turnare 3a, 3b, … în flux continuu de oţel.

Capacitatea oalelor de turnare 3 este proiectată astfel încât temperatura după umplere va mai fi cu 30…40 grade sub temperatura de turnare necesară. Decisivi pentru aceasta sunt parametrii de exploatare a cuptorului 10. În timpul “evacuării” (umplerea oalelor de turnare 3, 3a, 3b, …) unele tratamente metalurgice, cum ar fi desulfurarea şi alierea, pot fi deja efectuate. Pentru funcţionarea rapidă şi continuă a maşinii de turnat 6 pot fi utilizate două lingotiere 5. Maşina de turnat 6 poate funcţiona cu două vagoane de turnare şi cu procedee de modificare a procesului turnării.

Deoarece uzura orificiului de evacuare 18 a sistemului de ghidaj sau de închidere 19 şi a materialului refractar al cuptorului 13.1 nu poate fi prevenită, însă alimentarea continuă a maşinii de turnare 6 cu oţel trebuie asigurată, s-a demonstrat că este utilă prevederea unui al doilea convertizor 13b fără sistem de electrozi (Cuptor cu Manta Dublă). Acest cuptor 13b va continua să producă oţel în timp ce alt convertizor al cuptorului 13a va fi reparat sau înlocuit, fiind apoi iarăşi folosit ca unitate "în aşteptare". Reparaţiile minore, cum ar fi în special modificarea orificiului de evacuare 18 şi/sau a sistemului de ghidaj sau închidere 19, care sunt necesare aproximativ o dată în două zile, pot fi efectuate, dacă se planifică din timp, prin reducerea vitezei de turnare, creându-se, astfel, acumulare de oţel în lingotiera 5. Astfel producerea oţelului va fi stopată, iar cuptorul 10 va fi înclinat în poziţia de evacuare a zgurii cu o cantitate maximă de topitură rămasă. Modificarea orificiului de evacuare poate fi realizată, de exemplu, cu un set de orificii de evacuare 18, 19 preparate din timp şi durează doar 15…20 min.

Viteza maximă de avans I a fierului vechi 71 depinde de puterea transformatorului 12. Cuptorul 13 cu o capacitate de circa 150 tone de oţel brut de obicei dispune de o putere absorbită de minimum 100 MW. Într-un caz tipic de consum calculat de energie electrică de 490 kWh/t încărcătura de fier vechi (Valori Calculate: Randamentul de Metal = 88%; Utilizarea Arcurilor = 90%; Temperatura de Evacuare a Metalului = 1620°C), randamentul de evacuare (productivitatea) creşte în funcţie de energia absorbită (fără energia chimică) şi viteza de avans a fierului vechi şi este prezentată în tabelul ce urmează:

Puterea absorbită [MW] Consumul de fier vechi (viteza de avans I) [t/h] Capacitatea de producere a oţelului (productivitatea II) [t/h] 60 121 107 80 162 143 100 202 178 120 243 214

În fig. 5 sunt prezentate datele din tabelul precedent reprezentate în formă de diagramă. În acest grafic productivitatea II a unui cuptor electric cu arc 10, care funcţionează numai cu fier vechi 71, este prezentată în funcţie de energia absorbită (fără energia chimică) şi viteza de avans a fierului vechi, în care pe axa absciselor este reprezentată puterea absorbită în megawaţi (MW), iar pe axa ordonatelor - tonajul pe oră (t/h). De asemenea se remarcă raportul între Consumul I de fier vechi 71 (viteza de avans) şi capacitatea de producere II a oţelului (productivitatea).

În fig. 6 este prezentată integrarea posibilă a unei instalaţii de producere a oţelului 1, conform invenţiei, care corespunde fig. 3 şi fig. 4, într-o uzină de prelucrare a oţelului, în special într-o mini-uzină 2.

Astfel construcţia unui furnal poate fi diferită de cuptoarele electrice cu arc de tip obişnuit după cum urmează:

Graţie faptului că adiţia continuă a materialelor de încărcare, cum ar fi fierul vechi, se produce neîntrerupt sau cel puţin ciclic, baia de topire totdeauna se va afla în stare lichidă (proces cu baie plană), în acest caz excluzându-se deschiderea bolţii cuptorului 14 pentru încărcarea fierului vechi, iar dispozitivul de ridicare a bolţii poate fi eliminat. Pentru o reparaţie sau o modificare necesară bolta cuptorului 14 poate fi ridicată cu o macara. Cuptorul electric cu arc 10 în acest caz constă numai din două părţi, mantaua inferioară 13 a cuptorului electric cu arc 10 şi mantaua superioară, bolta 14 a cuptorului electric cu arc.

Panourile răcite cu apă ale bolţii 14 a cuptorului electric cu arc 10 şi ale mantalei inferioare 13 a cuptorului electric cu arc 10 pot fi înlocuite cu material refractar, astfel încât cuptorul 10 să fie căptuşit doar cu material refractar. Aceasta reduce considerabil dimensiunile instalaţiei de tratare a apei.

În plus, se reduce volumul cuptorului. Volumul nou al cuptorului, mai mic, este determinat de volumul gazului generat şi de capacitatea transformatorului.

În funcţie de volumul convertizorului, determinat de mărimea transformatorului, cuptorul poate fi asigurat în vatra sa cu una sau mai multe mufe de clătire (nu sunt arătate). Acestea au funcţia de asigurare a unei omogenizări mai bune a băii.

Tehnologia de producere a oţelului în cuptoarele electrice cu arc a suferit schimbări radicale în ultimele decenii.

În trecut cuptoarele electrice cu arc erau alimentate doar cu încărcătură din 100% de fier vechi. În prezent materialul de încărcare folosit variază între materiale solide, fier vechi, fier redus direct (DRI) şi/sau fier brichetat fierbinte (HBI) etc. În special, în perioadele de solicitare crescândă a oţelului, preţurile de piaţă se modifică frecvent, de aceea flexibilitatea, în ce priveşte materialul de încărcare, reprezintă un avantaj major din punct de vedere economic.

Succesul tratării în oala de turnare pentru solicitări de oţel de calitate normală şi al tratării secundare pentru oţel de calitate înaltă a sporit productivitatea cuptoarelor electrice cu arc 10, de asemenea a influenţat şi procedeele. Procedeul tipic în cuptorul electric cu arc de topire cu zgură secundară nu se mai foloseşte, astfel încât ciclul procesului de topire (perioada de la o evacuare a topiturii până la alta) în cuptoarele electrice cu arc deja cunoscute devine mai asemănător celui dintr-un convertizor cu oxigen.

În prezentele instalaţii de producere a oţelului 1, conform invenţiei, care funcţionează neîntrerupt sau cel puţin ciclic, şi care au stabilit standarde noi în ce priveşte echilibrul energetic total cu referire la productivitate şi economia de energie, tendinţele din ultimii ani persistă.

1. GB 958731 A 1964.05.27

2. CH 415709 A 1966.06.30

3. GB 1241715 A 1971.08.04

4. DE 1927558 B1 1971.08.26

5. US 4551172 A 1985.11.05

6. EP 0139310 B1 1988.10.19

7. US 3565407 A 1971.02.23

8. DE 1804098 A1 1969.07.03

9. US 5153894 A 1992.10.06

10. EP 0385434 A2 1990.09.05

11. ZERO EMISSIONS RESEARCH IN AUSTRIA (ZERIA), The Federal Ministry of Transport, Innovation and Technology (BMVIT) and of the WIFI, Austria, 2007 (regăsit în Internet la 2015.05.18, url: http://zeria.tugraz.at/index.php3?lang=de&sel=09Fallstudien/01Marienhütte)

Claims (15)

1. Instalaţie de producere a oţelului (1), care conţine: - un cuptor electric cu arc (10) pentru topirea cel puţin ciclică a materialelor de încărcare, care conţin bucăţi mărunţite de fier vechi (71), încărcate continuu în cuptorul electric cu arc (10), care în timpul procesului de topire generează continuu gaze fierbinţi de evacuare (20); - un generator de energie (30, 31, 32), pentru generarea continuă a energiei în timpul procesului de topire din energia termică ce se conţine în gazele fierbinţi de evacuare (20) din cuptorul electric cu arc (10); - un sistem de mărunţire (40), cu care este asigurat cuptorul electric cu arc (10), pentru mărunţirea fierului rebutat (70) şi/sau a fierului vechi (71) şi pentru producerea bucăţilor mărunţite de fier vechi (71) pentru alimentarea continuă a cuptorului electric cu arc (10) în procesul de topire menţionat; - un motor electric (41) pentru acţionarea sistemului de mărunţire (40), alimentat în timpul procesului de topire cu energie electrică recuperată cu generatorul de energie (30, 31, 32); - dispozitive de transportare (50, 51), destinate pentru alimentarea continuă a cuptorului electric cu arc (10), în timpul procesului de topire, cu bucăţi de fier vechi (71) mărunţite în sistemul de mărunţire (40).

2. Instalaţie de producere a oţelului (1), conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că cuptorul electric cu arc (10) conţine o manta (13), executată din material refractar şi/sau care conţine elemente răcite cu apă şi o boltă (14) permanent închisă în timpul alimentării continue cu bucăţi de fier vechi (71), totodată într-un perete (13.1) al mantalei (13) şi/sau în boltă (14) este executat un orificiu de alimentare (15) care permite alimentarea continuă a cuptorului electric cu arc (10) cu bucăţi de fier vechi (71) mărunţite în sistemul de mărunţire (40).

3. Instalaţie de producere a oţelului (1), conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că cuptorul electric cu arc (10) conţine o manta (13), dimensiunile căreia asigură un spaţiu interior suficient doar pentru 90%, în special doar pentru 80%, de preferinţă doar pentru 70% din cantitatea maximă de bucăţi mărunţite de fier vechi în formă netopită, care se topesc în timpul unui ciclu al procesului de topire.

4. Instalaţie de producere a oţelului (1), conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că cuptorul electric cu arc (10) conţine dispozitive pentru formarea zgurii spumoase (16) în cantităţi suficiente pentru ca arcurile să fie acoperite cel puţin parţial cu un strat de zgură spumoasă.

5. Instalaţie de producere a oţelului (1), conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că cuptorul electric cu arc (10) conţine un orificiu de descărcare a zgurii (17), executat pe un perete (13.3) al mantalei (13) cuptorului, amplasat la un nivel definit de un sistem de ghidaj sau de capace oarbe, în raport cu baia de topire, astfel încât surplusul de zgură spumoasă este evacuat după principiul de scurgere, imediat ce baia de topire ajunge la un anumit nivel.

6. Instalaţie de producere a oţelului (1), conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că cuptorul electric cu arc (10) este construit astfel încât evacuarea oţelului urmează după fiecare ciclu al procesului de topire.

7. Instalaţie de producere a oţelului (1), conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că cuptorul electric cu arc (10) este destinat pentru topirea neîntreruptă a materialelor de încărcare, care conţin bucăţi mărunţite de fier vechi (71), fier redus direct (DRI) şi/sau fier brichetat fierbinte (HBI), în care o parte a oţelului lichid se evacuează neîntrerupt din baia de oţel lichid a cuptorului electric cu arc (10) prin orificiul de evacuare a oţelului (18), amplasat pe fundul (13.2) al mantalei (13) cuptorului sau în apropierea acestuia şi materiale de încărcare, care pot fi încărcate neîntrerupt cu ajutorul dispozitivelor de transportare (50, 51) pentru încărcare neîntreruptă a materialelor în cuptorul electric cu arc (10).

8. Instalaţie de producere a oţelului (1), conform revendicării 7, caracterizată prin aceea că o parte din oţelul lichid se descarcă din baia de oţel lichid într-o oală de turnare a oţelului (3a), pe janta căreia este format un jgheab (4), care este suprapus pe janta adiacentă a oalei de turnare a oţelului (3b) pentru a asigura schimbul continuu al oalelor de turnare a oţelului (3, 3a, 3b) sub fluxul continuu de oţel.

9. Instalaţie de producere a oţelului (1), conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că conţine un sistem de control al procesului pe bază de calculator (80), destinat pentru a direcţiona fără restricţii ratele de alimentare definite ale bucăţilor de fier vechi (71), astfel încât materialele de încărcare să se afle în echilibru cu energia de topire necesară.

10. Instalaţie de producere a oţelului (1), conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că dispozitivele de transportare (50, 51) includ cel puţin un sistem de cântărire (52) pentru determinarea consumului efectiv de bucăţi de fier vechi (71).

11. Instalaţie de producere a oţelului (1), conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că dispozitivele de transportare (50, 51) includ un dispozitiv de segregare (53), destinat pentru detectarea şi segregarea, în particular prin metode optice, de exemplu, cu camere de supraveghere, a bucăţilor de fier vechi (71), care depăşesc dimensiunile prestabilite.

12. Instalaţie de producere a oţelului (1), conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că energia electrică se obţine direct sau indirect, în particular cu un cazan de recuperare (30), din energia termică, ce se conţine în gazele fierbinţi de evacuare (20) din cuptorul electric cu arc (10) în procesul de topire.

13. Instalaţie de producere a oţelului (1), conform revendicărilor 1 - 12, caracterizată prin aceea că cuptorul electric cu arc (10) constituie un cuptor electric cu arc de curent alternativ (AC) sau un cuptor electric cu arc de curent continuu (DC).

14. Procedeu de producere a oţelului, în instalaţia de producere a oţelului (1) conform uneia din revendicările 1 - 13, care constă în exploatarea instalaţiei (1) într-un proces neîntrerupt, în care sunt incluse cel puţin etapele de producere a oţelului de la a) până la c), sau într-un proces ciclic, în care sunt incluse etapele de producere a oţelului de la a) până la e): a) încărcarea continuă a materialelor de încărcare, inclusiv a bucăţilor de fier vechi (71) mărunţite într-un sistem de mărunţire (40) pentru mărunţirea fierului rebutat (70) şi/sau a fierului vechi (71), fierului redus direct (DRI) şi/sau fierului brichetat fierbinte (HBI), care se încarcă neîntrerupt sau ciclic în timpul procesului de topire în cuptorul electric cu arc (10) cu dispozitive de transportare (50, 51); b) topirea neîntreruptă sau cel puţin ciclică a materialelor de încărcare încărcate continuu în cuptorul electric cu arc (10) în procesul de topire menţionat; c) evacuarea neîntreruptă sau ciclică a unei părţi din oţelul lichid din baia de oţel lichid a cuptorului electric cu arc (10); d) generarea continuă a energiei electrice în timpul procesului de topire din energia termică, ce se conţine în gazele fierbinţi de evacuare (20) din cuptorul electric cu arc (10), cu ajutorul generatorului de energie (30, 31, 32); e) alimentarea sistemului de mărunţire (40) pentru mărunţirea fierului rebutat (70) şi/sau a fierului vechi (71) în timpul procesului de topire cu energie electrică generată continuu de generatorul de energie (30, 31, 32) în timpul procesului de topire.

15. Procedeu de utilizare a energiei electrice generate în timpul procesului de topire în instalaţia de producere a oţelului (1) conform uneia din revendicările 1 - 13, care include: - mărunţirea fierului rebutat (70) şi/sau a fierului vechi (71) cu un sistem de mărunţire (40); - topirea neîntreruptă sau cel puţin ciclică a materialelor de încărcare, inclusiv a bucăţilor de fier vechi (71) într-un cuptor electric cu arc (10); - generarea continuă a energiei electrice în timpul procesului de topire menţionat cu un generator de energie (30, 31, 32) din energia termică generată de gazele fierbinţi de evacuare (20) în timpul procesului de topire din cuptorul electric cu arc (10); - alimentarea sistemului de mărunţire (40) în procesul de topire menţionat pentru mărunţirea fierului rebutat (70) şi/sau a fierului vechi (71) cu energie electrică generată continuu de generatorul de energie (30, 31, 32) în procesul de topire menţionat.