RU2585897C1

RU2585897C1 - Plasma-arc steel melting furnace

Info

Publication number: RU2585897C1
Application number: RU2015103496/02A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Николаевич Макаров; Мария Константиновна Галичева
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2016-06-10

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: plasma-arc steel melting furnace of direct current consists of ceramic crucible with metal bath, vertical plasmatron installed in furnace roof and hearth electrode installed coaxially to vertical plasmatron. Vertical plasmatron is installed in furnace roof by means of hinge, and furnace is equipped with drive of reciprocal motion of plasmatron with possibility of its movement at an angle of 20-30° to vertical axis of crucible.

EFFECT: invention increases efficiency of furnace, reduces time of steel melting and power consumption.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии, к электротермической технике, а именно к конструкциям устройств для плавления металла в плазменно-дуговых печах, и может быть использовано в плазменно-дуговой сталеплавильной печи (ПДСП) для плавки металла.The invention relates to metallurgy, to electrothermal technology, and in particular to the design of devices for melting metal in plasma-arc furnaces, and can be used in a plasma-arc steel-smelting furnace (PDSP) for melting metal.

Известна конструкция плазменно-дуговой печи с керамическим тиглем, питаемой постоянным током, при одном, реже нескольких вертикально расположенных в своде печи плазмотронах. Особенностью конструкции таких печей является работа на длинных дугах 1,5-2,0 м для введения максимальной мощности дуг и обеспечения наибольшей производительности печи (Никольский Л.Е., Смоляренко В.Д., Кузнецов Л.Н. Тепловая работа дуговых сталеплавильных печей. - М.: Металлургия, 1981 г., стр. 10-13, стр.19-31).A known design of a plasma-arc furnace with a ceramic crucible fed by direct current, with one, less often several plasma torches vertically located in the arch of the furnace. A design feature of such furnaces is operation on long arcs of 1.5-2.0 m to introduce maximum arc power and ensure the highest furnace performance (Nikolsky L.E., Smolyarenko V.D., Kuznetsov L.N. Thermal work of arc steel-smelting furnaces . - M.: Metallurgy, 1981, p. 10-13, p. 19-31).

Недостатком этой конструкции является то, что значительную часть времени периода расплавления и в течение всего времени периода выдержки расплава и его рафинировки дуги плазмотронов в печи горят открыто, излучая энергию на футеровку. В результате излучения дуг на футеровку мощность потерь тепловой энергии печи возрастает, производительность снижается, расход электроэнергии увеличивается.The disadvantage of this design is that a significant part of the time of the melting period and throughout the entire period of exposure of the melt and its refining of the arc of the plasma torches in the furnace burn openly, radiating energy to the lining. As a result of the emission of arcs into the lining, the furnace heat loss power increases, productivity decreases, and energy consumption increases.

Прототипом изобретения является плазменно-дуговая печь с керамическим тиглем и с вертикальным плазмотроном, установленным в своде, ванной металла и подовым электродом, установленным соосно вертикальному плазмотрону. Плавку ведут постоянным током при наклонном положении трех или четырех плазмотронов, установленных в стенах печи под углом 40-45° к ванне металла для исключения электродинамического взаимодействия дуг. Электрический режим таких печей рассчитан для работы на коротких дугах до 0,5 м для ограничения перегрева футеровки печи вблизи мест ввода плазмотронов. Ограничение длины дуг в таких печах, необходимое для уменьшения перегрева футеровки вблизи мест ввода плазмотронов компенсируется количеством плазмотронов для увеличения вводимой мощности в печь (Бортничук Н.И., Крутянский М.М. Плазменно-дуговые плавильные печи. - М.: Энергоиздат, 1981 г., стр. 87-93).The prototype of the invention is a plasma-arc furnace with a ceramic crucible and with a vertical plasmatron installed in the arch, a metal bath and a hearth electrode mounted coaxially to the vertical plasmatron. Melting is carried out by direct current at an inclined position of three or four plasmatrons installed in the walls of the furnace at an angle of 40-45 ° to the metal bath to exclude the electrodynamic interaction of the arcs. The electric mode of such furnaces is designed to operate on short arcs up to 0.5 m to limit overheating of the furnace lining near the places where plasmatrons enter. The limitation of the length of the arcs in such furnaces, necessary to reduce the overheating of the lining near the places where plasmatrons are introduced, is compensated by the number of plasmatrons to increase the input power to the furnace (Bortnichuk N.I., Krutyanskiy M.M. Plasma-arc melting furnaces. - M .: Energoizdat, 1981 g., pp. 87-93).

Недостатком этих печей является нестабильность горения дуг в начальный период расплавления твердой шихты из-за возможности возникновения ее обвалов, так как проплавление шихты происходит несколькими наклонными колодцами, что вызывает колебания напряжения и повышенный шум, а также невысокий коэффициент полезного действия ПДСП. Данное устройство обладает низкой производительностью и высоким удельным расходом электроэнергии.The disadvantage of these furnaces is the instability of arc burning in the initial period of melting of a solid charge due to the possibility of its collapse, since the charge is melted by several inclined wells, which causes voltage fluctuations and increased noise, as well as a low coefficient of efficiency of the MAP. This device has low performance and high specific energy consumption.

В основу настоящего изобретения была поставлена задача разработки конструкции плазменно-дуговой сталеплавильной печи постоянного тока со сниженным удельным расходом электроэнергии во время плавки.The basis of the present invention was the task of developing the design of a plasma-arc direct current steelmaking furnace with a reduced specific energy consumption during melting.

Техническим результатом изобретения является повышение производительности печей, уменьшение времени плавки стали и расхода электроэнергии.The technical result of the invention is to increase the productivity of furnaces, reducing the time of melting steel and energy consumption.

Решение поставленной задачи и указанный технический результат достигается тем, что плазменно-дуговая сталеплавильная печь постоянного тока содержит керамический тигель с вертикальным плазмотроном, установленным в своде, ванну металла и подовый электрод, установленный соосно вертикальному плазмотрону. Согласно изобретению вертикальный плазмотрон снабжен шарниром и приводом возвратно-поступательного перемещения с возможностью его перемещения на угол 20-30° к вертикальной оси тигля.The solution of this problem and the specified technical result is achieved by the fact that the direct current plasma arc steelmaking furnace contains a ceramic crucible with a vertical plasmatron installed in the arch, a metal bath and a hearth electrode mounted coaxially to the vertical plasmatron. According to the invention, the vertical plasmatron is provided with a hinge and a reciprocating drive with the possibility of its movement at an angle of 20-30 ° to the vertical axis of the crucible.

Оснащение вертикального плазмотрона шарниром и приводом возвратно-поступательного движения позволяет перемещать плазмотрон и дугу в вертикальной плоскости на угол 20-30° к вертикальной оси тигля и обеспечит ее горение на шихту на откосах тигля, ускорит процесс расплавления шихты, нагрева ванны металла, производительности, снижение удельного расхода электроэнергии. Перемещение вертикального плазмотрона и дуги на угол больше 30° к вертикальной оси тигля вызовет недопустимое приближение дуги к керамическому тиглю, что приведет к оплавлению и быстрому износу огнеупоров тигля, частым остановкам печи на ремонт керамического тигля, снижению ее производительности. При перемещении плазмотрона и дуги на угол меньше 20° к вертикальной оси тигля дуга будет гореть на ванну металла, а не на шихту на откосах тигля, и не обеспечит ускорения расплавления шихты, увеличения производительности и снижения удельного расхода электроэнергии.Equipping a vertical plasmatron with a hinge and a reciprocating drive allows you to move the plasmatron and arc in a vertical plane at an angle of 20-30 ° to the vertical axis of the crucible and ensure its combustion on the charge on the slopes of the crucible, accelerate the process of melting the charge, heating the metal bath, productivity, decrease specific electricity consumption. Moving the vertical plasma torch and the arc at an angle greater than 30 ° to the vertical axis of the crucible will cause the arc to approach the ceramic crucible unacceptably, which will lead to melting and rapid wear of the refractories of the crucible, frequent stops of the furnace to repair the ceramic crucible, and a decrease in its productivity. When moving the plasma torch and the arc at an angle less than 20 ° to the vertical axis of the crucible, the arc will burn on the metal bath, and not on the charge on the slopes of the crucible, and will not accelerate the melting of the charge, increase productivity and reduce specific energy consumption.

Плазменно-дуговая сталеплавильная печь представлена на чертежах, где на фиг. 1 показан процесс расплавления шихты с использованием вертикальной дуги плазмотрона, вид спереди в разрезе; на фиг. 2 - окончание периода расплавления шихты с использованием дуги наклоненного под углом 20-30° к вертикальной оси плазмотрона; на фиг. 3 - период плавки с расплавленной шихтой с использованием дуги наклоненной под углом 20-30° к вертикальной оси плазмотрона.The plasma arc steel furnace is shown in the drawings, where in FIG. 1 shows the process of melting the charge using a vertical arc of a plasma torch, a front view in section; in FIG. 2 - the end of the melting period of the charge using an arc inclined at an angle of 20-30 ° to the vertical axis of the plasma torch; in FIG. 3 - melting period with a molten charge using an arc inclined at an angle of 20-30 ° to the vertical axis of the plasma torch.

Устройство выполнено следующим образом. Плазменно-дуговая сталеплавильная печь (ПДСП) содержит керамический тигель 1, вертикальный плазмотрон 2 установленный в своде 3 печи, ванну 4 металла и подовый электрод 5, установленный соосно вертикальному плазмотрону 2. Вертикальный плазмотрон 2 снабжен шарниром 6 и приводом возвратно-поступательного перемещения 7. Ванна металла 4 формируется в процессе расплавления дугой 8 шихты 9.The device is as follows. Plasma-arc steel-smelting furnace (PDSP) contains a ceramic crucible 1, a vertical plasmatron 2 installed in the arch 3 of the furnace, a metal bath 4 and a hearth electrode 5 mounted coaxially to the vertical plasmatron 2. The vertical plasmatron 2 is equipped with a hinge 6 and a reciprocating drive 7. The metal bath 4 is formed in the process of melting by the arc 8 of the charge 9.

Устройство работает следующим образом. При открытом огнеупорном своде 3 производят загрузку шихты 9, затем огнеупорным сводом 3 закрывают тигель 1. Дугой 8 вертикального плазмотрона 2 ведут прорезку колодца в шихте 9 на постоянном токе. Расчеты проводят для вертикального плазмотрона 2 ПДСП со следующими параметрами: сила тока I_Д=10 кА; выпрямленное напряжение U_ИП=825 В; напряжение плазмотрона U_Д=160-600 В; мощность на дуге 8 Рд=1600-6000 кВт; расчетная длина дуги 8 при градиенте напряжения в столбе дуги 8 gradU=0,278 В/мм составляет l_Д=(160-600)/0,27=590-2200 мм, что обеспечивает устойчивое положение шихты 9 и равномерность ее нагрева и расплавления. В результате расплавления шихта 9 оседает, не теряя своей естественной устойчивости, что приводит к стабилизации горения дуги 8 вертикального плазмотрона 2 и электрического режима работы печи. При расплавлении шихты 9 дугой 8 в керамическом тигле 1 формируется ванна 4 металла. Дальнейшее расплавление шихты 9 осуществляется как за счет излучения тепла дугой 8, так и за счет теплопроводности и конвективного теплообмена от ванны 4 металла.The device operates as follows. When the refractory arch 3 is open, charge 9 is loaded, then the crucible 1 is closed by refractory arch 3. Arc 8 of the vertical plasma torch 2 cuts the well in the charge 9 at constant current. The calculations are carried out for a vertical plasma torch 2 PDSP with the following parameters: current strength I _D = 10 kA; rectified voltage U _IP = 825 V; plasmatron voltage U _D = 160-600 V; arc power 8 Rd = 1600-6000 kW; the calculated length of arc 8 with a voltage gradient in the arc column 8 gradU = 0.278 V / mm is l _D = (160-600) / 0.27 = 590-2200 mm, which ensures a stable position of the charge 9 and the uniformity of its heating and melting. As a result of melting, the charge 9 settles without losing its natural stability, which leads to stabilization of the combustion of the arc 8 of the vertical plasma torch 2 and the electric mode of operation of the furnace. When the charge 9 is melted by an arc 8, a metal bath 4 is formed in the ceramic crucible 1. Further melting of the charge 9 is carried out both due to heat radiation by the arc 8, and due to heat conduction and convective heat transfer from the metal bath 4.

Под дугой 8 расплавление шихты 9 происходит быстрее, так как максимальные тепловые потоки сосредоточены по оси дуги 8. На периферии керамического тигля 1 расплавление шихты 9 идет медленнее, так как тепловые потоки от дуги 8 резко уменьшаются от 1200 кВт/м² на оси дуги 8 до 100 кВт/м² на периферии тигля 1 (Макаров А.Н. Теплообмен в электродуговых и факельных металлургических печах и энергетических установках. СПб.: Лань, 2014 г., стр. 172-173). Для ускорения расплавления шихты 9 на периферии тигля 1, после проплавления колодца и формирования ванны 4 металла, включают привод 7 возвратно-поступательного перемещения и вертикальный плазмотрон 2 с дугой 8 с помощью шарнира 6 перемещается в вертикальной плоскости на угол 20-30° к вертикальной, при котором дуга 8 горит на шихту 9 на периферии тигля 1. Так как тепловые потоки от дуги 8 на шихту 9 на периферии тигля 1 при наклонном ее положении на угол 20-30° к вертикальной оси тигля 1 увеличивается с 100 кВт/м² до 1200 кВт/м², то есть в 12 раз, то происходит быстрое расплавление шихты 9 на откосах тигля 1.Under arc 8, the charge 9 melts faster because the maximum heat fluxes are concentrated along the axis of the arc 8. At the periphery of the ceramic crucible 1, the charge 9 melts more slowly, since the heat flux from the arc 8 sharply decreases from 1200 kW / m ² on the arc axis 8 up to 100 kW / m ² on the periphery of crucible 1 (A. Makarov, Heat transfer in electric arc and flare metallurgical furnaces and power plants. St. Petersburg: Lan, 2014, pp. 172-173). To accelerate the melting of the charge 9 on the periphery of the crucible 1, after the well is melted and the metal bath 4 is formed, the reciprocating drive 7 is turned on and the vertical plasmatron 2 with arc 8 is moved in the vertical plane by an angle of 20-30 ° to the vertical, in which the arc 8 burns to the charge 9 on the periphery of the crucible 1. Since the heat fluxes from the arc 8 to the charge 9 on the periphery of the crucible 1 when it is inclined at an angle of 20-30 ° to the vertical axis of the crucible 1 increases from 100 kW / m ² 1200 kW / m ^2, i.e. 12 times, that occurs Red Fast melting charge 9 on the slopes of the crucible 1.

После расплавления шихты 9 слева от вертикальной оси тигля включают привод 7 возвратно-поступательного перемещения и вертикальный плазмотрон 2 с дугой 8 с помощью шарнира 6 перемещается в вертикальной плоскости и занимает положение под углом 20-30° к вертикальной оси тигля 1, при котором дуга 8 горит на шихту 9, находящуюся на откосах справа от вертикальной оси тигля 1. Тепловые потоки от дуги 8 на шихту 9 возрастают в 12 раз, что вызывает быстрое расплавление шихты 9 и, соответственно, расход электроэнергии на ее расплавление уменьшается на 14-15%.After melting the charge 9 to the left of the vertical axis of the crucible include a reciprocating drive 7 and a vertical plasmatron 2 with arc 8 using a hinge 6 moves in a vertical plane and occupies a position at an angle of 20-30 ° to the vertical axis of the crucible 1, in which the arc 8 burns on the charge 9, located on the slopes to the right of the vertical axis of the crucible 1. Heat fluxes from the arc 8 on the charge 9 increase by 12 times, which causes a rapid melting of the charge 9 and, accordingly, the energy consumption for its melting is reduced by 14-15%.

Период полного расплавления шихты 9 заканчивают дугой 8 плазмотрона 2, наклоненной под углом 20-30° к вертикальной оси тигля 1 справа от нее (фиг. 3). При наклонном положении дуги 8 увеличивается средний угловой коэффициент излучения (УКИ) дуги 8 на ванну 4 металла и КПД дуги (Макаров А.Н., Луговой Ю.А., Зуйков P.M. Энергосбережение при производстве стали в плазменно-дуговых печах // Электрометаллургия. 2012. №9, стр. 32-37). При вертикальном положении дуги средний УКИ дуги на ванну 4 металла 0,22, КПД дуги 0,28, при наклонном под углом 20-30° к вертикальной оси положении дуги 8 средний УКИ составляет 0,26, а КПД дуги 8 - 0,31, то есть увеличивается на 3-4%, поэтому выдержку ванны 4 металла и его рафинировку осуществляют при наклонном под углом 20-30° к вертикальной оси тигля 1 положении плазмотрона 2 и дуги 8. Причем через каждые 15 минут включают привод 7 возвратно-поступательного перемещения, который перемещает вертикальный плазмотрон 2 с дугой 8 в вертикальной плоскости на угол 20-30° и дуга 8 через каждые 15 минут занимает поочередно положение под углом 20-30° справа и слева от вертикальной оси тигля 1. При этом увеличивается равномерность нагрева ванны 4 металла, уменьшается на 14-15% время выдержки ванны 4 металла, его рафинировки и расход электроэнергии. По окончании рафинировки осуществляют выпуск металла в ковш.The period of complete melting of the charge 9 is completed by the arc 8 of the plasma torch 2, inclined at an angle of 20-30 ° to the vertical axis of the crucible 1 to the right of it (Fig. 3). With the inclined position of arc 8, the average angular emission coefficient (USP) of arc 8 per metal bath 4 and the efficiency of the arc increase (Makarov A.N., Lugovoi Yu.A., Zuykov PM Energy saving in the production of steel in plasma-arc furnaces // Electrometallurgy. 2012. No. 9, p. 32-37). With the vertical position of the arc, the average USP of the arc per bath 4 of metal 0.22, the efficiency of the arc is 0.28, with the position of the arc 8 inclined at an angle of 20-30 ° to the vertical axis, the average USP is 0.26, and the efficiency of the arc is 8 - 0.31 , that is, it increases by 3-4%, therefore, the exposure of the metal bath 4 and its refining is carried out at a position of the plasma torch 2 and arc 8 inclined at an angle of 20-30 ° to the vertical axis of the crucible 1. Moreover, every 15 minutes the drive 7 of the reciprocating movement, which moves the vertical plasmatron 2 with the arc 8 in a vertical plane at an angle of 20-30 and arc 8 every 15 minutes alternately occupies a position at an angle of 20-30 ° to the right and left of the vertical axis of the crucible 1. At the same time, the uniformity of heating of the metal bath 4 increases, the exposure time of the metal bath 4, its refining and consumption decrease by 14-15% electricity. At the end of refining, the metal is released into the bucket.

Предлагаемое устройство позволяет достичь следующих результатов: повышение производительности на 14-15%, сокращение удельного расхода электроэнергии на 14-15%.The proposed device allows to achieve the following results: increased productivity by 14-15%, reduction in specific energy consumption by 14-15%.

Claims

A direct-current plasma-arc steelmaking furnace containing a ceramic crucible with a metal bath, a vertical plasmatron installed in the furnace roof, and a hearth electrode mounted coaxially to the vertical plasma torch, characterized in that the vertical plasma torch is installed in the furnace roof by a hinge, and the furnace is equipped with a return actuator - translational movement of said plasmatron with the possibility of its movement at an angle of 20-30 ° to the vertical axis of the crucible.