RU2821140C1

RU2821140C1 - Method of producing steel in an arc steel-making furnace

Info

Publication number: RU2821140C1
Application number: RU2023118494A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Николаевич Макаров; Андрей Владимирович Крупнов; Юлия Михайловна Павлова; Мария Сергеевна Хрусталева
Filing date: 2023-07-12
Publication date: 2024-06-17

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to production of steel in arc steel-making furnaces. Method of steel production in arc steel-making furnace includes supply of charge into furnace, melting, slag foaming by means of blowing with oxygen and blowing of carbon-containing material by injector at the end of melting period and in oxidation period. In the method, during the whole period of operation of the furnace under the foamed slag, the ratio of the height of the arc penetration into the slag and the metal to the length of the arc is maintained equal to 1.18–1.20.

EFFECT: reduction of specific power consumption and melting time with simultaneous increase of productivity.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству стали в дуговых сталеплавильных печах.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the production of steel in arc steel-smelting furnaces.

Известен способ производства стали в дуговой сталеплавильной печи, включающий подачу в печь шихты, плавление, вспенивание шлака посредством продувки кислородом и вдуванием углеродосодержащего в виде порошка нефтяного кокса определенного химического состава в конце периода плавления и в окислительный период, выпуск расплава в ковш (RU №2643292, МПК С21С5/52, 2018 г.).There is a known method for producing steel in an arc steel-smelting furnace, which includes feeding a charge into the furnace, melting, foaming the slag by blowing with oxygen and injecting carbon-containing powdered petroleum coke of a certain chemical composition at the end of the melting period and during the oxidation period, releasing the melt into a ladle (RU No. 2643292 , IPC S21S5/52, 2018).

Недостатком данного способа является повышенный удельный расход электроэнергии. При вспенивании шлака до его высоты, меньше длины дуги, КПД дуг снижается, удельный расход электроэнергии увеличивается. В высокомощных стотонных дуговых сталеплавильных печах при неполном заглублении дуги, длиной в шлак и металл и высоте этогозаглубления h_З=340 мм соотношение высоты заглубления к длине дуги h _з / КПД дуги η_Д=0,64, а удельный расход электроэнергии G_Э=426 кВт⋅ч/т.The disadvantage of this method is the increased specific energy consumption. When the slag is foamed to a height less than the arc length, the efficiency of the arcs decreases and the specific energy consumption increases. In high-power hundred-ton arc steel-smelting furnaces with incomplete penetration of the arc, the length in slag and metal and the height of this depth h _Z = 340 mm ratio of the height of the depth to the length of the arc h _Z / Arc efficiency η _D =0.64, and specific electricity consumption G _E =426 kW⋅h/t.

Прототипом изобретения является способ производства стали в дуговой сталеплавильной печи, включающий подачу в печь шихты, плавление, вспенивание шлака посредством продувки кислородом и вдуванием углеродосодержащего материала в конце периода расплавления и в окислительный период, выпуск расплава в ковш. В течение всего времени работы печи под вспененным шлаком поддерживается соотношение высоты заглубления дуги в шлак и металл к длине дуги При соотношении высоты заглубления к длине дуги дуги имеет размер η_Д=0,78-0,8, а удельный расход электроэнергии составляет G_Э=375-360 кВт⋅ч/т за плавку (Макаров А.Н. Теплообмен в высокомощных дуговых сталеплавильных печах. Часть III. Взаимосвязь теплообмена, высоты слоя шлака, КПД дуг и удельного расхода электроэнергии. Металлург, 2022, №11, с. 41-46).The prototype of the invention is a method for producing steel in an arc steel-smelting furnace, including feeding a charge into the furnace, melting, foaming slag by blowing with oxygen and injecting carbon-containing material at the end of the melting period and during the oxidation period, releasing the melt into a ladle. During the entire operating time of the furnace under the foamed slag, the ratio of the height of penetration of the arc into the slag and metal to the length of the arc is maintained With the ratio of the depth of the depth to the length of the arc arc has a size η _D = 0.78-0.8, and the specific electricity consumption is G _E = 375-360 kW⋅h/t per melt (Makarov A.N. Heat transfer in high-power arc steel-smelting furnaces. Part III. Interrelation of heat transfer , slag layer height, arc efficiency and specific energy consumption. Metallurg, 2022, No. 11, p.

Однако соотношение высоты заглубления дуги в шлак и металл к длине дуги не является оптимальным. Под действием отклоняющей электромагнитной силы дуга выдувается из-под электрода в сторону водоохлаждаемых панелей стен и экранирующее действие шлака снижается. При полностью погруженных в шлак и металл дугах и соотношении высоты заглубления дуги в шлак и металл к длине дуги дуги не превышает значение η_Д=0,77-0,78, а удельный расход электроэнергии повышен и составляет G_Э=365-375 кВт⋅ч/т. Под действием отклоняющей электромагнитной силы дуга выбрасывает из шарового сегмента в ванне металла шлак и при соотношении излучает 22-23% своей мощности в свободное пространство печи, заполненное газом, и на водоохлаждаемые панели стен и свода, что приводит к увеличению удельного расхода электроэнергии и времени плавки. Поэтому из-за увеличения потерь теплового излучения дуг в объем газа, заполняющего свободное пространство печи, и на водоохлаждаемые панели стен и свода происходит увеличение расхода электроэнергии и времени плавки. Тепловое излучение дуг в объем газа и на водоохлаждаемые панели стен и свода увеличивает тепловые потери печи с отходящими газами и охлаждающей водой панелей.However, the ratio of the height of arc penetration into slag and metal to the length of the arc is not optimal. Under the influence of a deflecting electromagnetic force, the arc is blown out from under the electrode towards the water-cooled wall panels and the shielding effect of the slag is reduced. With arcs completely immersed in slag and metal and the ratio of the height of penetration of the arc into slag and metal to the length of the arc arc does not exceed the value η _D =0.77-0.78, and the specific electricity consumption is increased and amounts to G _E =365-375 kW⋅h/t. Under the influence of a deflecting electromagnetic force, the arc ejects slag from the spherical segment in the metal bath and at the ratio radiates 22-23% of its power into the free space of the furnace, filled with gas, and onto the water-cooled panels of the walls and roof, which leads to an increase in specific energy consumption and melting time. Therefore, due to the increase in losses of thermal radiation from the arcs into the volume of gas filling the free space of the furnace, and onto the water-cooled panels of the walls and roof, there is an increase in energy consumption and melting time. The thermal radiation of the arcs into the gas volume and onto the water-cooled panels of the walls and roof increases the heat losses of the furnace with the exhaust gases and cooling water of the panels.

Проблемой изобретения является усовершенствование способа производства стали в дуговой сталеплавильной печи при увеличении теплового излучения дуг на ванну металла и одновременном снижении теплового излучения дуг в свободное пространство печи, заполненное газом, и на водоохлаждаемые панели стен и свода.The problem of the invention is to improve the method of producing steel in an arc steel-smelting furnace by increasing the thermal radiation of the arcs onto the metal bath and simultaneously reducing the thermal radiation of the arcs into the free space of the furnace filled with gas and onto the water-cooled panels of the walls and roof.

Техническим результатом изобретения является уменьшение удельного расхода электроэнергии и времени плавки с одновременным повышением производительности.The technical result of the invention is to reduce specific energy consumption and melting time while simultaneously increasing productivity.

Решение поставленной проблемы и указанный технический результат достигаются тем, что способ производства стали в дуговой сталеплавильной печи включает подачу в печь шихты, плавление, вспенивание шлака посредством продувки кислородом и вдуванием углеродосодержащего материала инжектором в конце периода расплавления и в окислительный период. Согласно изобретению в течение всего времени работы печи под вспененным шлаком поддерживают оптимальное соотношение высоты заглубления дуги в шлак и металл к длине дуги равное 1,18-1,20.The solution to the problem posed and the specified technical result are achieved by the fact that the method of producing steel in an arc steel-smelting furnace includes feeding a charge into the furnace, melting, foaming the slag by blowing with oxygen and injecting carbon-containing material with an injector at the end of the melting period and during the oxidation period. According to the invention, during the entire operating time of the furnace under the foamed slag, the optimal ratio of the height of penetration of the arc into the slag and metal to the length of the arc is maintained equal to 1.18-1.20.

Заглубление дуги в шлак и металл на высоту 1,18-1,20 длины дуги позволяет снизить расход электроэнергии, уменьшить время плавки, повысить производительность печи за счет повышения КПД дуг в период расплавления и в окислительный период. Заглубление дуг в шлак и металл на высоту 1,18-1,20 длины дуг позволяет снизить тепловое излучение дуг в объем газа и на водоохлаждаемые панели стен и свода, увеличить тепловое излучение дуг на поверхность металла и шлака в шаровом сегменте ванны, повысить КПД дуг на 2,50-3,75% с 0,77-0,78 до 0,80, снизить удельный расход электроэнергии на 2,7-2,5% с 365-375 кВт⋅ч/т до 355-360 кВт⋅ч/т.Burying the arc into the slag and metal to a height of 1.18-1.20 arc lengths allows to reduce power consumption, reduce melting time, and increase furnace productivity by increasing the efficiency of arcs during the melting and oxidation periods. Deepening the arcs into the slag and metal to a height of 1.18-1.20 arc lengths makes it possible to reduce the thermal radiation of the arcs into the volume of gas and onto the water-cooled panels of the walls and roof, to increase the thermal radiation of the arcs onto the surface of the metal and slag in the spherical segment of the bath, and to increase the efficiency of the arcs by 2.50-3.75% from 0.77-0.78 to 0.80, reduce specific electricity consumption by 2.7-2.5% from 365-375 kWh/t to 355-360 kW⋅ h/t

При заглублении дуги в шлак и металл на высоту менее 1,18-1,20 длины дуги увеличивается мощность потерь, мощность теплового излучения дуги в объем газа, заполняющего свободное пространство печи, и на водоохлаждаемые панели стен и свода и уменьшается полезная мощность, теплового излучения дуги на поверхность металла и шлака в шаровом сегменте в ванне, уменьшается удельный расход электроэнергии и время плавки. При заглублении дуги в шлак и металл на высоту более 1,18-1,20 длины дуги вследствие электромагнитного выталкивания шлака дугой из шарового сегмента достичь КПД дуги больше 0,8 не удается и 20% теплового излучения дуги попадает в объем газа в печи и на водоохлаждаемые панели стен и свода и расходуется в виде тепловых потерь дуги. Практика эксплуатации дуговых сталеплавильных печей показывает, что при дальнейшем заглублении дуги на высоту более 1,20 длины дуги достичь снижения теплового излучения дуги в объем газа и на водоохлаждаемые панели менее 20% от всей мощности дуги не удается вследствие электромагнитного выдувания дуги и выбрасывания при выдувании дугой шлака из шарового сегмента в ванне металла. В результате электромагнитного выдувания и выбрасывания шлака дугой из шарового сегмента в ванне 20% длины дуги, ее верхняя часть, находящаяся около электрода оголяется, не закрыта шлаком, и эта часть дуги излучает тепловую мощность не на поверхность металла и шлака в шаровом сегменте, а в объем газа и на поверхность водоохлаждаемых панелей стен и свода. Заглубление дуги в шлак и металл на высоту более 1,18-1,20 длины дуги нецелесообразно, так как при таком заглублении возрастает расход углеродосодержащего материала и кислорода для поддержания высоты шлака более 1,18-1,20 длины дуги, возрастает угар железа, так как в зоне ванны, на которую воздействует струей инжектор угольного порошка и кислорода температура поверхности достигает температуры кипения металла 2735°С.When the arc is buried in the slag and metal to a height of less than 1.18-1.20 of the arc length, the power loss increases, the power of thermal radiation of the arc into the volume of gas filling the free space of the furnace, and onto the water-cooled panels of the walls and roof, and the useful power of thermal radiation decreases arc on the surface of the metal and slag in the spherical segment in the bath, the specific energy consumption and melting time are reduced. When the arc is deepened into the slag and metal to a height of more than 1.18-1.20 of the arc length due to the electromagnetic pushing of the slag by the arc from the spherical segment, it is not possible to achieve an arc efficiency of more than 0.8 and 20% of the thermal radiation of the arc enters the volume of gas in the furnace and on water-cooled panels of walls and roofs and are consumed in the form of arc heat losses. The practice of operating arc steel-smelting furnaces shows that with further deepening of the arc to a height of more than 1.20 arc lengths, it is not possible to achieve a reduction in the thermal radiation of the arc into the gas volume and onto water-cooled panels of less than 20% of the total arc power due to electromagnetic arc blowing and ejection during arc blowing slag from a spherical segment in a metal bath. As a result of electromagnetic blowing and ejection of slag by an arc from the spherical segment in the bath, 20% of the length of the arc, its upper part, located near the electrode, is exposed, not covered with slag, and this part of the arc radiates thermal power not to the surface of the metal and slag in the spherical segment, but to gas volume and onto the surface of water-cooled wall and roof panels. Deepening the arc into the slag and metal to a height of more than 1.18-1.20 arc lengths is impractical, since with such penetration the consumption of carbon-containing material and oxygen increases to maintain the slag height above 1.18-1.20 arc lengths, iron waste increases, since in the bath zone, which is affected by a jet of coal powder and oxygen injector, the surface temperature reaches the boiling point of the metal 2735°C.

Способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен вид дуговой сталеплавильной печи трехфазного тока в разрезе в конце периода плавления; на фиг. 2 изображен вид дуговой сталеплавильной печи трехфазного тока в разрезе в окисленный период; на фиг. 3 детализированы в увеличенном виде электрод, дуга, ее заглубление в шлак и металл.The method is illustrated by drawings, where in FIG. Figure 1 shows a cross-sectional view of a three-phase arc steel-smelting furnace at the end of the melting period; in fig. Figure 2 shows a cross-sectional view of a three-phase arc steel-smelting furnace during the oxidation period; in fig. 3 shows an enlarged view of the electrode, the arc, and its penetration into the slag and metal.

Дуговая сталеплавильная печь трехфазного тока содержит водоохлаждаемый свод 1, центральная часть которого снабжена футеровкой 2 с пропущенными через нее электродами 3. Рабочее пространство 4 печи снабжено шихтой 5 и ограничено водоохлаждаемым сводом 1, водоохлаждаемыми стенами 6, футерованными откосами 7 и футерованным подом 8. На футерованном поде 8 находится ванна жидкого металла 9, отверстие 10 для слива жидкого металла 9. Между ванной жидкого металла 9 и электродами 3 расположены электрические дуги 11 в шаровых сегментах 12. Шаровые сегменты 12 находятся в шлаке 13, покрывающем ванну жидкого металла 9. Свободное пространство печи 14 заполнено газом 15, в водоохлаждаемых стенах 6 находятся инжекторы 16, между инжекторами 16 и шлаком 13 находится струя кислорода и углеродосодержащего материала 17.A three-phase arc steel-smelting furnace contains a water-cooled roof 1, the central part of which is equipped with a lining 2 with electrodes 3 passed through it. The working space 4 of the furnace is equipped with a charge 5 and is limited by a water-cooled roof 1, water-cooled walls 6, lined slopes 7 and a lined bottom 8. On the lined Under 8 there is a bath of liquid metal 9, a hole 10 for draining the liquid metal 9. Between the bath of liquid metal 9 and electrodes 3 there are electric arcs 11 in spherical segments 12. Ball segments 12 are in the slag 13 covering the bath of liquid metal 9. Free space of the furnace 14 is filled with gas 15, in the water-cooled walls 6 there are injectors 16, between the injectors 16 and the slag 13 there is a stream of oxygen and carbon-containing material 17.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Из печи выпускают жидкий металл 9. При открытом водоохлаждаемом своде 6 осуществляют загрузку шихты 5, извести для раннего наведения шлака 13. Свод 6 закрывают и опускают электроды 3 до соприкосновения с шихтой 5. Между электродами 3 и шихтой 5 зажигают три дуги 11.The proposed method is carried out as follows. Liquid metal 9 is released from the furnace. With the water-cooled roof 6 open, the charge 5 and lime are loaded for early slag removal 13. The roof 6 is closed and the electrodes 3 are lowered until they come into contact with the charge 5. Three arcs 11 are ignited between the electrodes 3 and the charge 5.

В качестве примера расчеты проводились для дуговой сталеплавильной печи, работающей в режиме максимальной мощности электропечного трансформатора и максимальной производительности печи с следующими параметрами дуги 11: ток дуги 11 I_Д=60 кА, мощность дуги 11 Р_Д=21 МВт, напряжение на дуге 11 U_Д=350 В, расчетная длина дуги при градиенте напряжения в столбе дуги 11 b=0,8 В/мм и анодно-катодном напряжении на дуге 11 а=20 В составляет электродинамическое заглубление дуги 11 в ванну жидкого металла 9 при коэффициенте электродинамического заглубления дуги 11 k_з=1,2 мм/кА составляет h_м=k_зI_Д=1,2⋅60=72 мм.As an example, calculations were carried out for an arc steel-smelting furnace operating in the mode of maximum power of the electric furnace transformer and maximum furnace productivity with the following parameters of the arc 11: arc current 11 I _D = 60 kA, arc power 11 R _D = 21 MW, arc voltage 11 U _D =350 V, the calculated arc length with a voltage gradient in the arc column of 11 b = 0.8 V/mm and an anode-cathode voltage on the arc of 11 a = 20 V is the electrodynamic penetration of the arc 11 into the liquid metal bath 9 with the coefficient of electrodynamic penetration of the arc 11 k _z =1.2 mm/kA is h _m =k _z I _D =1.2⋅60=72 mm.

Дуга 11 заглублена в жидкий металл 9 и шлак 13 на высоту заглубления дуги 11 в жидкий металл 9 и в шлак 13 h_з=h_м+h_ш (фиг. 3). Электрические дуги 11 расплавляет шихту 5, расплавленный металл стекает в ванну жидкого металла 9.The arc 11 is buried in the liquid metal 9 and the slag 13 to the height of the penetration of the arc 11 into the liquid metal 9 and into the slag 13 h _s =h _m +h _w (Fig. 3). Electric arcs 11 melt the charge 5, the molten metal flows into the liquid metal bath 9.

После расплавления части шахты 5 (фиг. 1) и получения жидкого шлака 13 в конце периода плавления и в окислительный период (фиг. 2) в плавильное пространство печи через инжекторы 16 подают в струе кислород и углеродосодержащий материал 17 для наведения пенистого шлака 13. Работа инжектора 16 и подача кислорода и углеродосодержащего материала 17 в шлак 13 для поддержания его во вспененном состоянии осуществляется с окончания периода расплавления и в окислительный период до выпуска жидкого металла 9 в ковш. В течение всего времени работы печи под вспененным шлаком 13 поддерживается оптимальное соотношение высоты заглубления дуги 11 в шлак 13 и жидкий металл 9 к длине дуги 11 Для приведенных в качестве примера расчетных параметров дуги 11 высота вспененного шлака 13 для поддержания оптимального соотношения высоты заглубления дуги 11 в шлак 13 и жидкий металл 9 составляет: h_ш=h_З-h_м, , h_ш=h_З-h_м=495-72=423 мм.After melting part of the shaft 5 (Fig. 1) and obtaining liquid slag 13 at the end of the melting period and during the oxidation period (Fig. 2), oxygen and carbon-containing material 17 are supplied in a stream into the melting space of the furnace through injectors 16 to induce foamy slag 13. Operation injector 16 and the supply of oxygen and carbon-containing material 17 to the slag 13 to maintain it in a foamed state is carried out from the end of the melting period and during the oxidation period until the release of liquid metal 9 into the ladle. During the entire operating time of the furnace under the foamed slag 13, the optimal ratio of the height of penetration of the arc 11 into the slag 13 and liquid metal 9 to the length of the arc 11 is maintained For the calculated parameters of the arc 11 given as an example, the height of the foamed slag 13 to maintain the optimal ratio of the height of penetration of the arc 11 into the slag 13 and liquid metal 9 is: h _w = h _W - h _m , , h _w =h _W -h _m =495-72=423 mm.

Для достижения максимальной производительности дуговая сталеплавильная печь в течение периода расплавления и в окислительный период работает в режиме максимальной вводимой в печь дугами 11 мощности Р_Д=21 МВт, следовательно в течение всего времени работы печи под вспененным шлаком 13 поддерживается его оптимальная высота h_ш=423 мм. Высота вспененного шлака 13 определяется по углу наклона печи а, расстоянию между порогом и открытой заслонкой рабочего окна Н_ро, мм радиусу печи на уровне откосов R, мм: h_ш=R tg α+Н_ро. Вспененный шлак 13 состоит из шлакометаллической эмульсии с интенсивно выделяющимися в эмульсии пузырями СО. Поддержание заданной оптимальной высоты слоя шлака 13 осуществляется регулированием подачи в инжекторы 16 объема кислорода и массы углеродосодержащего материала 17 и по тракту через свод 1 массы свежеобожженной извести и дробленного плавикового шпата. При высоте слоя шлака 13 меньше оптимального значения расход кислорода и углеродосодержащего материала 17 в инжекторы 16 увеличивают добиваясь оптимальной высоты слоя шлака 13. Через свод 1 для разбавления шлака 13 и поддержания его заданной основности на поверхность шлака 13 присаживают свежеобожженную известь, для получения требуемой жидкотекучести - дробленый плавиковый шпат. После окончания окислительного периода и достижения металлом 9 требуемой технологической температуры электрические дуги 11 отключают, электроды 3 поднимают и осуществляют впуск жидкого металла 9 в ковш через отверстие 10.To achieve maximum productivity, the arc steel-smelting furnace during the melting period and during the oxidation period operates in the mode of the maximum power input into the furnace by arcs 11 Р _D = 21 MW, therefore, during the entire operating time of the furnace under the foamed slag 13 its optimal height h _w = 423 is maintained mm. The height of the foamed slag 13 is determined by the angle of inclination of the furnace a, the distance between the threshold and the open damper of the working window H _ro , mm, the radius of the furnace at the slope level R, mm: h _w =R tg α+H _ro . Foamed slag 13 consists of a slag-metal emulsion with CO bubbles intensely released in the emulsion. Maintaining a given optimal height of the slag layer 13 is carried out by regulating the supply of a volume of oxygen and a mass of carbon-containing material 17 to the injectors 16 and along the path through the arch 1 of a mass of freshly burnt lime and crushed fluorspar. When the height of the slag layer 13 is less than the optimal value, the consumption of oxygen and carbon-containing material 17 in the injectors 16 is increased to achieve the optimal height of the slag layer 13. Through the arch 1, to dilute the slag 13 and maintain its specified basicity, freshly burnt lime is added to the surface of the slag 13 to obtain the required fluidity - crushed fluorspar. After the end of the oxidation period and the metal 9 reaches the required process temperature, the electric arcs 11 are turned off, the electrodes 3 are raised and the liquid metal 9 is introduced into the ladle through the hole 10.

Предлагаемый способ производства стали позволяет достичь следующих результатов: повысить КПД дуг на 2,5-3,75%, снизить удельный расход электроэнергии на 10-15 кВт⋅ч/т, и, как следствие, снизить время плавки и повысить производительность.The proposed method of steel production allows us to achieve the following results: increase the efficiency of arcs by 2.5-3.75%, reduce specific energy consumption by 10-15 kWh/t, and, as a result, reduce melting time and increase productivity.

Изобретение в настоящее время находится на стадии технического предложения.The invention is currently at the technical proposal stage.

Claims

A method for producing steel in an arc steel-smelting furnace, including feeding a charge into the furnace, melting, foaming the slag by blowing with oxygen and injecting carbon-containing material with an injector at the end of the melting period and during the oxidation period, releasing the melt into a ladle, characterized in that the height ratio is maintained under the foamed slag penetration of the arc into the slag and liquid metal to an arc length of 1.18-1.20 during the entire operating time of the furnace.