СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОЙ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ И АГРЕГАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК C21C5/56 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к способам непрерывной выплавки стали.

Известны непрерывные способы производства стали, осуществляемые в одностадийных и многостадийных агрегатах непрерывного действия.

Сущность этих способов заключается в том, что в рабочее пространство агрегата, состоящее из одной или нескольких плавильных зон, непрерывно заливается жидкий чугун, засыпается металлолом и шлакообразующие, подводится кислород и тепловая энергия (при необходимости).

Металл (в случае многостадийного процесса) поступает самотеком из одного рабочего пространства в другое, а готовая сталь - в ковш-копильник либо в специальный накопитель в агрегате.

Недостаток этих способов заключается в том, что малоэффективно используется тепло отходящих газов, невозможен осмотр и ремонт закрытой металлом части агрегата, что не дает возможности своевременно предупредить аварийную ситуацию. Требуется непрерывная подача жидкого чугуна и металлолома, чтобы выдерживать требуемый уровень металла в агрегате, что в свою очередь ставит жесткие условия по обеспечению жидким чугуном, а также тщательной подготовки металлолома по фракционному составу и геометрической форме его кусков (последнее обусловлено известными устройствами подачи лома в такие агрегаты, как правило, это бункера с вибротечками; порционная подача отдельных кусков крупногабаритного лома крайне нежелательна, так как вызывает быстрое охлаждение всего расплава).

Существующие огнеупоры не могут обеспечить постоянство профиля ванны, особенно в узлах, где металл перетекает из одной зоны в другую. Это ведет к изменению массы металла в отдельной зоне, глубины ванны, ее уровня. Отсюда невозможность сохранить стабильные условия процесса по нагреву, скорости окисления примесей и ведет к ошибкам в оценке массы металла в агрегате, что в результате становится причиной ошибки в расчете необходимого количества добавок - раскислителей и легирующих.

Следующий недостаток - сложность перехода на выплавку другой марки стали, существенно отличающейся по химическому составу от предыдущей, так как скачкообразное изменение температуры и химического состава в указанных процессах без остановки агрегата невозможно.

Плавное же изменение упомянутых параметров требует специального подбора соответствующих марок стали, которые будут вынужденно выпускаться из агрегата при переходе с одной марки на другую.

Более того, при непредвиденном изменении химического состава металла (например, случайном загрязнении металлолома или чугуна) своевременное вмешательство в процесс с целью его корректировки практически исключается.

Все эти недостатки исключают сколько-нибудь массовое промышленное применение непрерывных способов выплавки стали.

Известен способ выплавки стали, реализованный при карусельной системе работы конвертеров.

Согласно этой системе конвертеры перемещаются с одного рабочего места на другое.

На определенном рабочем месте выполняется конкретная операция, например завалка скрапа. После этого "груша" конвертера перемещается с помощью трансферкара к месту заливки чугуна, и далее - к месту продувки. По окончании плавки цикл повторяется по замкнутой кривой.

Недостаток способа в том, что не используется тепло отходящих газов для нагрева металлолома. Более того, при транспортировке конвертера с одного рабочего места на другое определенная часть тепла безвозвратно теряется.

Задержка какой-либо операции ведет к неизбежной задержке всего процесса и резкому снижению производительности. Но при этом процесс, несмотря на конвейерную схему, не является непрерывным.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является агрегат непрерывного действия. Рабочее пространство агрегата состоит из общего свода и четырех стационарных ванн, разделенных между собой перевалами. Агрегат имеет жесткую обвязку, аналогично мартеновским печам. В передней стенке агрегата расположены рабочие окна. В своде над ваннами расположены подвижные кислородные фурмы, стационарные топливно-кислородные горелки, отверстия для подачи специально подобранного металлолома и извести. Каждая ванна имеет сталевыпускные отверстия на уровне нижней точки пода, а в четвертой дополнительно имеется верхнее отверстие, расположенное на уровне перевалов между ваннами.

Заливка чугуна осуществляется с помощью специального кантовального устройства, металлолом и известь подаются из бункеров вибродозаторами.

Металл перетекает из ванны в ванну через перевалы, а готовый сливается непрерывно через верхнее сталевыпускное отверстие. Дополнительная тепловая энергия подводится за счет стационарных газокислородных горелок.

Недостатки этого агрегата те же, что и у приведенных выше. Особенно следует выделить изменение профиля переливных желобов, где из-за размывающего действия металла и шлака наблюдается наибольший износ. При изменении геометрии переливных желобов во времени выдержать стабильные технологические параметры невозможно, а это практически делает агрегат непригодным для широкого промышленного использования. Кроме того, так как под агрегата должен постоянно быть закрыт жидким металлом, то требования к его качеству превосходят современный технический уровень в промышленном масштабе.

Целью изобретения является повышение производительности агрегата, эффективное использование тепла отходящих газов, упрощение технологических и ремонтных операций, сокращение их продолжительности, улучшение экологичности процесса, расширение технологических возможностей. С этой целью всю последовательность технологических операций производят с изолированными объемами металла, которые последовательно перемещают в едином рабочем пространстве агрегата.

Техническим средством для достижения поставленной цели служит агрегат, содержащий рабочее пространство, ограниченное сводом с установленными в нем кислородными фурмами топливокислородными горелками, стенами с загрузочными и технологическими окнами, выполненной в виде последовательно расположенных плавильных ванн подовой частью, разделенной на отдельные технологические зоны, каждая из которых равна по длине одной плавильной ванне, устройства для проведения технологических операций, отличающийся тем, что он снабжен устройствами для перемещения плавильных ванн вдоль рабочего пространства агрегата и их периодического удаления из агрегата, при этом плавильные ванны выполнены с возможностью автономного действия при их последовательном перемещении из одной технологической зоны в другую.

Главными признаками, составляющими существенное отличие от известных способов, являются следующие.

Объектом технологического процесса становится отдельный изолированный объем металла. Если рассматривать процесс в отдельной ванне, то с этой точки зрения его можно определить как конечный, чего нет в аналогичных непрерывных - там в каждой плавильной ванне непрерывно проходит одна и та же технологическая операция, а меняется металл в ванне.

В известном способе отсутствует важная технологическая деталь - единый агрегат. Поэтому процесс является однозначно периодическим: прерывание технологических операций неизбежно при замене "груш" конвертера.

В предлагаемом же техническом решении работа, например, горелочных устройств и нагрев металла являются непрерывными, что и дает возможность квалифицировать процесс как непрерывный. Объединение непрерывнодействующего агрегата с периодическим в этом случае дает качественно новый результат, заключающийся в возможности использовать тепло отходящих газов (теоретически возможно построение такого агрегата, который будет полностью использовать это тепло - при достаточной длине), а также - возможности проведения ремонтных операций по восстановлению подины без остановки технологического процесса.

Решается вопрос с завалкой металлолома, в том числе легковесного и крупногабаритного, так как эта операция вынесена из агрегата, поэтому не влияет на производительность. Размер загружаемых кусков металлолома ограничивается габаритами ванны, а способ загрузки (совок, бадья, мостовой кран) абсолютно надежен ввиду своей примитивности. Кроме того, есть запас времени для организации завалки без снижения производительности. Эти моменты в известных агрегатах непрерывного действия не были решены.

Таким образом, предлагаемое техническое решение объединяет преимущества нескольких способов производства стали:
конвертерного - по производительности;
мартеновского - по количеству используемого лома (50% и более) за счет использования тепла отходящих газов, а также - по гибкости соотношения чугун - лом;
электросталеплавильного - при необходимости можно установить в одной (или нескольких) зоне электродуговой (или плазменный) подогрев;
непрерывного - по стабильности процесса.

Возникают новые возможности - по применению крупногабаритного металлолома, необожженного известняка, а также возможность ввода в печь ванны с кислой футеровкой и проведение плавки по соответствующей технологии без наличия специального агрегата.

Предложенный способ непрерывной выплавки стали заключается в следующем.

Перед разогревом в агрегат вводятся подготовленные зафутерованные ванны в таком количестве, чтобы они образовали сплошной под печи без просветов, после чего включаются нагревательные горелочные устройства. Дымовые газы двигаются от головной части агрегата к хвостовой, т.е., из более "горячей" зоны в более "холодную". По достижении рабочей температуры ванна, находящаяся у окна выдачи, выдается из агрегата и накрывается крышкой. Соответственно перемещаются все остальные ванны в печи, а на освободившееся место помещается еще одна ванна в головной части печи. В это же время выданная ванна перемещается к загрузочному окну, с нее снимается крышка и перемещается к окну выдачи для накрытия следующей ванны.

Находящаяся у загрузочного окна ванна загружается металлоломом в необходимом количестве (до 100% металлошихты при работе скрап-процессом), выдается следующая ванна, а в загрузочное окно подается ванна с маталлоломом. Первые несколько зон могут не иметь горелочных устройств или иных приспособлений для подвода тепла. Нагрев осуществляется теплом отходящих газов. Здесь же оседают брызги металла и шлака из "жидких" ванн, чем обеспечивается уменьшение объема работ при очистке шлаковиков и утилизация тепла брызг.

Далее ванна поступает в зону прогрева (все последующие ванны проходят те же технологические операции с "запаздыванием" на одну операцию по сравнению с предыдущей). Зона прогрева оборудована топливно-кислородной (или иной) горелкой (горелками), причем таких зон может быть несколько. Следующая зона (зоны) оборудована устройствами для залива чугуна, скачивания шлака (путем наклона ванны или иными), а также продувочными кислородными фурмами. Последующая зона (группа зон) является зоной, оборудованной устройствами для подвода тепла, за счет которых осуществляется нагрев металла, а также приспособлениями для ввода шлакообразующих и иных реагентов. Может быть предусмотрена продувка кислородом и иными реагентами (в том числе и порошкообразными). Последняя зона (группа зон) имеет устройства для ввода раскислителей и легирующих и иных реагентов.

После выдачи очередной ванны она накрывается крышкой и металл сливается, например, наклоном ванны через шиберный затвор или иным известным способом, причем метал может сливаться в сталеразливочный или промежуточный ковш либо непосредственно в кристаллизатор МНЛЗ или изложницу (форму). После этого ванна передается к загрузочной площадке, крышка снимается, производится осмотр, заправка, а при необходимости ремонт ванны, (ремонтируемая заменяется резервной).

Критерию "существенные отличия" в данном случае соответствует подвижный под агрегата, состоящий из отдельных автономно действующих ванн.

На фиг. 1-3 приведена схема предлагаемого агрегата.

Сталеплавильный агрегат непрерывного действия состоит из свода1, стен 2, одинаковых автономных подвижных тележек, на которых установлена плавильная ванна 3, общая длина их равна длине рабочего пространства; роликовых опор 4, по которым двигаются тележки-ванны, устройства для перемещения тележек, в данном случае толкателя 5; топливно-кислородных горелок 6, продувочных фурм 7, передаточных тележек 8, с помощью которых тележка возвращается в исходное положение по окончании цикла, крышки 9, которой накрывают тележку с готовым металлом, вышедшую из агрегата, на время выпуска металла и транспортировки тележки до места очередной завалки металлолома; газоотводящего тракта 10 (11 - рабочее окно). Стрелкой показано направление движения тележек.

Агрегат для осуществления способа работает следующим образом.

В агрегат помещают подвижные тележки-ванны 3, чтобы роликовый (или иной) механизм, по которому перемещаются тележки, был закрыт от высокотемпературного воздействия. После этого начинается разогрев агрегата топливными горелками 6 и иными устройствами, если они предусмотрены. Количество тележек-ванн в данном случае пять, для удобства они пронумерованы номерами от N 1 до N 5, N 6 - тележка находится вне агрегата. После разогрева печи до рабочей температуры под проталкивается на одну ванну толкателем 5 (или иным способом). При этом тележка N 5 оказывается выдвинутой из агрегата. В это же время тележка N 6 c помощью передаточных тележек 8 и любого известного устройства (роликовый конвейер, мостовой кран и др.) перемещается к начальной позиции (на место тележки N 1), а крышка с нее краном (или иным устройством) подается на тележку N 5. Тележка N 5 перемещается на место загрузки (рядом с головной частью агрегата), с нее снимается крышка и транспортируется к хвостовой части агрегата для накрытия очередной тележки ванны, вышедшей из печи (в данном случае N 4).

Тележка-ванна N 5 загружается из бадьи (или иным способом) металлоломом, после чего цикл перемещения ванн-тележек повторяется, а тележка N 5 оказывается внутри рабочего пространства и начинается предварительный прогрев металлолома отходящими газами. После следующего цикла тележка N 5 оказывается на месте тележки N 2, где металлолом прогревается газокислородной горелкой.

Следующая зона (исходное положение - тележка N 3) имеет желоб для заливки чугуна (не показан), продувочную кислородную фурму 7 и устройство для наклона ванны (не показано). Ванна с прогретым металлоломом в этой зоне заливается необходимым количеством жидкого чугуна, продувается кислородом с помощью фурмы 7. В это время наклоном ванны вбок сливают первичный шлак. В следующей зоне происходит дальнейший нагрев и наводка нового шлака.

В последующей зоне металл окончательно нагревают, при необходимости удаляют шлак, затем раскисляют. После этого цикла ванна выходит из печи.

При этом в каждой ванне процесс выплавки металла является периодическим, а работа всего агрегата в целом - непрерывной. Это дает возможность реализовать промышленный непрерывный процесс производства стали при существующих технических возможностях.

Поскольку выплавка производится в отдельных ваннах, то все операции распределяются в пространстве, но совмещаются во времени, т.е. в каждой отдельно взятой ванне в определенный момент происходят операции, составляющие в сумме законченный технологический цикл. Поэтому производительность агрегата будет определяться продолжительностью одной самой длительной операции, а не суммой их.

В то же время, каждая ванна проходит замкнутый технологический цикл, т. е. последовательно каждую операцию. При этом сам технологический цикл может быть достаточно длительным.

Это обстоятельство позволяет повышать производительность агрегата в значительной мере, не путем увеличения единичной емкости одной ванны, а разбивкой процесса на отдельные простые операции, т.е. путем увеличения числа ванн (операций). Другими словами, агрегат, имеющий 12 ванн по 200 т емкостью может иметь такую же производительность, как имеющий 24 ванны по 100 т каждая.

П р и м е р 1. Сталеплавильный агрегат, имеющий 12 ванн, по 200 т емкостью, разделен на 12 зон, в которых производятся следующие операции.

Зона 1 - загрузочная, снабжена загрузочным окном и передаточной тележкой, на которой ванна с металлоломом подается в агрегат. Используется для загрузки и предварительного подогрева металлолома и шлакообразующих.

Зона 2 - дальнейший подогрев шихты; кроме этого, через нее производится отвод дымовых газов в вертикальный канал.

Зоны 3-5 - прогрев шихты. Все три зоны не имеют специальных горелочных устройств. Нагрев производится теплом отходящих газов.

Зоны 6 и 7 - оборудованы газокислородными горелками (сводовые или иные). Здесь производится окончательный нагрев шихты перед заливкой чугуна.

Зона 8 - заливка чугуна и начало плавления. Оборудована заливочными устройствами и продувочными фурмами.

Зона 9 - зона, в которой производится окончательное плавление и скачивание первичного шлака (наклоном ванны либо другим известным способом). Производится также продувка ванны кислородом и ввод шлакообразующих для наведения нового шлака (при необходимости).

Зоны 10 и 11 - зоны нагрева до требуемой температуры внешним источником тепла, а также за счет продувки ванны кислородом.

Зона 12 - корректировка температуры, скачивание шлака (при необходимости), коррекция химического состава металла, предварительное раскисление и легирование.

Изменение температуры и отбор проб металла и шлака предусматривается в зонах 8-12 с тем, чтобы скорректировать технологические операции в каждой последующей зоне.

Время нахождения ванны в одной зоне 15 мин. Общая продолжительность операций: прогрев 1 ч 45 мин, заливка чугуна + плавление 30 мин, нагрев и доводка 45 мин.

Общее время нахождения металла в печи 3 ч, производительность процесса 800 т/ч. Шихтовка 50% металлолома, 50% жидкий чугун.

По окончании плавки ванна выделяется из печи, накрывается крышкой и металл сливается в сталеразливочный ковш, установленный на стенде или подвешенный на кране. В это же время производится окончательное раскиление и легирование, а также необходимая внепечная обработка. Слив металла осуществляется путем наклона ванны. После этого ванна перемещается на площадку осмотра и заправки (торкретирования) подины, где крышка снимается и передается на стенд с подогревом либо непосредственно на вновь выдаваемую ванну.

Осмотренная ванна перемещается на загрузочную площадку, где из бадьи (корзины) загружается металлом. Шлакообразующие подаются из бункера. Подготовка лома и загрузка бадей (корзин) производится на специально отведенной площадке в стороне от печи.

П р и м е р 2 реализации предлагаемого технического решения.

Агрегат размещается в корпусе мартеновского цеха, ранее оборудованного 11-ю мартеновскими печами, на уровне рабочей площадки таким образом, чтобы ряд колонн, между которыми располагались ранее печи, оказался вдоль задней стены агрегата. Вертикальный канал, дымовые борова и труба используются от старой мартеновской печи. Газоочистка и котел-утилизатор реконструируются под параметры нового агрегата.

Агрегат имеет 12 двухсоттонных ванн-тележек (зон) в рабочем пространстве, при этом первые шесть используются для нагрева лома и шлакообразующих. Шихтовка - 50% металлолома, 50% жидкого чугуна. Четыре зоны нагреваются только теплом отходящих газов, две - газокислородными горелками.

Основная масса чугуна сливается в восьмой зоне. Девятая имеет желоб для заливки чугуна, но используется для этого только при возникновении бурных реакций и невозможности закончить заливку чугуна в 7-й зоне. Обе зоны имеют продувочные устройства, приспособления для скачивания шлака и оборудованы шлаковыми стендами.

Средняя глубина каждой ванны 0,5 м, площадь около 64 м².

Зоны 9 и 10 имеют устройства для подачи шлакообразующих (бункера), а также продувочные фурмы и топливные горелки.

Зона 11 оборудована газокислородной горелкой и (или) электродуговым подогревом. Здесь металл нагревается до необходимой температуры окончательно.

В зоне 12, оборудованной устройством для подачи ферросплавов и для скачивания шлака, производится предварительное раскисление и легирование металла.

На выдаче с помощью заливочного крана ванна накрывается крышкой, а выпуск металла производится через шиберный затвор.

После этого с помощью передаточных тележек и роликового конвейера ванна передается на участок загрузки лома, крышка переносится краном на другую ванну, а загрузка ванны металлоломом производится с помощью другого заливочного крана.

Заливка чугуна производится также заливочным краном.

Полная герметизация между стенами и подом-тележками отсутствует. Частичная герметизация достигается подсыпкой огнеупорного порошка (например обожженного доломита).

Роликовый конвейер (фиг.3) устроен таким образом, чтобы при уходе металла роликовая проводка не пострадала. Это сохраняет работоспособность агрегата даже при серьезной аварии.

Наклон бетонного основания в сторону разливочного пролета будет способствовать вытеканию ушедшего металла в зону действия разливочных кранов, т. е. быстрой ликвидации последствий аварии.

Преимущество предлагаемого способа состоит также в том, что он может быть реализован в реконструированном мартеновском цехе, причем реконструкции подлежит лишь сталеплавильный агрегат на рабочей площадке, а также убираются насадки регенераторов и один вертикальный канал печи.

Все остальное основное и вспомогательное оборудование может быть использовано без реконструкции.

Преимущества предлагаемого агрегата в том, что он может быть смонтирован внутри существующего мартеновского цеха. При этом имеющееся оборудование также может быть использовано без существенной реконструкции (мостовые краны, пути для подачи чугуна и металлолома, газокислородная арматура и др.).

Производительность печи будет определяться только возможностями ее снабжения (например, чтобы выплавлять 6 млн. т стали в год, - примерно столько, сколько выплавляет мартеновский цех ЧерМК, понадобится одна печь такого типа с двенадцатью 200 т ваннами общей длиной около 80 м.)
Решается проблема быстрой завалки печи, в том числе и неразделанным крупногабаритным металлоломом, так как бадьи для завалки могут готовиться рядом на отдельной площадке и не влиять на производительность самого агрегата. Расход металлолома в принципе может достигать 100%, только в этом случае следует предусмотреть достаточно длинную зону прогрева и мощные газокислородные горелки, с тем, чтобы нагрев металлолома был достаточным. Здесь же будет использоваться и тепло отходящих газов.

Отпадает необходимость в частой чистке шлаковиков, так как основная часть брызг шлака и металла будет оседать на "холодных" ваннах.

Исключаются из времени выплавки такие операции, как выпуск (слив) металла, осмотр, заправка и ремонт подины, так как они будут происходить вне агрегата, на специальных стендах, где можно значительно облегчить условия труда.

Одна такая печь может заменить, например, одиннадцать работающих в мартеновском цехе ЧерМК, из которых - две двухванных (каждая 2х300 т), восемь 600 т мартеновских и одна 300 т печь. Это позволит высвободить более 50% основного технологического персонала, сократить расходы по переделу, уменьшить расход жидкого чугуна на 100-150 кг/т, улучшить условия труда и экологическую безопасность производства.

Кроме того, обеспечивается ритмичная поставка металла прокатным цехам, что может дать экономический эффект.

Использование: в черной металлургии для сталеплавильных агрегатов непрерывного действия и способа непрерывной выплавки стали в этом агрегате, причем размещение агрегата возможно в существующем мартеновском цехе с использованием имеющегося технологического оборудования. Сущность изобретения: подвижный под сталеплавильного агрегата состоит из ряда последовательно расположенных ванн, в которых в конвейерной последовательности осуществляются технологические операции с изолированными объемами металла, а дымовые газы движутся из более "горячей" зоны в более "холодную". В агрегате возможна переработка большого количества (до 100%) крупногабаритного неразделенного металлолома с производительностью, превосходящей производительность конвертера. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОЙ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ И АГРЕГАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.