СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1997 года по МПК C21B13/02 C21C5/56 

Предложение относится к металлургической промышленности и может быть внедрено на предприятиях имеющих доменное и конвертерное производства.

Интенсификация конвертерных процессов выплавки стали в первую очередь зависит от воздействия компонентов контактирующих между собой жидких и газообразных сред (фаз).

Прочно утвердившийся в промышленности кислородно-конвертерный процесс производства стали улучшил ряд необходимых условий интенсификации процесса. Однако удельная площадь тепло- и массообменных процессов увеличилась весьма незначительно. В известных конструкциях конвертеров удельная площадь составляет всего 0,11-0,182 м²/т и практически это пределы возможного, т.к. повышение давления в струе кислорода вызывает выбросы металла и шлака за пределы емкости конвертера. Таким образом, исчерпывается существенный резерв повышения производительности кислородно-конвертерных установок, кроме того, СО в отходящих газах неумолимо растет и стала значительной угрозой для окружающей среды.

Расширение удельной площади тепло- и массообменных процессов, представляющий собой отношение площади поверхности жидкой фазы с газовой окислительной средой, к массе металла в ванне конвертера, ставит своей задачей данное предложение.

Известно, что высокоразвитая поверхность расплава чугуна с окислительной фазой обеспечивает почти мгновенное удаление примесей и отшлакование их в присутствии флюсов. Установлено, что сталеплавильные процессы регулируются не только скоростью химических реакций, т.к. при высоких температурах они протекают практически мгновенно, а скоростью диффузии и доставки реагирующих компонентов к месту реакций. При высокоразвитой поверхности расплава чугуна, контактирующего с окислительной фазой, все химические процессы протекают быстро, а при определенных условиях могут протекать и непрерывно. Например, в установках непрерывного действия.

Известен вариант непрерывного сталеплавильного процесса. Одностадийная установка состоит из приемника, в которой непрерывно поступает жидкий чугун из ковша, наклоняющего по определенной программе кантователем, и реактора, в котором чугун продувается кислородом, несущим пылевидную известь, или известь и руду, через водоохлаждаемую фурму. Вспененная интенсивно образующимся в металле пузырьками окиси углерода металло-шлаковая эмульсия протекает через соединительный канал в отстойник.

В отстойнике завершаются процессы рафинирования металла от углерода, марганца, фосфора, и отстаивания от шлака. Кремний окисляется полностью в реакторе. Раскислители и легирующие присадки добавляют в сливной приемник, что создает возможность менять марки стали (см. Явойский и др. Металлургия стали, Москва, Металлургия, 1973, с. 344, рис. 161).

Однако одностадийная установка обеспечивает относительно невысокую окисленность металла в отстойнике и в соединительном канале, в силу низкой удельной площади взаимодействия между собой жидких и газообразных сред, что естественно сказывается на производительности установки и качестве выпускаемой стали.

Известна установка непрерывного действия для получения стали, которая может быть принята в качестве прототипа.

Жидкий чугун из доменной печи равномерной струей поступает в реакционную камеру, установленную на емкости металлосборнике. Через восемь наклонных сопел кольцевого устройства подается под высоким давлением кислород, струи которого разбивают струю чугуна на мелкие капли. Получающаяся шлако-металлическая эмульсия накапливается в металлосборнике, из которого шлак сливается через боковой отвод, а готовая сталь непрерывно поступает через отверстие стакана, встроенного в днище металлосборника, и сливается в сталеразливочный ковш (см. Явойский и др. Металлургия стали, Москва, Металлургия, с. 343, р. 160, 1973).

Огромная поверхность контакта капель расплава чугуна с кислородом и флюсами обеспечивает почти мгновенно удаление примесей из чугуна и отшлакование образующихся окислов.

Недостатков струйной обработки чугуна является малый выход жидкой стали
80% за счет большого количества металлических корольков в сливаемом шлаке бокового отвода. Степень усвоения тепла является также незначительным, а в силу высокого давления кислорода у сопел и вынужденного его бокового отвода, наличие в отходящих газах СО достигает более чем 40% что вызывает острую необходимость дожигать его в специальных котлах-утилизаторах.

Однако в непрерывных процессах струйной обработки расплава чугуна подвод реагентов и отвод побочных продуктов реакций осуществляется непрерывно и равномерно. Непрерывно значит больше. Равномерно значит лучше. Лучше управлять и контролировать процессы при выплавке различных марок сталей, при высокой производительности установки в целом; сравнительно малых темпах загрузки исходных материалов и непрерывном выпуске готовой стали.

Целью данного предложения является повышение выхода жидкой стали в единицу календарного времени и расширение технологических возможностей сталеплавильного агрегата, при непрерывном процессе производства стали.

Эта цель достигается тем, что сталеплавильный агрегат непрерывного действия, включающий промежуточную металлоемкость реакционную камеру, металлосборник, газоотвод, газокислородную фурму и засыпные аппараты для подачи шлакообразующих охладителей, раскислителей и легирующих присадок, согласно предложения, на горловину реакционной камеры газоплотно установлена промежуточная металлоемкость. По центру подины промежуточной металлоемкости, в зависимости от формы горловины реакционной камеры, выполнен сквозной проем, который обрамлен кольцевым огнеупорным струеобразующим порогом. В боковой стенке промежуточной металлоемкости встроен металлоприемник, который задействован через ферробарометрический затвор. Реакционная камера и газоотвод установлены на металлосборнике на определенном расстоянии друг от друга, что обеспечивает переток окислительного и отработанного газов через свободный проем над ванной металлосборника. Металлосборник оснащен стале- и шлакосливными желобами, а на сливных каналах этих желобов установлены взаимозаменяемые, по размерам своей высоты, огнеупорные перегородки. С помощью изменения высоты перегородок можно регулировать соотношение толщин слоев металла и шлака в ванне металлосборника. Этому же способствует форма металлосборника, которая выполнена чайникового типа. Конструкция агрегата позволяет иметь широкую возможность установки засыпных аппаратов там, где они необходимые по технологическим соображениям. Подвижная в глубь реакционной камеры газокислородная фурма обеспечивает широкую возможность контролировать и управлять окислительными процессами сырых материалов, поступающих в реакционную камеру, с учетом состояния тепловых зон реактора и химического состава сырых материалов.

Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан сталеплавильный агрегат в продольном разрезе; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.

Сталеплавильный агрегат состоит из реакционной камеры 1, промежуточной металлоемкости 2, в подине которой выполнен сквозной проем, обрамленный кольцевым огнеупорным струеобразующим порогом 3, а металлоприемник 4 емкости задействован через ферросборометрический затвор 5. Реакционная камера 1 и газоотвод 6 установлены на металлосборник 7, который изготовлен чайникового типа 8, а на его стале- и шлакосливные желоба 9 установлены взаимозаменяемые огнеупорные перегородки 10. Газокислородная фурма 11 и серия засыпанных аппаратов 12, дополняют технологические узлы агрегата.

Агрегат работает следующим образом.

На футерованный огнеупором металлосборник 7 устанавливают и закрепляют реакционную камеру 1 и газоотвод 6. На горловину реакционной камеры 1 устанавливают и закрепляют промежуточную металлоемкость 2 и заводят в ее свод газокислородную фурму 11. На сливные желоба 9 металлосборника 7 устанавливают и закрепляют огнеупорные перегородки 10. Размеры высот перегородок 10, в стале- и шлакосливных желобах 9, определяются заранее по технологическим соображениям, какую из марок стали намерены получать, химическому составу расплава чугуна, химическому составу наличия сырых материалов шихтовых, а, главное, в каком количестве и качестве прогнозируется выход шлака на тонну выхода готовой продукции. Засыпные аппараты приводят в предпусковое состояние и проверяют работу дозирующих элементов.

Через специальные ложные окна, выполненные в необходимых точках футерованных частей агрегата, с помощью газовоздушных горелок, производят сушку и нагрев огнеупорной кладки, до температур, исключающих образование натсылей при поступлении первых порций расплава чугуна.

Расплав чугуна может подаваться из чугуновозного ковша, миксера или непосредственно из доменной печи в промежуточную металлоемкость 2. При установке в металлоприемнике 4 ферробарометрического затвора 5, в реакционную камеру 1 подают окислительный газ. Пока заполняется промежуточная емкость 2, весь проем реакционной камеры 1 успевает заполниться окислительным газом. После заполнения промежуточной емкости расплавом выше верхней кромки кольцевого огнеупорного порога расплав начинает переливаться широким фронтом в реакционную камеру, заполненную окислительным газом.

Перелив расплава через порог 3 осуществляется в виде тонких, рассредоточенных по всему периметру проема в металлоемкости пленочных струй и мелких капель, которые образуют огромную удельную поверхность контакта расплава чугуна с окислительным газом.

Как известно, в таких благоприятных условиях для тепломассообменных процессов, химически горячий расплав чугуна дает более половины всего развиваемого тепла, которое в основном приходится на долю окисления углерода. Поступление в реакционную камеру 1 такого обилия тепла осуществляется за короткое время, в течение которого тонкие пленочные струи и мелкие капли расплава движутся по пути к ванне металлосборника 7, где они обильно омываются свежим окислительным газом. Этого тепла вполне достаточно для первоначального нагрева расплава, необходимого, чтобы активизировать процессы рафинирования.

Состав шлака определяется соответствующей динамикой окисления сопутствующих примесей, в силу благоприятных на то условий, эти процессы сопровождаются образованием сбалансированной шлако-металлической эмульсии, которая является благоприятной средой для развития дальнейших процессов.

Дальнейшее заполнение металлосборника 7 активно образовавшейся шлако-металлической эмульсией продолжает сопровождаться реакциями окисления оставшейся части примесей. Раннему формированию активного шлака способствует сопутствующее условиям повышенное содержание окислов.

По ходу продолжения реакций окисления примесей повышается температура расплава в ванне металлосборника 7. Идет перегрев образовавшихся шлаков и растворение флюсов. Поднимается жидкотекучесть шлаков и всего расплава. Завершающие химические реакции в основном в средней части ванны в металлосборнике 7, протекают в темпе опережающем заполнение металлосборника. Вместе с тем в нижней части металлосборника активно идет бурное разделение шлако-металлической эмульсии на металл и шлак. Когда металлосборник 7 наполнится расплавом полностью, процесс переходит в рабочий режим непрерывной выплавки стали.

Это значит, что верхний уровень шлака в металлосборнике 7 достиг своего предела и сливается через огнеупорную перегородку желоба 9. В это же время нижний уровень шлака находится несколько ниже верхней кромки перегородки 10, находящейся в сталесливном желобе 9. Однако под преобладающим давлением столба шлака в металлосборнике 7, металл выжимается в чайниковый отсек ванны 8, заставляя его переливаться через перегородку 10, установленную в сталесливном желобе 9, и дальше в сталеразливочный ковш. В то же время в реакционную камеру 1 непрерывно и в необходимом количестве поступают все необходимые сырые материалы и окислительный газ.

Одним из основных преимуществ предложенного процесса является заранее определенное наличие в металлосборнике достаточного количества активного шлака. Это обусловлено возможностью регулировать: соотношением слоев металла и шлака в ванне металлосборника 7, подачу окислительного газа и весь комплекс сырых материалов и контролировать исходный продукт сталь, шлак и газ.

В качестве охладителей могут быть использованы: железная руда, агломерат, окатыши из руды, а также прокатная и иная окалина, мелкая стальная и чугунная стружки, которыми затоварились ряд регионов нашей страны, т.к. переработка такого возврата в конвертерах дает весьма значительный угар. Основным преимуществом этих материалов по сравнению с крупным металлическим ломом является низкая их стоимость и возможность подачи их в установку непрерывно и равномерно. Рудные материалы, к тому же, позволяют уменьшить расход кислорода и улучшить шлакообразование в связи с тем, что окислы железа значительно ускоряют растворение флюсов.

Подача сыпучих охладителей и шлакообразующих мелких фракций, оправдана тем, что газопоток из реакционной зоны и металлованны, с учетом непрерывности процесса, определяется быть равномерным и относительно спокойным, а путь его движения в газоотвод осуществляется через проем в металлосборнике, снижение мощности потока отходящих газов за счет стабильности и непрерывности процесса позволяет ликвидировать вынос мелких частиц металла и шлака за пределы установки, что обеспечивает значительный пригар металла со стороны охладителей.

Исходя из вышеизложенного, предложенный вариант непрерывной выплавки стали является высокопроизводительным процессом, вобравшим в себя все высокоэффективные технологические приемы выплавки стали различных марок и отвечает очевидному:
непрерывно, значит больше,
равномерно, значит лучше.

Лучше управлять и контролировать буквально все процессы сталеварения по ходу непрерывного поступления исходных материалов в реакционную камеру агрегата.

Использование: металлургия, может быть внедрено в доменном и конвертерном производстве. Сталеплавильный агрегат непрерывного действия снабжен промежуточной емкостью, герметично установленной на горловине реакционной камеры и соединенной с металлоприемником посредством барометрического раствора. Взаимозаменяемые огнеупорные перегородки, установленные на сливных каналах металлосборника. Промежуточная емкость выполнена со сквозным проемом по центру подины, обрамленным кольцевым огнеупорным струеобразующим порогом. 2 ил.

Сталеплавильный агрегат непрерывного действия, содержащий металлоприемник, реакционную камеру, металлосборник, снабженный стале- и шлаковыпускными каналами, газоотвод, газокислородную форму, засыпные аппараты, отличающийся тем, что он снабжен промежуточной емкостью, герметично установленной на горловине реакционной камеры и соединенной с металлоприемником посредством барометрического затвора и взаимозаменяемыми огнеупорными перегородками, установленными на сливных каналах металлосборника, при этом промежуточная емкость выполнена со сквозным проемом по центру подины, обрамленным кольцевым огнеупорным струеобразующим порогом.