СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ Российский патент 2003 года по МПК C21C5/04 

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к выплавке стали в мартеновской печи с использованием барботирования инертным или нейтральным газом.

Процесс выплавки стали в мартеновской печи включает периоды завалки в печь твердой металлошихты, периоды ее прогрева, расплавления и доводки жидкого металла до требуемых характеристик. Завершает процесс выплавки стали операция выпуска.

Известен способ выплавки стали в мартеновской печи, когда после завалки металлошихты и ее прогрева до температуры плавления жидкого чугуна, осуществляют заливку в ванну печи жидкого чугуна и продувку металлургического расплава инертным или нейтральным газом снизу, через подину, и кислородом сверху, при этом в процессе ведения плавки периодически изменяют направление подачи горящего факела в ванну печи (см., например, авт. св. СССР 1164275, МКИ С 21 С 5/04, опубл. в 1985 г.).

Реализация продувки металлургического расплава инертным или нейтральным газом снизу и кислородом сверху ускоряет процессы обезуглероживания, перемешивания и шлакообразования.

Однако известный процесс выплавки стали не устраняет один из основных недостатков мартеновского процесса: низкую эффективность использования тепла горящего факела. К тому же, требует наличия жидкого чугуна, что для многих действующих мартеновских печей на современном этапе является проблематичным.

Известен способ выплавки стали в мартеновской печи, включающий периоды завалки металлошихты, ее прогрева и расплавления, доводку жидкого металла до требуемых характеристик и продувку его нейтральным или инертным газом посредством расположенных в подине многосопловых продувочных устройств, при этом энергию в ванну печи подводят горящим факелом, направление подачи которого периодически меняют, и к концу периода расплавления и в процессе доводки ванна печи наполнена металлургическим расплавом, состоящим из металлической фазы внизу и шлака вверху (см., например, патент РФ 2164244 от 02.03.00, С 21 С 5/04).

По совокупности существенных признаков этот известный способ выплавки стали в мартеновской печи наиболее близок предлагаемому, поэтому принят за прототип.

Существенным недостатком известного способа является низкий показатель использования тепла горящего факела в нагреве жидкого металла, обусловленный тем, что тепло к жидкому металлу передается в основном путем теплопроводности через жидкий шлак, который в сравнении с металлом по существу является теплоизолятором [например, если для шлака теплопроводность в среднем равна

то для жидкого металла
и выше].

Более того, основная масса тепла к жидкому металлу поступает через шлак в виде излучения от свода и стенок ванны печи. В совокупности отмеченные явления ухудшают теплообмен в ванне печи, приводят к существенному перепаду температуры по объему металлической фазы.

Предлагаемый способ выплавки стали в мартеновской печи свободен от указанных недостатков. В нем обеспечено существенное повышение использования тепла горящего факела в нагреве жидкого металла. К тому же, практически устранен существенный перепад температуры по объему металлической фазы. При этом, так как предлагаемый способ не исключает применяемую в известном способе передачу тепла теплопроводностью через жидкий шлак в виде излучения свода и стенок печи, реализация предлагаемого способа позволяет заметно сократить продолжительность периодов расплавления и доводки жидкого металла. Следует иметь в виду, что в скрап-процессе, реализуемом в настоящее время на большинстве действующих мартеновских печей, продолжительность этих двух периодов плавки доминирует в общей продолжительности плавки.

Перечисленные технические результаты достигаются за счет того, что в способе выплавки стали в мартеновской печи, включающем периоды завалки металлошихты, ее прогрева и расплавления, доводку жидкого металла до требуемых характеристик и продувку его нейтральным или инертным газом посредством расположенных в подине многосопловых продувочных устройств, при этом энергию в ванну печи подводят горящим факелом, направление подачи которого в печь периодически меняют, а к концу периода расплавления и в процессе доводки ванна печи наполнена металлургическим расплавом, состоящим из металлической фазы внизу и шлака вверху, согласно предложению путем продувки участка металлургического расплава поднимают уровень металлической фазы на этом участке до ее непосредственного контакта с горящим факелом. Кроме того, при изменении направления подачи горящего факела в печь сохраняют продувку обоих участков металлургического расплава.

Способ выплавки стали в мартеновской печи пояснен схематическими чертежами.

На фиг.1 показан продольный разрез ванны печи и тепловое взаимодействие горящего факела и металлургического расплава при реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - то же, что на фиг.1, после реверсирования направления подачи горящего факела; на фиг.3 - пример реализации предлагаемого способа на холодной модели мартеновской печи; на фиг.4 - пример реализации известного способа при "пузырьковой" продувке ванны; на фиг.5 - сопоставительный график изменения температуры воды, имитирующей металлическую фазу, во времени при реализации способов на фиг.3 и 4.

В ванне 1 мартеновской печи (фиг.1 и 2) образован металлургический расплав, состоящий из металлической фазы 2 внизу и шлака 3 вверху. С помощью головок 4 и 5 в ванне печи сжигают топливо, которое в виде горящего факела 6 входит в контакт с металлургическим расплавом на участке I и далее настилает его с последующим выходом продуктов сгорания из ванны печи. При этом, так как в мартеновской печи реализуется реверсивный характер работы, головки 4 и 5 работают попеременно: то на подводе топлива и воздуха, то на отводе продуктов сгорания. Таким образом, направление подачи горящего факела в печь периодически меняют. Напротив участка I, где горящий факел входит в контакт с металлургическим расплавом, в подине печи (или подведено с помощью погружной многосопловой головки) расположены многосопловые устройства 7 и 8 для продувки металлургического расплава инертным или нейтральным газом. Дополнительно многосопловые устройства типа 7 и 8 могут быть также расположены в центре печи, однако необходимость в этом может возникнуть только в тяжеловесных мартеновских печах, которые в последнее время находят все меньшее применение. При реализации настоящего способа (фиг.3) и известного способа (фиг. 4) в качестве металлической фазы использовали воду, шлак имитировало подсолнечное масло. Для измерения температуры использовали термометр 9, точность измерения 0,1^oС. На фиг.5 кривая 10 отражает изменение температуры металлической фазы при реализации настоящего способа, кривая 11 - при реализации известного способа, τ - время измерения в минутах.

Предлагаемый способ выплавки стали в мартеновской печи реализуют следующим образом.

В ванну печи 1 (фиг.1) осуществляют завалку металлошихты, которую прогревают и расплавляют с образованием металлургического расплава, состоящего из металлической фазы 2 внизу и шлака 3 вверху. Полученный таким образом металлургический расплав доводят (рафинируют) с получением жидкого металла требуемых характеристик.

Необходимое тепло для реализации операций прогрева, расплавления и доводки металла до требуемых характеристик в ванне 1 печи формируют за счет горящего факела 6, образованного как результат интенсивного перемешивания топлива и воздуха после выхода из головок 4 и 5 и их сгорания в пределах рабочего пространства печи.

Тепло от горящего факела 6 излучается на шихту, на стенки и свод печи, которые в свою очередь излучают тепло на металлургический расплав (на чертежах условно не показаны, так как при реализации настоящего способа функции стенок и свода печи в излучении тепла на металлургический расплав сохраняются).

В процессе выполнения операций завалки металлошихты, ее прогрева и расплавления через устройства 7 и 8 постоянно подают инертный или нейтральный газ с низкой интенсивностью, исключая тем самым возможное засорение сопел.

После расплавления металлической шихты и образования шлака интенсифицируют подачу инертного или нейтрального газа через устройства 7 и 8, поднимая уровень металлической фазы 2 до и выше верхнего уровня шлака 3 (фиг.1 и 2). В результате горящий факел 6 на участке I входит в непосредственный контакт с металлической фазой, которой отдает тепло излучением и конвекцией, минуя шлак 3. Так как характерный состав продуктов сгорания в мартеновской печи по массе имеет 7-15% СO₂, 10-21% Н₂O, 70-74% N₂, до 3% О₂ и до 0,5% СО, отмеченный непосредственный контакт металлической фазы и факела не оказывает негативного влияния на металлическую фазу 2 ванны мартеновской печи.

При реализации настоящего способа при реверсировании горящего факела 6, реализуемого переключением головок 4 и 5, возможно также реверсирование описанной операции интенсификации подачи газа через устройства 7 и 8. Однако предпочтение оказывают интенсифицированной подаче инертного или нейтрального газа одновременно через оба сопла 7 и 8, т.е. при изменении направления подачи горящего факела в печь сохраняют продувку обоих участков металлургического расплава (см. фиг. 1 и 2). Тем самым усиливают непосредственный теплообмен между горящим факелом 6 и металлической фазой 2, минуя шлак 3, распространяя его на состояние, когда факел 6 настильно перемещается по поверхности шлака 3.

Пример 1. В масштабе 1:15 из плексиглаза изготовили ванну 130 т мартеновской печи (фиг. 3). В поде ванны 1, на участках I, где горящий факел 6 входит в контакт с металлургическим расплавом, просверлили отверстия ⊘ 2 мм и под подом насыпали шлиф-корунд фракцией 0,5-0,8 мм. Таким образом образовали многосопловые устройства 7 и 8, к которым подвели воздух, давление которого регулировали в пределах 500 мм вод. ст.

В ванну налили 15 л воды (t=12,5^oС) и 4 л подсолнечного масла (уровень воды составлял 65 мм; толщина слоя масла равнялась 14 мм). При этом вода имитировала металлическую фазу 2 (теплопроводность воды ~0,62025 Вт/(м•K), подсолнечное масло - шлак (теплопроводность масла ~ 0,17 Вт/(м•K)
Горящий факел имитировали подачей горячего воздуха на содержимое ванны с помощью нагревателя (технического фена): модель КХ1682 фирмы BLACK and DECKER, мощность 1600 Вт, температура подаваемого воздуха около 560^oС.

Через каждые 5 минут реверсировали подачу горячего воздуха.

Термометром 9 с точностью 0,1^oС измеряли изменение температуры воды в трех точках по ширине ванны: по середине и по краям ванны. Кроме того, измеряли температуру верхних слоев воды (под маслом) и температуру масла.

Получили (кривая 10 на фиг.5) повышение температуры воды до 28^oС в течение 70 минут работы холодной модели мартеновской печи по описанному графику. В процессе нагрева ванны перепад температуры воды по ее высоте достигал 0,8-1,5^oС большим значением в верхней части (под маслом). В последних трех измерениях температура слоя масла в центре ванны составляла 31-31,8^oС.

Пример 2. При полностью сохраненных условиях примера 1 и подаче воздуха через устройства 7 и 8 в виде отдельных пузырьков (давление около 100 мм вод. ст.) повторили измерения (фиг.4).

Получили (кривая 11 на фиг.5) повышение температуры воды до 17,5^oС в течение 70 минут работы холодной модели мартеновской печи по описанному графику. В процессе нагрева ванны отмечался перепад температуры воды по ширине ванны (точки на фиг.5 рядом с кривой 11) и по ее высоте. При этом к концу измерения перепад температуры по высоте достигал 6,2-7,8^oC, с большими значениями в верхней части (под маслом). В последних трех измерениях температура слоя масла в центре ванны составляла 36-42^oС.

Таким образом (из сопоставления данных примеров 1 и 2) металлургический шлак в мартеновской печи является существенным тепловым барьером, препятствующим интенсивному теплообмену между металлической фазой и источниками тепла, в частности горящим факелом. Шлак снижает массо-теплоперенос в ванне печи, способствует формированию существенного перепада температуры по высоте и объему ванны печи.

Продувка участка металлургического расплава, где горящий факел входит в контакт с металлургическим расплавом, с подъемом уровня металлической фазы на этом участке до непосредственного контакта с горящим факелом многократно улучшает теплообмен между металлом и горящим факелом (на примере 1 показано, что уровень воды в 17,5^oС, достигаемый в известном способе в течение 70 минут, при реализации настоящего способа обеспечивается в течение 20 минут), уменьшает перепад температуры по объему металлической фазы и улучшает теплообмен между шлаком и металлической фазой.

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к выплавке стали в мартеновской печи с использованием барботирования инертным или нейтральным газом. В процессе выплавки стали в мартеновской печи осуществляют завалку металлошихты, ее прогрев и расплавление, доводку жидкого металла до требуемых характеристик и продувку его нейтральным или инертным газом посредством предусмотренных в подине многосопловых продувочных устройств, при этом энергию в ванну печи подводят горящим факелом, направление подачи которого в печь периодически меняют, а к концу периода расплавления и в процессе доводки ванна печи наполнена металлургическим расплавом, состоящим из металлической фазы внизу и шлака вверху. Путем продувки участка металлургического расплава поднимают уровень металлической фазы на этом участке до непосредственного контакта с горящим факелом. При изменении направления подачи горящего факела в печь сохраняют продувку обоих участков металлургического расплава. Технический результат - повышение использования тепла горящего факела в нагреве жидкого металла, устранение перепада температуры по объему металлической фазы и сокращение периодов расплавления и доводки металла. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ выплавки стали в мартеновской печи, включающий периоды завалки металлошихты, ее прогрева и расплавления, доводку жидкого металла до требуемых характеристик и продувку его нейтральным или инертным газом посредством предусмотренных в подине многосопловых продувочных устройств, при этом энергию в ванну печи подводят горящим факелом, направление подачи которого в печь периодически меняют, а к концу периода расплавления и в процессе доводки обеспечивают наполнение ванны печи металлургическим расплавом, состоящим из металлической фазы внизу и шлака вверху, отличающийся тем, что путем продувки участка металлургического расплава поднимают уровень металлической фазы на этом участке и осуществляют непосредственный контакт металлической фазы с горящим факелом. 2. Способ выплавки стали в мартеновской печи по п.1, отличающийся тем, что при изменении направления подачи горящего факела в печь сохраняют продувку обоих участков металлургического расплава.