КОМБИНИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ИЗ ГОРЕЛКИ И ФУРМЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ Российский патент 2013 года по МПК F27B3/22 

Настоящее изобретение относится к горелкам и фурмам для использования при плавке металлов, таких как черные металлы, в электродуговых печах, в частности к комбинированным устройствам из горелки и фурмы для создания ориентированного пламени для использования в электродуговой печи.

Способ плавки в электродуговой печи представляет собой полунепрерывный способ, в котором холодное металлическое сырье, как правило, металлолом, загружается посредством корзины или ковша от двух до четырех раз за один процесс плавки.

Способы плавки с помощью электрической дуги и преимущества использования кислорода в них обсуждаются в статье "Efficiency oxygen technologies in the EAF", M. Grant, B. Allemand, опубликованной в AISE Electric Arc Conference Proceedings, 2000.

Способ плавки металла в электродуговой печи (далее упоминаемый как "Способ плавки") включает по существу две стадии:

- стадию плавки и

- стадию рафинирования.

В течение стадии плавки твердое металлическое сырье загружается в печь и тепло подводится в печь к нему для того, чтобы предварительно нагреть и расплавить металл. Это тепло обеспечивается, с одной стороны, электродами или фазами электродуговой печи, а с другой стороны, с помощью одной или нескольких горелок, смонтированных в электродуговой печи, пламя от которых направляется на твердое металлическое сырье. Когда новая партия металлического сырья из ковша или корзины добавляется в электродуговую печь, стадия плавки продолжается для того чтобы расплавить вновь добавленный металл.

В электродуговой печи может устанавливаться только ограниченное количество горелок, как правило, четыре на кожух печи. Как правило, горелки устанавливаются:

- между фазами на печи АС (переменного тока),

- около шлаковой дверцы и

- около ванны.

В конце стадии плавки, когда по существу все металлическое сырье расплавлено, жидкий металл подвергается стадии рафинирования. В течение стадии рафинирования жидкий металл рафинируется так, чтобы достичь желаемой его композиции. Как правило, сверхзвуковая струя кислорода используется для проникновения в шлак и обезуглероживания жидкого металла. Стадия рафинирования обычно включает также этап вспенивания шлака, в котором кислород и пылеугольное топливо вводятся вместе для создания вспененного шлака.

Использование в новых и модернизированных электродуговых печах многофункциональных инструментов, комбинированной горелки и сверхзвуковой фурмы, в одном устройстве находит все более широкое применение.

В известных многофункциональных инструментах горелка и фурма, снабженная сужающимся-расширяющимся соплом, объединяются при коаксиальном размещении. Известны такие многофункциональные инструменты, которые серийно производятся заявителем под торговым наименованием PyreJet™.

Как и для общепринятых не многофункциональных инструментов, горелка многофункционального инструмента используется для предварительного нагрева и плавки сырья, в частности металлолома, после подачи каждой ковшевой партии металлического сырья. Горелка также дает возможность предотвращать появление холодных областей в печи или устранять их.

Основной целью фурмы является создание сверхзвукового потока для того, чтобы получаемая сфокусированная струя кислорода имела возможность проникать в шлак и обезуглероживать сталь в течение рафинирования. Когда многофункциональный инструмент также снабжается средствами инжекции пылеугольного топлива, фурма также может использоваться совместно с вдуванием угля для создания вспененного шлака в течение рафинирования.

Хотя использование известных многофункциональных инструментов в электродуговых печах уже привело к значительному увеличению эффективности энергопользования в процессах плавки в электродуговой печи, все еще существует необходимость в достижении большей эффективности энергопользования с помощью надежных средств.

Было продемонстрировано, что наилучшая ориентация для сверхзвукового сопла/для сверхзвуковой струи кислорода в течение рафинирования в электродуговой печи находится в диапазоне от около 40° до около 45° по отношению к плавильной ванне, то есть по отношению к горизонтальной плоскости.

Было обнаружено, что наилучший наклон для горелки/для пламени горелки в течение стадии плавки обычно составляет около 20° по отношению к горизонтальной плоскости.

Как следствие, с учетом коаксиального расположения горелки и фурмы в известных многофункциональных инструментах, требуется компромисс между этими двумя оптимальными диапазонами. Как правило, оптимальный наклон сверхзвукового сопла/сверхзвуковой струи кислорода рассматривается как имеющий преимущество перед оптимальным наклоном горелки/пламени, и известные многофункциональные инструменты, как правило, устанавливаются под углом около 45°.

Поэтому известные многофункциональные инструменты имеют тот недостаток, что горелка не устанавливается в соответствии со своим оптимальным наклоном и что поэтому эффективность нагрева многофункционального инструмента в течение стадии плавки уменьшается по сравнению с обычным не многофункциональным инструментом с оптимальным наклоном горелки.

Кроме того, важным фактором в процессах плавки в электродуговых печах является изменение геометрии пакета металлолома или металлического сырья в течение стадии плавки. В ходе плавки уровень пакета твердого металлического сырья понижается. С другой стороны, когда новая ковшовая загрузка сырья добавляется в электродуговую печь, уровень пакета сырья в печи резко повышается.

Поскольку в известных многофункциональных инструментах горелка имеет фиксированное положение и наклон, положение горелки и ориентация горелки и пламени горелки опять представляют собой компромисс, без активной реакции на изменения в геометрии пакета металлического сырья, и опять же, теплоотдача горелки, таким образом, ухудшается.

Из US-A-2003/0075843 известны средства для приведения в действие или поворота многофункционального инструмента в электродуговой печи с помощью механических средств. Этот подход не является надежным в сильно загрязненных средах, таких как те, что встречаются в электродуговых печах, так как подвижные части подвергаются воздействию механических и химических факторов.

Документ ЕР-А-0964065 раскрывает плавильный резервуар, в частности электродуговую печь, содержащий первый блок, функционирующий в качестве горелки и/или сверхзвуковой фурмы и второй блок, функционирующий в качестве горелки и/или фурмы для вдувания углеродсодержащих материалов. Упомянутые первый и второй блоки взаимно ориентированы так, что потоки из первого и второго блоков сталкиваются в точке, расположенной примерно на уровне или выше верха слоя шлака над ванной расплавленного металла. Оба потока, встречающиеся в слое шлака, взаимодействуют со шлаком, вызывая экзотермические реакции в шлаке и обеспечивая утилизацию энергии в слое шлака. Документ ЕР-А-0964065 не раскрывает расположения и режима работы сопел фурмы и горелки, при которых струя рабочего газа отклоняет пламя, создаваемое горелкой.

Таким образом, целью настоящего изобретения является увеличение эффективности энергопользования в способе плавки в электродуговой печи.

Настоящее изобретение делает возможным дальнейшее увеличение эффективности энергопользования подобных способов плавки с помощью создания комбинированного устройства, содержащего горелку и фурму, данное устройство делает возможным отклонение направления пламени, создаваемого с помощью горелки, посредством взаимодействия текучих сред под действием газовой струи, создаваемой с помощью фурмы.

Комбинированное устройство из горелки и фурмы для создания ориентированного пламени для использования в электродуговой печи, по настоящему изобретению содержит:

горелку для сжигания топлива и окислителя, указанная горелка имеет ось горелки и выходное отверстие горелки, и

- фурму, имеющую ось фурмы и выходное отверстие фурмы, при этом фурма оборудована сужающимся-расширяющимся соплом, содержащим критическое сечение, имеющее диаметр d, и отличается тем, что:

- выходное отверстие фурмы и выходное отверстие горелки не являются концентрическими и располагаются на расстоянии D друг от друга, где D меньше или равно 20*d, предпочтительно меньше или равно 10*d, и

- ось фурмы образует с осью горелки угол а в диапазоне от 10° до 40°, предпочтительно от 15° до 30°.

Настоящее изобретение также относится к способу плавки металлического сырья в электродуговой печи, снабженной устройством по настоящему изобретению, при этом в течение, по меньшей мере, части способа горелка используется для сжигания топлива и окислителя и для создания пламени в электродуговой печи и при этом указанное пламя отклоняется с помощью струи рабочего газа, инжектируемого в электродуговую печь с помощью фурмы.

Способ плавки сырья черных металлов в электродуговой печи по настоящему изобретению включает:

- стадию плавки и

- стадию рафинирования,

при этом:

- электродуговая печь оборудована упомянутым выше устройством, причем

- горелку используют в течение, по меньшей мере, части стадии плавки для сжигания топлива и окислителя, для создания пламени внутри электродуговой печи, и

- фурму используют в течение, по меньшей мере, части стадии рафинирования для создания сверхзвуковой струи,

и отличается тем, что:

в течение, по меньшей мере, части стадии плавки фурму используют для инжекции струи рабочего газа в электродуговую печь, пока горелка используется для сжигания топлива и окислителя и для создания пламени, при этом струя рабочего газа отклоняет пламя, создаваемое горелкой.

Повышение эффективности энергопользования может, таким образом, достигаться, например, с помощью изменения ориентации пламени, создаваемого с помощью горелки, в течение процесса плавки для учета изменения геометрии пакета металлолома или металлического сырья в течение процесса плавки, и/или с помощью изменения ориентации пламени, создаваемого с помощью горелки, для лучшего устранения холодных точек в печи.

Настоящее изобретение будет описываться ниже более детально, со ссылками на Фиг.1-4, при этом:

Фиг.1 представляет собой схематический вид сбоку частичного сечения первого варианта осуществления устройства по настоящему изобретению, установленного в стенке или в кожухе электродуговой печи.

Фиг.2 представляет собой схематический вид сбоку частичного разреза второго варианта осуществления устройства по настоящему изобретению, установленного в стенке или в кожухе электродуговой печи.

Фиг.3 представляет собой частичный схематический вид спереди конкретного варианта осуществления фурмы, пригодного для использования в устройстве.

Фиг.4 представляет собой схематическое представление отклонения пламени, создаваемого с помощью горелки, посредством струи рабочего газа, получаемой с помощью фурмы, согласно способу по настоящему изобретению. В варианте осуществления, иллюстрируемом на Фиг.4, выходное отверстие фурмы располагается вертикально над выходным отверстием горелки.

Настоящее изобретение, таким образом, предусматривает новое устройство 1 для использования в электродуговой печи, указанное устройство содержит горелку 2 и фурму 3. Горелка 2 имеет выходное отверстие 21 горелки, которое открывается при использовании в электродуговую печь. Горелка также определяет ось 22 горелки.

Фурма 3 имеет выходное отверстие 31 фурмы, которое при использовании открывается в электродуговую печь. Фурма 3 также определяет ось 32 фурмы. Фурма снабжается сужающимся-расширяющимся соплом 36 с критическим сечением 37, также известным как сопло Лаваля. Такие сужающиеся-расширяющиеся сопла или сопла Лаваля конструируются для создания сверхзвуковой или дозвуковой струи газа в зависимости от давления со стороны входа: если давление со стороны входа выше, чем номинальное давление для конструкции сопла, газ будет покидать сопло на скорости больше скорости звука; если давление со стороны входа меньше, чем номинальное давление, газ будет покидать сопло на скорости меньше скорости звука.

Согласно настоящему изобретению выходное отверстие 31 фурмы и выходное отверстие 21 горелки не являются концентрическими. Напротив, они располагаются на расстоянии D друг от друга, указанное расстояние D составляет самое большее 20 диаметров фурмы, а предпочтительно, не более чем 10 диаметров d критического сечения 37.

Ось 32 фурмы образует угол α с осью 22 горелки, указанный угол α лежит в диапазоне от 10° до 40°, а предпочтительно, от 15° до 30°. Угол а может, например, быть равен примерно 25°.

Таким образом, устройство задает направление пламени, создаваемого с помощью горелки, которое должно отклоняться с помощью взаимодействия текучих сред с газовой струей, создаваемой или инжектируемой с помощью фурмы.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, фурма 3 снабжается расширяющимся соплом 33 после сужающегося-расширяющегося сопла так, что когда горелка 2 и фурма 3 работают одновременно, струя, инжектируемая с помощью фурмы, покрывает более широкую область периферии пламени, создаваемого с помощью горелки, чем в случае без указанного второго расширяющегося сопла. Следующая возможность, которая может совмещаться со вторым расширяющимся соплом, представляет собой возможность снабжения фурмы 3 одним или несколькими вспомогательными инжекторами 34 для инжекции вспомогательного газа вблизи выходного отверстия 31 фурмы. Когда в течение работы фурмы 3, такой вспомогательный газ инжектируется через один или несколько вспомогательных инжекторов 34, струя, инжектируемая с помощью фурмы 3, таким образом, расширяется так, чтобы она покрывала большую область периферии пламени, создаваемого с помощью горелки 2, чем в случае без инжекции вспомогательного газа. Такое расширение струи, инжектируемой с помощью фурмы, делает возможным создание более эффективного или действенного взаимодействия текучих сред между струей, создаваемой с помощью фурмы, и пламенем, создаваемым с помощью горелки, и таким образом, более эффективного или действенного отклонения пламени.

Устройство предпочтительно содержит также панель 4 с водяным охлаждением, в которой или через которую устанавливаются горелка 2 и фурма 3. При использовании в печи панель с водяным охлаждением создает охлаждение для горелки и фурмы, тем самым создавая защиту против износа при перегреве. Даже несмотря на то, что согласно предпочтительному варианту осуществления устройства по настоящему изобретению горелка и фурма устанавливаются на одной панели с водяным охлаждением, изобретение также распространяется на варианты осуществления устройства, где фурма и горелка, каждая, устанавливаются на отдельные панели с водяным охлаждением.

Как правило, устройство содержит также инжектор пылеугольного топлива (не показан), пригодный для использования в практике вспенивания шлака в течение рафинирования. В этом случае инжектор пылеугольного топлива предпочтительно также устанавливается в панели 4 с водяным охлаждением или проходит через нее.

При использовании устройство устанавливается в электропечи, например между фазами электродуговой печи переменного тока, возле шлаковой дверцы и/или возле ванны.

Устройство предпочтительно устанавливается в электродуговой печи так, чтобы ось 22 горелки образовывала с горизонтальной плоскостью угол β от 10° до 40°, предпочтительно от 15° до 30°. Угол β представляет собой угол, под которым горелка 2 инжектирует пламя в электродуговую печь, когда указанное пламя не отклоняется посредством струи, создаваемой с помощью фурмы 3.

Ось 32 фурмы предпочтительно образует с горизонтальной плоскостью угол γ от 30° до 60°, более предпочтительно от 35° до 45°.

Выходное отверстие 31 фурмы предпочтительно располагается над горизонтальной плоскостью, на которой располагается выходное отверстие 21 горелки и, по возможности, непосредственно над выходным отверстием или по существу вертикально над выходным отверстием 21 горелки.

Когда устройство содержит инжектор пылеугольного топлива, этот инжектор пылеугольного топлива предпочтительно имеет отверстие инжектора пылеугольного топлива в электродуговой печи, которое располагается под горизонтальной плоскостью, на которой располагается выходное отверстие 21 горелки, и, по возможности, непосредственно под выходным отверстием или по существу вертикально под выходным отверстием 21 горелки.

Настоящее изобретение также охватывает электродуговые печи, снабженные одним или несколькими подобными устройствами.

Настоящее изобретение также относится к способу плавки металлического сырья, как правило, черного металла, как правило, металлолома, в электродуговой печи, снабженной или оснащаемой одним или несколькими устройствами по настоящему изобретению.

Способ по настоящему изобретению включает в себя стадию плавки и стадию рафинирования. В этом способе горелка 2 используется в течение, по меньшей мере, части стадии плавки для создания в электродуговой печи пламени 23. Фурма 3 используется в течение, по меньшей мере, части стадии рафинирования для создания сверхзвуковой струи. По настоящему изобретению фурма 3 используется в течение, по меньшей мере, части стадии плавки для инжекции струи 35 рабочего газа в электродуговую печь, тогда как горелка создает пламя 23, тем самым отклоняя пламя 23, создаваемое с помощью горелки 2, с помощью взаимодействия текучих сред между пламенем 23 и струей 35 рабочего газа.

В настоящем контексте термин "рабочая струя газа" или "струя рабочего газа" 35 обозначает струю газа, инжектируемую с помощью фурмы 3, в то время, когда горелка 2 создает пламя 23, так, чтобы, как иллюстрируется на Фиг.3, происходило взаимодействие текучих сред между струей газа и пламенем, отклоняя, таким образом, пламя от направления, которое оно могло бы иметь в отсутствие струи рабочего газа (на Фиг.3, пламя могло бы получаться при отсутствии струи рабочего газа так, как показано прерывистыми линиями).

Важным преимуществом настоящего изобретения является то, что оно дает возможность изменять ориентации пламени 23, создаваемого с помощью горелки 2, без необходимости в дополнительных механических или движущихся узлах, которые подвергаются воздействию крайне загрязненной и агрессивной среды, которая существует внутри электродуговой печи. Используя фурму 3 для изменения ориентации пламени, настоящее изобретение также не требует установки дополнительных фурм или инжекторов в электродуговой печи для отклонения пламени горелки.

Горелка 2 предпочтительно может использоваться в начале плавки ковшевой загрузки для предварительного нагрева сырья.

Номинальная мощность горелки 2 предпочтительно изменяется в пределах между 2 и 6 МВт.

Согласно предпочтительному варианту осуществления горелка 2 представляет собой горелку на газообразном топливе, например на горючем природном газе. Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления горелка 2 представляет собой горелку на жидком топливе, например на горючем жидком топливе.

При использовании горелка 2 снабжается клапанным механизмом для подачи топлива с одной стороны и окислителя с другой стороны.

Фурма 3 также снабжается клапанным механизмом для подачи газа.

Если при использовании способа по настоящему изобретению ориентация пламени 23, создаваемого с помощью горелки 2, изменяется с помощью взаимодействия текучих сред со струей 35 рабочего газа так, чтобы следовать изменению геометрии пакета металлического сырья в течение стадии плавки, теплопередача к сырью улучшается и время, требуемое для плавки сырья, может сокращаться, таким образом, достигается улучшение эффективности энергопользования.

Например, пламя 23, создаваемое с помощью горелки 2, может понижаться постепенно, во время того, как пакет сырья уменьшается в течение стадии плавки. Пламя может подобным же образом повышаться при добавлении новой ковшевой загрузки сырья, когда создается новый или больший пакет вторичного металла.

Основным преимуществом настоящего изобретения является то, что с помощью использования фурмы 3 для создания струи 35 рабочего газа является возможным отклонение пламени 23, создаваемого с помощью горелки 2, в течение стадии плавки с помощью взаимодействия текучих сред со струей рабочего газа и без потребности в дополнительных или более сложных клапанных механизмах для подачи топлива и газа, по сравнению с существующими многофункциональными инструментами.

Струя 35 рабочего газа, в частности, может представлять собой струю воздуха или азота, аргона или струю, содержащую кислород. Предпочтительной является струя, содержащая кислород. Когда струя рабочего газа представляет собой струю воздуха или, более предпочтительно, струю кислорода, она делает возможным дожигание СО, высвободившегося в течение процесса плавки, таким образом, дополнительно повышая эффективность энергопользования способа.

Когда, как описывается ранее, фурма оборудуется расширяющимся соплом 33 после сужающегося-расширяющегося сопла или если фурма оборудуется одним или несколькими вспомогательными инжекторами 34 для инжекции вспомогательного газа вблизи выходного отверстия фурмы 3, как описывается выше, струя 35 рабочего газа может покрывать большую область пламени 23, повышая, таким образом, воздействие струи рабочего газа на пламя и повышая, таким образом, эффективность, с которой струя рабочего газа может изменять ориентацию пламени.

В течение стадии рафинирования, фурма 3 может использоваться как обычная фурма.

В частности, фурма 3 может использоваться в течение стадии рафинирования для создания сверхзвуковой струи кислорода с одновременной инжекцией пылеугольного топлива в электродуговую печь с помощью инжектора пылеугольного топлива для создания вспененного шлака.

В течение рафинирования фурма 3 также может использоваться для создания сверхзвуковой струи для перемешивания или взбалтывания жидкого металла. Указанная сверхзвуковая струя может представлять собой струю воздуха или кислорода, аргона, или струю, содержащую азот, или струю, содержащую сочетание азота и аргона. Струя, содержащая кислород, является предпочтительной.

Когда фурма 3 используется для создания сверхзвуковой струи, расход потока указанной сверхзвуковой струи может находиться в эффективных пределах между 800 и 4000 Нм³/ч, предпочтительно между 1200 и 3000 Нм³/ч.

Согласно конкретному варианту осуществления настоящего изобретения фурма 3 может сама снабжаться средствами изменения ориентации струи газа, которую фурма инжектирует в электродуговую печь, то есть струи рабочего газа, которую фурма инжектирует в течение стадии плавки, и/или сверхзвуковой струи, которую фурма инжектирует в течение стадии рафинирования. Такие средства могут представлять собой, например, средства для создания дополнительного потока газа для ударного воздействия на струю внутри фурмы, то есть перед выходным отверстием 31 фурмы, на выходном отверстии 31 фурмы или непосредственно после выходного отверстия 31 фурмы, таким образом давая возможность для изменения ориентации струи газа, которая инжектируется с помощью фурмы 3 в электродуговую печь, с помощью взаимодействия текучих сред с указанным дополнительным потоком газа. В частности, когда фурма снабжается одним или несколькими вспомогательными инжекторами 34 для инжекции вспомогательного газа вблизи выходного отверстия 31 фурмы, вспомогательный газ может использоваться для изменения ориентации струи газа, инжектируемого с помощью фурмы.

Струя 35 рабочего газа, инжектируемая с помощью фурмы, предпочтительно представляет собой струю, содержащую кислород. Струя 35 рабочего газа предпочтительно имеет содержание кислорода, по меньшей мере, 25% объемных, предпочтительно, по меньшей мере, 50% объемных, а более предпочтительно, по меньшей мере, 90% объемных.

Подобным же образом, сверхзвуковая струя, инжектируемая с помощью фурмы, представляет собой струю, содержащую кислород, имеющую содержание кислорода, по меньшей мере, 25% объемных, предпочтительно, по меньшей мере, 50% объемных, а более предпочтительно, по меньшей мере, 90% объемных.

По настоящему изобретению электродуговая печь, как правило, также обеспечивается устройством управления для управления:

- в течение стадии плавки: расходом топлива и окислителя в горелке и расходом рабочего газа в фурме, и

- в течение стадии рафинирования: расходом газа в фурме.

Когда фурма снабжается одним или несколькими вспомогательными инжекторами 34 для инжекции вспомогательного газа, устройство управления обычно также контролирует расход вспомогательного газа через один или несколько вспомогательных инжекторов.

Когда устройство снабжается инжектором пылеугольного топлива, устройство управления обычно также контролирует массовый поток (расход) пылеугольного топлива в инжекторе пылеугольного топлива в течение стадии рафинирования.

В частности, электродуговая печь может снабжаться системами управления для:

- системы без обратной связи для управления стадией плавки, основанной на стехиометрическом управлении горелкой на стадии плавки, и/или

- системы с обратной связью для управления стадией плавки, основанной на изменении геометрии пакета металлического сырья, оцениваемой, например, по функции затраченного времени или электроэнергии, поданной через электроды с начала стадии плавки, или с помощью оптических средств, таких как лазер.

Как объясняется выше, когда струя 35 рабочего газа представляет собой струю кислородосодержащего газа, такую как струя воздуха или, более предпочтительно, струя кислорода, эффективность энергопользования способа может дополнительно повышаться с помощью использования струи 35 рабочего газа, содержащего кислород, при сильно экзотермическом дожигании СО, выделившегося в течение процесса плавки, до СО₂.

Так как атмосфера в электродуговой печи и, в частности, содержание СО в указанной атмосфере, может быстро изменяться, эффективное использование дожигания требует быстрой ответной реакции управления. Если в печь инжектируется недостаточное количество кислорода, дожигание и соответствующая экономия энергии будут неполными, так как часть СО, выделившегося в течение процесса плавки, будет выходить из печи вместе с печным газом. С другой стороны, если в печь инжектируется слишком много кислорода, это приведет к окислению графитовых электродов и к повышению потерь металла из-за окисления металла, и то и другое приводит к значительным дополнительным затратам. Кроме того, горячие участки, которые появляются при значительном избытке кислорода, инжектируемого в печь, могут ускорить износ огнеупорного покрытия, покрывающего печи изнутри. В конечном счете, инжектируемый избыток кислорода может также вступать в реакцию с ванной жидкого металла и таким образом воздействовать на качество выпускаемого расплавленного металла.

Настоящее изобретение, таким образом, также относится к устройству управления, которое дает возможность для оптимизации плавки металла в течение стадии плавки:

- с помощью управления наклоном пламени, создаваемого с помощью горелки, в течение процесса плавки так, чтобы оптимизировать подвод тепла к загрузке металлического сырья, или

- с помощью управления предельным расходом кислорода, инжектируемого в печь так, чтобы оптимизировать дожигание, или

- предпочтительно с помощью управления как наклоном пламени, так и инжекцией кислорода.

Способ по настоящему изобретению предпочтительно осуществляется в электродуговой печи, снабженной устройством управления, которое контролирует расход топлива и окислителя в горелке и расход газа в фурме.

Согласно первому варианту осуществления устройство управления содержит устройство или часы, которое измеряет время, прошедшее с начала процесса плавки (с начала нагрева сырья). Согласно более предпочтительному варианту измеряется количество энергии, поданной (к металлу) через электроды или фазы, с начала стадии плавки. Количество поданной энергии, как правило, выражается в кВт*час/т загруженного сырья.

Эти два параметра, в особенности, количество энергии, поданное через электроды, представляют собой полезные входные параметры для управления способом плавки. На самом деле, затраченное время и, в особенности, энергия, поданная через электроды, позволяют определить, для конкретной загрузки металлического сырья (по меньшей мере, примерно), окончание стадии плавки и начало стадии рафинирования и могут поэтому использоваться, например, как входные данные для устройства управления, для определения того момента времени, когда необходимо контролировать расход газа в фурме так, чтобы создавать сверхзвуковую струю для обезуглероживания, и/или когда необходимо контролировать расход газа в фурме и массовый поток (расход) пылеугольного топлива в инжекторе пылеугольного топлива для создания в печи вспененного шлака.

Затраченное время или энергия, поданная через электроды, также дает возможность определить, для конкретной загрузки металлического сырья, степень завершения стадии плавки и соответствующую геометрию пакета металлического сырья и может, следовательно, использоваться, например, как входные данные для устройства управления, для управления расходом рабочего газа в фурме и расходами окислителя и топлива в горелке так, чтобы, в ходе стадии плавки и изменения геометрии пакета, пламя, создаваемое с помощью горелки, поддерживалось при оптимальном наклоне с помощью взаимодействия текучих сред между пламенем и рабочим газом.

Система управления может, в частности, содержать операционную систему, которая принимает время, затраченное с начала способа плавки, или, предпочтительно, количество энергии, поданной через электроды или фазы, израсходованное с начала стадии плавки, как входные данные, тем самым указанная операционная система, использующая программное обеспечение, упоминаемое также как "модель", определяет момент времени, соответствующий окончанию стадии плавки и началу стадии рафинирования, и создает соответствующий выходной сигнал, и/или сигнал, который определяет степень завершения стадии плавки и/или приближенное значение геометрии пакета металлического сырья, коррелирующее с указанной степенью завершения стадии плавки, и создает соответствующий выходной сигнал.

Устройство управления предпочтительно также содержит СО-сенсор для определения уровня концентрации СО в атмосфере печи, предпочтительно, для определения в реальном времени уровня концентрации СО в атмосфере печи. СО-сенсор может, в частности, определять уровень концентрации СО в атмосфере печи с помощью оптических средств и, в частности, используя перестраиваемый диодный лазер, как известно, например, из WO-A-0233200, WO-A-03046522, WO-A-03060480, WO-A-03060491, US-A-2003218752, WO-A-2006061081.

Альтернативно, СО-сенсор может детектировать уровень концентрации СО в атмосфере печи косвенно, с помощью измерения температуры дымов или печных газов в щели отводящей трубы или в щели задвижки печи. Такая щель, как правило, представлена в вытяжной системе электродуговой печи между отводом для печных газов, установленным на своде электродуговой печи, и после охлаждаемого, как правило, водой, дымохода после указанной трубы. Из этой щели определенное количество атмосферного воздуха отсасывается с дымами в охлаждаемый водой дымоход. Из статьи "Dynamic control of fossil fuel injections in EAF through continuous fumes monitoring", Januard et al., опубликованной на конференции EEC в 2005 году в Бирмингеме, известно, что температура в такой щели представляет собой меру концентрации СО, покидающего печь, из-за сгорания СО, покидающего печь, вместе с воздухом, поступающим в данную точку. Эффективное дожигание внутри печи приводит к уменьшению количества СО, покидающего печь, и, следовательно, к понижению температуры дымов или печного газа в щели.

Средства контроля могут содержать как СО-сенсор для определения концентрации СО с помощью оптических средств, так и СО-сенсор для определения температуры дымов в щели отводящей трубы или задвижки, при этом, например, СО-сенсор для определения температуры дымов в щели является дублером для проверки хорошего функционирования СО-сенсора для определения концентрации СО с помощью оптических средств.

Концентрация СО в атмосфере печи или параметр, отражающий концентрацию СО в атмосфере печи, является полезным входным параметром для способа управления плавкой, так как он дает возможность устройству управления для управления и оптимизации дожигания СО из СО₂ в печи с помощью управления расходом кислорода, инжектируемого в печь с помощью фурмы и/или горелки, в зависимости от детектируемого уровня концентрации СО и количества топлива, инжектируемого в печь с помощью горелки, так как только определенное количество кислорода, инжектируемого в избытке по отношению к количеству кислорода, необходимому для сгорания топлива, вносит вклад в дожигание. Количество кислорода необходимое для сгорания топлива, инжектируемого в печь, известно как стехиометрическое количество.

Согласно предпочтительному варианту осуществления способа по настоящему изобретению при этом рабочий газ является газом, содержащим кислород, устройство управления, в течение стадии плавки:

- управляет расходом топлива и окислителя в горелке и расходом рабочего газа в фурме так, чтобы в ходе стадии плавки и изменения геометрии пакета металлического сырья, пламя, создаваемое с помощью горелки, поддерживалось при оптимальном наклоне по отношению к пакету с помощью взаимодействия текучих сред со струей рабочего газа, инжектируемого с помощью фурмы, а также

- оптимизирует дожигание с помощью регулирования количества кислорода, инжектируемого в печь с помощью горелки как окислитель (часть окислителя), и с помощью фурмы, как рабочий газ (часть рабочего газа), так, чтобы количество кислорода, инжектируемого в печь с помощью горелки и фурмы было в избытке по отношению к количеству кислорода, требуемому для сгорания топлива, и являлось достаточным для дожигания.

Настоящее изобретение, таким образом, предусматривает способ одновременного контроля или регулирования (а) ориентации пламени горелки (с помощью взаимодействия текучих сред со струей рабочего газа, инжектируемого с помощью фурмы) и (b) дожигания в печи с помощью управления количеством кислорода, инжектируемым, соответственно, с помощью горелки и с помощью фурмы или с помощью управления количеством топлива, инжектируемым с помощью горелки, и количеством кислорода, инжектируемым, соответственно, с помощью горелки и фурмы.

Устройство управления может также содержать СО₂-сенсор для детектирования уровня СО₂ в атмосфере печи, предпочтительно, с помощью детектирования уровня СО₂ в атмосфере печи в реальном времени, например, используя оптические средства, такие как перестраиваемый диодный лазер. Используя уровень СО₂ в атмосфере печи, детектируемый с помощью СО₂-сенсора, как входную информацию, устройство управления может отслеживать хорошее функционирование дожигания в печи. Устройство управления может, в частности, содержать сенсор, который детектирует уровень как СО, так и СО₂ в атмосфере печи, например, используя оптические средства, такие как перестраиваемый диодный лазер.

Устройство управления может также содержать термодатчик для детектирования перегрева панели с водяным охлаждением электродуговой печи. В этом случае термодатчик может определять перегрев футеровки с помощью определения момента, когда температура охлаждающей воды одной или нескольких панелей и, в частности, панели или панелей, в которых устанавливаются горелка и фурма, превышает заданное значение, которое характеризует перегрев. Если термодатчик определяет перегрев одной или нескольких охлаждаемых водой панелей, эта информация может использоваться устройством управления как сигнал для уменьшения количества кислорода и/или топлива, инжектируемого в печь, для того чтобы уменьшить тепло, выделяемое в печи от сгорания и/или дожигания.

Устройство управления предпочтительно также обеспечивает то, что в течение процесса плавки:

- расход окислителя и/или топлива в горелке остается выше минимума или расхода самовоспламенения, и

- расход газа в фурме остается выше минимума или расход первичной фурмы,

для защиты горелки против осаждения загрязнителей, шлака или металлов.

Следующее изложение является неограничивающим примером способа плавки по настоящему изобретению. В начале стадии плавки:

- горелка устройства быстро переключается со своей начальной мощности или неактивного состояния на свой номинальный режим мощности горелки, с мощностью в пределах между 2 и 6 МВт,

- при этом фурма поддерживается в начальном режиме или в определенном случае фурма используется для инжекции рабочего потока низкого уровня для поддержания пламени вблизи оптимальной конфигурации (около 20°). Когда рабочий поток представляет собой поток кислорода, кислород действует как дополнительный кислород на стехиометрию пламени и/или как дополнительный кислород для дожигания. Эти расходы могут управляться с помощью устройства управления на основе устройства анализа отходящих газов.

Принимая во внимание крайне загрязненную и агрессивную атмосферу в электродуговой печи, горелки и инжекторы, установленные в электродуговой печи, как правило, не выключаются полностью в течение процесса плавки. Даже когда горелка не используется для создания пламени для теплопередачи к загрузке сырья (то есть когда горелка находится в нерабочем состоянии), горелка поддерживается в начальном или удерживаемом, или приостановленном режиме, в течение которого горелка снабжается ограниченным и управляемым потоком топлива и/или окислителя, описываемым также как заданная минимальный расход в горелке так, чтобы защитить горелку, в частности, против отложения загрязнителей или шлака, или выплесков металла на горелку, которые могли бы блокировать горелку или иным образом препятствовать ее хорошему функционированию. Подобным же образом, даже когда в течение стадии рафинирования фурма не используется для инжекции сверхзвукового потока газа, в частности, для обезуглероживания, или для создания вспененного шлака, или когда в течение стадии плавки по настоящему изобретению фурма не используется для инжекции потока рабочего газа, фурма поддерживается в начальном режиме или режиме ожидания, в течение которого она снабжается ограниченным и управляемым потоком газа, также описываемым как заданный минимальный расход в фурме так, чтобы защитить фурму.

В ходе стадии плавки:

- горелка поддерживается в ее номинальном режиме мощности горелки и

- рабочий поток постепенно увеличивается для отклонения пламени и поддержания угла пламени по отношению к горизонтали, настолько оптимального, насколько это возможно, принимая во внимание уменьшение пакета металлолома: например от 20° до 45°. Опять же рабочий поток действует как дополнительный кислород на стехиометрию пламени (возможно, это сопровождается снижением расхода топлива в горелке) и/или как добавочный кислород, используемый для дожигания. Эти расходы могут контролироваться, например, в зависимости от анализа атмосферы печи, и в частности, в зависимости от содержания СО в указанной атмосфере.

Угол θ получаемого пламени по отношению к горизонтали изменяется, в частности, в зависимости от массового расхода топлива и окислителя из горелки и массового расхода потока рабочего газа из фурмы. В случае газообразного топлива:

$$\theta =f\left(\frac{{\dot{m}}_{струирабочегогаза}}{{\dot{m}}_{горючего}-{\dot{m}}_{окислителя}}\right)$$

где $$\dot{m}$$ представляет собой массовый расход рассматриваемого потока газа.

Когда $${\dot{m}}_{струирабочегогаза}=0$$ , θ представляет собой угол не

отклоненного пламени по отношению к горизонтали, обычно он соответствует углу (3 между осью горелки и горизонтальной плоскостью. В течение стадии рафинирования:

- горелка возвращается в свой начальный или неактивный режим и

- сопло (фурма) переключается в сверхзвуковой режим, чтобы инжектировать сверхзвуковую струю кислорода в электродуговую печь, и

- инжектор пылеугольного топлива, который поддерживался в неактивном режиме в течение стадии плавки, используется для инжекции пылеугольного топлива в электродуговую печь. Сверхзвуковая инжекция кислорода и угля управляется так, чтобы создавать вспененный шлак. Для оптимальной эффективности способа со вспененным шлаком сверхзвуковая инжекция кислорода и угля управляется с помощью системы управления, с использованием системы управления с обратной связью, основанной на сенсорах для анализа отходящих газов, на измерении параметров или на любом эквивалентном сенсоре, описанном в данной области техники.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к комбинированным устройствам для создания ориентированного пламени для использования в электродуговой печи. Устройство содержит горелку для сжигания топлива и окислителя и фурму, при этом фурма оборудована сужающимся-расширяющимся соплом, содержащим критическое сечение, имеющее диаметр d, причем выходное отверстие фурмы и выходное отверстие горелки не являются концентрическими и расположены на расстоянии D друг от друга, где D меньше или равно 20*d, предпочтительно меньше или равно 10*d, а ось фурмы образует с осью горелки угол α в диапазоне от 10° до 40°, предпочтительно, от 15° до 30°. При этом горелку используют в течение, по меньшей мере, части стадии плавки для сжигания топлива и окислителя для создания пламени внутри электродуговой печи, а фурму используют в течение, по меньшей мере, части стадии рафинирования для создания сверхзвуковой струи. Изобретение позволяет увеличить эффективность энергопользования за счет отклонения направления пламени, создаваемого с помощью горелки, в течение процесса плавки для учета изменения геометрии пакета металлолома и/или для устранения холодных точек в печи. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Комбинированное устройство (1) из горелки и фурмы для создания ориентированного пламени при плавке сырья черных металлов в электродуговой печи, содержащее:
горелку (2) для сжигания топлива и окислителя, указанная горелка имеет ось горелки (22) и выходное отверстие (21) горелки, и
фурму (3), имеющую ось фурмы (32) и выходное отверстие (31) фурмы, при этом фурма оборудована сужающимся-расширяющимся соплом (36), содержащим критическое сечение, имеющее диаметр d,
отличающееся тем, что
выходное отверстие фурмы (31) и выходное отверстие горелки (21) не являются концентрическими и расположены на расстоянии D друг от друга, где D меньше или равно 20·d, предпочтительно меньше или равно 10·d, a
ось фурмы (32) образует с осью горелки (22) угол α в диапазоне от 10° до 40°, предпочтительно, от 15° до 30°.

2. Устройство по п.1, которое содержит панель с водяным охлаждением (4), в которой установлены горелка (2) и фурма (3).

3. Устройство по любому из пп.1 и 2, которое содержит инжектор пылеугольного топлива.

4. Устройство по п.1, которое установлено в электродуговой печи между электродами, если печь является печью переменного тока, возле шлаковой дверцы и/или возле ванны.

5. Устройство по п.4, в котором ось горелки (22) образует с горизонтальной плоскостью угол β от 10° до 40°, предпочтительно от 15° до 30°.

6. Устройство по п.4 или 5, в котором ось фурмы (32) образует с горизонтальной плоскостью угол γ от 30° до 60°, предпочтительно от 35° до 45°.

7. Способ плавки сырья черных металлов в электродуговой печи, включающий:
стадию плавки и
стадию рафинирования, при этом
электродуговая печь оборудована комбинированным устройством (1) из горелки и фурмы для создания ориентированного пламени по любому из пп.1-6, причем
горелку (2) используют в течение, по меньшей мере, части стадии плавки для сжигания топлива и окислителя для создания пламени внутри электродуговой печи, и
фурму (3) используют в течение, по меньшей мере, части стадии рафинирования для создания сверхзвуковой струи, при этом
в течение, по меньшей мере, части стадии плавки, фурму (3) используют для инжекции струи (35) рабочего газа в электродуговую печь, пока горелку используют для сжигания топлива и окислителя и для создания пламени (32), при этом струя рабочего газа отклоняет пламя, создаваемое горелкой.

8. Способ по п.7, в котором используют металлическое сырье черных металлов.

9. Способ по п.7, в котором струя (35) рабочего газа имеет содержание кислорода по меньшей мере 25 об.%, предпочтительно по меньшей мере 50 об.%, а более предпочтительно по меньшей мере 90 об.%.

10. Способ по п.8, в котором струя (35) рабочего газа имеет содержание кислорода по меньшей мере 25 об.%, предпочтительно по меньшей мере 50 об.%, а более предпочтительно по меньшей мере 90 об.%.

11. Способ по любому из пп.7-10, в котором электродуговая печь также оборудована устройством управления для контроля расходов топлива и окислителя к горелке и расхода газа в фурме.

12. Способ по п.11, в котором рабочий газ представляет собой газ, содержащий кислород, причем в течение стадии плавки посредством устройства управления контролируют расход топлива и окислителя в горелке и расход рабочего газа в фурме так, чтобы пламя (23), создаваемое горелкой, поддерживалось при оптимальном наклоне по отношению к сырью путем взаимодействия текучих сред между пламенем (32) и струей рабочего газа (35), инжектируемого фурмой (3).

13. Способ по п.11, в котором рабочий газ представляет собой газ, содержащий кислород, причем в течение стадии плавки посредством устройства управления контролируют количество кислорода, инжектируемого в печь, с помощью горелки (2) и с помощью фурмы (3).

14. Способ по п.12, в котором рабочий газ представляет собой газ, содержащий кислород, причем в течение стадии плавки посредством устройства управления контролируют количество кислорода, инжектируемого в печь, с помощью горелки (2) и с помощью фурмы (3).

15. Электродуговая печь для плавки сырья черных металлов, содержащая по меньшей мере одно комбинированное устройство по любому из пп.1-6.

16. Электродуговая печь по п.15, дополнительно содержащая устройство управления для контроля расходов топлива и окислителя в горелке и расхода рабочего газа в фурме для осуществления способа по любому из пп.11-14.