ПЛАВИЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ Российский патент 2022 года по МПК C21C5/46 F27B3/10 

Изобретение относится к усовершенствованной плавильной установке для производства стали, имеющей подовую часть и кольцеобразную, водоохлаждаемую, цилиндрическую верхнюю часть печи с огнеупорной футеровкой, и на которую может быть насажен сходящийся кверху конический колпак с отверстиями для отвода отработанных газов.

Производители стали, использующие технологический маршрут "доменная печь - кислородный конвертер", сталкиваются со все более строгими требованиями к производству стали с низким уровнем выбросов. Были предприняты попытки отреагировать на повышенные экологические требования посредством очистки отработанных газов и тщательного выбора первичных исходных материалов. Кроме того, потребность в первичных исходных материалах постоянно уменьшается, так что специализированные технологические маршруты с конверторами частично не загружены, что в свою очередь негативно влияет на издержки производства.

Металлолом - это оборотный материал, который может снова и снова использоваться для производства стали. Цены на металлолом подвержены сильным колебаниям. При этом помимо химической чистоты и степени подготовки решающее значение для соответствующей цены имеет локальная доступность.

Производство стали (конвертерной стали и электростали) является причиной 7%-го антропогенного загрязнения воздуха во всем мире. Если также учесть добычу и перевозку руды, то можно исходить из того, что указанный показатель составляет 10%.

В промышленно развитых странах сертификаты на выбросы CO₂ постоянно дорожают. Однако требования к выбросам сильно ужесточаются даже в новых индустриальных и развивающихся странах. От производителей стали требуют резкого сокращения выбросов СО₂.

В среднесрочной перспективе необходимо сократить как добычу руды, так и выплавку металла из железной руды. В будущем большая часть производства стали должна осуществляться путем повторного использования (electron arc furnace, EAF - электродуговая печь, ЭДП). По сравнению с кислородным конвертером выбросы в случае ЭДП меньше приблизительно на 75%.

В долгосрочной перспективе добыча железной руды и производство чугуна будут сокращены, а доля повторного использования в производстве стали будет увеличиваться. Кроме того, на повестке дня производителей железа стоит замена углеродных носителей менее вредными для окружающей среды восстановителями.

Из WO 2017/000935 А1 известна система для переоснащения электродуговой печи, позволяющая из электродуговой печи сделать кислородный конвертор. Хотя указанные системы для переоснащения известны, они имеют недостаток, заключающийся в том, что в этом случае они ограничены жидкими исходными материалами, поскольку печь, переоснащенная таким образом, эксплуатируется в качестве конвертера, а переоснащение требует больших затрат и времени.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить плавильную установку, предоставляющую возможность гибкой переработки самых различных исходных материалов, в том числе в твердом и/или жидком агрегатном состоянии, и уменьшить продолжительность плавки от выпуска до выпуска с учетом различного качества стали при использовании различных исходных материалов с одновременным уменьшением выбросов СО₂.

Указанная задача решается благодаря признакам, указанным в п. 1

формулы изобретения, в частности благодаря тому, что плавильная установка рассчитана как на режим работы без тока плавления (т.е. без подвода электрической энергии), так и на режим работы с током плавления, причем режим работы плавильной установки может быть изменен посредством замены свода печи, при этом конический свод печи для режима работы без тока плавления содержит по меньшей мере одно отверстие, через которое может быть введено по меньшей мере одно верхнее копье для вдувания технологического газа в верхнюю часть печи, а конический свод печи для режима работы с током плавления содержит по меньшей мере одно отверстие, через которое в верхнюю часть печи может быть введен по меньшей мере один графитовый электрод, причем в цилиндрической верхней части печи по периметру расположено множество инжекторов, радиально расположенных в боковой стенке таким образом, что верхнее копье и инжекторы боковой стенки в рабочем положении могут быть ориентированы на зеркало расплава, находящегося в подовой части для фришевания.

Плавильная установка согласно изобретению позволяет на определенное время прерывать экологически вредный процесс с использованием горячего металла в качестве исходного материала, постепенно свести его к нулю и, наконец, обеспечить остановку доменной печи с такой плавильной установкой. Высокие требования к качеству и чистоте стали могут быть предъявлены в результате использования вместо чугуна металлолома и твердого исходного материала. В плавильной установке согласно изобретению друг с другом комбинируются испытанные технологии кислородного конвертора и электродуговой печи для использования самых эффективных и гибких вариантов использования различных видов энергии. Одновременно плавильная установка согласно изобретению позволяет гибкое изменение материала с незначительным временем подготовки к работе печной установки.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления плавильной установки согласно изобретению для подавления сильных брызг расплава и шлака и, таким образом, для предотвращения образования настылей на плавильной установке, и в частности в верхней части печи, верхнее копье и инжекторы боковой стенки могут эксплуатироваться синхронно и с согласованными друг с другом объемными расходами.

Для режима работы с током плавления, при котором в плавильной установке присутствуют различные смеси металлических исходных материалов, свод печи может быть заменен так, что в подовую часть плавильной установки может быть введен по меньшей мере один графитовый электрод.

В специальном варианте осуществления плавильной установки согласно изобретению через отверстия в своде печи плавильной установки для режима работы с током плавления может быть введен по меньшей мере один графитовый электрод и максимально три графитовых электрода.

Кроме того, предусмотрено, что при оптимальном использовании инжекторов боковой стенки и верхнего копья обеспечено синхронное и согласованное друг с другом вдувание в расплав, находящийся в плавильной установке, посредством инжекторов боковой стенки - от 10% до 50% и посредством верхнего копья - от 90% до 50% газа, необходимого для фришевания. Благодаря оптимальному соотношению смеси между верхним копьем и инжекторами боковой стенки образование брызг расплава и шлака может быть уменьшено таким образом, что также предотвращается образование настылей на корпусе (емкости).

При этом металлические исходные материалы для производства углеродистой стали в плавильной установке согласно изобретению могут быть разделены на следующие группы:

I. жидкий чугун (также известный как передельный чугун или жидкий металл), твердый чугун в виде чугунных чушек или гранулированного чугуна (гранулированного передельного чугуна);

II. губчатое железо (ЖПВ, железо прямого восстановления), загружаемое в горячем или холодном состоянии;

III. ГБЖ (горяче-брикетированное железо), ХБЖ (холодно-брикетированное железо);

IV. металлолом высокой степени подготовки (шредеры, двухвалковые измельчители, пакеты);

V. металлолом низкой степени подготовки (HMS 1 (heavy-melting steel - массивный стальной лом), HMS 2) загрязненный;

VI. металлолом (металлолом из мусоросжигательных установок, стружка);

VII. специальные материалы, которые в процессе производства стали используются в качестве носителей железа или охлаждающих средств (синтикон, карбид железа).

Группы I - IV представляют собой так называемые чистые исходные материалы, которые не содержат нежелательных веществ, сопутствующих стали (например, Cu, Cr и Ni). Для ряда сталей необходимо использовать определенную долю указанных чистых исходных материалов, чтобы обеспечить качество конечного продукта. Производство указанных исходных материалов требует больших затрат энергии и, следовательно, сильно влияет на окружающую среду.

Группы V - VII представляют собой лом углеродистой стали различного качества и различной степени подготовки. Металлолом представляет собой повторно используемые материалы. Более высокая степень подготовки и более низкие химические загрязнения приводят к более высоким ценам на указанные виды металлолома.

Группа VIII представляет собой все специальные материалы, используемые в качестве исходных материалов для производства стали.

В зависимости от способа изготовления или подготовки цены на металлические исходные материалы значительно отличаются.

В случае исходных материалов групп I и II цены на железную руду (рудные окатыши) и кокс являются определяющими для затрат на производство чугуна. На рынке железной руды доминирует небольшое число производителей. Металлургические заводы, не имеющие собственных шахт, подвержены ценовому диктату рынка.

В случае исходных материалов групп III и IV требования к качеству железной руды (как правило, рудные окатыши) еще выше, чем в случае доменного процесса. Такие окатыши доступны в ограниченной степени. Это влияет на цену окатышей. Для сухого восстановления руды используется восстановительный газ. Доступность в конечном счете определяет локальную цену. ЖПВ содержит 5-10% жильных минералов, некоторую долю FeO и углерод (энергия!), содержание которого ниже, чем в чугуне. Для расплавления указанных исходных материалов требуется больше энергии, чем для плавления чугуна. Перечисленные здесь исходные материалы дешевле по сравнению с группами I и II.

Благодаря плавильной установке согласно изобретению могут гибко использоваться все исходные материалы, поскольку она может эксплуатироваться как кислородный конвертер. При этом доля металлолома (охлаждающего лома) или другого охлаждающего средства может быть снижена приблизительно до 15%. Кислород подводится посредством копий, расположенных в боковой стенке, и верхнего копья. Проблема образования настылей на корпусе печи при использовании обычных ЭДП только в инжекторном режиме, т.е. без подвода электрической энергии, в плавильной установке согласно изобретению решается благодаря измененной геометрии печи и комбинации инжекторов боковой стенки и верхнего копья.

Если во время эксплуатации плавильной установки периодически или постоянно в распоряжении не имеется достаточного количества жидкого чугуна, или производство чугуна прекращается, плавильная установка может работать как обычная ЭДП. Переналадка на режим работы ЭДП является несложной и может быть осуществлена между двумя кампаниями.

Из этого следует, что плавильная установка может быть рассчитана на эксплуатацию в режиме без тока плавления, т.е. без подвода электрической энергии, и в другом режиме – с током плавления.

При эксплуатации плавильной установки согласно изобретению без использования тока плавления процесс протекает следующим образом.

a. Закрыть летку (выпускное отверстие). Проверить печь.

b. Установить печь вертикально, открыть свод, выдвинуть блокировку портала, повернуть портал наружу, загрузить металлолом, повернуть портал внутрь, заблокировать портал, опустить свод, заблокировать опрокидывающуюся платформу (как последовательность).

c. Начать загрузку жидкого чугуна.

d. Верхнее кислородное копье повернуть внутрь, опустить и запалить.

e. Подключить один за другим инжекторы боковой стенки.

f. После загрузки всего чугуна произвести додувку шихты.

g. Контроль температуры.

h. Поднять верхнее копье, разблокировать печь.

i. Выпуск.

Если плавильная установка согласно изобретению эксплуатируется с жидким чугуном только частично, то процесс протекает следующим образом.

a. Закрыть летку. Проверить печь.

b. Установить печь вертикально, открыть свод, выдвинуть блокировку портала, повернуть портал наружу, загрузить металлолом/носитель железа, повернуть портал внутрь, заблокировать портал, опустить свод, заблокировать опрокидывающуюся платформу. Опорную конструкцию электродов повернуть внутрь, опустить и привести в действие электрода (как последовательность).

c. Подключить инжекторы боковой стенки в качестве горелок.

d. Начать загрузку жидкого чугуна.

e. Переключить инжекторы из режима горелки в режим копья.

f. Если загружен весь чугун, закончить загрузку.

g. Контроль температуры.

h. Поднять электроды, разблокировать печь.

i. Выпуск.

Если жидкий чугун не загружается, то пункты d. и f. отпадают. В случае загрузки в две корзины пункты b., с. и f. повторяют.

Таким образом становится понятным, что плавильная установка согласно изобретению может использоваться универсальным образом. Если указанная плавильная установка используется для производства стали без тока плавления, то она объединяет многие преимущества кислородного конвертора с преимуществами ЭДП. Хотя скорость продувки меньше, чем в случае кислородного конвертера, может быть достигнута очень высокая производительность, поскольку время непродуктивной работы плавильной установки согласно изобретению меньше, чем в случае кислородного конвертера.

Кроме того, при использовании жидкого чугуна с высоким содержанием Р может быть достигнута очень хорошая дефосфорация. Фосфорсодержащий шлак, в отличие от кислородного конвертера, может стекать непрерывно.

Благодаря одновременной работе верхнего копья и инжекторов боковой стенки (сбалансированная продувка) подавляется сильное разбрызгивание и, таким образом, предотвращается образование настылей на корпусе. Это поддерживается благодаря конструкции области свода, так что также предотвращается образование настылей в области патрубка. Через инжекторы боковой стенки в расплав, находящийся в плавильной установке, должно вдуваться от 10% до 50%, а через верхнее копье - от 90% до 50% газа (кислород или подходящий заменитель), необходимого для фришевания.

Если плавильная установка согласно изобретению эксплуатируется с током плавления (т.е. с различными смесями металлических исходных материалов), то заменяется корпус со сводом, после чего печь может эксплуатироваться с электродами. Благодаря инжекторам боковой стенки печь по-прежнему может эксплуатироваться с высокой эффективностью.

Если чугуна в распоряжении больше нет, посредством соответствующего подвода электрической энергии обеспечивается высокая производительность. В этом случае для производства высококачественных сталей, в отличие от кислородного конвертера, необходимо использовать только часть необходимого чистого исходного материала. Таким образом, использование носителей железа, производство которых наносит значительный ущерб окружающей среде, может быть сокращено.

Ниже настоящее изобретение поясняется более подробно на основе варианта его осуществления, приведенного в качестве примера.

На чертежах изображено следующее:

фиг. 1 - схематичное представление плавильной установки согласно изобретению с частичным разрезом, благодаря которому видна гибридная конструкция с компонентами кислородного конвертера и ЭДП;

фиг. 2 - представление по фиг. 1 с тем отличием, что посредством по меньшей мере одного электрододержателя вместо графитовых электродов в плавильную установку введено верхнее копье.

Как показано на фиг. 1 и фиг. 2, рассматриваемая плавильная установка 11 состоит из нижней части 5 корпуса (подовая часть) и верхней части 3 корпуса, которые соединены друг с другом с геометрическим замыканием. Нижняя часть 5 корпуса имеет футеровку из огнеупорного материала и предназначена для приема расплава. Верхняя часть 3 корпуса снабжена водяным охлаждением 3а. Верхняя часть 3 корпуса может закрываться колпаком/сводом 2. Колпак/свод 2 снабжен по меньшей мере одним отверстием 12, через которое в плавильную установку 11 могут быть введены либо электроды для плавки, в частности графитовые электроды 10 (в данном варианте осуществления - три графитовых электрода), либо по меньшей мере одно верхнее копье 1. Колпак/свод 2, как и верхняя часть 3 корпуса, охлаждается водой.

При этом графитовые электроды 10 и верхнее копье 1 управляются посредством опорных колонн 7 для электродов и соединенных с ними электрододержателей 6, чтобы при необходимости они могли быть перемещены в плавильную установку 11 и из плавильной установки 11.

Верхняя часть 3 корпуса содержит по существу круглую/цилиндрическую боковую стенку 3а. Боковая стенка 3а снабжена отверстиями, проходящими радиально наружу и расположенными по периметру стенки. Через отверстия в боковой стенке 3а могут быть введены инжекторы 4 боковой стенки, которые затем могут быть ориентированы в направлении расплава 14, подлежащего обработке в нижней части 5 печи. При этом в рабочем положении верхнее копье 1 и инжекторы 4 боковой стенки ориентированы в направлении зеркала 13 расплава 14, находящегося в нижней части корпуса/подовой части 5 для фришевания.

Как показано на фиг. 2, верхнее копье 1 может снабжаться кислородом через клапанный блок (кислородный клапанный блок) 8. При этом верхнее копье 1 управляется кислородным клапанным блоком 8 и перемещается согласно соответствующим заданным параметрам.

Для плавки в режиме ЭДП графитовые электроды 10 посредством трансформатора 9 снабжаются соответствующей электрической энергией, как показано на фиг. 1.

Предусмотрено, что инжекторы 4 боковой стенки (боковые копья) и верхние копья 1 (может быть предусмотрено более одного верхнего копья) перемещаются вместе, или, соответственно, может вдуваться синхронно газ (как правило, кислород). В указанной конфигурации всегда должны перемещаться вместе инжекторы 4, расположенные в боковой стенке верхней части 3 корпуса (или, соответственно, в цилиндрической боковой стенке 3а) и одно или более верхних копий 1. При таком режиме работы должно осуществляться оптимальное соотношение смеси от 10% до 50% - через боковые инжекторы и от 90% до 50% - через верхнее копье (или, соответственно, верхние копья) 1. Благодаря указанному режиму работы в небольшой плавильной установке 11 в единицу времени в расплав 14 может быть вдуто значительно больше газа (кислорода), причем это не приводит к возникновению значительно большего числа брызг.

Ссылочные обозначения

1 верхнее копье (кислород)

2 свод печи / колпак (крышка) с водяным охлаждением

3 верхняя часть корпуса / верхняя часть печи с водяным охлаждением

3а боковая стенка верхней части корпуса

4 инжекторы боковой стенки

5 нижняя часть печи с огнеупорной футеровкой (подовая часть)

6 электрододержатель

7 опорные колонны для электродов

8 клапанный блок (кислородный клапанный блок)

9 трансформатор

10 электроды для плавки / графитовые электроды

11 плавильная установка

12 отверстие (отверстия) в своде

13 зеркало расплава

14 расплав.

Изобретение относится к области металлургии. Плавильная установка рассчитана на режим работы без тока плавления или на режим работы с током плавления, причем режим работы плавильной установки может быть изменен посредством замены свода печи, при этом конический свод печи для режима работы без тока плавления содержит по меньшей мере одно отверстие, выполненное с возможностью ввода через него по меньшей мере одного верхнего копья для вдувания технологического газа, а для режима работы с током плавления свод содержит по меньшей мере одно отверстие, выполненное с возможностью ввода через него в верхнюю часть печи по меньшей мере одного графитового электрода. Для режима работы с током плавления свод печи выполнен с возможностью замены так, что в подовую часть может быть введен по меньшей мере один графитовый электрод. Изобретение позволяет перерабатывать исходные материалы в твердом и/или жидком агрегатном состоянии и уменьшать продолжительность плавки с учетом разного качества стали при использовании разных исходных материалов с одновременным уменьшением выбросов углекислого газа. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Плавильная установка (11) для производства стали, имеющая нижнюю/подовую часть (5) печи с огнеупорной футеровкой и донным выпускным отверстием, по существу цилиндрическую водоохлаждаемую верхнюю часть (3) печи, выполненную с возможностью насаживания на нее сходящегося кверху конического свода (2) печи с патрубком для отработанных газов,

отличающаяся тем, что

плавильная установка (11) рассчитана как на режим работы без тока плавления, так и на режим работы с током плавления, причем режим работы плавильной установки (11) может быть изменен посредством замены свода (2) печи,

при этом конический свод (2) печи для режима работы без тока плавления содержит по меньшей мере одно отверстие (12), выполненное с возможностью ввода через него по меньшей мере одного верхнего копья (1) для вдувания технологического газа в верхнюю часть (3) печи, а конический свод (2) печи для режима работы с током плавления содержит по меньшей мере одно отверстие (12), выполненное с возможностью ввода через него в верхнюю часть (3) печи по меньшей мере одного графитового электрода (10),

причем в цилиндрической верхней части (3) печи по периметру расположено множество инжекторов (4), радиально расположенных в боковой стенке таким образом, что верхнее копье (1) и инжекторы (4) боковой стенки в рабочем положении могут быть ориентированы в направлении зеркала (13) расплава (14), находящегося в нижней/подовой части (5) печи для фришевания, при этом

для режима работы с током плавления, при котором в плавильной установке (11) присутствуют различные смеси металлических исходных материалов, свод (2) печи выполнен с возможностью замены так, что в подовую часть (5) может быть введен по меньшей мере один графитовый электрод (10).

2. Плавильная установка для производства стали по п. 1, отличающаяся тем, что верхнее копье (1) и инжекторы (4) боковой стенки выполнены с возможностью приведения их в действие синхронно и с согласованными друг с другом объемными расходами.

3. Плавильная установка для производства стали по п. 1, отличающаяся тем, что отверстия (12) в своде (2) печи для режима работы с током плавления выполнены с возможностью ввода через них по меньшей мере одного графитового электрода (10) и максимум трех графитовых электродов (10).

4. Плавильная установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что инжекторы (4) боковой стенки и верхнее копье (1) выполнены с возможностью синхронного и согласованного друг с другом вдувания в расплав (14), находящийся в плавильной установке (11), посредством инжекторов (4) боковой стенки - от 10% до 50% и посредством верхнего копья (1) - от 90% до 50% газа, необходимого для фришевания.

5. Плавильная установка для производства стали по п. 1, отличающаяся тем, что свод (2) печи снабжен наклонным печным патрубком, поперечное сечение которого выбрано таким образом, что не может быть превышена максимальная скорость 50 м/с потока отработанного газа, возникающего при фришевании.