Способ обработки расплава твердым реагентом

Изобретение относится к области металлургии, точнее к производству стали в конвертере или мартеновской или электродуговой печах. Способ включает подачу реагента струей транспортирующего газа в созданные в расплаве турбулизированные области, твердые реагенты подают турбулизированной струей газа с коэффициентом турбулентности 0,5-10 и импульсом 10-44 кН·с. Турбулизированные области в расплаве создают с помощью, хотя бы одной, фурмы. Турбулизированные области можно создавать потоком расплава, выпускаемого из конвертера или мартеновской или электродуговой печи. В качестве транспортирующего газа используют азот, аргон, углекислый газ или сжатый воздух. Твердые реагенты подают в турбулизированные области расплава в гранулированном виде при величине гранул не более 10 мм. Твердые реагенты подают в турбулизированную область на поверхность расплава с расстояния 0,01-2,0 м. Струю транспортирующего газа турбулизируют с помощью вставки, устанавливаемой в канал подачи газа и реагента. В качестве твердых реагентов используют гранулированный углерод, ферросплавы, алюминий, кальций, комплексные сплавы, флюсы, разжижители и гранулированные охладители. Технический результат при использовании изобретения заключается в снижении продолжительности обработки, уменьшении тепловых потерь и повышении производительности. 9 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, точнее к производству стали в конвертере или мартеновской или электродуговой печах, и может быть использовано при доводке расплава в ковше или печи-ковше при получении требуемого состава и его свойств.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «Способ обработки расплава твердым реагентом, включающий подачу реагента струей транспортирующего газа в созданные в расплаве турбулизированные области, при этом реагент подается в турбулизированные области плотной - «ламинарной» - струей.»

[ЕР 0968312 В1, МПК⁷ С 21 С 7/00, опубл. 05.01.2000] [1]

Недостатком способа является необходимость организации плотной струи реагента. При организации плотной струи требуется сложное оборудование, что сказывается на стоимости обработки металла. Несмотря на возможность точного управления процессом обработки при получении требуемого состава металла, продолжительность периода обработки значительно увеличивается, что приводит к большим тепловым потерям и потерям производительности.

Задача изобретения заключается в создании простого способа, в котором сыпучие материалы (твердые реагенты), применяемые при производстве металлов и особенно стали, в подходящем виде добавляются для корректировки состава металла так, чтобы обеспечить максимальное использование воспринимаемого металлом или шлаком реагента.

Технический результат - снижение продолжительности обработки, уменьшение тепловых потерь и повышение производительности.

Это достигается тем, что в известном способе обработки расплава твердым реагентом, включающем подачу реагента струей транспортирующего газа в созданные в расплаве турбулизированные области, твердые реагенты подают турбулизированной струей газа с коэффициентом турбулентности 0,5-10 и импульсом 10-44 кН·с. Струю газа с реагентом турбулизируют до образования пульсирующей или импульсной струи. Турбулизированные области в расплаве создают с помощью, хотя бы одной, фурмы. Турбулизированные области можно создавать потоком расплава, выпускаемого из конвертера или мартеновской или электродуговой печи, в частности в расплаве, находящемся в ковше или печи-ковше. Турбулизированные области в расплаве в ковше или печи-ковше можно создавать с помощью, хотя бы одной, фурмы. Турбулизированные области могут быть созданы на поверхности расплава в виде буруна, а твердые реагенты, в этом случае, подают в область образуемого буруна. В качестве транспортирующего газа используют азот, аргон, углекислый газ или сжатый воздух. Твердые реагенты подают в турбулизированные области расплава в гранулированном виде при величине гранул не более 10 мм. Твердые реагенты подают в турбулизированную область на поверхности расплава с расстояния 0,01-2,0 м. Струю транспортирующего газа турбулизируют с помощью вставки, устанавливаемой в канал подачи газа и реагента. В качестве твердых реагентов используют гранулированный углерод, ферросплавы, алюминий, кальций, комплексные сплавы, флюсы, разжижители и гранулированные охладители.

При выплавке расплава из металлургических агрегатов, таких как конвертер, мартеновские и электросталеплавильные печи, в которых используется интенсивная продувка расплава газами, а также при выпуске расплава в ковш или при продувке его в ковше или печи-ковше, в объеме расплава образуются зоны повышенной турбулизации металла. Образованные зоны повышенной турбулизации в объеме металла, на поверхности расплава могут выражаться в виде оголенного от шлака пятна металла или буруна, образуемого в случае продувочной обработки.

Согласно изобретению в эти зоны на поверхности расплава или зоны внутри металла с помощью пневматических дутьевых систем подают твердые гранулированные реагенты фракцией до 10 мм. Реагенты могут подаваться в зоны турбулизации внутри расплава через погружные устройства или обычные кислородные трубки или специальные фурмы, если зона турбулизации находится на поверхности расплава. Для того чтобы создать требуемые характеристики пневматического потока, внутри трубы, образующей поток, выполняют расчетные расширения или сужения проходного сечения (пережимы) или устанавливают расчетные вставки специальной формы. Поток газа с реагентами, проходя расширения или сужения проходного сечения (пережимы) или через вставку, приобретает на выходе из сопла необходимый импульс, равный 10-44 кН·с и турбулизируется до достижения коэффициента турбулентности 0,5-10.

В изобретении считается, что любое препятствие потоку газа, помещенное в канал, вызывает возникновение поперечной составляющей скорости потока на срезе сопла. Отсюда коэффициент турбулизации определяется как отношение поперечной составляющей скорости струи на срезе сопла к осевой скорости потока газа и реагента.

Для достижения требуемого коэффициента турбулентности используются специально рассчитанные вставки. В качестве вставок могут использоваться стержни-турбулизаторы, установленные под углом к направлению потока, вставки в виде сопел Лаваля, выходное сечение которых выполнено в виде лопатки турбины, вставки в виде геликоидальной пластины, вставки в виде форкамер с резонаторными полостями, вставки в виде сильфона, диафрагм, спиральных направляющих, сопел различных сечений и др. В рамках данного изобретения конструкция вставки может быть любая, удовлетворяющая приведенным условиям.

Для эффективного использования изобретения необходимо правильно выбирать коэффициент турбулентности, импульс потока, транспортирующий газ, твердый реагент и его расход. Этот выбор осуществляется на основании экспериментальных данных, исходя из объекта, на котором реализуется способ, и решаемых при этом задач.

Например: для повышения эффективности продувки в конвертере за счет ускорения наведения шлака, интенсификации тепломассообменных процессов в реакционной зоне расплава и, вследствие этого, уменьшения тепловых потерь, повышения производительности и снижения продолжительности обработки следует выбрать вставку в виде форкамер с резонаторными полостями с коэффициентом турбулентности 0,5, установить импульс, равный 30 кН·с, для транспортирующего газа - углекислый газ, а реагента - порошкообразную известь. Газ под давлением попадает в форкамеру, поток газа турбулизируется, и его вихри попадают резонаторную полость, в результате на срезе сопла появляются периодические возмущения, преобразующиеся затем в пульсирующий газовый поток, истекающий из сопла. На выходе сопла возникнут мощные пульсации давлений потока с реагентом, которые необходимо направить в турбулизируемую зону с высоты 1,5 м. В данном случае импульс потока должен обеспечивать расход реагента 200 кг/мин.

В другом случае для повышения эффективности дожигания отходящих газов при продувке расплава в конвертере, а следовательно, для уменьшения тепловых потерь, повышения производительности и снижения продолжительности обработки, следует выбирать вставку с коэффициентом турбулентности больше 2,5, в качестве реагента - углерод, транспортирующего газа - воздух. Поток следует подавать с расстояния 2,0 м при импульсе 35 кН·с, с обеспечением расхода реагента 250 кг/мин. Высоко закрученный поток над реакционной зоной позволяет до 85% повысить степень дожигания отходящих газов.

В случае обработки расплава твердым реагентом в ковше при выпуске его из сталеплавильного агрегата, т.е. при организации турбулентных зон в расплаве за счет выпускаемого металла, необходимо использовать погружную фурму со вставкой в виде геликоидальной пластины с коэффициентом турбулентности 10, а в качестве газа-носителя выбрать аргон, а реагента, например, смесь ферросилиция и алюминия и установить импульс, равный 15 кН·с, при расходе реагента 100 кг/мин. В результате такой обработки снижается расход реагента, за счет повышения степени его усвоения, сокращается продолжительность обработки.

При обработке расплава в печи-ковше с образованием на поверхности турбулентных зон в виде буруна, образуемого вследствие подачи через дно ковша газа, скорость усвоения реагента, например ферросилиция, жидким металлом, зависит не только от свойств расплава, но и значительно усиливается за счет механического воздействия (импульса) попадающей в область буруна струи с твердым реагентом. Струя должна быть достаточно жесткой и при этом покрывать реагентом всю площадь буруна. Данные условия достигаются путем изменения расстояния, с которого подается реагент, например 0,8 м, и угла, под которым струя подается на поверхность расплава. Коэффициент турбулентности струи должен быть близок к 1,0, импульс струи к 44 кН·с., а расход материала установлен из расчета его усвоения и состава готового металла. Этим достигается гарантия того, что вдуваемый твердый реагент в момент попадания на поверхность металла без потерь либо растворяется в металле на поверхности, либо проникает в глубь расплава, где растворяющая способность расплава для вдуваемого реагента еще очень значительна. Эффект циркуляции, возникающий при продувке, и воздействие регулируемого механического импульса позволяют получить более однородный металл повысить степень усвоения реагента и сократить продолжительность обработки.

Приведенные варианты реализации способа не исчерпывают всех возможных вариантов его реализации, предусмотренных данным изобретением. Вне зависимости от выбранного варианта использования изобретения и его условий струя с реагентом должна иметь коэффициент турбулентности, равный 0,5-10 и обладать импульсом 10-44 кН·с.

Коэффициент турбулентности потока с реагентом менее 0,5 в промышленных условиях не достигается. Это означает полное отсутствие поперечной составляющей скорости потока, при этом струя имеет максимальную жесткость. Коэффициент турбулентности потока с реагентом более 10 также трудно достижим, поскольку применяемые при этом вставки, перераспределяющие энергию струи, будут иметь значительное местное сопротивление. Струя потока реагента является предельно мягкой.

Импульс менее 10 кН·с нецелесообразен, так как не обеспечивает нужную скорость подачи реагента, а дальнейшее повышение импульса более 44 кН·с приводит к повышению образования брызг и потерям реагента при механическом воздействии потока на расплав.

Твердые реагенты следует предпочтительно подавать в турбулизированные области расплава в гранулированном виде при величине гранул не более 10 мм. Увеличение размера гранул более 10 мм требует значительных затрат на переоборудование пневматического оборудования.

Твердые реагенты следует предпочтительно подавать в турбулизированные области (буруны) на поверхности расплава с расстояния 0,01-2,0 м. Данное расстояние от поверхности расплава позволяет оптимально решить вопрос организации подачи твердых реагентов турбулизированной струей. При расстоянии до поверхности расплава более 2 м. потери твердых реагентов значительно возрастают.

Пример.

Проверка способа проведена на 50 т электродуговой печи с выпускным отверстием печи в эркерной части и фурм в количестве 3 шт. Фурмы были установлены в боковых стенках печи на высоте 1,2 м, под углом 45° к направлению потока и под углом 20° к горизонтали. Фурмы соединены с трубопроводами подачи транспортирующего газа, а одна из них, ориентированная в сторону эркерного выступа, с трубопроводами подачи извести, окалины, кокса и оборудована турбулизирующей вставкой, обеспечивающей коэффициент турбулентности потока с реагентом, равный 1,1. В качестве транспортирующего газа использовали воздух. Для выплавки углеродистой инструментальной стали марки У 12 (1,16-1,23% С, 0,17-0,33% Mn, 0,17-0,30% Si, S, P менее 0,030%) на подину печи загрузили 100% однородного металлолома (0,1% С, 0,60% Mn, 0,18% Si, 0,030% S, 0,025% P). Путем загрузки в печь сначала максимального количества шлакообразующих, вызывающего снижение потребления тока электродами, и последующего уменьшения расхода шлакообразующих и увеличения потребления тока электродами установили заданное потребление тока электродами (I=4,5 кА/дм²). После того как в ванне образовалась жидкая ванна расплава, покрывающая шихту, в ванну через две фурмы подали воздух, обеспечивая турбулизацию расплава и вращение потока. Во вращающуюся турбулентную поверхность расплава, через третью фурму в струе транспортирующего газа одновременно вводили известь с содержанием СаО 86,7%, окалину с содержанием оксида железа 67% и кокс. Коэффициент турбулентности струи составил 1,1. Известь и окалину подавали при отношении масс CaO:FeO=5:1. Расход оксида кальция на плавку составлял 5 кг/т стали, а скорость подачи угля в составе кокса 8 кг/в минуту. Общий расход смеси 170 кг/мин, импульс струи был установлен равным 30 кН·с. После 2 мин обработки в печи образовался пенистый шлак, равномерно покрывающий зеркало металла высотой 1,2 м. Отбор проб шлака в пробницы стандартного объема позволил определить плотность образующегося шлака. В результате плавки получен конечный шлак следующего состава, мас.%: 18,10 SiO₂, 4,00 Al₂O₃, 40,0 СаО, 8,80 MgO, 8,60 MnO, 14,50 FeO_общ, 1,03 P₂O₅, 0,08 S, неконтролируемые оксиды остальное. Плотность конечного шлака ρ=2,12 т/м³. Плотность вспененного шлака ρ=1,03 т/м³, что составило ≈48%, от плотности конечного шлака. Металл для доводки выпускали в печь-ковш с Т=1660°С. Продолжительность плавки 40 мин. Расход электроэнергии 290 кВт-ч/т.

При выплавке стали по прототипу с образованием и поддержанием плотности шлака в печи при подаче материалов через фурму без учета турбулизации потока и импульса в турбулизированные зоны расплава получена продолжительность плавки 49 мин. Расход электроэнергии 440 кВт-ч/т. Сравнение показывает, что использование изобретения позволяет снизить затраты на проведение плавки за счет снижения расхода электроэнергии на 150 кВт-ч/т и продолжительности плавки на 9 мин.

Таким образом, в любом варианте использования изобретения достигается снижение продолжительности обработки, что приводит к уменьшению энергетических и тепловых потерь, повышению производительности.

1. Способ обработки расплава твердым реагентом, включающий подачу твердого реагента струей транспортирующего газа в созданные в расплаве турбулизированные области, отличающийся тем, что струю транспортирующего газа с твердым реагентом турбулизируют и подают в турбулизированные области расплава с коэффициентом турбулентности 0,5-10 и импульсом 10-44 кН·с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что турбулизированные области в расплаве создают с помощью хотя бы одной фурмы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что турбулизированные области в расплаве создают потоком расплава, выпускаемого из конвертера или мартеновской, или электродуговой печи.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что турбулизированные области создают в расплаве, находящемся в ковше или в печи-ковше.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что турбулизированные области создают в ковше или в печи-ковше на поверхности расплава в виде буруна и подают струю турбулизированного газа с твердым реагентом в область образуемого буруна.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве транспортирующего газа используют азот, аргон, углекислый газ или сжатый воздух.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что твердый реагент подают в гранулированном виде при величине гранул не более 10 мм.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что струю турбулизированного газа с твердым реагентом подают в турбулизированную область на поверхность расплава с расстояния 0,01-2,0 м.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что струю транспортирующего газа с твердым реагентом турбулизируют с помощью вставки, устанавливаемой в канал подачи реагента.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве твердого реагента используют гранулированный углерод, ферросплавы, алюминий, кальций, комплексные сплавы, флюсы и разжижители, гранулированные охладители.