ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ УСЛОВИЯ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ МЕТАЛЛИЗОВАННЫХ ОКАТЫШЕЙ В ВАННЕ ДУГОВОЙ ПЕЧИ.

Гришин А.А., Меркер Э.Э., Сазонов А.В.

Россия, СТИ (ф) МИСиС, e-mail: grishin-andrey@yandex.ru

Процессы нагрева и плавления металлизованных железорудных окатышей (МЖО) осуществляются в пределах границы раздела шлак-металл в ванне дуговой печи с изменяющейся массой металла по ходу электроплавки стали.

Основным параметром технологии электроплавки МЖО в 150 т. дуговых печах является быстрое и экономичное расплавление шихты с последующим непрерывным плавлением МЖО в ванне с учетом установления оптимального соотношения скоростей плавления (, кг/с) и загрузки (, кг/с) металлизованных окатышей в зависимости от теплового состояния сталеплавильной ванны.

В ходе исследований факторов, влияющих на плавление металлизованного окатыша шаровидной формы с учетом теплового баланса на его поверхности, было установлено, что скорость плавления МЖО зависит от температуры шлака, интенсивности теплопередачи и времени растворения окатыша.

(1)

где и - температура шлака и окатыша, °С, q_s – скрытая теплота плавления окатыша, кДж/кг; a_ф – эффективный коэффициент теплоотдачи на поверхности окатыша, Вт/(м²×К); - поверхность окатыша, м²; V₀ – начальный объем окатыша, м³.

Анализ уравнения (1) свидетельствует о том, что скорость плавления окатышей в ванне дуговой печи зависит от a_ф и , т.е. от факторов, зависящих от теплового состояния ванны (Q_в), определяемого с учетом необходимого перегрева металла [6] над температурой ликвидуса в пределах 60¸90 °С в условиях интенсивного обезуглероживания металла, т.е. при соблюдении соотношения:

, (2)

где Q_в – количество израсходованной электроэнергии, кВт×ч/т; DН – изменение энтальпии металлизованных окатышей, равной 450 кВт×ч/т.

Тепло усвоенное ванной (металлом и шлаком) находили по формуле:

, кВт×ч, (3)

где , и - потери тепла излучением от дуг на футеровку печи, от излучения шлаком в рабочее пространство и другие потери, которые по ходу плавки принимаются постоянными (потеря тепла через кладку печи и с отходящими газами), кВт×ч/т.

Все эти величины находим на основе статей теплового баланса агрегата.

При этом тепловую мощность дуг определяем из выражения:

, (4)

где Р_акт – активная мощность электропечной установки; W – величина телесного угла дуги (, где r – расстояние от дуги до элементарной площадки dS, b - угол между нормалью к площадке dS и направлением потока излучения от дуги); Р_э.п – мощность электрических потерь (, I – сила тока дуги, R_акт – суммарное активное сопротивление).

С учетом изложенного, скорость загрузки МЖО в ванну печи находим:

, кг/с (5)

Выбор скорости загрузки металлизованных окатышей (V_ок, кг/с) следует осуществляли с учетом теплового состояния ванны, зависящее от скоростей плавления (, кг/с) и загрузки окатышей. Таким образом, определив фактическую скорость плавления окатышей по уравнению (1) задаемся требуемую скорость загрузки материала (V_ок, кг/с), что соответствует условию приведенного в выражении (5).

В случае нарушения этого условия, т.е., например, при превышении скорости загрузки над скоростью плавления окатышей (), образуется накопление металлизованного сырья в ванне жидкого металла, а это приводит к избыточному оголению электрических дуг [2, 4], интенсивному воздействию излучения их на футеровку стен и свода печи, т.е. к снижению Q_в и, следовательно, температуры ванны.

Уменьшение скорости загрузки ЖМО по отношению к скорости плавления () металлизованных окатышей приводит к вскипанию ванны и выбросам металла из печи. Все это удлиняет продолжительность плавки, увеличивает расходы электроэнергии на процесс и графитированных электродов в печи.

При соблюдении технологического режима электроплавки МЖО с учетом полного экранирования электрических дуг в шлаке возрастает теплоусвоение ванны (Q_в®max), и снижается расход электроэнергии, если электроплавка МЖО осуществляется в оптимальной области перегрева металла 50°С<DT_п<100°C.

В этих условиях процесс электроплавки стали сопровождается снижением длительности плавки и удельного расхода электроэнергии на 40,5 кВт∙ч/т, а следовательно, увеличением производительности дуговой печи.

Поиск энергосберегающих режимов осуществляли путем исследований, опытов и установления корреляционных связей между такими параметрами, как теплопитание ванны, скорость нагрева металла, концентрация углерода в окатышах и металле и скорость их изменения. Кроме того, анализировали скорость загрузки окатышей и изменение массы металла в ванне и расход электроэнергии, а также соблюдение синхронизации процессов и параметров электроплавки МЖО. Результаты обработки полученных данных подтвердили, что скорость плавления окатышей (, кг/с) по ходу электроплавки определяется содержанием углерода в ванне, скоростью изменения его концентрации, температурой металла и шлака (, °С), и уровнем его перегрева (, °С), расходом кислорода на продувку металла, уровнем теплопитания ванны.

Анализом опытных данных установлено, что использование топливно-кислородных горелок (ТКГ) для интенсификации процессов шлакообразования, вспенивания шлака способствует повышению производительности печи и сокращению расхода электроэнергии на 35¸50 кВт∙ч/т стали, что позволило существенно увеличить скорость загрузки () окатышей в ванну.

Показано, что использование ТКГ при электроплавке МЖО в ванне дуговой печи с применением повышенных расходов кислорода, коксика и извести на плавку приводит к дополнительному вспениванию шлака и эффективному экранированию электрических дуг в ванне, а это в свою очередь приводит к повышению теплоусвоения металла (Q_в®max), увеличению a_эф и и повышению скорости плавления () окатышей (ур-е. 5) и уменьшению длительность плавки под током.

Выводы: Для обеспечения энергосберегающего режима электроплавки МЖО (, , , ) с изменяющейся массой металла в ванне дуговой печи необходимым является соблюдение синхронизации хода процессов плавления и скорости загрузки окатышей при данном тепловом состоянии ванны, оптимальном уровне перегрева металла и заглубления электрических дуг во вспененном шлаке. Результаты соспоставления предложенного режима электроплавки [2, 6] с данными текущих плавок [3, 7] показали, что производительность ДСП – 150 увеличивается с 2,13 до 2,17 т/мин., а удельный расход электроэнергии снижается с 593,5 до 559,1 кВт×ч/т при улучшении (табл. 1 и 2) других показателей электроплавки стали.