Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАГРУЗКИ МЕТАЛЛИЗОВАННЫХ ОКАТЫШЕЙ В ДУГОВУЮ ПЕЧЬ

Изобретение относится к области металлургии, а именно к устройствам загрузки шихты или сыпучих материалов, например металлизованных окатышей (брикетов) и других сыпучих материалов, в плавильные агрегаты, например, в дуговые печи для выплавки стали.

Известно изобретение по загрузке шихты, в том числе металлизованных окатышей, в плавильную емкость, например в дуговую сталеплавильную печь (ДСП), через загрузочную трубу под принудительным давлением [Патент Франции №1385224, кл. В22d, 1964 г. Способ загрузки шихты в плавильную емкость]. Недостатком изобретения является сложность конструктивного исполнения данного устройства.

Кроме того, известно другое устройство, основанное на применении способа (Авт. Свид. СССР (II) 711336. БИ №3 от 25.01.1980 г. // Способ загрузки металлизованных окатышей в плавильную емкость. Авторы: Н.А. Маняк и др.) загрузки металлизованных окатышей, например, в дуговую печь. Недостатком этих известных устройств (Патент Франции №1385224, кл. В22d, 1964 г. Способ загрузки шихты в плавильную емкость; Авт. Свид. СССР (II) 711336. БИ №3 от 25.01.1980 г. // Способ загрузки металлизованных окатышей в плавильную емкость. Авторы: Н.А. Маняк и др.) является их громоздкость и сложное конструктивное исполнение, не позволяющие эффективно осуществлять процесс загрузки шихты (металлизованных окатышей и др.) в автоматическом режиме в зависимости от хода технологических процессов плавки стали.

Известно устройство, основанное на применении способа (Авт. Свид. СССР №523142, кл. С21С 5/52, 1976 г. // Способ управления процессом плавки губчатого железа в электрической печи. Авторы: Л.С. Фридлянд и др.) загрузки шихты в дуговую печь. Сущность данного изобретения заключается в том, что устройство по загрузке металлизованных окатышей предусматривает непрерывную подачу окатышей в печь по информации зависимости скорости загрузки окатышей от электрической мощности, забираемой из сети, и коррекции скорости загрузки окатышей пропорционально отклонению температуры металла от заданного значения. Основным недостатком данного изобретения (Авт. Свид. СССР №523142, кл. С21С 5/52, 1976 г. // Способ управления процессом плавки губчатого железа в электрической печи. Авторы: Л.С. Фридлянд и др.), как и других, является то, что конструктивное исполнение устройств предусматривает загрузку металлизованных окатышей в пространство дуговой печи вне пределов воздействия электрических дуг, т.е. металлизованные окатыши в этом случае попадают в шлак, где они окисляются и ошлаковываются, что не позволяет достигнуть высоких скоростей плавки этих окатышей в ДСП.

Особенностью этого устройства, основанного на способе (Авт. Свид. СССР №523142, кл. С21С 5/52, 1976 г. // Способ управления процессом плавки губчатого железа в электрической печи. Авторы: Л.С. Фридлянд и др.), является то, что при электроплавке окатышей период непрерывной загрузки разбивается на несколько интервалов (периодов), где каждому из которых ставится в соответствие определенный уровень мощности ДСП Р (МВт), т.е. устанавливаются ступени напряжения в печи при определенной скорости загрузки окатышей V_oк [кг/МВт·мин].

Известно также устройство, основанное на способе (Меркер Э.Э. и др. Пат. РФ №2374582 от 27.11.2009 г. БИ №3, кл. С21С 5/48), использующее принцип подачи металлизованных окатышей в ванну ДСП через полые электроды (Мартыненко А.К. и др. Устройство для подвода газа в полый электрод. Авт. Свид. СССР №293443, кл. С21С 5/52, 1978 г.), причем через эти полые электроды подают одновременно в ванну ДСП металлизованные окатыши, сыпучие материалы и газовые смеси под давлением. Однако это изобретение и другие вышеизложенные устройства обладают также существенным недостатками, заключающимися в том, что эти устройства для загрузки окатышей в печь являются конструктивно несовершенными, что не позволяет это и все известные устройства для загрузки металлизованных окатышей и других сыпучих материалов, в настоящее время, эффективно использовать в технологиях плавки окатышей в ДСП с целью достижения высоких энерготехнологических и технико-экономических показателей в сталеплавильном производстве.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является устройство (Меркер Э.Э. и др. патент РФ №2487306 от 10.07.2013 г. Бюл. №19 // Устройство для загрузки металлизованных окатышей в дуговую печь) загрузки металлизованных окатышей в дуговую печь, основанное на применении непрерывной подачи железорудных металлизованных окатышей (ЖМО) в ванну ДСП через полые электроды, а конкретнее через осевые отверстия в этих электродах, что позволяет осуществлять непрерывную подачу ЖМО непосредственно в зону высоких температур расплава, т.е. под электрические дуги в ванне агрегата, причем подача металлизованных окатышей в ванну ДСП осуществляется по информации зависимости скорости загрузки ЖМО от электрической мощности и других данных по ходу электроплавки окатышей в ДСП с помощью управляющей ЭВМ и узла подачи ЖМО в ванну агрегата.

Основным недостатком данного изобретения является то, что конструктивное исполнение устройства непрерывной подачи не предусматривает загрузку металлизованных окатышей в пространство ванны, где электрические дуги контактируют с поверхностью расплава, по принципу V_ок≤V_пл, где V_ок - скорость загрузки ЖМО, кг/с, а V_пл - скорость их плавления, кг/с. Дело в том, что для плавления какой-либо порции окатышей в зоне контакта дуги с поверхностью металла (поверхностью мениска) требуется время τ_пл, с, и для того, чтобы порция ЖМО могла расплавиться за время τ_пл, требуется некоторый перерыв в подаче окатышей в зону плавления, т.е. необходимо осуществлять циклическую подачу ЖМО в ванну, например, подавать определенный расход окатышей на данную поверхность мениска и прерывать на время τ_пл эту подачу ЖМО в ДСП, чтобы данная порция окатышей успела бы расплавиться, а затем подавать следующую порцию ЖМО в ДСП в зависимости от параметров теплоэнергетического состояния ванны дуговой печи, т.е. от установленной ступени напряжения в ДСП, при которой каждая ступень в печи характеризует подводимую тепловую мощность и оценивается коэффициентом мощности (cos φ=f(T_в; V_ок)), где T_в - температура металла в ванне печи, °С, а V_ок - расход окатышей в ванну агрегата, кг/с. К недостатку прототипа можно отнести то, что каждая мощность в печи в периоды плавки не привязывается к технологическим локальным условиям в зоне контакта электрических дуг с расплавом, где осуществляется плавление каждой данной порции окатышей.

Техническим результатом данного изобретения является решение задачи по разработке более совершенного устройства для загрузки металлизованных окатышей и других сыпучих материалов в дуговую печь, позволяющего, с одной стороны, устранить недостатки прототипа и других вышеизложенных устройств, а с другой, обеспечивать работу устройства с более высокими энергосберегающими и технологическими показателями работы агрегата, например дуговой печи, для плавки металлизованных окатышей с периодической (циклической) непрерывной их подачей через осевые отверстия в электрические дуги агрегата.

Технический результат достигается следующим образом.

Устройство для загрузки металлизованных окатышей в дуговую печь, включающее приемную воронку, узел подачи металлизованных окатышей в нее, исполнительный механизм загрузки окатышей в осевые отверстия электродов печи и управляющую ЭВМ, отличается тем, что управляющая ЭВМ имеет в своем составе систему расчета параметров нагрева и плавления окатышей в ванне печи с задающим устройством от ЭВМ, а узел подачи металлизованных окатышей в приемную воронку имеет блок автоматического включения или отключения работы узла подачи и при этом указанный блок соединен с регулятором скорости загрузки окатышей, причем этот регулятор скорости загрузки выполнен с возможностью воздействовать на исполнительный механизм загрузки окатышей в осевые отверстия электродов печи и, кроме того, устройство отличается тем, что приемная воронка снабжена фотоэлементным датчиком, сигнал от которого воспринимается регулятором скорости загрузки окатышей и блоком включения или отключения узла подачи окатышей в приемную воронку, причем устройство отличается еще тем, что система расчета в составе управляющей ЭВМ выполнена с возможностью определить текущий непрерывный или периодический расход окатышей (G_ок(i, k, j и др.)) в ванну печи в соответствии с выражением

G_ок(i, k, j и др.)=V_ок·τ_пл(i, k, j и др.), кг/с, где V_ок - расход окатышей (кг/с), равный V_oк=(Δq_в/(c·ν_t)-G₀)/τ, причем здесь теплоусвоение ванны печи Δq_в=G_τ·с·ν_t, где G_τ - текущий вес металла в ванне печи, кг; с - средняя теплоемкость металла, Дж/(кг·с); ν_t - скорость нагрева ванны, °С/мин; τ - время по ходу электроплавки окатышей в печи, мин, а индексы i, k, j и др. относятся к ступеням напряжения в дуговой сталеплавильной печи; τ_пл(i, k, j и др.) - время плавления порции окатышей в ванне печи и, в то же время, устройство отличается также тем, что система расчета в составе управляющей ЭВМ выполнена с возможностью определять время периода отключения (τ_пер, с) регулятора скорости и исполнительного механизма загрузки окатышей в осевые отверстия электродов по зависимости τ_пер(i, k, j и др.) = τ_пл(i, k, j и др.) = (3·S_мен·k/S_ок)·m_ок/V_ок, с, где S_мен=2π(L_д+r_э)·h_мен, м²; S_ок=π·r_ок ², м²; h_мен=r_ок/2, м; L_д - длина дуги, м; r_ок - радиус окатыша, м; r_э - радиус электрода, м; m_ок - масса окатыша, кг; k - коэффициент плотности (равный 0,9069) размещения порций окатышей на поверхности мениска (S_мен, м²) в ванне печи, а также предлагаемое устройство отличается еще тем, что система расчета в составе управляющей ЭВМ выполнена с возможностью определять время плавления порции окатышей (τ_пл(i, k, j и др.), кг/с) по зависимости τ_пл(i, k, j и др.) = N·m_ок/V_пл, где N - количество окатышей в данной порции (шт.); V_пл - скорость плавления окатышей (кг/с), равная значению V_ок, кг/с, для данного момента электроплавки окатышей в ванне печи.

Предлагаемое изобретение реализуется с помощью устройства (см. фиг. 1), включающего систему расчета расхода металлошихты (1) на электроплавку, датчик расхода сыпучих материалов (2), управляющую ЭВМ (3), бункер расхода металлизованных окатышей (4) на процесс их плавки, а также систему конвейеров (5) для загрузки окатышей и сыпучих материалов (6) в дуговую сталеплавильную печь.

Работа по предлагаемому изобретению осуществляется следующим образом. Для осуществления электроплавки стали в приемную воронку (7) загружаются металлизованные окатыши из бункера (4), которые затем поступают через гибкие шланги (25), конусные воронки (26) и полые электроды (16) в ванну с металлом и шлаком (17) дуговой печи (8). На электроплавку металлизованных окатышей потребляемая мощность электроэнергии фиксируется датчиком (9), а расход окатышей и сыпучих материалов регулируется исполнительным механизмом (10) с обеспечением контроля температуры металла (11) в печи, а также контролем активной мощности датчиком (12), фиксацией сигналов от датчиков расхода окатышей (13), а также сигналов датчиков тока (14) и напряжения (15) в электрической цепи. При этом блок включения или отключения (24) через исполнительный механизм (10) влияет на расход подачи окатышей в приемную воронку (7). При этом с помощью системы контроля температуры металла (11) осуществляется расчет величины теплоусвоения шлакометаллической ванны (18) в дуговой печи, а сигнал этот поступает на исполнительный механизм загрузки окатышей и сыпучих (10). При этом напряжение (фиг. 1) от электрической сети (9, 12, 14, 15) передается через электрододержатели на полые электроды (16), в которые через осевые отверстия (27) в электродах подаются порциями или непрерывно металлизованные окатыши из приемной воронки (7). Управляющая ЭВМ (3) имеет в своем составе систему расчета параметров нагрева и плавления окатышей (19), т.е. для расчета таких параметров, как V_ок, V_пл, τ_пл и другие. Причем система расчета (19) вырабатывает данные для задающего устройства (20) и регулятора скорости загрузки окатышей (21), который воздействует на исполнительный механизм (22) подачи окатышей в осевые отверстия (27) графитовых электродов (16) печи. Приемная воронка (7) снабжена фотоэлементным датчиком (23), который фиксирует верхний уровень загрузки окатышей в воронке, а сигнал от датчика поступает в регулятор (21) и подачи окатышей через конвейерную систему (4, 5 и 6), а затем и на конусные воронки (26), установленные в осевых отверстиях электродов печи. Эффективность предлагаемого изобретения вытекает из принципа осуществления непрерывной загрузки окатышей в ванну дуговой печи (фиг. 1) прерывистыми порционными потоками металлизованных окатышей (фиг. 2), т.е. каждая порция этих окатышей с расходом, например, G_ок (i), кг, должна находиться на поверхности металла (менисков) столько, сколько эта порция плавится, т.е. время равное τ_пл(i, k, j и др.) Причем время прерывания подачи окатышей (равное периоду отключения) τ_пер(i, k, j и др.) для циклов порционной загрузки (А) и времени τ_пл (Б)) изменяются в зависимости от ступеней напряжения (i, k, j и др.) по ходу электроплавки (В, фиг. 2). Для каждой ступени напряжения (фиг. 3) устанавливается определенная тепловая мощность печи, при которой рассчитываются параметры Δq_в, V_ок, V_пл, τ_пл и другие, т.е. представляется необходимым соблюдать (см. фиг. 2 поз. б) при ступенях напряжения (i, k, j и др.) принцип V_ок≤V_пл, кг/с, а параметры нагрева и плавления металлизованных окатышей рассчитываются в системе расчета параметров нагрева и плавления (фиг. 1. поз. 19) в составе управляющей ЭВМ. Основные технологические показатели плавки показаны на фиг. 3 поз. а: V_ок, [С] и температура металла t, °C.

Результаты опытных данных (таблица) свидетельствуют об улучшении энерготехнологических и технико-экономических показателей электроплавки окатышей в 150 т ДСП при соблюдении технологии плавки стали на основе приближенного равенства параметров V_ок≈V_пл, кг/с, с соблюдением (фиг. 2) равенства τ_пл(i, k, j и др.) = τ_пер(i, k, j и др.) по ходу подачи ЖМО в ванну дуговой печи.

Приведенные опытные данные (таблица) и результаты работы дуговых сталеплавильных печей [7] с применением технологии подачи окатышей в ванну дуговой печи свидетельствуют об эффективности и перспективности применения новых технологических решений подобно предлагаемому изобретению.