Основным параметром технологии электроплавки МЖО в 150 т. дуговых печах является быстрое [3, 4] и экономичное [5] расплавление шихты с последующим непрерывным плавлением МЖО в ванне с учетом установления оптимального соотношения скоростей плавления (Vплок, кг/с) и загрузки (Vок, 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 [6] на его поверхности, было установлено, что скорость плавления МЖО зависит от температуры шлака, интенсивности теплопередачи и времени растворения окатыша.
(1)
где tш и ts - температура шлака и окатыша, °С, qs - скрытая теплота плавления окатыша, кДж/кг; αф - эффективный коэффициент теплоотдачи на поверхности окатыша, Вт/(м2•К); 
- поверхность окатыша, м2 ; Vo - начальный объем окатыша.
Анализ уравнения (1) свидетельствует о том, что скорость плавления окатышей в ванне дуговой печи зависит от αф и tш, т.е. от факторов, зависящих [5, 7] от теплового состояния ванны (Qв), 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:
где Qв - количество израсходованной электроэнергии, кВт-ч/т; ΔН - изменение энтальпии металлизованных окатышей, равной 450 кВт-ч/т.
Тепло усвоенное ванной (металлом и шлаком) находим по формуле:
(2)
где 
- 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 [5] агрегата.
При этом тепловую мощность дуг определяем из выражения:
(3)
где Ракт - активная мощность электропечной установки; W - величина телесного угла дуги (W = dS · cos β /r2, где r - расстояние от дуги до элементарной площадки dS, β - угол между нормалью к площадке dS и направлением потока излучения от дуги); Рэп - мощность электрических потерь (Рэп = 3 I2Raкт, I - сила тока дуги, Raкт - суммарное активное сопротивление).
С учетом изложенного, скорость загрузки МЖО в ванну печи находим:
(4)
Выбор скорости загрузки металлизованных окатышей (Voк, кг/с) следует осуществлять [2, 7] с учетом теплового состояния ванны, зависящее от скоростей плавления (Vплок, кг/с) и загрузки окатышей, т.е. определив фактическую скорость плавления окатышей по уравнению (1) задаем требуемую скорость загрузки материала (Vок, кг/с), что соответствует условию приведенного в выражении (4).
В случае нарушения этого условия, т.е., например, при превышении скорости загрузки над скоростью плавления окатышей (Vок > Vплок ), образуется накопление металлизованного сырья в ванне жидкого металла, а это приводит к оголению электрических дуг [2, 4], интенсивному воздействию излучения их на футеровку стен и свода печи, т.е. снижению Qв и температуры ванны.
Уменьшение скорости загрузки по отношению к скорости плавления (Vок < Vплок)
металлизованных окатышей приводит к вскипанию ванны [1, 3], а тем самым к резкому увеличению тока и выбросам металла из печи. Все это удлиняет продолжительность плавки, увеличивает расходы электроэнергии и электродов в печи.
При соблюдении технологического режима электроплавки МЖО с учетом полного экранирования электрических дуг в шлаке [2, 4] возрастает теплоусвоение ванны (Qв →max), и снижается расход электроэнергии (табл. 1), если электроплавка МЖО осуществляется в оптимальной области перегрева металла 50oС<ΔTn<100oC.
Таблица 1 - Сравнительные технологические показатели работы печей 150 -т ДСП
|
Показатели* процесса электроплавки ЖМО в ванне ДСП |
ДСП без ТКГ |
ДСП с применением ТКГ |
|
Время плавки под током, мин |
100/95 |
85/87 |
|
Удельный расход кислорода на тонну годного металла, м3/т |
14,5/12,1 |
30,2/30,73 |
|
Удельный расход углерода в шлак на тонну годного металла, кг/т |
18/7 |
13/10,5 |
|
Удельный расход окатышей на тонну годного металла, кг/т |
650/640 |
720/700 |
|
Коэффициент использования металлизованного сырья Goк/Gлoм |
2/1,3 |
2,1/1,95 |
|
Удельный расход извести на шлакообразование, кг/т |
55/51 |
68/82,6 |
|
Энергозатраты на процесс плавки, МДж/т |
2482,17/2152 |
2111,46/2000 |
|
Производительность дуговой печи, т/ч |
60,96/83,5 |
75,61/88,5 |
* Числитель - шарикоподшипниковые марки стали, знаменатель - низкоуглеродистые
марки стали.
Причем, как это следует из приведенных данных (табл. 2), процесс электроплавки стали в этих условиях сопровождается снижением удельного расхода электроэнергии на 40,5 кВт·ч/т и увеличением производительности печи.
Таблица 2 - влияние степени перегрева металла ΔT п на показатели электроплавки ЖМО
в ДСП-150
|
Показатели |
Степень перегрева |
|
|
50°С<ΔTn<100°C |
ΔTn>100°C |
|
|
Производительность печи, т/мин |
1,258 |
1,152 |
|
Удельный расход электроэнергии, кВт-ч/т |
578,4 |
618,9 |
|
Расход кислорода на продувку ванны, м3/т |
13,573 |
14,274 |
|
Расход металлизованных окатышей на плавку, т |
110 |
112 |
|
Число плавок |
13 |
15 |
Поиск энергосберегающих режимов осуществляли путем исследований, опытов и установления корреляционных связей таких параметров, как теплопитание ванны; скорость нагрева металла, концентрация углерода в окатышах и металле, и скорость их изменения; скорость загрузки окатышей и изменение массы металла в ванне; расход электроэнергии и другие, а также методов синхронизации процессов и параметров электроплавки МЖО в ДСП-150. Обработка полученных данных подтвердила, что скорость плавления окатышей (Vплок, кг/с) по ходу электроплавки определяется [2, 3] содержанием углерода в ванне, скоростью изменения его концентрации, температурой металла и шлака (tш, °С) и уровнем его перегрева (ΔTn, °С), расходом кислорода на продувку металла, уровнем теплопитания ванны и теплопоглощения расплава.
Интенсификация режима плавления МЖО в ванне ДСП возможна при использовании [8] топливно-кислородных горелок (ТКГ), как в теплотехнический период плавки, так и в технологический.
Для оценки эффективности применения ТКГ в 150 т. дуговых печах ОАО «ОЭМК» обработали опытные данные более 150 паспортов работы двух печей, с применением двух ТКГ и без использования ТКГ (табл. 2). Из анализа этих данных (табл. 2), следует вывод о том, что использование ТКГ для интенсификации процессов шлакообразования и вспенивания шлака способствует повышению производительности печи и сокращению расхода электроэнергии на 35^50 кВт ч/т стали при существенном увеличении скорости загрузки ( Vплок → max ) окатышей в ванну.
Установлено, что использование ТКГ при электроплавке МЖО в ванне дуговой печи с применением повышенных расходов (табл. 2) кислорода, коксика и извести на плавку приводит к дополнительному вспениванию шлака и эффективному экранированию электрических дуг в ванне [1, 5], а это в свою очередь приводит к повышению теплоусвоения металла (Qв→max), увеличению αэф и tш и повышению скорости плавления (Vплок → max) окатышей (ур-е. 4) и уменьшению длительность (табл. 2) плавки под током.
Выводы: Для обеспечения энергосберегающего режима электроплавки МЖО ( Qв, αэф,
Voк, Vплок → max) 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.
Список литературы
- Трахимович В.И. Шалимов А.Г. Использование железа прямого восстановления выплавке стали. М.:Металлургия. 1982 г. - 248 с.
- Меркер Э.Э., Федина В.В., Харламов Д.А. // Черные металлы. 2004. № 2. с. 16-19.
- Фомин А.М., Хохлов О.А., Ледовской В.М. и др. // Сталь. 1988. № 1. с. 40-42.
- Волкодаев А.Н., Токовой О.К. Звонарев В.П. // Сталь. 1997. № 6. с. 46-48.
- Макаров А.Н., Свенчанский А. Д. Оптимальные тепловые режимы дуговых печей. М.: Энергоатомиздат. 1992. -96 с.
- Бартенева О.И., Меркер Э.Э. Харламов Д.А. // Изв. Вуз. Черная металлургия. 2001. № 5. с. 74-75.
- Изгалиев Т.И., Анисимов Ю.И. Лубашев Ю.А. и др. // Авт. свид. СССР. № 2082763 (13). С. 21 С 5/52. Бюл. №18. 27.06.97.
- Белитченко А.К., Кутаков А.В., Лозин Г.А. // Черная металлургия: Бюл. НТИ. 1998. № 1-2. с. 23-26.