RU2293268C1

RU2293268C1 - Method of electric melting in ac arc furnace

Info

Publication number: RU2293268C1
Application number: RU2005115622/02A
Authority: RU
Inventors: Игорь Михайлович Ячиков (RU); Игорь Михайлович Ячиков; Александр Прокопьевич Морозов (RU); Александр Прокопьевич Морозов; Ирина Васильевна Портнова (RU); Ирина Васильевна Портнова
Original assignee: Игорь Михайлович Ячиков
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2007-02-10
Also published as: RU2005115622A

Abstract

FIELD: electric metallurgy.

SUBSTANCE: method comprises control of parameters of arc and power source by imposing pulsations to the total arc current and supplying pulsating flux of plasma-generating gas to the interelectrode space through the axial opening in the arch electrode. The frequencies of the pulsations of the arc current and the flux of plasma-generating gas range from 0.1 Hz to 10 Hz.

EFFECT: enhanced quality of melting.

1 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области электрометаллургии, в частности к способам переплавки или рафинирования в электрической дуге, конкретно в дуговых печах постоянного тока, и может быть использовано для нагрева, плавки, рафинирования и легирования черных и цветных металлов и сплавов, для плавки шлаков и флюсов, а также для перемешивания их расплавов в миксерах, печах-ковшах и агрегатах комплексной доводки сплавов.The invention relates to the field of electrometallurgy, in particular to methods of remelting or refining in an electric arc, specifically in direct current arc furnaces, and can be used for heating, smelting, refining and alloying of ferrous and non-ferrous metals and alloys, for smelting slags and fluxes, and also for mixing their melts in mixers, ladle furnaces and aggregates for complex refinement of alloys.

Известен способ электроплавки в дуговой печи постоянного тока, включающий загрузку печи, расплавление шихты за счет прохождения тока между сводовым и подовыми электродами, рафинирование и легирование образующегося расплава при перемешивании за счет пропускания тока по замкнутым электрическим цепям между сводовым и подовыми электродами с возбуждением в расплаве поля электромагнитных сил, периодическое изменение величины тока с регламентированной частотой и со сдвигом фаз в каждой цепи, с одновременным изменением поля электромагнитных сил, прекращение прохождения тока через расплав, слив расплава (см. пат. РФ №2048662, F 27 В 3/08, С 22 В 9/21, 1995).A known method of electric melting in a DC arc furnace, including loading the furnace, melting the charge due to the passage of current between the vault and hearth electrodes, refining and alloying the resulting melt with stirring by passing current through closed electric circuits between the vault and hearth electrodes with excitation in the field melt electromagnetic forces, a periodic change in the magnitude of the current with a regulated frequency and with a phase shift in each circuit, with a simultaneous change in the electromagnetic field forces, stopping the passage of current through the melt, draining the melt (see US Pat. RF No. 2048662, F 27 V 3/08, C 22 V 9/21, 1995).

Недостатком известного способа электроплавки является ограничение возможности повышения производительности, связанное с тем, что в процессе перемешивания расплава образуются застойные слабоперемешиваемые области в поверхностных слоях, удаленных от центра ванны. Наличие застойных зон уменьшает полноту перемешивания и ухудшает однородность химического состава металла во всем объеме ванны. Интенсивность перемешивания только за счет изменения поля электромагнитных сил в расплаве лимитирована значительными токовыми нагрузками на подовые электроды, которые приводят к их преждевременному износу и размыванию расплавом футеровки в области подовых электродов, а также к ограничению требуемой мощности дугового разряда, что снижает возможность повышения производительности электроплавки. Кроме того, по данному способу электроплавки в периоды рафинирования и легирования расплава различие физических свойств материалов, составляющих шихту, а также шлака и лигатур, приводит к тому, что при переключении с одной замкнутой цепи на другую наблюдаются значительные плотности тока в расплаве непосредственно над подовыми электродами, через которые протекает ток. Поэтому в этих областях образуются сильные струи и локальные вихри перегретого расплава, направленные из-под пятна дугового разряда на подину и резко увеличивающие тепловые нагрузки на подовые электроды, что снижает срок их службы и, в целом, производительность дуговой печи. При реализации данного способа электроплавки увеличивается площадь контакта расплава с подовыми электродами, что повышает возможность попадания в расплав частиц от разрушения подовых электродов в виде неконтролируемых примесей и их взаимодействие с легирующими присадками с ухудшением качества выплавляемого металла. Для удаления вредных примесей необходимо дополнительное время на рафинирование, приводящее к снижению общей производительности.A disadvantage of the known method of electric melting is the limitation of the possibility of increasing productivity, due to the fact that during the mixing of the melt stagnant weakly mixed regions are formed in the surface layers remote from the center of the bath. The presence of stagnant zones reduces the completeness of mixing and degrades the uniformity of the chemical composition of the metal in the entire volume of the bath. The intensity of mixing only due to a change in the field of electromagnetic forces in the melt is limited by significant current loads on the hearth electrodes, which lead to their premature wear and erosion by the melt of the lining in the region of the hearth electrodes, as well as to the limitation of the required arc discharge power, which reduces the possibility of increasing the performance of electric melting. In addition, according to this method of electric melting during periods of refining and alloying the melt, the difference in the physical properties of the materials that make up the charge, as well as slag and ligatures, leads to the fact that when switching from one closed circuit to another, significant current densities are observed in the melt directly above the baking electrodes through which current flows. Therefore, strong jets and local eddies of superheated melt are formed in these areas, directed from under the arc discharge spot to the bottom and sharply increase the thermal loads on the bottom electrodes, which reduces their service life and, in general, the productivity of the arc furnace. When implementing this method of electric melting, the contact area of the melt with the hearth electrodes increases, which increases the possibility of particles entering the melt from the destruction of the hearth electrodes in the form of uncontrolled impurities and their interaction with alloying additives with a deterioration in the quality of the melted metal. To remove harmful impurities, additional time is required for refining, leading to a decrease in overall performance.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ электроплавки в дуговой печи постоянного тока, включающий загрузку шихты в печь и создание электрического контакта между сводовым электродом и шихтой. При включении источника электропитания идет плавление шихты дугой при протекании общего тока через замкнутые электрические цепи, включающие сводовый электрод, межэлектродный промежуток, шихту, образующийся расплав, подовые электроды с токоподводами и источник электропитания. При управлении параметрами дуги и источника электропитания осуществляется нагрев, рафинирование и легирование расплава с его перемешиванием, которое происходит за счет возбуждения в расплаве поля электромагнитных сил от протекания тока через расплав. Периодическое изменение величины тока происходит в замкнутых электрических печах с регламентированной частотой и с соответствующим увеличением интенсивности поля электромагнитных сил в расплаве (см. пат. РФ 2104450, F 27 В 3/08, С 22 В 9/21, 1998).Closest to the proposed invention is a method of electric melting in a direct current arc furnace, comprising loading the charge into the furnace and creating an electrical contact between the arch electrode and the charge. When the power source is turned on, the charge is melted by the arc when the total current flows through closed electric circuits, including the arch electrode, the interelectrode gap, the charge, the resulting melt, the bottom electrodes with current leads and the power source. When controlling the parameters of the arc and the power supply, the melt is heated, refined and alloyed with its mixing, which occurs due to the excitation of the field of electromagnetic forces from the current flowing through the melt. A periodic change in the magnitude of the current occurs in closed electric furnaces with a regulated frequency and with a corresponding increase in the intensity of the field of electromagnetic forces in the melt (see US Pat. RF 2104450, F 27 V 3/08, C 22 V 9/21, 1998).

Недостатком известного способа является то, что повышение производительности электроплавки путем интенсификации перемешивания возможно только при повышении силы тока дуги или увеличении количества подовых электродов для создания силовых воздействий силы тока на расплав. Однако интенсивность перемешивания за счет увеличения силы тока лимитирована значительными токовыми нагрузками на подовые электроды, что приводит к их преждевременному износу и размыванию расплавом футеровки в области подовых электродов, а также к ограничению требуемой мощности дугового разряда и производительности обработки. При этом в период расплавления шихты на подине печи и на периферии ванны расплава в течение длительного времени остаются куски непроплавившейся шихты из-за низкой интенсивности процессов тепломассообмена в этот период, что снижает производительность печи. Поэтому интенсификация перемешивания по известному способу реализуется только при увеличении количества подовых электродов, но при этом увеличивается площадь контакта расплава с подовыми электродами, что повышает возможность попадания частиц от их разрушения в расплав в виде вредных примесей и требует дополнительного времени на рафинирование, приводящее к снижению производительности электроплавки. Увеличение количества подовых электродов повышает время простоя печи, связанное с их ремонтом и заменой, снижает надежность работы подины и повышает вероятность прорыва металла из печи, что также снижает производительность процесса электроплавки. Переключение дуги на замкнутые цепи между сводовым и подовыми электродами снижает стабильность горения дуги и приводит к неравномерному износу сводового электрода и футеровки печи, что дополнительно снижает производительность печи.The disadvantage of this method is that increasing the productivity of electric melting by intensifying mixing is possible only by increasing the current strength of the arc or increasing the number of hearth electrodes to create power effects of current on the melt. However, the intensity of mixing due to an increase in current strength is limited by significant current loads on the hearth electrodes, which leads to their premature wear and erosion by the melt of the lining in the region of the hearth electrodes, as well as to the limitation of the required arc discharge power and processing productivity. At the same time, during the melting of the charge on the hearth of the furnace and on the periphery of the melt pool for a long time, pieces of the non-melted charge remain due to the low intensity of heat and mass transfer during this period, which reduces the productivity of the furnace. Therefore, the intensification of mixing by the known method is realized only with an increase in the number of hearth electrodes, but the contact area of the melt with the hearth electrodes increases, which increases the possibility of particles from their destruction entering the melt in the form of harmful impurities and requires additional time for refining, which leads to a decrease in productivity electric melts. The increase in the number of hearth electrodes increases the downtime of the furnace associated with their repair and replacement, reduces the reliability of the hearth and increases the likelihood of breakthrough of metal from the furnace, which also reduces the performance of the electric melting process. Switching the arc to closed circuits between the roof and bottom electrodes reduces the stability of arc burning and leads to uneven wear of the roof electrode and the furnace lining, which further reduces the productivity of the furnace.

Задачей, на решение которой направлен заявляемый способ, является повышение производительности печи при постоянстве вводимой мощности за счет интенсификации процесса перемешивания расплава.The problem to which the claimed method is directed is to increase the productivity of the furnace with a constant input power due to the intensification of the melt mixing process.

Технический эффект от использования предлагаемого способа достигается обеспечением интенсивного и полного перемешивания во всем объеме и на поверхности ванны расплава. Также уменьшаются тепловые нагрузки на подовые электроды с увеличением их надежности и срока службы. В целом, комплексное перемешивание и снижение нагрузки на подовые электроды обеспечивают уменьшение необходимого времени на осуществление отдельных стадий обработки расплава и увеличение межремонтной кампании печи, что повышает производительность электроплавки.The technical effect of using the proposed method is achieved by providing intensive and complete mixing in the entire volume and on the surface of the molten bath. Thermal loads on the hearth electrodes are also reduced with an increase in their reliability and service life. In general, complex mixing and lowering the load on the bottom electrodes provide a reduction in the necessary time for the implementation of individual stages of the melt processing and an increase in the overhaul campaign of the furnace, which increases the productivity of electric melting.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе электроплавки, включающем загрузку шихты в печь, создание электрического контакта между сводовым электродом и шихтой, включение источника электропитания, плавление шихты дугой при протекании общего тока через замкнутые электрические цепи, включающие сводовый электрод, межэлектродный промежуток, шихту, образующийся расплав, подовые электроды с токоподводами и источник электропитания, управление параметрами дуги и источника электропитания, нагрев, рафинирование и легирование расплава с его перемешиванием за счет возбуждения в расплаве поля электромагнитных сил от протекания тока через расплав, периодическое изменение величины тока в замкнутых электрических цепях с регламентированной частотой и с соответствующим увеличением интенсивности поля электромагнитных сил в расплаве, управление параметрами дуги и источника электропитания осуществляют наложением пульсаций на общий ток дуги и подачей в межэлектродный промежуток пульсирующего потока плазмообразующего газа через сквозное осевое отверстие в сводовом электроде, причем частоты пульсаций общего тока дуги и потока плазмообразующего газа выбирают в диапазоне 0,1-10 Гц и принимают равными десятикратной частоте изменения величин токов в замкнутых электрических цепях между сводовым и подовыми электродами, а в период легирования в пульсирующий поток плазмообразующего газа вводят порошкообразные лигатуры через сводовый электрод.The problem is solved in that in the known method of electric melting, including loading the charge into the furnace, creating an electrical contact between the arch electrode and the charge, turning on the power source, melting the charge with an arc when the total current flows through closed electric circuits, including the arch electrode, interelectrode gap, charge , the resulting melt, hearth electrodes with current leads and a power source, control of the parameters of the arc and the power source, heating, refining and alloying p the alloy with its mixing due to the excitation of the field of electromagnetic forces from the current flowing through the melt, periodic changes in the current value in closed electrical circuits with a regulated frequency and with a corresponding increase in the intensity of the field of electromagnetic forces in the melt, control the parameters of the arc and the power source by applying pulsations to total arc current and supplying a pulsating plasma-forming gas flow through the axial hole in the arches to the interelectrode gap m electrode, and the pulsation frequency of the total arc current and the plasma-forming gas flow is selected in the range of 0.1-10 Hz and taken equal to ten times the frequency of currents in closed electrical circuits between the arch and bottom electrodes, and during doping, they are introduced into the pulsating plasma-forming gas flow powdery ligatures through a vault electrode.

Известно наложение пульсаций на ток дуги в способах термообработки и сварки металлов (см. Вагнер Ф.А. Оборудование и способы сварки пульсирующей дугой. - М.: Энергия, 1980. - 180 с.). При этом организация пульсирующего тока дуги предназначена для улучшения качества сварочного шва и уменьшения термонапряжений в свариваемом металле.Known imposition of ripple on the arc current in the methods of heat treatment and welding of metals (see F. Wagner, Equipment and methods of welding by a pulsating arc. - M .: Energy, 1980. - 180 S.). Moreover, the organization of the pulsating arc current is designed to improve the quality of the weld and reduce thermal stresses in the welded metal.

В предлагаемом способе электроплавки наложение пульсаций на ток дуги предназначено для обеспечения полноты перемешивания металла на поверхности и в объеме расплава. Это позволяет интенсифицировать процессы тепло- и массообмена между дугой и ванной расплава и повысить производительность электроплавки.In the proposed method of electric melting, the imposition of ripples on the arc current is intended to ensure the completeness of mixing of the metal on the surface and in the volume of the melt. This allows you to intensify the processes of heat and mass transfer between the arc and the molten bath and to increase the productivity of electric melting.

Известно использование пульсирующего потока плазмообразующего газа при обработке расплавов (см. Семкин И.Г., Коптев А.П., Морозов А.П. Внепечная плазменная металлургия. - Магнитогорск: МГТУ, 2000. - С.315-321). При этом пульсирующая плазменная продувка позволяет увеличить площадь межфазной границы высокотемпературный газ - расплав за счет более эффективного диспергирования последнего, а также ускорить химические процессы рафинирования и легирования.It is known to use a pulsating plasma-forming gas flow in the processing of melts (see Semkin I.G., Koptev A.P., Morozov A.P. Out-furnace plasma metallurgy. - Magnitogorsk: MSTU, 2000. - S.315-321). At the same time, pulsating plasma purge allows to increase the area of the interfacial boundary of the high-temperature gas - melt due to more efficient dispersion of the latter, as well as to accelerate the chemical processes of refining and alloying.

В предлагаемом способе электроплавки применение дополнительной подачи через сводовый электрод, выполненный со сквозным осевым отверстием, в межэлектродный промежуток пульсирующего потока плазмообразующего газа, наряду с известными эффектами, позволяет увеличить скорость гетерогенных металлургических процессов, лимитированных массопереносом через ламинарный пограничный слой. В этих условиях обеспечивается непрерывная турбулизация пограничного слоя, а следовательно, и минимальное сопротивление для подвода реагентов к металлу и отводу газообразных продуктов реакций рафинирования, с увеличением степени использования реагентов и повышением производительности электроплавки.In the proposed method of electric melting, the use of an additional feed through a vaulted electrode, made with a through axial hole, into the interelectrode gap of the pulsating plasma-forming gas flow, along with the known effects, allows to increase the speed of heterogeneous metallurgical processes limited by mass transfer through the laminar boundary layer. Under these conditions, continuous turbulization of the boundary layer is ensured, and therefore, minimum resistance for supplying reagents to the metal and removal of gaseous products of refining reactions, with an increase in the degree of use of reagents and an increase in the productivity of electric melting.

Отличительные признаки, характеризующие подачу через сводовый электрод пульсирующего потока плазмообразующего газа в смеси с порошкообразными лигатурами, в известных технических решениях не обнаружены. Такая организация ввода лигатур обеспечивает эффективный нагрев и плавление частиц с повышением степени их усвоения и снижением времени перемешивания на усреднение химического состава металла за счет пульсаций в зоне растворения, что повышает производительность электроплавки.Distinctive features characterizing the supply through the arch electrode of a pulsating plasma-forming gas stream in a mixture with powdery ligatures are not found in the known technical solutions. This organization of the introduction of ligatures ensures efficient heating and melting of particles with an increase in the degree of their assimilation and a decrease in the mixing time for averaging the chemical composition of the metal due to pulsations in the dissolution zone, which increases the productivity of electric melting.

Отличительные признаки, характеризующие поддержание частот пульсаций общего тока дуги и потока плазмообразующего газа в диапазоне 0,1-10 Гц, равных десятикратной частоте изменения величины тока в замкнутых цепях между сводовым и подовыми электродами, в известных технических решениях не обнаружены. При такой организации процесса электроплавки возникают резонансные явления от взаимодействия потоков с поверхности ванны и приходящих из объема расплава, генерируемых при совместном действии пульсаций тока дуги, пульсирующего потока плазмообразующего газа и переменного поля электромагнитных сил. В таком резонансном режиме достигается сверхэффект по интенсификации процесса перемешивания расплава и повышается производительность электроплавки.Distinctive features characterizing the maintenance of the ripple frequencies of the total arc current and the plasma gas flow in the range of 0.1-10 Hz, equal to ten times the frequency of the current in closed circuits between the arch and hearth electrodes, are not found in the known technical solutions. With this organization of the electric melting process, resonance phenomena arise from the interaction of flows from the surface of the bath and from the melt volume generated by the combined action of pulsations of the arc current, a pulsating plasma-forming gas flow, and an alternating field of electromagnetic forces. In such a resonant mode, an over-effect is achieved by intensifying the melt mixing process and increasing the productivity of electric melting.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема дуговой печи постоянного тока; на фиг.2 - диаграммы изменения основных параметров электроплавки.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a diagram of a DC arc furnace; figure 2 - diagram of changes in the main parameters of the electric melting.

Способ электроплавки в дуговой печи постоянного тока осуществляется следующим образом.The method of electric melting in a direct current arc furnace is as follows.

На подину 1 (фиг.1) печи 2 загружают шихту 3. Через сводовый электрод 4 со сквозным осевым отверстием 5 с помощью электромеханического пульсатора 6 подают пульсирующий поток газа в межэлектродный промежуток 7. Сводовый электрод 4 опускают вниз до возникновения электрического контакта между ним и шихтой 3. Включают источник электропитания 8 с подачей напряжения на сводовый электрод 4 и на подовые электроды 9 и 10, ориентированные в горизонтальной плоскости под углом друг к другу, через регуляторы тока 11 и 12 (например, тиристорные) и токоподводы 13 и 14, расположенные под подиной 1 печи 2. Плавление шихты 3 осуществляют дугой 15, возникающей при протекании тока через по крайней мере две замкнутые электрические цепи, включающие сводовый электрод 4, межэлектродный промежуток 7, шихту 3, образующийся расплав 16, подовые электроды 9 или 10, токоподводы 13 или 14, регуляторы тока 11 или 12, и источник электропитания 8. Рафинирование расплава 16 проводят наведением шлака на его поверхности, а легирование - введением лигатур. Нагрев, рафинирование и легирование расплава 16 проводят одновременно с его перемешиванием, осуществляемым тремя методами. Во-первых, перемешивание расплава 16 происходит при возникновении двух замкнутых цепей (по числу подовых электродов 9 и 10). Первую цепь образуют источник электропитания 8, сводовый электрод 4, дуга 15, расплав 16, подовый электрод 9, токоподвод 13 и регулятор тока 11. Вторую цепь образуют те же источник электропитания 8, сводовый электрод 4, дуга 15, расплав 16, а также подовый электрод 10, токоподвод 14 и регулятор тока 12. При наличии нескольких (более двух) подовых электродов 9 и 10 и, соответственно, нескольких замкнутых электрических цепей, изменение тока в них производится со сдвигом фаз в каждой цепи относительно других. В соответствии с выбранной частотой (f_и) регуляторы 11 и 12 изменяют токи, проходящие через подовые электроды 9 (I₁) и 10 (I₂), в течение всего времени горения дуги 15, в том числе во время расплавления шихты 3 и образования и перемешивания расплава 16, с амплитудой изменения, соответственно, I_1max-I_1min и I_2max-I_2min(фиг.2). Управление изменением тока на регуляторах тока 11 и 12 осуществляется с помощью микропроцессорного блока управления 17, регулируемого блоком задания 18. При этом в каждый момент времени ток (I_д), протекающий через расплав 16, равен сумме токов (I₁+I₂), проходящих через подовые электроды 9 и 10. Причем токи в расплаве 16, взаимодействуя с собственным магнитным полем, возбуждают поле электромагнитной силы, которое периодически меняется во времени, в соответствии с изменением тока в подовых электродах 9 и 10. Меняющееся поле электромагнитных сил приводит к возникновению в расплаве 16 периодически изменяющихся гидродинамических течений, которые существуют в течение всего времени горения дуги 15 и обеспечивают перемешивание. Второй метод перемешивания осуществляется подачей пульсирующего потока плазмообразующего газа в дугу 15 через сквозное отверстие 5 в сводовом электроде 4 с помощью электромеханического пульсатора 6. Регулирование частоты (f_г) пульсаций потока плазмообразующего газа осуществляется подачей управляющего сигнала с микропроцессорного блока управления 17 через формирователь импульсов 19 на исполнительный механизм 20 электромеханического пульсатора 6. Амплитуда изменения расхода газа G_г задается в диапазоне G_{г max}-G_{г min} (Фиг.2). Пульсирующий поток плазмообразующего газа нагревается в дуге 15 и оказывает газодинамическое воздействие на расплав 16 с образованием колеблющейся лунки 21 и поверхностных потоков, обеспечивающих эффективное перемешивание верхних слоев расплава 16. Третий метод перемешивания осуществляется наложением пульсаций на общий ток дуги 15, предпочтительно с крутым фронтом импульса, например прямоугольным. Изменение частоты (I_д) и амплитуды пульсаций общего тока (I_{д max}-I_{д min}) производится регуляторами тока 11 и 12, соединенных с источником электропитания 8 при помощи микропроцессорного блока 17. Пульсирующая дуга 15 оказывает электродинамическое переменное силовое воздействие на расплав 16, складывающееся из скоростного напора потока плазмы, действующего на поверхности лунки 21 в дуговом пятне, и объемной электромагнитной силы, что в сумме обеспечивает дополнительное перемешивание расплава 16. Для повышения производительности электроплавки путем интенсификации перемешивания плавление, нагрев, рафинирование и легирование расплава 16 осуществляют поддерживанием частот пульсаций тока дуги 15 (I_д) и потока плазмообразующего газа (f_г), подаваемого через сквозное отверстие 5 сводового электрода 4, десятикратных частоте (f_и) изменения величины тока в замкнутых цепях между сводовым электродом 4 и подовыми электродами 9 и 10, т.е. f_д=f_г=10f_и. При этом наблюдаются резонансные явления от совпадения частот f_д и f_г и стохастического совпадения с ними гармонических составляющих токов I₁ и I₂, что приводит к взаимодействию объемных и поверхностных потоков расплава 16, генерируемых тремя методами, с получением сверхэффекта по интенсификации процесса перемешивания расплава 16. В зависимости от емкости печи 2, геометрии ванны расплава 16, его электрофизических свойств, номинального значения величины общего тока I_д, максимально допустимой величины длительности одного периода изменения тока τ_и (фиг.2), протекающего через расплав 16, подбирается оптимальная частота f_и изменений тока I_д в цепях сводового электрода 4 и подовых электродов 9 и 10 и, соответственно, частоты пульсаций тока f_д и плазмообразующего газа f_г. Поддержание оптимальной частоты осуществляется блоком задания 18 в диапазоне 0,1-10 Гц. Регулирование частот изменения тока в замкнутых электрических цепях (f_и), пульсаций тока (f_д) и плазмообразующего газа (f_г) предпочтительно в синфазном режиме их изменения. На диаграмме изменения во времени основных параметров электроплавки (фиг.2), построенной для примера при оптимальных частотах, равных 1,0 Гц, показан характер пульсаций расхода плазмообразующего газа G_г и мгновенного значения общего тока I_д в зависимости от изменения величин средних значений тока в замкнутых электрических цепях между сводовым электродом 4 (фиг.1) и, соответственно, подовыми электродами 9 (I₁) и 10 (I₂). Амплитуда пульсаций общего тока I_{д max}-I_{д min} (фиг.2) может быть задана в диапазоне 30-80% от его номинального значения. В период легирования через отверстие 5 (фиг.1) в сводовом электроде 4 с помощью питателя 22 подают в потоке пульсирующего плазмообразующего газа порошкообразную лигатуру. В дуге 15 происходит нагрев и плавление порошка с эффективным усвоением и перемешиванием в расплаве 16. Дальнейшее перемешивание расплава 16 продолжают до получения заданного химического состава. После этого отключают источник электропитания 8, прекращают подачу плазмообразующего газа через сводовый электрод 4, скачивают шлак и сливают готовый расплав 16. В целом, предлагаемый способ повышает производительность печи за счет равномерного по всему объему перемешивания расплава 16, а также устраняет образование устойчивых локальных вихрей над подовыми электродами 9 и 10 и направленной гидродинамической струи в расплаве 16 из дугового пятна дуги 15 на подину 1, что уменьшает износ подовых электродов 9 и 10 и футеровки подины 1 с увеличением их межремонтной кампании. Для интенсификации основных технологических процессов электроплавки рекомендуется использовать наложение пульсаций на ток дуги 15 и поток плазмообразующего газа с максимально возможными коэффициентами модуляции, с частотой пульсации до 10 Гц и скважностью импульсов, равной двум. Таким образом, наложение вынужденных пульсаций на параметры дуги 15 и на поток плазмообразующего газа, подаваемого через сквозное осевое отверстие 5 в сводовом электроде 4, с частотами в диапазоне 0,1-10 Гц, принятыми равными десятикратной частоте изменения величины тока в замкнутых цепях между сводовым 4 и подовыми электродами 9 и 10, оказывает интенсифицирующее воздействие на процессы тепломассопереноса между дугой 15 и компонентом шихты 3, а также на перемешивание ванны расплава 16, и повышает производительность электроплавки.A charge 3 is loaded onto the hearth 1 (Fig. 1) of furnace 2. A pulsating gas flow is introduced into the interelectrode gap 7 through a vault electrode 4 with a through axial hole 5 using an electromechanical pulsator 6. The vault electrode 4 is lowered down until electrical contact between it and the charge 3. Turn on the power supply 8 with voltage applied to the vault electrode 4 and to the hearth electrodes 9 and 10, oriented in a horizontal plane at an angle to each other, through current regulators 11 and 12 (for example, thyristor) and current leads 13 and 14 located under the hearth 1 of the furnace 2. The charge 3 is melted by an arc 15, which occurs when current flows through at least two closed electrical circuits, including a vault electrode 4, an electrode gap 7, a charge 3, a molten melt 16, hearth electrodes 9 or 10, current leads 13 or 14, current regulators 11 or 12, and the power supply 8. Refining of the melt 16 is carried out by inducing slag on its surface, and alloying by introducing ligatures. Heating, refining and alloying of the melt 16 is carried out simultaneously with its mixing, carried out by three methods. Firstly, mixing of the melt 16 occurs when two closed circuits occur (according to the number of hearth electrodes 9 and 10). The first circuit is formed by a power source 8, a vault electrode 4, an arc 15, a melt 16, a hearth electrode 9, a current lead 13 and a current regulator 11. The second circuit is formed by the same power source 8, a vault electrode 4, an arc 15, a melt 16, and also a hearth electrode 10, current lead 14 and current regulator 12. If there are several (more than two) hearth electrodes 9 and 10 and, accordingly, several closed electrical circuits, the current is changed in them with a phase shift in each circuit relative to the others. In accordance with the selected frequency (f _and ), the regulators 11 and 12 change the currents passing through the hearth electrodes 9 (I ₁ ) and 10 (I ₂ ), throughout the entire burning time of the arc 15, including during the melting of the charge 3 and the formation and mixing the melt 16, with an amplitude of change, respectively, I _1max -I _1min and I _2max -I _2min ( _figure 2). The change in current on the current regulators 11 and 12 is controlled using a microprocessor control unit 17, regulated by the task unit 18. At the same time, at each moment of time, the current (I _d ) flowing through the melt 16 is equal to the sum of the currents (I ₁ + I ₂ ), passing through the hearth electrodes 9 and 10. Moreover, the currents in the melt 16, interacting with its own magnetic field, excite the electromagnetic force field, which periodically changes in time, in accordance with the change in current in the hearth electrodes 9 and 10. The changing field of electromagnetic forces It leads to the occurrence of periodically changing hydrodynamic flows in the melt 16, which exist during the entire time of burning of the arc 15 and ensure mixing. The second method of mixing is carried out by supplying a pulsating flow of plasma-forming gas into the arc 15 through the through hole 5 in the arch electrode 4 using an electromechanical pulsator 6. The frequency (f _g ) of the pulsations of the flow of plasma-forming gas is regulated by supplying a control signal from the microprocessor control unit 17 through the pulse shaper 19 to the actuator 20 of the electromechanical pulsator 6. The amplitude of the gas flow rate G _g is set in the range G _{g max} -G _{g min} (Figure 2). The pulsating plasma-forming gas stream is heated in the arc 15 and exerts a gas-dynamic effect on the melt 16 with the formation of an oscillating hole 21 and surface flows that effectively mix the upper layers of the melt 16. The third method of mixing is carried out by applying pulsations to the total current of the arc 15, preferably with a steep pulse front, for example rectangular. The change in the frequency (I _d ) and the amplitude of the ripple of the total current (I _{d max} -I _{d min} ) is made by the current regulators 11 and 12 connected to the power source 8 using a microprocessor unit 17. The pulsating arc 15 exerts an electrodynamic variable force effect on the melt 16, consisting of the high-pressure head of the plasma flow acting on the surface of the hole 21 in the arc spot, and volumetric electromagnetic force, which in total provides additional mixing of the melt 16. To increase the productivity of the electric melting put In order to intensify mixing, melting, heating, refining and alloying of the melt 16 is carried out by maintaining the pulsation frequencies of the arc current 15 (I _d ) and the plasma-forming gas flow (f _g ) supplied through the through hole 5 of the arch electrode 4, tenfold the frequency (f _and ) of the current in closed circuits between the vault electrode 4 and the bottom electrodes 9 and 10, i.e. f _d = f _g = 10f _and . In this case, resonance phenomena are observed from the coincidence of the frequencies f _d and f _g and the stochastic coincidence of the harmonic components of the currents I ₁ and I ₂ with them, which leads to the interaction of the volume and surface flows of the melt 16 generated by three methods, with obtaining a super-effect on the intensification of the melt mixing process 16. Depending on the capacity of the furnace 2, the geometry of the bath of the melt 16, its electrophysical properties, the nominal value of the total current I _d , the maximum allowable duration of one period of change the current τ _and (FIG. 2) flowing through the melt 16, the optimal frequency f _and current changes I _d in the circuits of the vault electrode 4 and the bottom electrodes 9 and 10 and, accordingly, the ripple frequency of the current f _d and the plasma-forming gas f _{g are} selected. The optimal frequency is maintained by reference unit 18 in the range of 0.1-10 Hz. The regulation of the frequency of current changes in closed circuits (f _and ), ripples of the current (f _d ) and plasma-forming gas (f _g ) is preferably in the in-phase mode of their change. The diagram of the time variation of the main parameters of the electric melting (Fig. 2), constructed as an example at optimal frequencies equal to 1.0 Hz, shows the nature of the pulsations of the flow of the plasma-forming gas G _g and the instantaneous value of the total current I _d depending on the change in the average current values in closed electrical circuits between the vault electrode 4 (figure 1) and, accordingly, the bottom electrodes 9 (I ₁ ) and 10 (I ₂ ). The amplitude of the ripple of the total current I _{d max} -I _{d min} (figure 2) can be set in the range of 30-80% of its nominal value. In the period of alloying through the hole 5 (figure 1) in the vault electrode 4 using the feeder 22 serves in the flow of a pulsating plasma-forming gas powder ligature. In the arc 15, the powder is heated and melted with effective assimilation and mixing in the melt 16. Further mixing of the melt 16 is continued until the desired chemical composition is obtained. After that, the power supply 8 is turned off, the plasma-forming gas is turned off through the vault electrode 4, the slag is downloaded and the finished melt 16 is drained. In general, the proposed method improves the furnace productivity due to uniform melt 16 mixing throughout the volume, and also eliminates the formation of stable local vortices above hearth electrodes 9 and 10 and a directed hydrodynamic jet in the melt 16 from the arc spot of the arc 15 to the hearth 1, which reduces the wear of the hearth electrodes 9 and 10 and the lining of the hearth 1 with increasing x turnaround cycle campaign. To intensify the main technological processes of electric melting, it is recommended to use pulsation superposition on arc current 15 and plasma-forming gas flow with the maximum possible modulation coefficients, with a pulsation frequency of up to 10 Hz and a pulse duty cycle of two. Thus, the imposition of forced pulsations on the parameters of the arc 15 and on the plasma-forming gas flow supplied through the through axial hole 5 in the arch electrode 4, with frequencies in the range of 0.1-10 Hz, taken equal to ten times the frequency of the current in closed circuits between the arch 4 and hearth electrodes 9 and 10, has an intensifying effect on the processes of heat and mass transfer between the arc 15 and the component of the charge 3, as well as on the mixing of the molten bath 16, and increases the performance of electric melting.

Пример осуществления способаAn example of the method

Проводили испытания предложенного способа электроплавки на лабораторной дуговой печи постоянного тока емкостью 20 т. Средний ток дуги 15 устанавливался на уровне 16 кА; среднее напряжение источника электропитания 8, реализуемое на дуге 15, поддерживалось 600 В; средняя активная мощность, подводимая к печи - 9,6 МВт. Периодическое изменение токов I₁ и I₂, протекающих поочередно через два подовых электрода 9 и 10, осуществлялось с частотой в диапазоне 0,01-1,0 Гц с помощью регуляторов тока 11 и 12, управляемых от блока задания 18 и микропроцессорного блока управления 17, например контроллера фирмы Simens. В качестве регуляторов 11 и 12 использовались автоматические тиристорные переключатели. Подовые электроды 9 и 10 сдвинуты от оси сводового графитового электрода 4 и находятся под некоторым гулом между собой. В процессе электроплавки проводилось плавление стальной шихты 3, нагрев расплава 16 до температуры 1690°С, его рафинирование путем десульфурации основным шлаком и легирование за счет введения в расплав 16 неазотированного ферромарганца, который подавался в виде порошка со средним диаметром частиц 0,5-1,0 мм, транспортируемого пульсирующим потоком плазмообразующим газом через отверстие 5 в сводовом электроде 4. Для получения пульсаций газа использовался электромеханический пульсатор 6 дискового типа с мощностью двигателя 20-3 кВт, а для генерации пульсаций тока дуги 15 - тиристорные регуляторы частоты 11 и 12. Частота пульсаций тока дуги 15 и потока плазмообразующего газа поддерживалась блоком задания 18 в диапазоне 0,1-10 Гц, десятикратной частоте изменения величины тока, протекающего в замкнутых цепях между сводовым 4 и подовыми электродами 9 и 10. Наложение пульсаций на ток дуги 15 и подача плазмообразующего газа через сводовый электрод 4 увеличивают степень турбулизации на поверхности и внутри ванны расплава 16, с образованием стоячих волн, идущих от пульсирующей лунки 21 и отраженных от границ ванны. При этом наложение пульсаций на ток дуги 15 и подача пульсирующего потока плазмообразующего газа через полый сводовый электрод 4 с частотами пульсаций, равных десятикратной частоте изменения величины тока в замкнутых электрических цепях между сводовым электродом 4 и подовыми электродами 9 и 10, приводит к возникновению резонанса между стоячими волнами на поверхности ванны расплава 16 и периодическими потоками от взаимодействия собственного магнитного поля с током дуги 15. В условиях данного резонанса по результатам физического моделирования усиливаются процессы массопереноса, и интенсивность перемешивания расплава 16 возрастает в 2-3 раза. В процессе электроплавки получали нержавеющую сталь марки Х18АГ14, отвечающую среднему химическому составу, %: С - 0,03; Si - 0,6; Mn - 13,5; S - 0,02 и Р - 0,015.Tested the proposed method of electric melting in a laboratory DC direct current arc furnace with a capacity of 20 tons. The average arc current 15 was set at 16 kA; the average voltage of the power source 8, implemented on the arc 15, was supported 600 V; the average active power supplied to the furnace is 9.6 MW. Periodic changes of currents I ₁ and I ₂ , flowing alternately through two hearth electrodes 9 and 10, were carried out with a frequency in the range of 0.01-1.0 Hz using current regulators 11 and 12, controlled from task unit 18 and microprocessor control unit 17 , for example, a Simens controller. As regulators 11 and 12, automatic thyristor switches were used. The hearth electrodes 9 and 10 are shifted from the axis of the vault graphite electrode 4 and are located under a certain hum among themselves. In the process of electric melting, the steel charge 3 was melted, the melt 16 was heated to a temperature of 1690 ° С, it was refined by desulfurization with the main slag and doped by introducing non-nitrided ferromanganese into the melt 16, which was supplied in the form of a powder with an average particle diameter of 0.5-1, 0 mm, transported by a pulsating plasma-forming gas flow through a hole 5 in the arch electrode 4. To obtain gas pulsations, an electromechanical pulsator 6 of a disk type with an engine power of 20-3 kW was used, and for generating and ripple of the arc current 15 - thyristor frequency regulators 11 and 12. The ripple frequency of the arc current 15 and the plasma gas flow was supported by the task unit 18 in the range of 0.1-10 Hz, ten times the frequency of the magnitude of the current flowing in closed circuits between the vault 4 and the bottom electrodes 9 and 10. The application of pulsations to the arc current 15 and the supply of plasma-forming gas through the vault electrode 4 increase the degree of turbulization on the surface and inside the melt pool 16, with the formation of standing waves coming from the pulsating hole 21 and reflected from the boundaries of the bath. In this case, the imposition of ripples on the arc current 15 and the supply of a pulsating plasma-forming gas flow through the hollow arch electrode 4 with pulsation frequencies equal to ten times the frequency of the current in closed circuits between the arch electrode 4 and the hearth electrodes 9 and 10, leads to a resonance between the standing waves on the surface of the melt pool 16 and periodic flows from the interaction of the intrinsic magnetic field with the arc current 15. Under the conditions of this resonance according to the results of physical modeling Ia enhanced mass transfer processes, and intensity of stirring melt 16 increases in 2-3 times. In the process of electric melting, stainless steel of the grade X18AG14 was obtained, corresponding to the average chemical composition,%: C - 0.03; Si 0.6; Mn 13.5; S is 0.02 and P is 0.015.

В таблице приведены примеры осуществления предложенного способа, выявляющие эффективность заявленного диапазона частот пульсаций. Из сравнений результатов использования предлагаемого изобретения выявлено, что эффективный диапазон пульсаций I_д и G_г находится в пределах 0,1-10 Гц, а наиболее оптимальной частотой пульсаций является частота 1 Гц. При частоте пульсаций I_д и G_г менее 0,1 Гц и более 10 Гц достигается производительность печи на уровне прототипа.The table shows examples of the implementation of the proposed method, revealing the effectiveness of the claimed range of ripple frequencies. From comparisons of the results of using the present invention, it was revealed that the effective pulsation range I _d and G _g is in the range of 0.1-10 Hz, and the most optimal pulsation frequency is 1 Hz. When the pulsation frequency I _d and G _g less than 0.1 Hz and more than 10 Hz, the furnace performance at the prototype level is achieved.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить производительность печи за счет:Using the proposed method allows to increase the productivity of the furnace due to:

- уменьшения длительности всех этапов электроплавки, являющегося следствием интенсификации перемешивания расплава за счет резонансных явлений, обусловленных применением новых технических решений;- reducing the duration of all stages of electric melting, which is a consequence of the intensification of mixing of the melt due to resonance phenomena due to the use of new technical solutions;

- снижения удельного расхода электроэнергии на плавку вследствие уменьшения продолжительности основных технологических процессов, связанных с расплавлением шихты, перегревом, рафинированием и легированием расплава;- reducing the specific energy consumption for smelting due to a decrease in the duration of the main technological processes associated with the melting of the charge, overheating, refining and alloying of the melt;

- уменьшения числа погасаний дуги за счет повышения стабильности ее горения при обжатии плазмообразующим газом, что снижает непроизводительные простои печи и повышает производительность электроплавки;- reducing the number of extinctions of the arc by increasing the stability of its combustion during compression by a plasma-forming gas, which reduces unproductive downtime of the furnace and increases the productivity of electric melting;

- увеличения межремонтной кампании за счет повышения стойкости подовых электродов в связи с уменьшением токовых нагрузок.- increase the overhaul campaign by increasing the resistance of the bottom electrodes in connection with the reduction of current loads.

№ п/п
No. p / p
Показатель
Indicator
Частота пульсаций общего тока дуги f_д и потока плазмообразующего газа (верхняя цифра) и частота изменения величин токов в замкнутых электрических цепях между сводовым и подовым электродами f_и (нижняя цифра), ГцThe ripple frequency of the total arc current f _d and the plasma-forming gas flow (upper digit) and the frequency of changes in currents in closed electrical circuits between the arch and bottom electrodes f _and (lower digit), Hz Степень улучшения при оптимальной частоте f_д=f_г=1 Гц; f_и=10 ГцThe degree of improvement at the optimal frequency f _d = f _g = 1 Hz; f _and = 10 Hz

one The duration of heating and melting the mixture, min 115 80 85 79 114 30% reduced 2 Duration of refining, min 40 thirty twenty 29th 42 2 times reduced 3 Duration of alloying the melt, min 21 12 7 10 twenty 3 times reduced four The total duration of the heat, min 176 122 112 120 170 Reduced by 27% 5 Furnace productivity, t / h 6.8 10.1 10.8 10.15 6.9 Increased 1.6 times 6 Specific energy consumption for smelting, kWh / t 450 300 286 305 452 Decreased by 1.57 times 7 Burnout of charge materials and ferroalloys,% 1,5 1,0 1,1 0.99 1.45 Decreased by 0.4% 8 Specific consumption of ferromanganese, kg / t 20.8 16,2 13,2 15.9 20.5 Decreased by 1.58 times 9 The sulfur content in steel,% 0,021 0.01 0.008 0.01 0.02 Decreased 2.63 times 10 Graphite electrodes consumption,
kg / t 1,5 1.3 1,11 1.3 1,5 Decreased 1.34 times eleven The average statistical number of extinctions of the arc (for 20 heats) 5 2 one 2 5 Decreased 5 times

Claims

A method of electric melting in a direct current arc furnace, including loading the charge into the furnace, creating an electrical contact between the arch electrode and the charge, turning on the power source, melting the charge by the arc when the total current flows through closed electric circuits, including the arch electrode, the interelectrode gap, and the batch that forms the melt , hearth electrodes with current leads and a power source, control of the parameters of the arc and a power source, heating, refining and alloying of the melt with its alternating current by periodically changing the magnitude of the current in closed electric circuits with a regulated frequency and with a corresponding increase in the intensity of the field of electromagnetic forces in the melt, characterized in that the control of the parameters of the arc and the power source is performed by superimposing pulsations to the total arc current and by supplying a pulsating plasma-forming gas flow through the through axial hole to the arch into the interelectrode gap an electrode, moreover, the pulsation frequencies of the total arc current and the plasma-forming gas flow are selected in the range of 0.1-10 Hz and are taken equal to ten times the frequency of currents in closed electrical circuits between the roof and bottom electrodes, and during the doping period, they are introduced into the pulsating plasma-forming gas flow powdered ligatures through a vault electrode.