RU2330072C1

RU2330072C1 - Method of steel melting in arc-plasmous direct current furnace

Info

Publication number: RU2330072C1
Application number: RU2006140062/02A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Николаевич Макаров (RU); Анатолий Николаевич Макаров; Роман Михайлович Зуйков (RU); Роман Михайлович Зуйков
Priority date: 2006-11-13
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2008-07-27
Also published as: RU2006140062A

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: method includes charge melting by direct current with vertical plasmatron, which is installed in furnace arch. After charge melting further melting is carried out by direct current with inclined plasmatron, which is installed in furnace wall, at the angle of 15-30° to metal bath. In all periods of melting the ratio of arc length to bath diameter amounts to 0.7-0.85.

EFFECT: increase of arc radiation to metal and reduction of radiation to furnace walls and arch.

3 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии, к области электротермической техники, а именно к способам ведения плавки в плазменно-дуговых печах постоянного тока.The invention relates to metallurgy, to the field of electrothermal technology, and in particular to methods of conducting melting in direct-current plasma-arc furnaces.

Известен способ плавки стали в плазменно-дуговой печи с керамическим тиглем, питаемой постоянным током, при одном, реже нескольких вертикально расположенных в своде печи плазмотронах. Особенностью электрического режима работы таких печей является работа на длинных дугах 1,5-2,0 м, для введения максимальной мощности дуг и обеспечения наибольшей производительности печи. (Никольский Л.Е., Смоляренко В.Д., Кузнецов Л.Н. Тепловая работа дуговых сталеплавильных печей. - М.: Металлургия, 1981, - стр.10-13, стр.19-31).A known method of melting steel in a plasma-arc furnace with a ceramic crucible fed by direct current, with one, less often several vertically located in the arch of the furnace plasmatrons. A feature of the electric mode of operation of such furnaces is to work on long arcs of 1.5-2.0 m, to introduce the maximum power of the arcs and ensure the highest productivity of the furnace. (Nikolsky L.E., Smolyarenko V.D., Kuznetsov L.N. Thermal work of arc steel-smelting furnaces. - M .: Metallurgy, 1981, - pp. 10-13, pp. 19-31).

Лишь в самом начальном периоде плавки дуги, проплавляя колодцы, частично экранируются твердой шихтой. Значительную часть времени, даже в период расплавления, дуги плазматронов горят открыто, излучая энергию на футеровку. Поэтому основная часть теплоты в таких печах передается от дуг металлу не непосредственно, a путем отражения и вторичного излучения от футеровки, что приводит к перегреву футеровки. И именно перегрев футеровки ограничивает допустимую мощность, вводимую в печь.Only in the very initial period of arc melting, melting the wells, are partially shielded by a solid charge. A significant part of the time, even during the melting period, the plasmatron arcs burn openly, radiating energy to the lining. Therefore, the bulk of the heat in such furnaces is not transferred directly from the arcs to the metal directly, but by reflection and secondary radiation from the lining, which leads to overheating of the lining. And it is the overheating of the lining that limits the allowable power introduced into the furnace.

Прототипом изобретения является способ плавки стали в плазменно-дуговой печи с керамическим тиглем. Плавку ведут постоянным током, при наклонном расположении трех или четырех плазмотронов, установленных в стенах печи под углом в 40-55° к ванне металла, для исключения электродинамического взаимодействия дуг. Особенностью электрического режима работы таких печей является работа на коротких дугах до 0,5 м, для ограничения перегрева футеровки печи вблизи мест ввода плазмотронов. Ограничение длины дуг в таких печах, необходимое для ограничения перегрева футеровки печи вблизи мест ввода плазмотронов компенсируется количеством плазмотронов для увеличения вводимой мощности в печь, (Бортничук Н.И., Крутянский М.М. Плазменно-дуговые плавильные печи. - М.: Энергоиздат, 1981 г., стр.87-93).The prototype of the invention is a method of melting steel in a plasma-arc furnace with a ceramic crucible. Melting is carried out by direct current, with an inclined arrangement of three or four plasmatrons installed in the walls of the furnace at an angle of 40-55 ° to the metal bath, to exclude the electrodynamic interaction of the arcs. A feature of the electric mode of operation of such furnaces is to work on short arcs up to 0.5 m, to limit overheating of the furnace lining near the places where plasmatrons enter. The limitation of the length of the arcs in such furnaces, necessary to limit the overheating of the furnace lining near the plasma torch entry points, is compensated by the number of plasma torches to increase the input power to the furnace, (Bortnichuk N.I., Krutyanskiy M.M. Plasma-arc melting furnaces. 1981, pp. 87-93).

Недостатком этих печей является нестабильность горения дуг в начальный период расплавления твердой шихты, из-за ее обвалов, так как проплавление шихты происходит несколькими наклонными колодцами, что вызывает колебания напряжения и повышенный шум.The disadvantage of these furnaces is the instability of arc burning in the initial period of melting of a solid charge, due to its collapse, since the charge is melted by several inclined wells, which causes voltage fluctuations and increased noise.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработки способа плавки стали, обеспечивающего повышение производительности и уменьшение удельного расхода электроэнергии и времени плавки.The basis of the present invention was the task of developing a method of steel melting, providing increased productivity and reduced specific energy consumption and melting time.

Техническим результатом изобретения является увеличение излучения дуги на металл и снижение на стены и свод печи.The technical result of the invention is to increase arc radiation on the metal and decrease on the walls and arch of the furnace.

Решение поставленной задачи и указанный технический результат достигаются тем, что способ плавки стали в плазменно-дуговой печи характеризуется плавлением шихты на постоянном токе вертикальным плазмотроном, расположенным в своде печи, а после расплавления шихты дальнейшую плавку осуществляют на постоянном токе наклонным плазмотроном, расположенным в стене печи под углом 15-30° к ванне металла, при этом во все периоды плавки отношение длины дуги к диаметру ванны составляет 0,7-0,85.The solution of the problem and the specified technical result are achieved by the fact that the method of steel melting in a plasma-arc furnace is characterized by melting the charge in direct current by a vertical plasmatron located in the furnace arch, and after melting the charge, further melting is carried out in direct current by an inclined plasmatron located in the furnace wall at an angle of 15-30 ° to the metal bath, while in all periods of melting the ratio of the length of the arc to the diameter of the bath is 0.7-0.85.

Первоначальное ведение плавки на постоянном токе вертикальным плазмотроном, расположенным в своде печи, обеспечивает устойчивое положение шихты, равномерность ее нагрева, в результате чего шихта оседает, не теряя своей естественной устойчивости, что, в свою очередь, приводит к стабильности горения дуги и к стабильности электрического режима работы печи. Угловой коэффициент излучения (УКИ) вертикальной дуги на металл, в период расплавления шихты снижается с 0,93 в начале плавки до 0,38 к окончанию расплавления шихты. Дальнейшее ведение плавки осуществляют на постоянном токе наклонным плазмотроном, расположенным в стене печи под углом 15-30° к ванне металла, при этом во все периоды плавки отношение длины дуги к диаметру ванны составляет 0,7-0,85, увеличивает коэффициент излучения дуги на ванну металла до 0,52, что приводит к большей скорости нагрева металла, повышению производительности печи и, как следствие, к сокращению удельного расхода электроэнергии. При угле наклона плазмотрона больше 30° энергия большей частью будет расходоваться на нагрев стен и свода печи, а уменьшение угла наклона плазмотрона меньше 15° приводит к чрезмерному нагреву активной поверхности плазмотрона. Длина дуги при вертикальном расположении плазмотрона определяется необходимой вводимой мощностью. Длина дуги при наклонном положении плазмотрона определяется углом наклона дуги плазмотрона и величиной отношения длины дуги к диаметру ванны, которое составляет 0,7-0,85.Initial direct-current melting by a vertical plasmatron located in the furnace roof provides a stable position of the charge, uniformity of its heating, as a result of which the charge settles without losing its natural stability, which, in turn, leads to the stability of arc burning and to the stability of the electric operating mode of the furnace. The angular coefficient of radiation (USP) of the vertical arc on the metal during the melting of the charge decreases from 0.93 at the beginning of smelting to 0.38 by the end of the melting of the charge. Further melting is carried out with direct current by an inclined plasmatron located in the furnace wall at an angle of 15-30 ° to the metal bath, while in all periods of melting the ratio of the arc length to the diameter of the bath is 0.7-0.85, increases the arc emission coefficient by a metal bath to 0.52, which leads to a higher rate of heating of the metal, increase the productivity of the furnace and, as a result, reduce the specific energy consumption. When the angle of inclination of the plasma torch is more than 30 °, energy will mostly be spent on heating the walls and the arch of the furnace, and a decrease in the angle of inclination of the plasma torch to less than 15 ° leads to excessive heating of the active surface of the plasma torch. The length of the arc with a vertical plasma torch is determined by the required input power. The length of the arc at an inclined position of the plasma torch is determined by the angle of inclination of the arc of the plasma torch and the ratio of the length of the arc to the diameter of the bath, which is 0.7-0.85.

Способ плавки стали в плазменно-дуговой печи иллюстрируется на следующих чертежах, где на фиг.1 показано расплавление шихты с использованием дуги вертикально расположенного в своде печи плазмотрона; на фиг.2 - окончание периода расплавления шихты с использованием дуги вертикально расположенного в своде печи плазмотрона; на фиг.3 - жидкие периоды плавки с использованием дуги наклоненного под углом в 15-30° к ванне металла плазмотрона, расположенного в стене печи.The method of steel melting in a plasma-arc furnace is illustrated in the following drawings, where Fig. 1 shows the melting of a charge using an arc of a plasma torch located vertically in the roof of the furnace; figure 2 - the end of the melting period of the charge using an arc vertically located in the arch of the furnace plasmatron; figure 3 - liquid melting periods using an arc inclined at an angle of 15-30 ° to the metal bath of the plasma torch located in the wall of the furnace.

Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом. Прорезку колодца в шихте, а также весь период расплавления шихты вели на постоянном токе (расчеты проводились для плазменно-дуговой печи типа ПСП-30: сила тока I_Д = 10 кА; выпрямленное напряжение U_И.П.= 825 В; напряжение плазмотрона U_Д = 600 В; мощность на каждой дуге Р_Д = 10×600 = 6000 кВт; расчетная длина дуги при градиенте напряжения столба дуги gradU = 0,27 В/мм составляет I_Д = 600/0,27 = 2200 мм) дугой вертикально расположенного в своде печи плазмотрона, что обеспечивает устойчивое положение шихты, равномерность ее нагрева. В результате чего шихта оседает, не теряя своей естественной устойчивости, что, в свою очередь, приводит к стабильности горения дуги и к стабильности электрического режима работы печи. В результате оседания шихты и уменьшения высоты колодца под прямое излучение дуги попадает свод и открытая, свободная от шихты, часть стен. Коэффициент излучения на ванну металла, т.е. доля мощности дуги, приходящаяся на поверхность ванны металла, уменьшается с 0,93 до 0,38, а коэффициент излучения на поверхность стен и свода увеличивается с 0,07 до 0,62. После того как произошло расплавление шихты, вертикально расположенный в своде печи плазмотрон отключали и продолжали плавку на постоянном токе наклоненным плазмотроном, расположенным в стене печи под углом в 15-30^° к ванне металла. Ведение плавки осуществляли при той же мощности, что и вертикально расположенным плазмотроном, при этом отношение длины дуги к диаметру ванны составляет 0,7-0,85. Коэффициент излучения дуги на ванну металла, наклоненного под углом плазмотрона, расположенного в стене печи, увеличивается до 0,52, что приводит к большей скорости нагрева металла, к повышению производительности печи и, как следствие, к сокращению удельного расхода электроэнергии. При рекомендуемом пространственном положении дуги внутри рабочего пространства печи величина среднего суммарного УКИ составляет 0,52. Для сравнения при той же длине дуги, но вертикальном расположении по центру плавильного пространства печи величина среднего суммарного УКИ составляет 0,38. Как следствие, КПД дуги повышается на 12%, а удельный расход электроэнергии сокращается не менее чем на 7...8%. Чем ближе расположение плазменной дуги к ванне металла, тем больше угловой коэффициент на ванну металла и тем выше КПД дуги. Однако приближение плазмотрона к поверхности ванны металла приводит к чрезмерному нагреву активной поверхности плазмотрона и увеличению вероятности разрушения плазмотрона за счет попадания брызг и паров расплавляемого металла. Поэтому наклонять плазменную дугу на угол, меньший 15°, к ванне металла нецелесообразно.The proposed method can be implemented as follows. Cutting the well in the charge, as well as the entire period of melting the charge, was carried out with direct current (calculations were performed for a plasma-arc furnace of the PSP-30 type: current strength I _D = 10 kA; rectified voltage U _I.P. = 825 V; voltage of the plasma torch U _D = 600 V; power on each arc R _D = 10 × 600 = 6000 kW; the calculated length of the arc with the gradient of the column voltage gradU = 0.27 V / mm is I _D = 600 / 0.27 = 2200 mm) by the arc vertically located in the arch of the plasma torch, which ensures a stable position of the mixture, the uniformity of its heating. As a result, the charge settles without losing its natural stability, which, in turn, leads to stability of arc burning and stability of the electric mode of operation of the furnace. As a result of the settling of the charge and a decrease in the height of the well, the arch and the exposed part of the walls, free of charge, fall under direct arc radiation. The emissivity to the metal bath, i.e. the fraction of arc power per metal bath surface decreases from 0.93 to 0.38, and the emissivity to the surface of the walls and arch increases from 0.07 to 0.62. After the charge was melted, the plasma torch vertically located in the roof of the furnace was turned off and the direct current melting was continued with an inclined plasma torch located in the furnace wall at an angle of 15-30 ^° to the metal bath. The smelting was carried out at the same power as a vertically located plasmatron, while the ratio of the length of the arc to the diameter of the bath is 0.7-0.85. The emissivity of the arc to the metal bath, tilted at an angle of the plasma torch located in the furnace wall, increases to 0.52, which leads to a higher rate of heating of the metal, to increase the productivity of the furnace and, as a result, to reduce the specific energy consumption. With the recommended spatial position of the arc inside the working space of the furnace, the average total ultrashort pulse is 0.52. For comparison, with the same arc length, but vertical in the center of the furnace melting space, the average total ultrashort pulse is 0.38. As a result, the efficiency of the arc increases by 12%, and the specific energy consumption is reduced by at least 7 ... 8%. The closer the location of the plasma arc to the metal bath, the greater the angular coefficient on the metal bath and the higher the arc efficiency. However, the approach of the plasma torch to the surface of the metal bath leads to excessive heating of the active surface of the plasma torch and increases the likelihood of destruction of the plasma torch due to the ingress of spray and vapor of the molten metal. Therefore, tilting the plasma arc at an angle less than 15 ° to the metal bath is impractical.

Данный способ плавки в плазменно-дуговой печи характеризуется ведением плавки на постоянном токе первоначально вертикальным плазмотроном, расположенным в своде печи, а после расплавления шихты в жидкие периоды плавки на постоянном токе наклонным плазмотроном, расположенным в стене печи под углом 15-30° к ванне металла, при этом отношение длины дуги к диаметру ванны во все периоды плавки составляет 0,7-0,85.This method of melting in a plasma-arc furnace is characterized by conducting direct current melting with an initially vertical plasmatron located in the furnace arch, and after melting the charge in liquid periods of direct current melting with an inclined plasmatron located in the furnace wall at an angle of 15-30 ° to the metal bath , the ratio of the length of the arc to the diameter of the bath in all periods of melting is 0.7-0.85.

Claims

The method of steel melting in a plasma-arc furnace, including melting the charge at a constant current vertically mounted plasmatron located in the arch of the furnace, characterized in that after melting the charge, further melting is carried out at a constant current inclined plasma torch located in the furnace wall at an angle of 15-30 ° to the metal bath, while in all periods of melting the ratio of the length of the arc to the diameter of the bath is 0.7-0.85.