RU2348880C2

RU2348880C2 - Laser steel furnace

Info

Publication number: RU2348880C2
Application number: RU2007109680/02A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Иванович Косырев (RU); Анатолий Иванович Косырев; Олег Михайлович Сосонкин (RU); Олег Михайлович Сосонкин; Матвей Владимирович Шишимиров (RU); Матвей Владимирович Шишимиров; Алексей Михайлович Якушев (RU); Алексей Михайлович Якушев
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2009-03-10
Also published as: RU2007109680A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention is referred to ferrous metallurgy and may be used for steel production in steel-smelting workshops. The furnace consists of a housing closed with crown and bottom plate lined with fireproof materials. The furnace is provided with one or more laser plants mounted on the crown or furnace walls. The laser plants are ensured with the specific facilities allowing for their continuous circular motion or reciprocal motion within horizontal plate. The furnace housing or crown is linked with a vacuum system via pipeline so that it can be connected when metal degassing starts or disconnected after degassing completion.

EFFECT: improved quality and reduced production cost of smelted steel; reduced capital costs for steel production.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве стали в сталеплавильных цехах.The invention relates to the field of ferrous metallurgy and can be used in the production of steel in steelmaking workshops.

Наиболее близкими по технической сути к предлагаемому изобретению являются плавильные металлургические печи, в которых для плавления стали используют электрические дуги переменного и постоянного тока или электронные лучи.The closest in technical essence to the present invention are smelting metallurgical furnaces in which electric arcs of alternating and direct current or electron beams are used for steel melting.

Электродуговая печь переменного тока (Кудрин В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. - М.: Мир, ООО «Издательство ACT», 2003. - с.253) имеет корпус круглого сечения, закрытый сводом (огнеупорным или водоохлаждаемым), под (ванну для расплавляемого металла), футерованный огнеупорными материалами, три проходящих через свод графитизированных электрода, подключенных к печному трехфазному трансформатору. Электродуговая печь постоянного тока дополнительно имеет тиристорный преобразователь переменного тока в постоянный ток и водо- или воздухоохлаждаемые подовые электроды (Кудрин В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. - М.: Мир, ООО «Издательство ACT», 2003. - с.253). Электроннолучевая печь имеет герметичный стальной кожух, в котором размещены огнеупорный тигель для плавки и форма для заливки готового металла, либо переплавляемая заготовка и кристаллизатор под ней. Для работы печи необходим выпрямитель переменного тока и разгоняющее напряжение до 30 кВ.AC electric arc furnace (VA Kudrin Theory and technology of steel production: A textbook for high schools. - M .: Mir, LLC "Publishing house ACT", 2003. - p.253) has a circular housing enclosed by a vault (fireproof or water-cooled ), under (bath for molten metal), lined with refractory materials, three passing through a set of graphitized electrodes connected to a three-phase furnace transformer. The DC electric arc furnace additionally has a thyristor converter of alternating current to direct current and water- or air-cooled hearth electrodes (Kudrin V.A. Theory and technology of steel production: Textbook for high schools. - M.: Mir, LLC Publishing House ACT, 2003. - p. 253). The electron beam furnace has a sealed steel casing in which a refractory crucible for melting and a mold for pouring the finished metal are placed, or a remelted billet and mold under it. For the operation of the furnace, an AC rectifier and accelerating voltage up to 30 kV are required.

К недостаткам известных электродуговых печей следует отнести необходимость использования мощных трансформаторов, дорогих графитизированных электродов, тиристорных преобразователей, подового электрода, а также высокий расход огнеупоров (Еланский Г.Н., Линчевский Б.В., Кальменев А.А. Основы производства и обработки металлов. - М.: МГВМИ, 2003. - с.162).The disadvantages of the known electric arc furnaces include the need to use powerful transformers, expensive graphitized electrodes, thyristor converters, a hearth electrode, as well as high consumption of refractories (Elansky G.N., Linchevsky B.V., Kalmenev A.A. Basics of metal production and processing . - M .: MGVMI, 2003 .-- p.162).

К недостаткам известных электроннолучевых печей следует отнести необходимость поддержания в процессе плавки глубокого вакуума 10^-2-10^-3 Па, т.к. при наличии воздуха или любого другого газа электроны на пути от катода до нагреваемого металла будут задержаны электронами атомов газов, составляющих атмосферу печи, и процессы плавления и нагрева металла происходить не будут (Сидоренко М.Ф., Косырев А.И. Автоматизация и механизация электросталеплавильного и ферросплавного производств. - М.: Металлургия, 1975. - с.214). Поэтому шихтовые материалы, переплавляемые в электроннолучевых печах, требуют предварительной дегазации путем вакуумной плавки или отжига (Линчевский Б.В. Вакуумная металлургия стали и сплавов. - М.: Металлургия, 1970. - с.183). Кроме того, из-за большого перегрева ванны потери металла на испарение достигают 24,2% (Юнаков В.М. и др. // Сталь, 1967, №7, с.606).The disadvantages of the known electron beam furnaces include the need to maintain a high vacuum of 10 ^-2 -10 ^-3 Pa during the smelting process. in the presence of air or any other gas, the electrons on the way from the cathode to the heated metal will be delayed by the electrons of the gas atoms that make up the atmosphere of the furnace, and the processes of melting and heating of the metal will not occur (Sidorenko MF, Kosyrev A.I. Automation and mechanization of electric arc furnace and ferroalloy production. - M .: Metallurgy, 1975. - p.214). Therefore, charge materials melted in electron beam furnaces require preliminary degassing by vacuum melting or annealing (BV Linchevsky, Vacuum Metallurgy of Steel and Alloys. - M .: Metallurgy, 1970. - p.183). In addition, due to the large overheating of the bath, the loss of metal due to evaporation reaches 24.2% (Yunakov V.M. et al. // Steel, 1967, No. 7, p. 606).

Задачей изобретения является улучшение качества и снижение себестоимости получаемой стали, а также уменьшение капитальных затрат на ее производство.The objective of the invention is to improve the quality and reduce the cost of the resulting steel, as well as reducing capital costs for its production.

Поставленный технический результат достигается тем, что предлагаемая электрическая печь для плавки стали имеет корпус, закрытый сводом, под, футерованный огнеупорными материалами, и снабжена одним или несколькими лазерами, установленными на своде или стенах печи и оборудованными устройствами для непрерывного кругового или возвратно-поступательного перемещения в горизонтальной плоскости, а корпус печи соединен трубопроводом с вакуумной системой с возможностью подключения для вакуумирования металла и отключения после окончания вакуумирования.The technical result is achieved by the fact that the proposed electric furnace for melting steel has a casing closed by a vault, lined with refractory materials, and equipped with one or more lasers mounted on the vault or walls of the furnace and equipped with devices for continuous circular or reciprocal movement horizontal plane, and the furnace body is connected by a pipeline to the vacuum system with the ability to connect to evacuate the metal and disconnect after the end of the vacuum emotion.

Изобретение обладает новизной, что следует из сравнения с прототипом, и изобретательским уровнем, так как явно не следует из существующего уровня техники, практически осуществимо в действующих электросталеплавильных цехах.The invention has novelty, which follows from a comparison with the prototype, and the inventive step, since it clearly does not follow from the existing level of technology, is practically feasible in existing electric arc furnaces.

Предлагаемая электрическая печь (см. чертеж) имеет корпус, закрытый сводом 1, под 2, футерованный огнеупорными материалами, рабочее окно 3, и один или несколько оптических квантовых генераторов большой плотности энергии - лазеров (Физическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1990, том 2. - с.549). Лазеры могут быть установлены на огнеупорном или водоохлаждаемом своде - сводовые лазеры 4, или на стенах печи - стеновые лазеры 5, или на своде и стенах одновременно.) Лазеры оборудованы устройствами для непрерывного кругового или возвратно-поступательного перемещения в горизонтальной плоскости. Эти перемещения необходимы для того, чтобы не перегревать металл 6 в одной точке. Корпус одного или нескольких лазеров герметично соединен с корпусом печи, который соединен трубопроводом 7 с вакуумной системой с возможностью подключения для вакуумирования металла непосредственно в печи и отключения после окончания вакуумирования. Это позволяет отказаться от продувки металла кислородом с целью дегазации, уменьшить угар легирующих, отказаться от установки в цехе отдельных агрегатов для вакуумирования металла. Кроме того, улучшается качество получаемой стали, так как отсутствует загрязнение металла продуктами сгорания графитизированных электродов и топлива топливно-кислородных горелок. Легирование металла осуществляют вводом в печь ферросплавов из бункера 8 через отверстие в своде 9, закрываемое шиберным затвором. Выпуск готового металла из печи осуществляют через выпускное отверстие 10, обслуживание которого производят через отверстие 11.The proposed electric furnace (see drawing) has a housing closed by a vault 1, under 2, lined with refractory materials, a working window 3, and one or more optical quantum generators of high energy density - lasers (Physical Encyclopedia. - M .: Soviet Encyclopedia, 1990 Volume 2 - p. 549). Lasers can be mounted on a refractory or water-cooled arch — vault lasers 4, or on the walls of the furnace — wall lasers 5, or on the arch and walls at the same time.) Lasers are equipped with devices for continuous circular or reciprocal movement in a horizontal plane. These movements are necessary in order not to overheat the metal 6 at one point. The housing of one or more lasers is hermetically connected to the furnace body, which is connected by a pipe 7 to the vacuum system with the possibility of connecting to evacuate the metal directly in the furnace and disconnecting after the vacuum has been completed. This allows you to abandon the purge of metal with oxygen for the purpose of degassing, to reduce the doping of alloying materials, to refuse to install separate units in the workshop for evacuating the metal. In addition, the quality of the resulting steel is improved, since there is no metal pollution by the products of combustion of graphitized electrodes and fuel of oxygen-fuel burners. Alloying of the metal is carried out by introducing ferroalloys into the furnace from the hopper 8 through an opening in the vault 9, which is closed by a slide gate. The release of the finished metal from the furnace is carried out through the outlet 10, the maintenance of which is carried out through the hole 11.

Процесс выплавки стали в лазерной сталеплавильной печи, не оборудованной вакуумной системой по классической технологии, состоит из четырех периодов: межплавочный простой, период плавления, окислительный период и восстановительный период. Например, при выплавке нержавеющей стали типа 08Х18Н10Т после подготовки печи в межплавочный простой в нее загружают шихтовые материалы, обеспечивающие по расплавлении содержание углерода 0,35-0,40%; хрома 12-14%; никеля 10-12%; серы ≤0,025%; фосфора ≤0,025%. Плавление шихты ведут на максимальной мощности оптических квантовых генераторов до полного расплавления шихты, непрерывно перемещая генерируемое ими излучение по кругу или возвратно-поступательно для предотвращения локального перегрева ванны. В предлагаемой печи нет необходимости уменьшать подводимую мощность во второй половине периода плавления, как это предусмотрено в дуговых печах для уменьшения нагрева футеровки открытой электрической дугой. Суммарная мощность генераторов зависит от заданной производительности печи. Так для 100-тонной печи при продолжительности периода плавления равной 60 минут суммарная мощность генераторов должна составлять 40 МВт. Если продолжительность периода плавления составит 30 минут, то суммарная мощность генераторов должна быть 70 МВт. Мощность одного генератора равна суммарной мощности деленной на количество генераторов, установленных на печи. Период плавления заканчивается, когда температура металла достигнет 1500-1520°С.The process of steel smelting in a laser steelmaking furnace, which is not equipped with a vacuum system according to classical technology, consists of four periods: intermelting downtime, melting period, oxidation period and recovery period. For example, during the smelting of 08Kh18N10T type stainless steel, after preparation of the furnace, charge materials are loaded into the inter-melting downtime, which provide a carbon content of 0.35-0.40% for melting; chromium 12-14%; nickel 10-12%; sulfur ≤0.025%; phosphorus ≤0.025%. The charge is melted at the maximum power of the optical quantum generators until the charge is completely melted, continuously moving the radiation they generate in a circle or reciprocating to prevent local overheating of the bath. In the proposed furnace, there is no need to reduce the input power in the second half of the melting period, as provided for in arc furnaces to reduce the heating of the lining by an open electric arc. The total capacity of the generators depends on the set furnace capacity. So for a 100-ton furnace with a melting period of 60 minutes, the total capacity of the generators should be 40 MW. If the duration of the melting period is 30 minutes, then the total capacity of the generators should be 70 MW. The power of one generator is equal to the total power divided by the number of generators installed on the furnace. The melting period ends when the temperature of the metal reaches 1500-1520 ° C.

После этого начинают окислительный период - продувку металла кислородом. Через 10-15 минут после начала продувки кислородом оптические квантовые генераторы отключают, чтобы не перегреть металл, поскольку даже при отключенных генераторах температура металла в конце продувки составляет 1800-1900°С. Продувку кислородом заканчивают и переходят к восстановительному периоду плавки, когда содержание углерода в металле станет равным 0,06-0,07%, и сразу вводят феррохром для снижения температуры металла. Затем включают генераторы, и доводят металл до заданного химического состава и температуры ~ 1600°С. После чего производят выпуск металла из печи в ковш.After that, the oxidation period begins - purging the metal with oxygen. 10-15 minutes after the start of the oxygen purge, the optical quantum generators are turned off so as not to overheat the metal, since even with the generators turned off, the metal temperature at the end of the purge is 1800-1900 ° C. The oxygen purge is completed and transferred to the recovery period of the melting, when the carbon content in the metal becomes 0.06-0.07%, and ferrochrome is immediately introduced to lower the temperature of the metal. Then the generators are turned on, and the metal is brought to a predetermined chemical composition and temperature of ~ 1600 ° C. Then produce the release of metal from the furnace into the bucket.

Предлагаемая печь может быть оборудована вакуумной системой. В этом случае нет необходимости проводить окислительный период для дегазации металла и восстановительный период для доведения заданного химического состава и температуры металла. Технологический процесс состоит из межплавочного простоя и периода плавления. Расчет шихты, загружаемой в печь, ведут сразу на заданный химический состав: углерод 0,08%; хром 18%; никель 10%; титан 0,40% и другие элементы согласно технологической инструкции. После загрузки шихтовых материалов печь закрывают сводом, включают вакуумную систему и оптические квантовые генераторы. Вакуумирование металла продолжается весь период плавления, предотвращая угар легирующих элементов и насыщение металла азотом, водородом и кислородом. Период плавления и вся плавка заканчивается, когда температура металла достигнет 1590-1600°С. После чего отключают генераторы, вакуумную систему и выпускают металл в ковш. The proposed furnace can be equipped with a vacuum system. In this case, it is not necessary to carry out an oxidation period for metal degassing and a reduction period for adjusting the given chemical composition and temperature of the metal. The technological process consists of inter-melting downtime and the melting period. The calculation of the charge loaded into the furnace is carried out immediately for a given chemical composition: carbon 0.08%; chrome 18%; nickel 10%; 0.40% titanium and other elements according to the technological instruction. After loading the charge materials, the furnace is closed with a vault, a vacuum system and optical quantum generators are turned on. Evacuation of the metal continues throughout the melting period, preventing the burning of alloying elements and the saturation of the metal with nitrogen, hydrogen and oxygen. The melting period and all melting ends when the temperature of the metal reaches 1590-1600 ° C. Then they turn off the generators, the vacuum system and release the metal into the bucket.

Если в цехе установлены агрегаты внепечной обработки стали (установка ковш-печь, вакууматор), а лазерная печь не оборудована вакуумной системой, то технологический процесс в лазерной печи состоит только из периода плавления, по окончании которого металл при температуре 1520°С выпускают в ковш, а вакуумирование, доводку химического состава и температуры металла производят в агрегатах внепечной обработки.If the out-of-furnace steel processing units are installed in the workshop (ladle furnace, vacuum unit), and the laser furnace is not equipped with a vacuum system, the technological process in the laser furnace consists only of the melting period, after which the metal is released into the ladle at a temperature of 1520 ° C, and evacuation, fine-tuning of the chemical composition and temperature of the metal is carried out in units of out-of-furnace treatment.

Claims

An electric furnace for melting steel, comprising a casing enclosed by a vault, lined with refractory materials, characterized in that it is equipped with one or more lasers mounted on the vault or walls of the furnace casing and equipped with devices for continuous circular or reciprocal movement in a horizontal plane and the furnace body is connected by a pipeline to a vacuum system with the ability to connect to evacuate the metal and disconnect after the end of evacuation.