RU2572949C2

RU2572949C2 - Dc arc furnace

Info

Publication number: RU2572949C2
Application number: RU2014119181/02A
Authority: RU
Inventors: Михаил Георгиевич Кузьмин; Анатолий Карпович Масалов; Виталий Николаевич Мошняга; Ильяз Юнусович Зинуров; Александр Витальевич Речкалов; Вячеслав Федорович Вергай; Сергей Евгеньевич Малков
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2016-01-20
Also published as: RU2014119181A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: DC arc furnace contains casing with bottom, dome, bath with metal melt located below the door step of the work window, framed by lining, top cathode with electrode holder connected with DC source and having possibility of vertical movement, and anode supply in form of one or several hearth electrodes. Inside the casing between bottom and step of the work window the ring reactance coil twisted out of electroconductive insulated busbar connected to DC source, and creating with located inside cathode, bath and hearth electrode conducting direct current the system creating electromagnetic forces moving the metal melt. In the bottom centre at the inside surface the ferromagnetic boss is installed.

EFFECT: invention increases efficiency of metal bath mixing, improves alloying elements recovery by metal, and accelerates the melting.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для производства чугуна, стали и цветных металлов.The invention relates to the field of metallurgy and can be used for the production of cast iron, steel and non-ferrous metals.

Известна дуговая печь постоянного тока, оснащенная подовым электродом, под днищем которой расположена соединенная с катодом магнитная катушка, создающая магнитное поле. Электромагнитные силы, возникающие при взаимодействии магнитного поля с постоянным током, протекающим между катодом, металлом и подовым электродом (анодом), стабилизируют дугу и обеспечивают эффект перемешивания металла в азимутальном направлении (патент США №4228314 (A), 14 октября 1980 г. МПК H05B 7/00).A known direct current arc furnace equipped with a hearth electrode, under the bottom of which is located a magnetic coil connected to the cathode, creating a magnetic field. Electromagnetic forces arising from the interaction of a magnetic field with direct current flowing between the cathode, metal and the bottom electrode (anode) stabilize the arc and provide the effect of mixing the metal in the azimuthal direction (US patent No. 4228314 (A), October 14, 1980 IPC H05B 7/00).

Недостатком этой конструкции является расположение магнитной катушки под днищем, являющимся экраном, что резко снижает проникновение магнитного поля в рабочее пространство печи и уменьшает эффективность перемешивания ванны.The disadvantage of this design is the location of the magnetic coil under the bottom, which is the screen, which dramatically reduces the penetration of the magnetic field into the working space of the furnace and reduces the efficiency of mixing the bath.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является дуговая печь постоянного тока, на которой за счет установки подовых электродов пластинчатого типа обеспечивается перемещение расплавленного металла под дугой. Затем металл вдоль подины перемещается в периферии и возвращается к зоне горения дуг по поверхности расплава.The closest technical solution, selected as a prototype, is a direct current arc furnace, on which, due to the installation of hearth plate-type electrodes, the molten metal is moved under the arc. Then the metal along the bottom moves in the periphery and returns to the zone of arc burning along the surface of the melt.

Перемешивание жидкого металла способствует выравниванию температуры и однородности метала, а также расплавлению холодной шихты (Коваленко В.И. Дуговые сталеплавильные печи с подовым электродом (зарубежный опыт) / Ин-т «Чермет-информация» М., 1987 (Обзорн. информ. Сер. Сталеплавильное производство. Вып. 1, с. 14).Mixing liquid metal helps to equalize the temperature and uniformity of the metal, as well as the melting of the cold charge (Kovalenko V.I. Arc steelmaking furnaces with a hearth electrode (foreign experience) / Institute "Chermet-information" M., 1987 (Review. Inform. Ser. Steelmaking. Issue 1, p. 14).

Основным недостатком этой печи является то, что перемешивание металла происходит в одной плоскости, что приводит к появлению застойных зон в ванне с металлом. Другим недостатком описанной дуговой печи постоянного тока является низкая стойкость подового электрода пластинчатого типа. Кроме того, на печах такого типа не рекомендуется заправлять подину из опасения нарушить контакт между расплавом и пластинчатым подовым электродом. Это, в свою очередь, ведет к ускоренному износу подины и, в конечном счете, приводит к снижению эффекта перемешивания ванны.The main disadvantage of this furnace is that the mixing of the metal occurs in the same plane, which leads to the appearance of stagnant zones in the bath with metal. Another disadvantage of the described DC arc furnace is the low resistance of the plate bottom type electrode. In addition, on furnaces of this type it is not recommended to refuel the hearth for fear of breaking the contact between the melt and the plate-shaped bottom electrode. This, in turn, leads to accelerated wear of the hearth and, ultimately, reduces the effect of mixing the bath.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в создании дуговой печи постоянного тока, не имеющей вышеперечисленных недостатков.The problem to which the claimed technical solution is directed is to create a direct current arc furnace that does not have the above disadvantages.

Для решения поставленной задачи создана дуговая печь постоянного тока, включающая корпус с днищем, свод, расположенную ниже порога рабочего окна ванну с металлическим расплавом, обрамленную футеровкой, верхний катод с электрододержателем, соединенный с источником постоянного тока, имеющий возможность вертикального перемещения, и анодный подвод в виде одного или нескольких подовых электродов, согласно изобретению внутри корпуса между днищем и порогом рабочего окна размещена кольцевая катушка индуктивности, навитая из электропроводной изолированной шины, подсоединенной к источнику постоянного тока, которая образует с расположенными внутри нее катодом, ванной и подовым электродом, по которым протекает постоянный ток, систему, создающую электромагнитные силы, перемещающие металлический расплав. На центре днища с внутренней стороны установлена ферромагнитная бобышка.To solve this problem, a direct current arc furnace was created, including a housing with a bottom, a vault, a bath with a metal melt located below the threshold of the working window, framed by a lining, an upper cathode with an electrode holder connected to a direct current source with the possibility of vertical movement, and an anode supply to in the form of one or more hearth electrodes, according to the invention, an annular inductor wound from an electrically conductive coil is placed inside the housing between the bottom and the threshold of the working window and an isolated busbar connected to a direct current source, which forms with a cathode, a bathtub and a bottom electrode located inside it, through which direct current flows, a system that creates electromagnetic forces that move the metal melt. A ferromagnetic boss is installed on the center of the bottom from the inside.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение эффективности перемешивания металлической ванны, лучшее усвоение металлом легирующих элементов и других добавок, а также ускорение процесса плавления.The technical result provided by the given set of features is to increase the mixing efficiency of the metal bath, the better absorption of alloying elements and other additives by the metal, as well as the acceleration of the melting process.

Кольцевая катушка индуктивности, навитая из электропроводной изолированной шины, при подключении к источнику постоянного тока создает магнитные силовые линии. Благодаря расположению катушки внутри корпуса печи, являющегося экраном для магнитных силовых полей, основная их часть направляется в сторону футеровки и ванны с металлическим расплавом. Расположение катушки по высоте между днищем печи и порогом рабочего окна обеспечивает направление магнитных силовых линий на футеровку подины и откосов, расположенный внутри футеровки подовый электрод и металлический расплав. Магнитные силовые линии взаимодействуют с постоянным током, протекающим по расположенным внутри катушки индуктивности, катодом, металлическим расплавом и подовым электродом и создают электромагнитные силы, перемещающие металлический расплав в азимутальном и меридиальном направлениях и обеспечивающие эффективное объемное перемешивание ванны без застойных зон. Износ подины не влияет на магнитные силовые линии и не снижает эффекта перемешивания ванны. Конвективные потоки, возникающие при перемешивании, обеспечивают быстрое растворение вносимых в ванну легирующих и других добавок, а также ускоряют доплавление нерасплавившихся кусков металлического лома.An annular inductor, wound from an electrically conductive insulated bus, creates magnetic field lines when connected to a direct current source. Due to the location of the coil inside the furnace body, which is a screen for magnetic force fields, their main part is directed towards the lining and the bath with a metal melt. The location of the coil in height between the bottom of the furnace and the threshold of the working window ensures the direction of magnetic lines of force to the lining of the hearth and slopes, a hearth electrode and a metal melt located inside the lining. Magnetic lines of force interact with direct current flowing along the inside of the inductor, the cathode, the metal melt and the hearth electrode and create electromagnetic forces that move the metal melt in the azimuthal and meridian directions and provide effective volumetric mixing of the bath without stagnant zones. The wear of the bottom does not affect the magnetic lines of force and does not reduce the effect of mixing the bath. The convective flows arising with stirring provide a quick dissolution of alloying and other additives introduced into the bath, and also accelerate the remelting of unmelted pieces of scrap metal.

Как показывают исследования на холодной модели, благодаря наличию ферромагнитной бобышки, установленной на центре днища с внутренней его стороны, удается концентрировать магнитные силовые линии в центре ванны и на 18-20% ускорить растворение вводимых в ванну добавок.As studies on the cold model show, due to the presence of a ferromagnetic boss mounted on the center of the bottom from the inside, it is possible to concentrate magnetic lines of force in the center of the bath and accelerate the dissolution of additives introduced into the bath by 18-20%.

Конструкция дуговой печи постоянного тока поясняется чертежом, на котором представлен общий вид печи.The design of the DC arc furnace is illustrated by the drawing, which shows a General view of the furnace.

Дуговая печь постоянного тока одержит корпус 1 с днищем 2, свод 3, расположенную ниже порога рабочего окна 4 ванну 5 с металлическим расплавом 6, обрамленную футеровкой 7. Печь оснащена верхним катодом 8 с электрододержателем 9, соединенным с источником постоянного тока, имеющим возможность вертикального перемещения, и анодным подводом в виде одного или нескольких подовых электродов 10. Внутри корпуса печи 1 установлена кольцевая катушка индуктивности 11, навитая из электропроводной изолированной шины, имеющая соединение 12 с источником постоянного тока. Внутри кольцевой катушки индуктивности 11 располагается катод 8, ванна 5 и подовый электрод 10. В центре днища 2 установлена ферромагнитная бобышка 13.The direct current arc furnace has a housing 1 with a bottom 2, arch 3, located below the threshold of the working window 4, a bath 5 with a metal melt 6 framed by a lining 7. The furnace is equipped with an upper cathode 8 with an electrode holder 9 connected to a direct current source with the possibility of vertical movement , and an anode inlet in the form of one or more hearth electrodes 10. Inside the furnace body 1, an annular inductor 11 is installed, wound from an electrically conductive insulated bus, having a connection 12 to a constant source current. Inside the ring inductor 11 is a cathode 8, a bath 5 and a hearth electrode 10. In the center of the bottom 2 there is a ferromagnetic boss 13.

Работает дуговая печь постоянного тока следующим образом. После окончания плавления шихты дуга постоянного тока горит между верхним катодом 8 и металлическим расплавом 6, находящимся в ванне 5, обрамленной футеровкой 7. При наличии в ванне нерасплавившихся кусков шихты, а также введении легирующих элементов или других добавок появляется необходимость перемешивания ванны 5. Для этого к кольцевой катушки индуктивности 11 через соединение 12 подается напряжение постоянного тока. При этом создается магнитное поле, охватывающее металлический расплав 6. Наличие ферромагнитной бобышки 13 позволяет усилить магнитное поле и концентрировать его в средней части ванны 5. Благодаря взаимодействию магнитного поля с постоянным током, протекающим через металлический расплав 6, между верхним катодом 8 и подовым электродом 10 создаются электромагнитные силы, которые перемещают металлический расплав 6 и обеспечивают его эффективное объемное перемешивание без застойных зон. Изменяя силу тока, подаваемую на кольцевую катушку индуктивности 11, можно регулировать величину магнитного поля и интенсивность перемешивания металлического расплава. За счет изменения полярности подаваемого на катушку 11 постоянного тока можно менять направление действия электромагнитных сил и соответственно направление движения металла. После окончания доводки металла отключают подачу тока в катушку 11 и прекращают перемешивание ванны 5.The DC arc furnace operates as follows. After melting the charge, the DC arc burns between the upper cathode 8 and the metal melt 6 located in the bath 5, framed by the lining 7. If there are unmelted pieces of the mixture in the bath, as well as the introduction of alloying elements or other additives, it becomes necessary to mix the bath 5. For this to the ring inductor 11 through the connection 12, a DC voltage is applied. This creates a magnetic field covering the metal melt 6. The presence of a ferromagnetic boss 13 allows you to strengthen the magnetic field and concentrate it in the middle part of the bath 5. Due to the interaction of the magnetic field with direct current flowing through the metal melt 6, between the upper cathode 8 and the bottom electrode 10 electromagnetic forces are created that move the metal melt 6 and ensure its effective volumetric mixing without stagnation zones. By changing the current supplied to the ring inductor 11, it is possible to control the magnitude of the magnetic field and the intensity of mixing of the metal melt. By changing the polarity of the DC current supplied to the coil 11, it is possible to change the direction of action of electromagnetic forces and, accordingly, the direction of movement of the metal. After finishing the metal refinement, the current supply to the coil 11 is turned off and the mixing of the bath 5 is stopped.

После достижения заданной температуры металлического расплава 6 отключают печь, электрододержатель 9 с верхним катодом 8 перемещают вверх. Готовый металлический расплав 6 сливают в ковш и печь готовят к следующей плавке.After reaching the set temperature of the metal melt 6, the furnace is turned off, the electrode holder 9 with the upper cathode 8 is moved up. The finished metal melt 6 is poured into a ladle and the furnace is prepared for the next smelting.

Пример исполнения дуговой печи постоянного тока предлагаемой конструкцииAn example of the execution of the DC arc furnace of the proposed design

Дуговая печь постоянного тока емкостью 6 т предназначена для производства высокопрочного чугуна. Основными элементами печи является корпус с днищем, свод, расположенная ниже уровня порога ванна, обрамленная футеровкой, верхний катод с электрододержателем, соединенный с источником постоянного тока, имеющий возможность вертикального перемещения с помощью гидроплунжера. В качестве анодного подвода на печи используются два подовых электрода.A 6-ton DC arc furnace is designed for the production of ductile iron. The main elements of the furnace are a body with a bottom, a vault located below the threshold level, a bathtub framed by a lining, an upper cathode with an electrode holder connected to a direct current source, which can be moved vertically using a hydraulic plunger. Two anode electrodes are used as an anode supply to the furnace.

Внутри корпуса, между порогом рабочего окна и днищем, размещено устройство для создания магнитного поля, выполненное в виде кольцевой катушки индуктивности, навитой из электропроводной изолированной шины, имеющей в сечении размеры 10×20 мм. Кольцевая катушка индуктивности, внутри которой расположены катод, металлический расплав и подовые электроды, подсоединена к источнику постоянного тока. К катушке индуктивности подводится постоянный ток напряжением 36 В, величина которого может изменяться от 600 А до 300 А. В центре днища установлена ферромагнитная бобышка массой 25 кг.Inside the case, between the threshold of the working window and the bottom, there is a device for creating a magnetic field made in the form of an annular inductor wound from an electrically conductive insulated bus having a cross-sectional size of 10 × 20 mm. An annular inductor, inside of which there is a cathode, a metal melt and hearth electrodes, is connected to a direct current source. A direct current of 36 V is supplied to the inductor, the value of which can vary from 600 A to 300 A. In the center of the bottom there is a ferromagnetic boss weighing 25 kg.

После расплавления ~80% металлошихты, предназначенной для получения высокопрочного чугуна и образования в ванне жидкого металлического расплава, подается напряжение на катушку индуктивности. При этом образуется магнитное поле, которое взаимодействует с постоянным током, протекающим от верхнего катода через металлический расплав к подовым электродам (анодному подводу), и возникают объемные электромагнитные силы, перемещающие отдельные слои металлического расплава и обеспечивающие эффективное перемешивание ванны без застойных зон. За счет этого в 1,5-1,6 раза ускоряется доплавление нерасплавившихся кусков лома. После полного расплавления лома получают металлический расплав с содержанием углерода 1,8-2,1%. Продолжая перемешивание, начинают вводить в ванну углеродсодержащие материалы. После 20-30 мин содержание углерода в расплаве достигает 3,3-3,7%, что является оптимальным для высокопрочного чугуна. Металлический расплав нагревают до заданной температуры и выпускают в ковш.After melting ~ 80% of the metal charge, designed to produce high-strength cast iron and the formation of a liquid metal melt in the bath, voltage is applied to the inductor. In this case, a magnetic field is generated, which interacts with a direct current flowing from the upper cathode through the metal melt to the bottom electrodes (anode supply), and voluminous electromagnetic forces arise that move the individual layers of the metal melt and ensure effective mixing of the bath without stagnant zones. Due to this, the melting of unmelted pieces of scrap is accelerated by 1.5-1.6 times. After the complete melting of the scrap, a metal melt is obtained with a carbon content of 1.8-2.1%. Continuing mixing, carbon-containing materials are introduced into the bath. After 20-30 minutes, the carbon content in the melt reaches 3.3-3.7%, which is optimal for ductile iron. The metal melt is heated to a predetermined temperature and released into the bucket.

Таким образом создана дуговая печь постоянного тока, на которой обеспечивается эффективное перемешивание металлического расплава, хорошее усвоение легирующих элементов и других добавок, а также обеспечивается ускорение доплавления нерасплавившихся кусков лома. Эта печь может быть успешно использована при производстве высокопрочного чугуна и высоколегированных марок стали.Thus, a direct current arc furnace was created, on which efficient mixing of the metal melt, good assimilation of alloying elements and other additives, and acceleration of the remelting of unmelted pieces of scrap are ensured. This furnace can be successfully used in the production of ductile iron and high alloy steel grades.

Claims

1. Arc direct current furnace, comprising a housing with a bottom, a vault located below the threshold of the working window, a bath with a metal melt framed by a lining, an upper cathode with an electrode holder connected to a direct current source and made with the possibility of vertical movement, and anode supply in the form of one or several hearth electrodes, characterized in that an annular inductor, wound from an electrically conductive insulated busbar, is placed inside the housing between the bottom and the threshold of the working window Inonii to source DC, and with a generator arranged inside the cathode tub and the bottom electrode through which flows a direct current, which creates an electromagnetic force system for moving molten metal.

2. The furnace according to claim 1, characterized in that a ferromagnetic boss is installed in the center of the bottom from the inside.