Индукционная печь для раскисления и выплавки металла и способ раскисления и выплавки металла

(51)7 22 4/00, 21 5/52, 21 13/12,27 14/06 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(54) ИНДУКЦИОННАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ РАСКИСЛЕНИЯ И ВЫПЛАВКИ МЕТАЛЛА И СПОСОБ РАСКИСЛЕНИЯ И ВЫПЛАВКИ МЕТАЛЛА(57) Описывается устройство и способ раскисления и выплавки металла, в котором содержащую металл и углерод шихту (15) нагревают в индукционной печи(10), включающей нагревательный резервуар (11), в котором шихта (15) может плавать в виде, по меньшей мере, одного скопления (16, 17) на поверхности жидкого металла в ванне расплава (18) в резервуаре(11). Устройство включает, по меньшей мере, один индукционный нагреватель, или индуктор (12), расположенный на нижней центровой линии (11.1) резервуара (11), при этом продольная ось индуктора ориентирована перпендикулярно оси резервуара. 12207 Данное изобретение относится к устройствам и способам раскисления и выплавки металла, например, стали, в котором шихту, содержащую металл и углерод, нагревают в индукционной печи канального типа, чтобы раскислить и расплавить металл, содержащий часть шихты. Обычная индукционная печь канального типа,как правило, включает удлиненный трубчатый нагревательный резервуар, который в поперечном сечении имеет по существу круглую форму и который нагревают двумя размещенными продольно рядами индукционных нагревателей, или индукторов, в которых каждый ряд идет вдоль дна резервуара, с противоположных сторон от продольной центровой(осевой) линии резервуара. Примером одной из таких печей является печь,описанная в патенте США 5411570, в котором она используется для раскисления и плавки шихты,содержащей металл и углерод. В способе, описанном в вышеупомянутом патенте США, шихту подают в нагревательный резервуар через два отстоящих на некотором расстоянии друг от друга продольно расположенных ряда отверстий,находящихся в верхней стенке резервуара, в результате чего шихта плавает на поверхности ванны в резервуаре в виде двух клинообразных груд, расположенных вдоль противоположных стенок резервуара, причем более широкий конец клина, или вершина груды, обращена к стенке резервуара, а более узкий конец, подошва, обращена к середине резервуара. В результате этого вершины плавающих на поверхности расплава груд шихты расположены почти вертикально над горловинами (отверстиями) индукторов. Поскольку металл нагревают с помощью активных (омических) потерь в индукторе и вызывают прохождение конвекционного восходящего потока относительно горячего металла прямо над горловиной индуктора, то большее количество тепла достигает тех частей груд шихты, которые расположены почти непосредственно под их вершинами, по сравнению с другими частями этих груд шихты. (Под самыми высокими точками рядов шихты образуются горячие зоны). Поэтому частицы шихты расходуются главным образом в указанных местах, расположенных почти непосредственно под вершинами груд шихты, что приводит к образованию результирующего потока частиц по направлению к этим участкам. Поток частиц шихты в грудах можно представить с помощью векторов. Такие векторы потоков могут относиться к потоку, перпендикулярному поверхности груды, и к потоку, параллельному по отношению к ней. Поток, перпендикулярный поверхности груды шихты, является нежелательным, поскольку тепло, поглощенное в результате излучения с крыши резервуара на поверхность груды, может эффективно проникать на глубину только порядка 25 мм. Это означает, что когда частицы прошли примерно 25 мм перпендикулярно поверхности, они 2 становятся эффективно экранированными от такого излучения. Время, требующееся для этого движения,можно обозначить как время экспозиции. Уменьшенное время экспозиции частиц приводит к уменьшению поглощения лучистой энергии этими частицами. Это, в свою очередь, приводит к тому,что другие частицы, которые достигают подошвы груд, где скорость нагревания индукторами и, следовательно, скорость плавления ниже, подвергаются воздействию излучения в течение более длительных периодов времени, чем это было бы в другом случае. Увеличенное время экспозиции, в свою очередь,создает более высокие температуры поверхности и,следовательно, пониженные скорости переноса лучистой энергии к материалу у подошв груд шихты. Относительно высокие температуры и высокая степень раскисления материала у подошв груд может также привести к повторному оксидированию в результате недостаточной защиты раскисляющим газом. (Реакции восстановления завершены, следовательно, в этом участке не образуется газ СО, защищающий шихту от повторного оксидирования двуокисью углерода СО 2) . Как избыточная, так и недостаточная экспозиция частиц шихты под воздействием излучения нежелательны, поскольку это ведет к повышенному расходованию электроэнергии и восстановителя. Еще один недостаток, обнаруженный для вышеописанного известного устройства, состоит в том,что значительная разница между технологической обработкой материала шихты, достигающего подошв груд, и материала, не достигающего их, приводит к значительной разнице в соотношении между углеродом и кислородом, устанавливающемуся к тому времени, когда частицы шихты расплавятся. Относительные количества этих имеющих разный состав материалов, поступающих в жидкую ванну,более высокие, когда применяют высокие подводимые мощности. Когда созданная в результате этого неоднородная масса достигает стадии, на которой избыточный углерод растворяется в одной зоне, а избыточный кислород растворяется в другой зоне, то при смешивании происходит превышение уровня растворимости и высвобождается газообразная моноокись углерода. Это газовыделение приводит к нарушению процесса и в потенциале - к созданию опасных условий. Поэтому максимальная мощность подводимой электроэнергии должна быть ограничена до относительно низких уровней, которые, однако, снижают производительность, которая при этом могла быть достигнута. В вышеупомянутом известном устройстве минимальный уровень жидкого металла, необходимый для нормальной работы, ограничен требованием,заключающимся в том, что тот ряд индукторов, который расположен дальше всех от выпускного отверстия печи, всегда должен находиться ниже уровня металла, даже в том случае, когда печь наклонена дальше всего от стороны выпуска. Это ограничение,а также требование, состоящее в том, что груды 12207 шихты должны быть сформированы таким образом,чтобы они полностью покрывали ванну расплава,уменьшают пространство для формирования груд шихты и для сжигания газов, выделяющихся из шихты или из топлива, подаваемого в печь. В зависимости от угла расположения груд, площадь подходящей поверхности для теплопередачи к грудам шихты также является ограниченной, в результате ограничения минимального уровня жидкого металла. Следующая характеристика такого известного устройства состоит в том, что индукторы как с одинарным, так и с двойным контуром всегда смонтированы так, что их каналы параллельны продольной оси печи с горизонтальным расположением цилиндра. Это означает, что обычно продольные оси овальных отверстий горловин параллельны продольной центровой линии печи. Поскольку горловины индуктора обычно отделены друг от друга на значительное расстояние стенками из огнеупорного материала,поддерживающими остальную часть огнеупорной облицовки печи, то количество индукторов в ряду на единицу длины печи ограничено. Поэтому горячие зоны образуются обычно на расстоянии от 4 до 5 метров друг от друга. Эта характеристика печи также усиливает неоднородность движения материала в грудах. Целью настоящего изобретения является создание устройства, а также способа раскисления и выплавки металла, с помощью которых можно было бы преодолеть или, по меньшей мере, свести к минимуму вышеуказанные проблемы. В соответствии с изобретением предлагается устройство для раскисления и выплавки металла, в котором содержащую металл и углерод шихту нагревают в индукционной печи, включающей нагревательный резервуар, в котором шихта может плавать,по крайней мере, в виде одной груды на ванне расплава, отличающееся тем, что устройство включает,по меньшей мере, один индукционный нагреватель,или индуктор, расположенный на нижней центровой линии резервуара или около нее. Предпочтительно, печь представляет собой индукционную печь канального типа. Кроме того, в соответствии с изобретением, по меньшей мере, один такой индукционный нагреватель служит в качестве источника только внешнего нагрева камеры. Помимо этого, в соответствии с настоящим изобретением, резервуар имеет удлиненную трубчатую конфигурацию и включает множество индукторов,которые расположены в ряд, проходящий в продольном направлении вдоль нижней центровой линии резервуара. Далее, в соответствии с настоящим изобретением, резервуар включает множество расположенных у его верхнего конца отверстий, через которые в резервуар можно загружать шихту, причем эти отверстия расположены в два отстоящих друг от друга продольных ряда таким образом, что загружаемая через них шихта располагается двумя рядом расположенными грудами, плавающими на ванне расплава, причем каждая груда имеет в поперечном сечении клиновидную форму и более широкая часть, или вершина груды, обращена к стенке резервуара, а более узкая часть, или подошва, обращена к середине резервуара. Важным является то, что при таком расположении груды шихты будут нагреваться непосредственно под их подошвами, и, следовательно, средняя скорость движения частиц шихты в направлении,перпендикулярном поверхности груд, будет сведена к минимуму, так что большая часть материала шихты будет расходоваться на подошвах или около подошв груд (т. е. в ложбине, образованной между двумя рядами груд), и, следовательно, непосредственно над индукторами. Такое расположение предохраняет от возможности как избыточной, так и недостаточной экспозиции частиц шихты при воздействии излучения в печи. Кроме того, благодаря центральному расположению индукторов, уровень жидкости в ванне с жидким металлом в резервуаре, а, следовательно, и объем самого жидкого металла, можно сделать гораздо более низким, чем в случае вышеописанных известных устройств, и таким образом предотвратить образование неоднородности, о которой говорилось выше, и соответственно также уменьшить потребность в электроэнергии. Далее, в соответствии с настоящим изобретением, индукторы смонтированы так, что их продольные оси проходят, по существу, под прямыми углами по отношению к продольной оси печи. Очень важно то, что при такой компоновке на единице длины резервуара можно разместить большее количество индукторов, а количество горячих зон, образовавшихся под ложбинами между рядами груд шихты, увеличено, поскольку расстояние между горячими зонами уменьшено. Способ раскисления и выплавки металла осуществляют в печи, описанной выше, условиями реакции внутри резервуара управляют таким образом,что шихта располагается в виде моста над всей ванной расплава. Благодаря такому расположению, по существу,все раскисление металла происходит в шихте, т. е. в твердой фазе. Указанная конфигурация может быть обеспечена, например, количеством и/или расположением вышеуказанных отверстий, через которые шихту загружают в резервуар. Управление условиями реакции можно осуществлять путем, например, управления а. скоростью подачи шихты в резервуар. степенью перемешивания компонентов шихты,содержащих металл и углерод. скоростью подачи тепла в резервуар индукционным(и) нагревателем(ями) 3. скоростью выработки тепла любым (и) газом(ами) или топливом, сжигаемыми в резервуаре в пространстве над кучами шихты, причем перечисленные действия могут быть осуществлены порознь или в сочетании. Тепло, о котором сказано выше, может, например, вырабатываться в результате сжигания моноокиси углерода, выходящей из шихты в резервуаре,с помощью работающих на кислороде или на смеси кислорода и воздуха горелок, расположенных в резервуаре в зоне над шихтой. Тепло, образующееся в результате такого сгорания, а также лучистую энергию, отражаемую от крыши резервуара, можно также использовать, по меньшей мере, для предварительного нагревания шихты внутри и/или снаружи резервуара. Далее, в соответствии с настоящим изобретением, воздух и/или смесь воздуха и кислорода, используемая в указанных горелках, может содержать тонкоизмельченный материал, который может светиться при температурах, получаемых в результате такого сгорания моноокиси углерода и/или топлива над грудами шихты. Такое свечение улучшает энергетическую светимость пламени, в результате чего повышается его нагревающее действие на шихту. Тонкоизмельченный материал может, например,включать сажу. Тонкоизмельченный материал может также включать или содержать известь. Такая известь может помочь в удалении серы из газов, присутствующих в печи. Далее, в соответствии с настоящим изобретением, резервуар включает, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для расплавленного металла и/или шлака, образующихся во время реакции. И, наконец, в соответствии с настоящим изобретением способ выплавки металла включает процесс сталеварения, в котором смесь углерода в виде тонкоизмельченного угля или кокса и подходящей содержащей оксид железа руды в тонкоизмельченной форме нагревают в резервуаре для того, чтобы вызвать раскисление оксида железа и выплавку получаемой стали, которую затем выпускают из печи в виде стали, содержащей менее 0,1 углерода. Ниже описывается один из вариантов осуществления данного изобретения, только в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых фиг. 1 изображает му поперечного сечения печи, в соответствии с настоящим изобретением фиг. 2 - вид снизу печи в направлении стрелки А на фиг. 1. Наилучший режим осуществления изобретения В этом варианте осуществления изобретения используют индукционную печь 10 канального типа,включающую удлиненный трубчатый резервуар 11,имеющий в поперечном сечении форму окружности,вдоль нижней центровой линии 11.1 которой (фиг. 2) выполнено множество электрических индукторов 12, каждый из которых имеет мощность порядка 2,2 МВт. Индукторы 12 расположены так, что их продольные оси 12.1 (фиг. 2) ориентированы под прямым углом по отношению к центровой линии 11.1. Резервуар 11 включает два параллельных ряда загрузочных отверстий, только по одному из которых, 13 и 14, показано на фиг. 1, и которые расположены вдоль противоположных продольных сторон резервуара 11. Эти отверстия используют для подачи шихты 15 в резервуар 11, чтобы сформировать две ориентированных продольно груды 16 и 17, которые плавают на поверхности ванны из жидкого металла (ванны расплава) 18, и каждая из которых имеет, по существу, клиновидную форму в поперечном сечении, причем более широкий конец каждого клина, т. е. вершина груды, расположен напротив стенки резервуара 11, а более узкий конец клина, т. е. подошва груды, расположен напротив центровой линии 11.1 резервуара 11. Если это требуется, в начале процесса в резервуар 11 можно ввести небольшое количество жидкого металла через загрузочное отверстие, не показанное на фигуре, чтобы образовать первоначальную ванну расплава. Шихта 15 включает однородную состоящую из частиц смесь углеродсодержащего соединения, например, такого, как уголь, а также оксид железа при этом углеродсодержащее соединение присутствует в концентрации, которая немного ниже, чем присутствующая в стехиометрическом количестве углерода,необходимом для раскисления руды и при этом размер частиц шихты 15 таков, что они могут пройти через сито с размером ячеек в 15 мм. Резервуар 11 также имеет на своей верхней стенке множество кислородных горелок, из которых только две, 20 и 21, показаны на фиг. 1, и с помощью которых можно сжечь СО, образующуюся в результате реакции и проходящую через верхний слой шихты 15. Шихту 15 подают в резервуар 11 таким образом и с такой скоростью, и условиями реакции управляют таким образом, как это описано выше в данной заявке, что подошвы груд шихты 16 и 17 сливаются друг с другом таким образом, что материал шихты 15 образуетмост, который тянется над всей ванной расплава 18, причем самое узкое место такого моста находится в зоне, обозначенной позицией 19. Факт образования такого моста и тот факт, что он сохраняется, можно установить, например, с помощью измерительной рейки (не показанной на чертежах), которую вставляют сверху в резервуар 11,или с помощью подходящего смотрового окна (не показанного на фигуре) в стенке резервуара 11. Это можно установить также с помощью подходящего устройства для записи изображения (также не показанного на фигуре), расположенного внутри резервуара 11. 12207 Во время работы в шихте в грудах 16 и 17 создается зона реакции, которая фактически простирается от нижней части груд до их вершин. В то же самое время образуется зона 22 плавления, располагающаяся между нижними частями груд 16 и 17 и верхней поверхностью ванны 18. Во время протекания реакции раскисленная шихта 15 движется под воздействием силы тяжести из зоны реакции к зоне 22 плавления. Шлак, образующийся во время этого плавления,плавает на поверхности ванны 18 в туннеле 23, проходящем вдоль центровой линии 11.1 под зоной плавления 22. Туннель 23 ведет к отверстию для выхода шлака (на фигуре не показан) в резервуаре 11, а отверстия 13 и 14 для загрузки шихты расположены по отношению к отверстию для выхода шлака таким образом, что шлак в туннеле 23 направляется к этому отверстию для выхода шлака. Расплавленную сталь (0,1 углерода) можно выпустить из резервуара 11 через выпускное отверстие(на фигуре не показано). Во время технологического процесса указанный мост служит для того, чтобы не допустить, чтобы материал шихты 15 падал непосредственно из груд 16 и 17 в шлак в туннеле 23 или в жидкий металл в ванне 18, предотвращая таким образом любую возможность короткого замыкания. Тепло, подаваемое к ванне 18 через индукторы 12, рассеивается в шихту 15 в скоплениях 16 и 17, и это тепло вместе с теплом, образующимся в результате сжигания СО горелками 20 и 21, и с лучистой энергией, отражаемой от крыши резервуара 11, вызывает реакцию оксида железа и углерода шихты 15,что приводит к раскислению оксида железа. Почти все это раскисление, которое соответственно происходит в твердой фазе, имеет место в самом верхнем 20-миллиметровом слое груд 16 и 17, главным образом, благодаря дополнительному теплу, поступающему в этот слой от сжигания СО горелками 20 и 21, и от лучистой энергии, отражаемой т крыши резервуара 11. В то же самое время твердое раскисленное железо плавится в зоне 22, из которой оно под воздействием силы тяжести поступает в ванну 18. Ценным является то, что благодаря центральному расположению индукторов 12 подошвы груд 16 и 17 получают наибольшее количество тепла от индукторов 12, так что частицы шихты 15 расходуются главным образом в зоне 19. Это означает, что поток частиц шихты, идущий вдоль верхних поверхностей груд 16 и 17, является в основном параллельно этим поверхностям, что предотвращает возникновение вышеописанных проблем недостаточной экспозиции или избыточной экспозиции. Кроме того, такое центральное положение индукторов 12 позволяет также использовать гораздо более низкий уровень металла в ванне 18, чем в случае вышеописанного известного устройства (что показано пунктирной линией 24 на фиг. 1), и таким обра зом обеспечиваются описанные выше преимущества. Далее, благодаря поперечному расположению индукторов 12 по отношению к центровой линии 11.1, можно использовать больше индукторов 12 на единицу длины резервуара 11, чем в случае вышеописанных известных устройств, так что количество горячих зон под ложбиной между рядами куч 16 и 17 увеличено по сравнению с такими известными устройствами. Следует также иметь в виду, что настоящее изобретение включает в пределах своего объема способ раскисления и выплавки металла, в котором используется устройство в соответствии с настоящим изобретением. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Индукционная печь для раскисления и выплавки металла из металл- и углеродсодержащей шихты, имеющая нагревательный резервуар, в котором шихта держится на поверхности ванны расплава в виде, по меньшей мере, одной груды, отличающаяся тем, что она включает, по меньшей мере,один индукционный нагреватель или индуктор, расположенный, по существу, на центровой линии дна резервуара. 2. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что представляет собой индукционную печь канального типа. 3. Печь по п.п. 1 или 2, отличающаяся тем, что,по меньшей мере, один индукционный нагреватель служит в качестве единственного внешнего источника нагрева резервуара. 4. Печь по любому из предшествующих пунктов,отличающаяся тем, что резервуар имеет удлиненную трубчатую конфигурацию, и что он включает множество индукторов, расположенных в ряд, проходящий вдоль центровой линии дна резервуара. 5. Печь по любому из предшествующих пунктов,отличающаяся тем, что резервуар в своей верхней части имеет множество отверстий для загрузки шихты, причем отверстия размещены в виде двух расположенных на расстоянии один от другого продольных рядов так, что загружаемая через них шихта располагается в виде двух прилегающих друг к другу груд, держащихся на поверхности ванны расплава, и каждая из груд имеет в поперечном сечении клиновидную форму, более широкая часть которой обращена к стенке резервуара, а более узкая часть обращена к середине резервуара. 6. Печь по любому из предшествующих пунктов,отличающаяся тем, что каждый индуктор смонтирован так, что его продольная ось расположена, по существу, под прямым углом по отношению к продольной оси печи. 7. Печь по любому из предшествующих пунктов,отличающаяся тем, что резервуар включает, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для расплавленного металла и/или шлака, образовавшихся во время реакции. 5 12207 8. Способ раскисления и выплавки металла из металл- и углеродсодержащей шихты нагреванием в индукционной печи, отличающийся тем, что осуществляется с использованием печи по любому из п.п. 1-7. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что включает стадии формирования конфигурации шихты в печи и управления условиями реакции внутри резервуара таким образом, что шихта располагается в виде моста над всей поверхностью жидкого металла в ванне расплава. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что указанную конфигурацию шихты формируют путем выбора требуемого количества и/или расположения отверстий для загрузки шихты в резервуар. 11. Способ по п. 9 или 10, отличающийся тем,что управляют условиями реакции путем управления взятыми порознь или в сочетании скоростью подачи шихты в резервуар, размером частиц шихты, степенью перемешивания компонентов металл- и углеродсодержащей шихты, скоростью подачи тепла в резервуар индукционным(и) нагревателем(ями),скоростью выработки тепла любым(и) газом(ами) и/или топливом, сжигаемыми в пространстве над грудами шихты в резервуаре. 12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что используют горелки, работающие на кислороде или на смеси кислорода и воздуха, расположенные в резервуаре, в зоне над шихтой, вырабатывающие тепло в результате сжигания моноокиси углерода,выходящей из шихты в резервуаре. 13. Способ по п. 10, отличающийся тем, что тепло, образующееся в результате сжигания, а также лучистую энергию, отражаемую от крыши резервуара, используют, по меньшей мере, для предварительного нагрева шихты изнутри и/или снаружи резервуара. 14. Способ по п.п. 12 или 13, отличающийся тем, что в горелках используют воздушную и/или кислородную смесь, содержащую тонкоизмельченный материал, который может светиться при температуре сгорания моноокиси углерода и/или топлива над грудами шихты. 15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что тонкоизмельченный материал включает сажу. 16. Способ по п.п. 14 или 15, отличающийся тем, что тонкоизмельченный материал включает известь. 17. Способ по любому из пунктов 8-16, отличающийся тем, что включает процесс выплавки стали, в котором смесь углерода в виде тонкоизмельченного угля или кокса и подходящую, содержащую оксид железа руду в тонкоизмельченной форме нагревают в резервуаре, чтобы вызвать раскисление оксида железа и выплавку получаемой стали, которая затем может быть выпущена из печи в виде стали, содержащей менее 0,1 углерода.