Высокая производительность дуговой электропечи достигается, прежде всего, за счет резкого увеличения вводимой мощности, использования лома с относительно малой насыпной массой, поддержания максимального напряжения на дуге (т.е. работа с длинными дугами при минимально допустимой силе тока) при надлежащей технологической стойкости основных элементов печи и, прежде всего, стен и свода печи. На рис.11.2 приведена зависимость тепловых потерь от коэффициента мощности (соsj) при различных вариантах ведения процесса.
В некоторой степени решению этих задач способствует применение водоохлаждаемых элементов стен и свода печи. Однако, решающую роль играет все же создание условий для максимального использования энергии дуги на нагрев металла и шлака.
Для снижения негативного влияния открытых дуг на стойкость водоохлаждаемых и огнеупорных элементов рабочего пространства ДСП и повышения эффективности теплопередачи от дуги к металлу необходимо обеспечить экранирование электрической дуги за счет погружения ее в металл или в шлак. Условия экранирования дуг металлом или шлаком определяются различными факторами. Для выбора варианта экранирования дуг приведем сравнение глубины погружения дуг при одних и тех же параметрах питающего тока.
Если принять ток дуги крупной ДСП равным 50 кА, а плотность тока в катодном пятне 500 А/см2, что соответствует радиусу холодного пятна 5,7 см, то сила давления на расплавленный металл будет равна 125 Н. Согласно уравнению максимальное давление вблизи оси дуги будет равно 2,5×104 Н/м2. Тогда глубина погружения дуги составляет порядка 150 мм. В действительности в мощных ДСП под столбом дуги на поверхности стали образуется заметный вогнутый мениск. Однако, при повышении напряжения и увеличении общей мощности ДСП этого недостаточно, чтобы обеспечить экранирование дуги и создать условия для максимальной передачи тепла металлу и шлаку.
Полное экранирование дуги шлаком может обеспечить достаточно высокую эффективность использования электрической энергии для нагрева металла и шлака. Работа печи на вспененном шлаке, позволяет довести коэффициент использования энергии дуги до 65-93%, против 36%. Если дуга наполовину своей длины или полностью погружена в шлак, то излучаемая дугой энергия будет передаваться ванне металла примерно на 63% или на 93% соответственно.
Условия вспенивания шлака. Основными факторами, оказывающими влияние на образование пенистого шлака являются количество образующихся газов в результате обезуглероживания и физико-химические свойства шлака (состав, температура, вязкость, поверхностное или межфазное натяжение). Для поддержания шлака во вспененном состоянии необходим повышенный расход шлакообразующих, высокая основность шлака (не менее 1,7), постоянное вдувание кислорода и наличие высокого содержания углерода в металле (более 0,8%) или вдувание науглероживателя в шлак. Экономия достигается 10-30 кВт×ч/т жидкой стали.
Наиболее перспективным для поддержания вспененных шлаков является использование металлизованного сырья, содержащего углерод и кислород и равномерно вводимого в ванну печи. При высокомощной скоростной электроплавке необходимо экранирование дуг для повышения энергетического КПД и снижения тепловых потерь. Плавка в режиме длинных дуг, экранированных пенистым шлаком, возможна, если печь обслуживается манипулятором или в цехе имеется бункерная эстакада для подачи в печь шлакообразующих и порошкообразного угля. Там, где этого нет, плавка должна проводиться в режиме коротких дуг, заглубленных в расплав. Оба способа применяют в зависимости от типа и уровня обслуживания печей.
Работа со вспененным шлаком является обязательной в современных электросталеплавильных комплексах для снижения расхода электроэнергии, электродов, сокращения простоев, уменьшения затрат. Экономия расхода электроэнергии достигается благодаря лучшей передаче тепла конвекцией через слой шлака в системе шлак-металл, частичному нагреву сопротивлением, введению дополнительного тепла за счет окисления углерода кислородом, вдуваемым в печь с расходом 25-30 нм3/т. Интенсивному вспениванию шлака, особенно, способствует совместное вдувание кислорода с порошкообразными высокоуглеродистыми материалами.
В конце плавления, когда дуги не экранированы металлошихтой, необходимо ограничить излучение тепла на водоохлаждаемые стены и футеровку стен и свода. Для этого снижают напряжение. Однако, поддержание вводимой мощности за счет повышения тока приводит к дополнительному расходу электродов. Имеющийся в печи шлак не обеспечивает экранирование дуг и поэтому резко падает коэффициент полезного использования тепла дуги. Необходимо максимально экранировать дуги путем вспенивания шлака, чтобы исключить потери тепла и обеспечить полное использование мощности трансформатора. Перегрев шлака вызывает его вспенивание за счет кипения. Перемешивание на границе раздела металл-шлак обеспечивает интенсивное обезуглероживание и повышает тепловую отдачу дуги металлу. Вспенивание шлака необходимо обеспечивать в конце периода плавления, когда еще в печи есть остатки нерасплавившейся шихты. Одновременно ввод кислорода и углерода позволяют проводить процесс обезуглероживания металла и вспенивание шлака. При этом кислород необходимо вдувать с помощью фурмы непосредственно в металл, а углерод с помощью инжекторов путем изменения угла наклона фурмы. Продувку необходимо осуществлять при температурах металла от 1550 до 16800С до достижения содержания углерода в металле 0,15-0,05%. Содержание FeO в шлаке колеблется от 8 до 28% при его основности CaO/SiO2 ≈ 2. Необходимо обеспечивать постоянное вдувание углерода с расходом около 0,3 кг/мин×т, чтобы одновременно обеспечить обезуглероживание стали и предупредить создание чрезмерно окисленного шлака, за счет накопления в нем оксидов железа. Процесс одновременной подачи кислорода и углерода должен быть оптимизирован таким образом, чтобы кислород полностью расходовался на окисление углерода металла до заданных пределов, а вдуваемый углерод полностью расходовался на восстановление оксидов железа, обеспечивая в шлаке их содержание на уровне 11-15%. При этом процесс восстановления оксидов железа должен опережать их поступление (т.е. окисление), что позволит сократить общее количество шлака и снизить потери металла на угар. Соотношение между расходом углерода и кислорода выбирается в зависимости от необходимого содержания углерода в металл в конце продувке.
Вспенивание шлака ограничивает тепловую нагрузку на стены и свод печи, создает возможность подвода максимально возможной мощности в ДСП, увеличивает производительность агрегата, снижает потери металла со шлаком. Обеспечивая интенсивность вспенивания шлака можно повысить полезное использование тепла дуги до 70-80% против 50% при обычной плавке. Коэффициент использования тепла дуги можно определить из уравнения:
ΔНпер = р(Е – r) + ΔНС + ΔНFe –В,
где: ΔНпер – тепло на перегрев стали;
р – коэффициент использования тепла дуги;
ΔНС – энтальпия реакции С + 1/2О2 → СО;
ΔНFe – энтальпия реакции Fe + 1/O2 → FeO;
В – потери тепла печью;
Е – вводимая электрическая мощность;
r – электрические потери при дуговом режиме.
Кроме всего прочего, регулируя соотношение вводимых углерода и кислорода (С/О2), можно поддерживать содержание оксида железа в шлаке менее 20%, снижая при этом содержание углерода в стали до 0,025%. Шлак, содержащий такое количество FeO, обладает хорошей дефосфорирующей способностью. С другой стороны, окисление марганца и хрома ограничено вдуванием углерода, что обеспечивает экономию ферросплавов.
Таким образом, работа ДСП с вдуванием кислорода и углерода в заданном соотношении в конце окислительного периода позволяет регулировать содержание оксидов железа в шлаке и углерода в металле и обеспечивает эффективное вспенивание шлака, при котором достигаются следующие результаты: экономится 20-30 кВт×ч/т жидкой стали; увеличивается выход стали до 2%; снижается расход ферромарганца и феррохрома на 0,3-0,5 кг/т жидкой стали; снижается подсос воздуха в ДСП и уменьшается количество неорганизованных выбросов газа.
