Плазменно-дуговая сталеплавильная печь

Авторы патента:

H05H1/34 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

F27D11/00 - Расположение электрических нагревательных элементов внутри или вне печей (электрические нагревательные элементы как таковые H05B)

C22B9/22 - нагреванием с помощью волновой энергии или облучением частицами

Владельцы патента RU 2585897:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к электротермической технике. Плазменно-дуговая сталеплавильная печь постоянного тока содержит керамический тигель с ванной металла, вертикальный плазмотрон, установленный в своде печи, и подовый электрод, установленный соосно вертикальному плазмотрону. Вертикальный плазмотрон установлен в своде печи посредством шарнира, а печь снабжена приводом возвратно-поступательного перемещения упомянутого плазмотрона с возможностью его перемещения на угол 20-30° к вертикальной оси тигля. Изобретение позволяет повысить производительность печи, уменьшить время плавки стали и расход электроэнергии. 3 ил.

Изобретение относится к металлургии, к электротермической технике, а именно к конструкциям устройств для плавления металла в плазменно-дуговых печах, и может быть использовано в плазменно-дуговой сталеплавильной печи (ПДСП) для плавки металла.

Известна конструкция плазменно-дуговой печи с керамическим тиглем, питаемой постоянным током, при одном, реже нескольких вертикально расположенных в своде печи плазмотронах. Особенностью конструкции 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 г., стр. 10-13, стр.19-31).

Недостатком этой конструкции является то, что значительную часть времени периода расплавления и в течение всего времени периода выдержки расплава и его рафинировки дуги плазмотронов в печи горят открыто, излучая энергию на футеровку. В результате излучения дуг на футеровку мощность потерь тепловой энергии печи возрастает, производительность снижается, расход электроэнергии увеличивается.

Прототипом изобретения является плазменно-дуговая печь с керамическим тиглем и с вертикальным плазмотроном, установленным в своде, ванной металла и подовым электродом, установленным соосно вертикальному плазмотрону. Плавку ведут постоянным током при наклонном положении трех или четырех плазмотронов, установленных в стенах печи под углом 40-45° к ванне металла для исключения электродинамического взаимодействия дуг. Электрический режим таких печей рассчитан для работы на коротких дугах до 0,5 м для ограничения перегрева футеровки печи вблизи мест ввода плазмотронов. Ограничение длины дуг в таких печах, необходимое для уменьшения перегрева футеровки 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).

Недостатком этих печей является нестабильность горения дуг в начальный период расплавления твердой шихты из-за возможности возникновения ее обвалов, так как проплавление шихты происходит несколькими наклонными колодцами, что вызывает колебания напряжения и повышенный шум, а также невысокий коэффициент полезного действия ПДСП. Данное устройство обладает низкой производительностью и высоким удельным расходом электроэнергии.

В основу настоящего изобретения была поставлена задача разработки конструкции плазменно-дуговой сталеплавильной печи постоянного тока со сниженным удельным расходом электроэнергии во время плавки.

Техническим результатом изобретения является повышение производительности печей, уменьшение времени плавки стали и расхода электроэнергии.

Решение поставленной задачи и указанный технический результат достигается тем, что плазменно-дуговая сталеплавильная печь постоянного тока содержит керамический тигель с вертикальным плазмотроном, установленным в своде, ванну металла и подовый электрод, установленный соосно вертикальному плазмотрону. Согласно изобретению вертикальный плазмотрон снабжен шарниром и приводом возвратно-поступательного перемещения с возможностью его перемещения на угол 20-30° к вертикальной оси тигля.

Оснащение вертикального плазмотрона шарниром и приводом возвратно-поступательного движения позволяет перемещать плазмотрон и дугу в вертикальной плоскости на угол 20-30° к вертикальной оси тигля и обеспечит ее горение на шихту на откосах тигля, ускорит процесс расплавления шихты, нагрева ванны металла, производительности, снижение удельного расхода электроэнергии. Перемещение вертикального плазмотрона и дуги на угол больше 30° к вертикальной оси тигля вызовет недопустимое приближение дуги к керамическому тиглю, что приведет к оплавлению и быстрому износу огнеупоров тигля, частым остановкам печи на ремонт керамического тигля, снижению ее производительности. При перемещении плазмотрона и дуги на угол меньше 20° к вертикальной оси тигля дуга будет гореть на ванну металла, а не на шихту на откосах тигля, и не обеспечит ускорения расплавления шихты, увеличения производительности и снижения удельного расхода электроэнергии.

Плазменно-дуговая сталеплавильная печь представлена на чертежах, где на фиг. 1 показан процесс расплавления шихты с использованием вертикальной дуги плазмотрона, вид спереди в разрезе; на фиг. 2 - окончание периода расплавления шихты с использованием дуги наклоненного под углом 20-30° к вертикальной оси плазмотрона; на фиг. 3 - период плавки с расплавленной шихтой с использованием дуги наклоненной под углом 20-30° к вертикальной оси плазмотрона.

Устройство выполнено следующим образом. Плазменно-дуговая сталеплавильная печь (ПДСП) содержит керамический тигель 1, вертикальный плазмотрон 2 установленный в своде 3 печи, ванну 4 металла и подовый электрод 5, установленный соосно вертикальному плазмотрону 2. Вертикальный плазмотрон 2 снабжен шарниром 6 и приводом возвратно-поступательного перемещения 7. Ванна металла 4 формируется в процессе расплавления дугой 8 шихты 9.

Устройство работает следующим образом. При открытом огнеупорном своде 3 производят загрузку шихты 9, затем огнеупорным сводом 3 закрывают тигель 1. Дугой 8 вертикального плазмотрона 2 ведут прорезку колодца в шихте 9 на постоянном токе. Расчеты проводят для вертикального плазмотрона 2 ПДСП со следующими параметрами: сила тока I_Д=10 кА; выпрямленное напряжение U_ИП=825 В; напряжение плазмотрона U_Д=160-600 В; мощность на дуге 8 Рд=1600-6000 кВт; расчетная длина дуги 8 при градиенте напряжения в столбе дуги 8 gradU=0,278 В/мм составляет l_Д=(160-600)/0,27=590-2200 мм, что обеспечивает устойчивое положение шихты 9 и равномерность ее нагрева и расплавления. В результате расплавления шихта 9 оседает, не теряя своей естественной устойчивости, что приводит к стабилизации горения дуги 8 вертикального плазмотрона 2 и электрического режима работы печи. При расплавлении шихты 9 дугой 8 в керамическом тигле 1 формируется ванна 4 металла. Дальнейшее расплавление шихты 9 осуществляется как за счет излучения тепла дугой 8, так и за счет теплопроводности и конвективного теплообмена от ванны 4 металла.

Под дугой 8 расплавление шихты 9 происходит быстрее, так как максимальные тепловые потоки сосредоточены по оси дуги 8. На периферии керамического тигля 1 расплавление шихты 9 идет медленнее, так как тепловые потоки от дуги 8 резко уменьшаются от 1200 кВт/м² на оси дуги 8 до 100 кВт/м² на периферии тигля 1 (Макаров А.Н. Теплообмен в электродуговых и факельных металлургических печах и энергетических установках. СПб.: Лань, 2014 г., стр. 172-173). Для ускорения расплавления шихты 9 на периферии тигля 1, после проплавления колодца и формирования ванны 4 металла, включают привод 7 возвратно-поступательного перемещения и вертикальный плазмотрон 2 с дугой 8 с помощью шарнира 6 перемещается в вертикальной плоскости на угол 20-30° к вертикальной, при котором дуга 8 горит на шихту 9 на периферии тигля 1. Так как тепловые потоки от дуги 8 на шихту 9 на периферии тигля 1 при наклонном ее положении на угол 20-30° к вертикальной оси тигля 1 увеличивается с 100 кВт/м² до 1200 кВт/м², то есть в 12 раз, то происходит быстрое расплавление шихты 9 на откосах тигля 1.

После расплавления шихты 9 слева от вертикальной оси тигля включают привод 7 возвратно-поступательного перемещения и вертикальный плазмотрон 2 с дугой 8 с помощью шарнира 6 перемещается в вертикальной плоскости и занимает положение под углом 20-30° к вертикальной оси тигля 1, при котором дуга 8 горит на шихту 9, находящуюся на откосах справа от вертикальной оси тигля 1. Тепловые потоки от дуги 8 на шихту 9 возрастают в 12 раз, что вызывает быстрое расплавление шихты 9 и, соответственно, расход электроэнергии на ее расплавление уменьшается на 14-15%.

Период полного расплавления шихты 9 заканчивают дугой 8 плазмотрона 2, наклоненной под углом 20-30° к вертикальной оси тигля 1 справа от нее (фиг. 3). При наклонном положении дуги 8 увеличивается средний угловой коэффициент излучения (УКИ) дуги 8 на ванну 4 металла и КПД дуги (Макаров А.Н., Луговой Ю.А., Зуйков P.M. Энергосбережение при производстве стали в плазменно-дуговых печах // Электрометаллургия. 2012. №9, стр. 32-37). При вертикальном положении дуги средний УКИ дуги на ванну 4 металла 0,22, КПД дуги 0,28, при наклонном под углом 20-30° к вертикальной оси положении дуги 8 средний УКИ составляет 0,26, а КПД дуги 8 - 0,31, то есть увеличивается на 3-4%, поэтому выдержку ванны 4 металла и его рафинировку осуществляют при наклонном под углом 20-30° к вертикальной оси тигля 1 положении плазмотрона 2 и дуги 8. Причем через каждые 15 минут включают привод 7 возвратно-поступательного перемещения, который перемещает вертикальный плазмотрон 2 с дугой 8 в вертикальной плоскости на угол 20-30° и дуга 8 через каждые 15 минут занимает поочередно положение под углом 20-30° справа и слева от вертикальной оси тигля 1. При этом увеличивается равномерность нагрева ванны 4 металла, уменьшается на 14-15% время выдержки ванны 4 металла, его рафинировки и расход электроэнергии. По окончании рафинировки осуществляют выпуск металла в ковш.

Предлагаемое устройство позволяет достичь следующих результатов: повышение производительности на 14-15%, сокращение удельного расхода электроэнергии на 14-15%.

Плазменно-дуговая сталеплавильная печь постоянного тока, содержащая керамический тигель с ванной металла, вертикальный плазмотрон, установленный в своде печи, и подовый электрод, установленный соосно вертикальному плазмотрону, отличающаяся тем, что вертикальный плазмотрон установлен в своде печи посредством шарнира, а печь снабжена приводом возвратно-поступательного перемещения упомянутого плазмотрона с возможностью его перемещения на угол 20-30° к вертикальной оси тигля.

Похожие патенты:

Плазмотрон // 2584367

Изобретение относится к плазмотронам. Плазмотрон содержит корпус 1, изоляционную втулку 2, сопло 3, электрод 4, размещенный в конической полости 18 электрододержателя 5, завихритель 17 с канавками и газоподводящим каналом 6, направленным в кольцевую конусообразную полость 7, где установлен многоступенчатый газодинамический фильтр 8 (ГДФ), выполненный в виде двух расположенных соосно один за другим дефлекторов - непроницаемый дефлектор 9 и перфорированный дефлектор 10 и трех кольцевых камер - кольцевая цилиндрическая камера 11, кольцевая распределительная камера 12 и кольцевая вихревая камера 13.

Плазменная антенна // 2582491

Изобретение относится к антенной технике. Плазменная антенна содержит плазменный генератор, формирующий плазменное образование, и первичный источник электромагнитных волн, при этом анод плазменного генератора выполнен в виде конического диффузора, состоящего из корпуса и конической вставки, диэлектрически соединенной с подводящим патрубком, поверхность которого выполнена перфорированной, кроме того, первичный источник радиоволн установлен на оси антенны на расстоянии от точки генерации плазменного образования, где γ=2,8…3,0 - постоянная величина, k - волновое число, b - максимальное расстояние от плазменного генератора до границы области с критической концентрацией электронов, θк - угол между осью антенны и направлением распространения плазмы с максимальной скоростью.

Устройство для нанесения функциональных слоёв тонкоплёночных солнечных элементов на подложку путём осаждения в плазме низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа низкого давления // 2582077

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к устройствам для плазменного осаждения пленок, и может быть использовано для изготовления тонкопленочных солнечных элементов, фоточувствительных материалов для оптических сенсоров и тонкопленочных транзисторов большеразмерных дисплеев, для нанесения защитных покрытий.

Устройство для генерирования газообразных компонентов // 2580750

Группа изобретений относится к медицинской технике. Устройство для генерирования потока нетеплового газообразного компонента выполнено с возможностью обработки ротового участка тела человека или животного посредством отбеливания или чистки зубов.

Способ и устройство обработки нейтральным пучком, основанные на технологии пучка газовых кластерных ионов // 2579749

Изобретение относится к области обработки материалов нейтральным пучком Способ обработки поверхности заготовки содержит этапы, на которых обеспечивают камеру пониженного давления; формируют пучок газовых кластерных ионов, содержащий газовые кластерные ионы внутри данной камеры пониженного давления; ускоряют газовые кластерные ионы, чтобы сформировать пучок ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории пучка внутри камеры пониженного давления; стимулируют фрагментацию и/или диссоциацию, по меньшей мере, части ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории пучка посредством увеличения интервала скоростей ионов в пучке ускоренных газовых кластерных ионов; удаляют заряженные частицы из траектории пучка, чтобы сформировать ускоренный нейтральный пучок вдоль траектории пучка в камере пониженного давления; удерживают заготовку на траектории пучка; и обрабатывают, по меньшей мере, часть поверхности заготовки путем ее облучения ускоренным нейтральным пучком.

Циклотронный плазменный двигатель // 2578551

Изобретение относится к космической технике, к классу электрореактивных двигателей. Двигатель содержит автономный источник низкотемпературной плазмы, систему улавливания нейтральных частиц и регенерации ионов, разделитель потоков электронов и ионов, плазменный ускоритель.

Электродуговой трехфазный плазмотрон // 2578197

Изобретение относится к области электрофизики, а именно к электродуговым устройствам для получения низкотемпературной плазмы (плазмотронам). Электродуговой трехфазный плазмотрон содержит три осесимметричные дуговые камеры, объединенные общей смесительной камерой, снабженной соплом, и коллектор подачи рабочего газа.

Способ излучения энергии и устройство для его осуществления (плазменный излучатель) // 2578192

Изобретение относится к области плазменно-электромагнитного воздействия на различные виды материальной среды, расположенной как на близком, так и значительном расстояниях от излучателя.

Электрохимический генератор низкотемпературной плазмы // 2577076

Изобретение относится к области авиационной техники. Электрохимический генератор низкотемпературной плазмы для поджига, стабилизации и оптимизации работы сверхзвуковой камеры сгорания содержит термохимический реактор со штуцером для подвода газа с химически активным компонентом.

Электродуговой плазмотрон постоянного тока для установок плазменной переработки отходов // 2575202

Изобретение относится к области переработки твердых отходов и может быть использовано на промышленных предприятиях, а также в коммунальном хозяйстве. Электродуговой плазмотрон постоянного тока для установок плазменной переработки отходов включает соосные полые цилиндрические водоохлаждаемые электроды (анод и катод), выполненные с возможностью вихревой подачи плазмообразующего газа в зазор между анодом и катодом через форсунку, выполненную из изолирующего термостойкого материала, соосной с анодом и катодом с отверстиями для подачи газа, при этом отверстия выполнены в плоскости, перпендикулярной оси электродов по касательной к внутренней поверхности форсунки.

Устройство и способ получения металла или соединения металла // 2455599

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для получения металла или соединения металла из материала, содержащего металл или соединение металла.

Кольцо токораспределительное рудовосстановительной печи // 2438274

Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструкции кольца токораспределительного рудовосстановительной печи для производства ферросплавов. .

Нагревательный элемент // 2409796

Изобретение относится к области электротермии, в частности к электрическим нагревательным элементам. .

Колпаковая печь // 2283876

Электропечь для обжига керамических изделий // 2241185

Изобретение относится к электропечам периодического действия для высокотемпературного обжига керамических изделий. .

Способ эксплуатации самоспекающихся электродов трехфазной рудотермической печи для выплавки ферросилиция // 2115872

Нажимные полукольца контактного узла самообжигающегося электрода // 1827516

Кладка тепловых агрегатов // 1827515

Рудовосстановительная печь // 1695112

Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано при проектировании и реконструкции рудовосстановительных печей с самоспекающимися электродами.

Способ изготовления нагревательного элемента из тугоплавкого металла // 1693342

Изобретение относится к способу изготовления нагревательного элемента из тугоплавких металлов. .

Способ и устройство электронно-лучевого переплава металла с донным сливом для формирования отливок сложной конфигурации // 2585581

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при электронно-лучевом переплаве металла с донным сливом для формирования отливок сложной конфигурации.