CZ294003B6 - Kanálová pec k redukci a tavení kovů - Google Patents

Abstract

Pec sestává z válcovité tavicí nádoby (11) s kyslíkovými hořáky (20, 21), která je ve své dnové části opatřena indukčními ohřívači (12), na jednom svém boku alespoň jednou výpustí pro roztavený kov (18), na svém druhém boku alespoň jednou výpustí pro strusku, a ve své stropní části pak zavážecími otvory (13, 14) pro vsázku, které jsou uspořádány ve dvou podélně probíhajících řadách, pro vytvoření dvou vedle sebe s bočním odstupem se táhnoucích hromad (16, 17), plovoucích na roztaveném kovu (18) v nádobě (11) a majících každá v příčném řezu tvar klínu, s vrcholy přilehlými k bočním stěnám nádoby (11) a s přivrácenými úpatími ležícími ve svislé středové podélné rovině nádoby (11). Indukční ohřívače (12) jsou, pro zajištění homogenity pohybu materiálu v hromadách (16, 17) při tavicím procesu, uspořádány ve svislé středové podélné rovině nádoby (11), přičemž každý indukční ohřívač (12) má svoji podélnou osu (12.1) uspořádánu kolmo ke svislé středové podélné rovině nádoby (11).ŕ

Description

Kanálová pec k redukci a tavení kovů

Oblast techniky

Vynález se týká kanálové pece k redukci a tavení kovů, jakým je např. výroba oceli, ve které je vsádka obsahující kov a uhlík zahřívána indukčními ohřívači.

Dosavadní stav techniky

Běžná kanálová indukční pec obvykle zahrnuje podélnou válcovou ohřívací nádobu v podstatě kruhového průřezu, která je ohřívána dvěma podélnými řadami indukčních topných členů, čili induktorů, rozmístěných od sebe tak, že každá řada probíhá podél dna nádoby na protilehlých stranách podélné osy nádoby.

Jedna taková pec je například popsána v patentu US 5 411 570, kde je použita pro redukci a tavení vsádky obsahující kov a uhlík.

V procesu popsaném ve výše uvedeném dokumentu US 5411 570 zavážena do ohřívací nádoby dvěma podélnými řadami kanálů, které jsou rozmístěné na protilehlých okrajích kruhového úseku horní stěny nádoby, následkem čehož vsádka v nádobě plave na povrchu lázně roztaveného kovu ve tvaru dvou klínovitých hromad táhnoucích se podél protilehlých stran stěny nádoby tak, že širší kraj klínu, tj. vrchol každé hromady je u stěny nádoby a užší okraj klínu, tj. úpatí každé hromady je u středu nádoby. Z toho plyne, že vrcholy hromad plovoucích na kovové lázni jsou umístěny téměř vertikálně na hrdly (otvory) induktorů.

Poněvadž je kov ztrátami I² R v induktoru a proudění poměrně horkého kovu nastává přímo nad hrdlem induktorů, více tepla obdrží spodní vrstvy hromad v oblastech situovaných téměř pod vrcholy, než v oblastech jiných. Horká místa se tvoří pod nejvyššími body řad hromad. Částice vsádky jsou tedy „spotřebovávány“ hlavně v uvedených oblastech téměř přímo pod vrcholy hromad, čehož následkem je výsledný tok částic směrem k těmto oblastem.

Tok částic vsádky v hromadách lze vyjádřit pomocí vektorů. Tyto vektory toku mohou být vztaženy ke svým složkám představujícím tok kolmý k povrchu hromady a tok rovnoběžný s povrchem. Tok kolmý k povrchu hromady je nežádoucí, neboť teplo absorbované sáláním od stropu nádoby na povrchu hromady může být fakticky vedeno jen do hloubek řádově 25 mm. To znamená, že jakmile se částice dostane přibližně 25 mm kolmo k povrchu, je prakticky odstíněna od zdroje sálavého tepla. Doba potřebná pro tento pohyb může být označena jako oba „expozice“.

Zkrácení doby „expozice“ částic má za následek snížení absorpce sálavé energie těmito částicemi. Z toho opět vyplývá, že ty částice, které dosáhnou úpatí hromad, kde je míra ohřevu induktory a tím i míra tavení menší, jsou vystaveny sálání delší dobu, než by jinak byly. Delší doba „expanze“ zase znamená vyšší povrchové teploty a tedy snížený přenos sálavého tepla do materiálu při úpatí hromad. Poměrně vysoké teploty a vysoký stupeň redukce materiálu při úpatí hromad mohou způsobit i reoxidaci, poněvadž chybí ochranná funkce redukčního plynu. (Redukční reakce proběhly, tudíž se netvoří v této oblasti již žádný plyn, kteiý by chránil vsádku před reoxidaci účinkem CO₂).

Jak přeexpozice, tak i podexpozice části vsádky sáláním jsou nežádoucí, poněvadž vedou ke zvýšené spotřebě elektrické energie i reduktantu.

Další nevýhodou výše uvedeného známého uspořádání je to, že podstatný rozdíl mezi zpracovávání materiálu vsádky, který pronikne k úpatí hromad a ostatním materiálem vede k podstatnému rozdílu poměru uhlíku a kyslíku disponibilního po dobu, než se částice roztaví. Poměrná množst

-1 CZ 294003 B6 ví těchto odlišně vytvářených materiálů pronikajících k tekuté lázni jsou větší, při použití vyšších příkonů. Když dosáhne takto vzniklá nehomogenita stupně, kde přebytečný uhlík, rozpuštěný v jedné oblasti a přebytečný kyslík, rozpuštěný ve druhé oblasti, při smísení překročení mez rozpustnosti, uvolňuje se oxid uhelnatý. Při vývinu tohoto plynu dochází k narušení tavícího procesu 5 a potenciálně nebezpečné situaci. Maximální elektrický příkon proto musí být omezen na poměrně nízké hodnoty, což ovšem snižuje dosažitelnou produkci.

Ve výše uvedeném známém zařízení je minimální výška hladiny tekutého kovu při normální činnosti stanovena požadavkem, aby řady induktorů nejvíce vzdálených od výpustného otvoru 10 byly vždy pod její úrovní, a to i když je pec co nejvíce skloněna k výstupné straně. Toto omezení spolu s požadavkem, že hromady musí zcela pokrývat kovovou lázeň, zmenšuje prostor, který je k dispozici pro formování hromad a pro spalování plynů ze vsádky či paliva, které lze do pece zavést. V závislosti na úhlu uložení je projektovaná plocha povrchu pro přesnost tepla k hromadám také omezena minimální výškou hladiny lázně tekutého kovu.

Dalším výkazem známého zařízení je, že induktory, ať již s jednoduchou či dvojitou smyčkou, jsou vždy umístěny tak, že jejich žlaby jsou rovnoběžné s podélnou osou horizontálních bubnových pecí. To znamená, že běžně oválná hrdla otvorů mají podélné osy rovnoběžné s podélnou osou pece. Poněvadž hrdla induktorů jsou obvykle oddělena silnými stěnami ze žáruvzdorného 20 materiálu, které nesou ostatní žáruvzdornou vyzdívku pece, je počet induktorů v řadě na jednotku délky pece omezen. Horká místa se proto tvoří typicky po 4 až 5 metrech od sebe. Toto dále přispívá k nehomogenitě pohybu materiálu v hromadách.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje kanálová pec k redukci a tavení kovů, sestávající z válcovité taviči nádoby s kyslíkovými hořáky, která je ve své dnové části opatřena indukčními ohřívači, na jednom svém boku alespoň jednou výstupní pro roztavený kov, na svém druhém boku alespoň 30 jednou výstupní pro strusku, a ve své stropní části pak zavážecími otvory pro vsázku, které jsou uspořádány ve dvou podélně probíhajících řadách, pro vytvoření dvou vedle sebe s bočním odstupem se táhnoucích hromad, plovoucích na roztaveném kovu v nádobě a majících každá v příčném řezu tvar klínu, s vrcholy přilehlými k bočním stěnám nádoby a s přivrácenými úpatími ležícími ve svislém středové podélné rovině nádoby, podle tohoto vynálezu, jejíž podstata spočívá 35 vtom, že indukční ohřívače jsou, pro zajištění homogenity pohybu materiálu v hromadách při tavícím procesu, uspořádány ve svislé středové podélné rovině nádoby, přičemž každý indukční ohřívač má svoji podélnou osu uspořádánu kolmo ke svislé středové podélné rovině nádoby.

S tímto uspořádáním lze uhlídat podexpozici či přeexpozici vsádky sálavou energií v peci. Navíc 40 díky centrálnímu uložení induktorů může být výška hladiny kovové lázně v nádobě, a tím i celko vý objem tekutého kovu, daleko menší, než ve dříve uvedených známých zařízeních. Předejde se tak výše zmíněné nehomogenitě a v souladu s tím rovněž klesne spotřeba elektrické energie.

Zásluhou tohoto uspořádání lze umístit na jednotku délky nádoby více induktorů a počet horkých 45 míst tvořících se pod údolím mezi řadami hromad vzroste, poněvadž se zkrátí vzdálenost mezi jednotlivými horkými místy.

Dále podle vynálezu je konfigurace zařízení taková a podmínky uvnitř nádoby jsou regulovány takovým způsobem, že vsádka překrývá jako most celou lázeň tekutého kovu. Toto uspořádání 50 zajišťuje, že v podstatě celá redukce kovu probíhá ve vsádce, tj. v pevném skupenství.

Uvedená konfigurace zařízení se může například týkat počtu a/nebo umístění výše zmiňovaných kanálů, jimiž je vsádka zavážena do nádoby.

-2CZ 294003 B6

Uvedená regulace podmínek reakce zase může být uplatněna regulováním kteréhokoliv jednoho nebo více následujících parametrů:

1. Množství a rychlost zavážení vsázky do nádoby;

2. Velikost částic vsádky;

3. Stupně smíchání složek vsádky obohacujících kov a uhlík;

4. Tepla dodávaného nádobě prostřednictvím induktorů;

5. Tepla vyvíjeného jakýmkoliv plynem (plyny) a//nebo jinými palivy spalovanými v nádobě v prostoru nad hromadami.

Teplo uvedené v bodě 5 může například vznikat spalováním oxidu uhelnatého unikajícího ze vsádky v nádobě s kyslíkem či se směsí kyslík/vzduch hořáky, umístěnými v nádobě v oblasti nad vsádkou. Teplo vniklé takovým spalováním, stejně jako sálavé teplo odrážené stropem nádoby, lze též použít pro předehřátí vsádky uvnitř a/nebo vně nádoby.

Vzduch a/nebo směs vzduch/kyslík použitý v uvedených hořácích může obsahovat jemně dělený materiál, který může „žhnout“ při teplotách dosažených uvedeným spalováním oxidu uhelnatého a/nebo paliva nad hromadami. Toto „žhnutí“ zvyšuje intenzitu sálání plamene a tudíž jeho tepelný účinek na vsádku. Jemně dělený materiál mohou být například saze, takéto může být vápenec, nebo materiál může obsahovat vápenec. Vápenec může pomáhat odstraňovat síru z plynů přítomných v peci.

Tímto zařízením je směs uhlíku ve formě jemně děleného uhlí nebo koksu a jemně dělené vhodné rudy s obsahem oxidu železa zahřívána za účelem redukce oxidu železa a získání oceli obsahující méně než 0,1 % uhlíku.

Přehled obrázků na výkresech

Jedno provedení pece podle tohoto vynálezu bude následně popsáno s odkazy na připojenou výkresovou část, na níž znázorňuje obr. 1 schematický průřez pecí a obr. 2 pohled na dno pece ve směru šipky „A“ z obr. 1.

Příklady provedení vynálezu

Indukční pec 10 je tvořena podélnou válcovou nádobou 11 kruhového průřezu, která je vybavena podél osy 11.1 dna elektrickými indukčními ohřívači 12, každý o výkonu řádově 2,2 MW. Indukční ohřívače 12 jsou umístěny tak, že jejich podélné osy 12.1 probíhají v pravých úhlech vůči ose 11.1.

Nádoba 11 má dvě rovnoběžné řady zavážecích otvorů 13, 14, přičemž na obr. 1 je znázorněn z každé řady pouze jeden. Zavážecí otvory 13, 14 jsou rozmístěny na protilehlých stranách po délce nádoby 11 a jsou použity k zavážení vsádky 15 do nádoby 11, aby se utvořily dvě podélně se táhnoucí hromady 16, 17, plovoucí na tekutém kovu 18, a mající každá v podstatě v průřezu klínový tvar s širším okrajem každého klínu, tj. vrcholem hromady 16, 17 u stěny nádoby 11 a užším okrajem klínu, tj. úpatím hromady 16.17 u osy 11.1 nádoby 11.

Je-li třeba může být při startu procesu do nádoby 11 zavedena malá dávka roztaveného kovu 18 některým zavážecím kanálem (není znázorněn), aby se vytvořila počáteční kovová lázeň.

Vsádka 15 obsahuje homogenní směs částic uhlíkaté složky, jako např. uhlí či koksu a oxidu železa, přičemž uhlíkatá složka je přítomna v koncentraci nepatrně nižší, než představuje stechio

-3 CZ 294003 B6 metrické množství uhlíku nutného k redukci rudy, a velikost částic vsádky 15 je taková, že částice mohou projít sítem s otvory 3 mm.

Nádoba 11 je podél horní stěny rovněž vybavena mnoha kyslíkovými hořáky 20, 21, z nichž na obr. 1 jsou znázorněny jenom dva, pomocí kterých lze CO, tvořící se při reakci a pronikající horní vrstvou vsádky 15, spalovat.

Vsádka 15 je zavedena do nádoby 11 takovým způsobem a v takové míře (podmínky reakce jsou tak regulovány, jak bylo vysvětleno v předcházejícím popisu), že spodní části hromad 16, 17 vzájemně splývají, takže materiál vsádky 15 tvoří „most“ překrývající celý roztavený kov 18 a mající svou nejužší část v oblasti 19.

Skutečnost, že tento „most“ vytvořil a že zůstává neporušený, lze např. zjistit pomocí „měrné tyčky“ (není znázorněno), nebo vhodným inspekčním okénkem (není znázorněno) ve stěně nádoby Η.. Může k tomu též být použito vhodného přístroje pro záznam obrazu (není znázorněn) umístěného uvnitř nádoby UPři procesu se ve vsádce 15 hromad 16, 17 utvoří reakční zóna, která probíhá virtuálně ze dna hromad 16, 17 k jejich horním okrajům. Současně se tvoří taviči zóna 22, která probíhá mezi dny hromad 16, 17 a horním povrchem roztaveného kovu 18. Během reakce se redukovaná vsádka 15 pohybuje vlivem gravitace z reakční zóny k tavící zóně 22.

Struska tvořící se během tavby plave na roztaveném kovu 18 v tunelu 23 vedoucím podél osy 11.1 pod taviči zónou 22. Tunel 23 vede k výpusti strusky (není znázorněna) v nádobě 1, a zavážecí otvory 13. 14 jsou uspořádány vzhledem k výpusti strusky tak, že struska v tunelu 23 je k výpusti strusky směrována. Tekutá ocel (+0,1 % uhlíku) může být vypouštěna z nádoby 11 výpustí (není znázorněna).

V průběhu procesu slouží uvedený „most“ k zábraně padání materiálu vsádky 15 z hromad 16. 17 přímo do strusky v tunelu 23, nebo do roztaveného kovu 18. a tím k předcházející vzniku „krátkého spojení“.

Teplo dodávané roztavenému kovu 18 indukčními ohřívači 12 proniká do vsádky 15 v hromadách 16, 17 a spolu s teplem ze spalovaného CO hořáky 20, 21 a sálavým teplem ze stropu nádoby 11 způsobí, že částice oxidu železa a uhlíku ve vsádce 15 vstoupí do reakce, jejímž výsledkem je redukce oxidu železa. Téměř všechna redukce, která současně probíhá v pevném skupenství, proběhne v nejvyšší 20 mm tlusté vrstvě hromad 16, 17, hlavně díky dodatečnému teplu, kterou této vrstvě dodávají spalováním CO hořáky 20, 21 a sálavé teplo od stropu nádoby 1_1.

Přednostní bude, že zásluhou centrálního umístění indukčních ohřívačů 12 obdrží „úpatí“ hromad 16, 17 od indukčních ohřívačů 12 nejvíce tepla, takže částice vsádky 15 budou převážně spotřebovány v oblasti 19 . V důsledku toho tok částic po horním povrchu hromad 16, 17 bude převážně rovnoběžný s tímto povrchem a tedy nevznikne výše diskutovaný problém „přeexpozice“ či „podexpozice“.

Dále, centrální umístění indukčních ohřívačů 12 rovněž umožní použití mnohem nižší hladiny roztaveného kovu 18, než je hladina 24 ve zmiňovaném dosud známém uspořádání, což bude dalším přínosem.

Příčné uložení indukčních ohřívačů 12 vůči ose 11.1 umožní použití více indukčních ohřívačů 12 na jednotku délky nádoby 11 než v dosud známých uspořádáních, takže oproti nim vzroste počet horkých míst po údolím mezi hromadami 16, 17.

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Kanálová pec k redukci a tavení kovů, sestávající z válcovité taviči nádoby (11) s kyslíkovými hořáky (20,21), která je ve své dnové části opatřena indukčními ohřívači (12), na jednom svém boku alespoň jednou výpustí pro roztavený kov (18), na svém druhém boku alespoň jednou výpustí pro strusku, a ve své stropní části pak zavážecími otvory (13, 14) pro vsázku, které jsou uspořádány ve dvou podélně probíhajících řadách, pro vytvoření dvou vedle sebe s bočním odstupem se táhnoucích hromad (16, 17), plovoucích na roztaveném kovu (18) v nádobě (11) a majících každá v příčném řezu tvar klínu, s vrcholy přilehlými k bočním stěnám nádoby (11) a s přivrácenými úpatími ležícími ve svislé středové podélné rovině nádoby (11), vyznačující se t í m, že indukční ohřívače (12) jsou, pro zajištění homogenity pohybu materiálu v hromadách (16,17) při tavícím procesu, uspořádány ve svislé středové podélné rovině nádoby (11).
2. 2. Kanálová pec podle nároku 1, vyznačující se tím, že každý indukční ohřívač (12) má svoji podélnou osu (12.1) uspořádánu kolmo ke svislé středové podélné rovině nádoby (11).