Productivitatea ridicată a cuptorului electric cu arc se obține, în primul rând, prin creșterea bruscă a puterii de intrare, utilizarea de deșeuri cu masa aparentă relativ mică, menținerea tensiunii maxime a arcului (adică lucrul cu arcuri lungi la curentul minim admis) cu o rezistență tehnologică corespunzătoare a elementelor principale ale cuptorului și, mai ales, a pereților și bolții cuptorului. Fig.11.2 prezintă dependența pierderilor de căldură de factorul de putere (cosj) la diferite variante ale procesului.
Într-o anumită măsură, utilizarea elementelor răcite cu apă ale pereților și bolții cuptorului contribuie la rezolvarea acestor probleme. Cu toate acestea, rolul decisiv rămâne crearea condițiilor pentru utilizarea maximă a energiei arcului pentru încălzirea metalului și a zgurii.
Pentru a reduce impactul negativ al arcurilor deschise asupra rezistenței elementelor refractare și răcite cu apă din spațiul de lucru al BSP și pentru a crește eficiența transferului de căldură de la arc la metal, este necesar să se asigure ecranarea arcului electric prin scufundarea acestuia în metal sau zgură. Condițiile de ecranare a arcului electric cu metal sau zgură sunt determinate de diverși factori. Pentru a alege varianta de ecranare a arcului, să comparăm adâncimea de imersie a arcului la aceiași parametri ai curentului de alimentare.
Dacă luăm curentul de arc al unui DSP mare egal cu 50 kA, iar densitatea curentului în spotul catodic 500 A/cm 2 , ceea ce corespunde razei spotului rece 5,7 cm, atunci forța de presiune asupra metalului topit va fi egală cu 125 N. Conform ecuației, presiunea maximă în apropierea axei arcului va fi egală cu 2,5×10 4 N/m 2 . Atunci adâncimea de imersie a arcului este de ordinul a 150 mm. De fapt, în cazul CPD de mare putere, sub coloana arcului se formează un menisc concav vizibil pe suprafața oțelului. Cu toate acestea, odată cu creșterea tensiunii și a puterii totale a plăcii aglomerate, acest lucru nu este suficient pentru a asigura ecranarea arcului și pentru a crea condiții pentru transferul maxim de căldură către metal și zgură.
Ecranarea completă a arcului cu zgură poate asigura un randament suficient de ridicat al utilizării energiei electrice pentru încălzirea metalului și a zgurii. Funcționarea cuptorului pe zgură spumată poate aduce rata de utilizare a energiei arcului la 65-93%, față de 36%. Dacă arcul este la jumătate din lungimea sa sau complet scufundat în zgură, energia radiată de arc va fi transferată către baia de metal cu aproximativ 63%, respectiv 93%.
Condițiile de formare a spumei de zgură. Principalii factori care influențează formarea zgurii spumoase sunt cantitatea de gaze formate ca urmare a decarburării și proprietățile fizice și chimice ale zgurii (compoziție, temperatură, vâscozitate, tensiune superficială sau interfacială). Menținerea zgurii în stare spumoasă necesită un consum sporit de agenți de formare a zgurii, o bazicitate ridicată a zgurii (nu mai puțin de 1,7), injectarea constantă de oxigen și prezența unui conținut ridicat de carbon în metal (mai mult de 0,8%) sau suflarea carburanților în zgură. Se realizează economii de 10-30 kWh/tonă de oțel lichid.
Cea mai promițătoare soluție pentru menținerea zgurii spumoase este utilizarea materiilor prime metalizate care conțin carbon și oxigen și care sunt introduse uniform în baia cuptorului. La topirea electrică de mare putere și de mare viteză este necesară ecranarea arcurilor pentru a crește eficiența energetică și a reduce pierderile de căldură. Topirea cu arcuri lungi protejate de zgură spumoasă este posibilă în cazul în care cuptorul este acționat de un manipulator sau în cazul în care atelierul dispune de un cărucior cu buncăr pentru alimentarea cuptorului cu zgură de formare și cărbune pulverizat. În cazul în care acest lucru nu este disponibil, topirea trebuie să se efectueze în modul de arcuri scurte îngropate în topitură. Ambele metode sunt utilizate în funcție de tipul și nivelul de întreținere a cuptorului.
Lucrul cu zgură spumată este obligatoriu în complexele siderurgice electrice moderne pentru a reduce consumul de energie electrică, electrozi, a reduce timpii morți, a reduce costurile. Reducerea consumului de energie se realizează datorită unui transfer mai bun de căldură prin convecție prin stratul de zgură în sistemul zgură-metal, încălzirii parțiale prin rezistență, introducerii de căldură suplimentară datorată oxidării carbonului de către oxigenul insuflat în cuptor în proporție de 25-30 nm 3 /t. Spumarea intensivă a zgurii este favorizată în special de injectarea în comun a oxigenului cu materialele pulverulente cu conținut ridicat de carbon.
La sfârșitul topirii, când arcele nu sunt protejate de metalul de încărcare, este necesar să se limiteze radiația de căldură către pereții răciți cu apă și către căptușeala pereților și a bolții. În acest scop, tensiunea este redusă. Cu toate acestea, menținerea puterii de intrare prin creșterea curentului conduce la un consum suplimentar de electrozi. Scoria din furnal nu asigură ecranarea arcului și, prin urmare, factorul de utilizare a căldurii arcului scade brusc. Este necesar să se protejeze arcul cât mai mult posibil prin spumarea zgurii pentru a evita pierderile de căldură și pentru a asigura utilizarea completă a puterii transformatorului. Supraîncălzirea zgurii determină spumarea acesteia prin fierbere. Agitarea la interfața metal-scură asigură o decarburizare intensă și crește transferul de căldură al arcului către metal. Spumarea zgurii trebuie asigurată la sfârșitul perioadei de topire, atunci când în cuptor mai există reziduuri de încărcătură netopită. Introducerea simultană de oxigen și carbon permite procesul de decarburare a metalului și spumarea zgurii. În acest caz, oxigenul trebuie să fie suflat direct în metal cu ajutorul unui tuyere, iar carbonul cu ajutorul unor injectoare, prin modificarea unghiului de înclinare a tuyerei. Suflarea trebuie efectuată la temperaturi ale metalului cuprinse între 1550 și 1680 0 C până când conținutul de carbon din metal este de 0,15-0,05%. Conținutul de FeO în zgură variază de la 8 la 28% cu bazicitatea CaO/SiO2≈ 2. Este necesar să se asigure o injecție constantă de carbon cu un debit de aproximativ 0,3 kg/min×t pentru a asigura simultan decarburarea oțelului și a preveni crearea de zgură excesiv de oxidată, datorită acumulării de oxizi de fier în aceasta. Procesul de furnizare simultană de oxigen și carbon trebuie optimizat astfel încât oxigenul să fie utilizat integral pentru oxidarea carbonului metalic până la limitele specificate, iar carbonul suflat să fie utilizat integral pentru reducerea oxizilor de fier, asigurând în zgură un conținut al acestora de 11-15%. În acest caz, procesul de reducere a oxizilor de fier ar trebui să devanseze sosirea lor (adică oxidarea), ceea ce va reduce cantitatea totală de zgură și va reduce pierderile de metal pentru monoxidul de carbon. Raportul dintre consumul de carbon și oxigen se alege în funcție de conținutul de carbon necesar în metal la sfârșitul suflării.
Spumarea zgurii limitează sarcina termică asupra pereților și bolții cuptorului, creează posibilitatea de a furniza puterea maximă posibilă către BSP, crește productivitatea unității, reduce pierderile de metal cu zgură. Prin asigurarea intensității spumării zgurii, este posibilă creșterea utilizării utile a căldurii arcului până la 70-80% față de 50% la topirea convențională. Factorul de utilizare a căldurii arcului poate fi determinat din ecuația
unde: ΔHper — căldura pentru supraîncălzirea oțelului;
p — coeficientul de utilizare a căldurii arcului;
ΔНС — entalpia reacției C + 1/2O2 → CO;
ΔНFe — entalpia reacției Fe + 1/O2 → FeO;
C — pierderi de căldură prin cuptor;
E — puterea electrică de intrare;
r — pierderi electrice în modul arc.
Printre altele, prin ajustarea raportului de carbon și oxigen injectat (C/O2), este posibil să se mențină conținutul de oxid de fier al zgurii sub 20 %, reducând în același timp conținutul de carbon al oțelului la 0,025 %. Zgură care conține această cantitate de FeO are o bună capacitate de defosforizare. Pe de altă parte, oxidarea manganului și a cromului este limitată prin suflarea carbonului, economisindu-se astfel feroaliajele.
Astfel, funcționarea BSP cu oxigen și carbon de suflare într-un anumit raport la sfârșitul perioadei de oxidare permite reglarea conținutului de oxizi de fier în zgură și de carbon în metal și asigură o spumare eficientă a zgurii, care obține următoarele rezultate: economisește 20-30 kWh / t de oțel lichid; crește randamentul oțelului cu până la 2%; reduce consumul de ferromangan și ferocrom cu 0,3-0,5 kg / t de oțel lichid; reduce aportul de aer în BSP și reduce numărul de emisii de gaze fugitive.
