СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ СТАЛИ В ДУГОВОЙ ПЕЧИ Российский патент 1995 года по МПК C21C5/52 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам производства стали.

Известен способ производства стали с загрузкой и плавлением стального лома, непрерывной загрузкой металлизованных окатышей (после проплавления электродами колодцев в ломе) с интенсивностью их проплавления 20,5-21,6 кг/МВт. мин в интервале 1500-1570^оС при постоянно подводимой электрической мощности и регулированием температуры металла изменением скорости загрузки окатышей; обезуглероживание и подогрев металла проводят по расплавлении всей шихты (А.М.Ереметов и др. Сталь, 1987, N 2, с.43-44).

Недостатками способа являются: большая продолжительность плавления окатышей и всей плавки под током; большой разброс плавок по содержанию углерода и температуре металла перед выпуском.

Наиболее близким к предлагаемому является способ производства стали для металлокорда и бортовой проволоки на БМЗ [1]
На оставшееся от предыдущей плавки "болото" металла заваливают известь (известняк) и часть металлической шихты в виде оборотного лома 10-15 т и металлизованных окатышей 15-20 т; (9,5-12,5 и 14,3-16,7% соответственно) и расплавляют. При отработке (50-100)х 10² кВт˙ч электроэнергии включают подачу кислорода с расходом 800-1000 м³/ч. Присадку окатышей начинают производить в проплавившиеся колодцы в шихте.

До конца плавления окатышей температура метала не должна превышать 1600^оС, а пределы ее изменений 1580-1600^оС поддерживают изменением скорости присадки окатышей и извести (известняка).

При проплавлении 55-60 т окатышей (52-50% от массы всех металлизованных окатышей, равных 105-120 т) производят отбор пробы на химический анализ. После полной присадки окатышей металл перед выпуском нагревают до 1650-1680^оС; при этом содержание углерода находится в пределах 0,05-0,020% и до 1630-1645^оС, когда содержание углерода составляет 0,20-0,68%
Недостатками указанного способа являются: использование в составе заваливаемой на "болото" металлической части шихты металлизованных окатышей (15-20 т или 14-17% от всей массы шихты) и оборотного лома (или чугуна) 10-15 т (9-12,5% от всей шихты).

В процессе плавления этой части шихты под электродами образуются "колодцы" из расплавленного металла со стенками нерасплавившейся части шихты из сплавленных (сваренных) между собой металлизованных окатышей.

Образуются зоны локальных перегревов металла. Футеровка подины под этими зонами подвергается чрезмерному перегреву и преждевременному износу.

Присадку основной массы окатышей производят в эти приэлектродные зоны. Новые порции окатышей экранируют оставшиеся нерасплавленными участки шихты, состоящие преимущественно из металлизованных окатышей. Это приводит к непредсказуемому (нерегулярному) изменению времени плавления шихты, температуры стали (фиг.2) и продолжительности плавки в целом (таблица).

Температура металла в зоне колодцев сначала сильно повышается (фиг.2), затем после начала непрерывной присадки окатышей, наоборот, сильно понижается и в конце плавки вновь сильно растет, увеличивая расход электрической энергии, время работы футеровки печи при высоких температурах и расход печных огнеупоров из-за более частых "горячих" и "холодных" ремонтов печи.

На фиг.1 приведен график изменения К_у (кг/мВт˙с) и t(^оС) по ходу плавки; на фиг.2 характерный график изменения температуры металла до выпуска плавки по прототипу.

Начало подачи кислорода определяют по израсходованию 5000-10000 кВт˙ч электроэнергии. Как показывает опыт, к этому моменту остается еще много нерасплавившейся шихты; плавают "острова" спекшихся металлизованных окатышей, количество которых нельзя заранее предсказать.

Это приводит к большому разбросу основных технологических показателей (параметров) от плавки к плавке.

Подача газообразного кислорода в металл в этом случае приводит к окислению углерода с различными скоростями, большому разбросу данных по содержанию углерода (таблица, строка 4), и как следствие, к различному химическому и фазовому составам включений и ухудшению свойств готовой стали (таблица).

Расплавление окатышей при 1580-1600^оС и регулирование температуры только присадками металлизованных окатышей и извести в этот период увеличивает количество "горячих" ремонтов и расход печных огнеупоров и нестабильность по содержанию углерода и другим показателям.

Цель изобретения увеличение производительности дуговой сталеплавильной печи, снижение расхода печных огнеупоров и электроэнергии, повышение чистоты стали по содержанию вредных элементов, обеспечению заданного содержания углерода и температуры металла перед выпуском в узких пределах, повышение качества стали.

Цель достигается тем, что на "болото" заваливают (присаживают) композиционный шихтовый материал с кажущейся плотностью (4,5-5,8)х10^-3 кг/см³ в виде брикетов, "чушек" и т.п. из сплавленных чугуна и железорудных окатышей в количестве 20-35% от массы жидкого металла в печи перед выпуском, после плавления которых производят непрерывную загрузку и плавление металлизованных окатышей в 2-режимных периодах с удельной скоростью от 0,38 до 0,45 кг/(МВт˙с) при нагреве металла до 1550-1577^оС и во втором со скоростью от 0,45 до 0,50 кг/(МВт˙с) при постоянной температуре от 1550 до 1577^оС и синхронно с этим окисляют углерод.

Длительность и синхронизацию окончания периодов непрерывной загрузки и плавления металлизованных окатышей и окисления углерода обеспечивают изменением электрической мощности, удельной скорости загрузки металлизованных окатышей и скорости подвода газообразного кислорода по следующим соотношениям:
τ_п.о.=
(1)
τ_о.у.
(2) где τ_п.о. и τ_о.у. длительность периодов загрузки и плавления металлизованных окатышей и окисления углерода, мин.

Способ основан на комплексном использовании факторов, снижающих время полного расплавления первой части металлической шихты, заваливаемой на "болото", ускорении протекания рафинирующих процессов и всей плавки, повышении вос-производимости показателей энергометаллургических результатов за счет управления процессами окисления, нагрева и плавления шихты.

Завалка композиционного шихтового материала в виде брикетов из сплавленных чугуна и железорудных окатышей ускоряет процесс полного расплавления первой части металлической шихты.

Железорудные окатыши, заплавленные в теле брикетов композиционного шихтового материала, резко увеличивают поверхность реагирования шлак-металл, ускоряя начало и скорость окисления фосфора и углерода. Окисление углерода в свою очередь усиливает перемешивание ванны, ускоряя массо-теплообменные процессы.

Применение брикетов с плотностью (4,5-5,8)˙10^-3 кг/см³ позволяет им (брикетам) находиться все время в плавающем положении в верхних объемах ванны, усиливая протекание массообменных процессов между металлом и шлаком, увеличивая тепловой КПД печи.

Применение шихтовых брикетов в количестве 20-35% позволяет быстро накопить достаточную массу и глубину расплавленного металла и устранить чрезмерный локальный перегрев подины под мощными электрическими дугами в начальный период плавления шихты; применение менее 20% не устраняет перегрева подины и "выхода" температуры кожуха за предельно допустимые нормы (300^оС); более 34% затягивает плавку из-за чрезмерного количества углерода в ванне; применение присадки металлизованных окатышей в 2 режимных приема, в первом с удельной скоростью от 0,38 кг/(МВт˙с) в начале присадки с постепенным увеличением ее до 0,45 кг/(МВт˙с (фиг.1), при достижении температуры металла 1550-1577^оС позволяет точно войти в заданный оптимальный "температурный коридор" 1550-1577^оС. Исключает чрезмерный перегрев металла, например, как при выплавке стали по прототипу (фиг.2).

Во втором режимном приеме непрерывной загрузки и плавления металлизованных окатышей удельная скорость изменяется от 0,45 кг/МВт˙с) в начале периода, до 0,50 кг/(МВт˙с к концу периода загрузок и плавления окатышей. При этом при интенсивности менее 0,45 кг/МВт˙с) происходит чрезмерный угар железа и увеличение температуры сверх 1577^оС.

Температурный интервал второго период непрерывной загрузки и плавления окатышей в пределах 1550-1577^оС найден опытным путем и является оптимальным с точки зрения сохранения футеровки печи, предотвращения перегрева днища печи, повышения ее производительности.

При непрерывной присадке металлизованных окатышей и плавлении с интенсивностью более 0,50 кг/(МВт˙с) граница плавления металлизованных окатышей опускается чрезмерно глубоко по отношению к поверхности металл-шлак. При этом скорость прихода углерода в ванну возрастает, а скорость окисления снижается. Происходящее при этом уменьшение температуры ванны ниже 1550^оС дополнительно уменьшает скорость окисления углерода.

Загрузку металлизованных окатышей, их плавление и окисление углерода проводят и заканчивают одновременно, например, при достижении содержаний углерода 0,25% Это позволяет управлять процессом и стабилизировать состав металла не только по содержанию углерода, но и по содержанию газов (N₂, H₂, O₂), предотвращая их повышение сверх допустимого уровня.

Синхронное окончание процессов плавления металлизованных окатышей и окисления углерода сокращает общую продолжительность плавок, а возможность управления этим процессом позволяет стабилизировать в узких пределах химический состав металла и температуру.

Заданную длительность этого периода обеспечивают изменением электрической мощности, интенсивности загрузки металлизованных окатышей и скорости подачи кислорода по соотношениям (1) и (2).

Несинхронное проведение этих процессов в интервале 1550-1577^оС либо сильное неравенство между значениями τ_п.о. и τ_о.у. увеличивает длительность плавки.

Синхронизация или реализация равенства между τ_п.о. и τ_о.у. и температура в пределах 1550-1577^оС позволяет оптимизировать состав и температуру металла перед выпуском.

На фиг.1 приведены изменения температуры и интенсивности присадки окатышей по ходу плавки, диапазон их колебаний.

Способ осуществляют следующим образом.

П р и м е р 1. Плавку стали марки 70К ведут в 100-тонной дуговой печи (125 т жидкой стали в печи перед выпуском).

На "болото" от предыдущей плавки заваливают 10 т оборотного лома, 2 т извести и 20% (или 25 т) брикетов композиционного шихтового матеpиала (КШМ) с соотношением чугуна и железорудных окатышей 75:25 соответственно с кажущейся плотностью брикетов 5,8˙10^-3 кг/см³. Состав железорудных окатышей в КШМ следующий, мас.

FeO 3-12; Fe₂O₃ 56-84; CaO 4-20; SiO₂ 1-9; Al₂O₃ 1,5-9; MgO 1,5-0,3; P₂O₅ ≈0,02; S ≈0,06.

В процессе плавления шлак спускают самотеком 3-4 раза. По расплавлении КШМ начинают непрерывную загрузку и плавление металлизованных окатышей с удельной скоростью 0,38 кг/(МВт˙с), увеличивая ее до 0,45 кг(МВт˙с) при нагреве металла до 1560^оС. Затем продолжают загрузку их, увеличивая постепенно удельную скорость от 0,45 до 0,50 кг/(МВТ˙с), поддерживая температуру металла в пределах от 1560 до 1577^оС до конца плавления окатышей, и одновременно продувают металл газообразным кислородом с интенсивностью 1380 м³/ч.

Плавление окатышей и окисление углерода заканчивают при достижении 0,20% [C] После этого быстро нагревают металл до температуры выпуска и плавку выпускают в ковш с отсечкой шлака.

П р и м е р 2. При выплавке стали, например, 70К в 100-тонной печи на "болото" от предыдущей плавки присаживают 15 т оборотного лома, 2,5 т извести, 31% брикетов КШМ того же, что и в примере 21, состава с кажущейся плотностью брикетов КШМ 4,5˙10^-3 кг/см³. В процессе плавления шлак 3-4 раза спускают самотеком через порог рабочего окна.

По расплавлении получили 1,8 мас. углерода, 0,03 мас. кремния, температуру металла 1500^оС и начали непрерывную загрузку и плавление металлизованных окатышей в 1 периоде с удельной скоростью 0,38 кг/(МВт˙с), постепенно увеличивая ее до 0,45 кг/(МВт˙с) при нагреве металлической ванны до 1550^оС, затем, как и в примере 1, во втором периоде непрерывную загрузку и плавление металлизованных окатышей проводили с удельной скоростью от 0,45 до 0,50 кг/(МВт˙с) и одновременно продували металл кислородом, поддерживая температуру расплава в пределах от 1560 до 1577^оС до конца плавления металлизованных окатышей.

Синхронизировали окончание процессов непрерывной загрузки и плавления металлизованных окатышей с окислением углерода до 0,13% с помощью соотношений (1) и (2), по которым:
(1) τ_п.о.= 48 мин
(2) τ_о.у.= 50 мин
Затем производили форсированный нагрев металла до температуры выпуска.

П р и м е р 3. Проводили так же, как и в примерах 1 и 2, но со средними значениями режимных параметров.

Подробные режимы осуществления заявленного способа и полученные металлургические результаты приведены в таблице.

П р и м е р 4 осуществлен по способу-прототипу.

П р и м е р ы 5 и 6 по приемам осуществления соответствуют данному способу, однако отличаются от него запредельными режимными параметрами (таблица).

Как видно из данных таблицы, наилучший комплекс параметров и свойств достигается в том случае, если в способе получения стали, включающем завалку на "болото" части металлической шихты, непрерывную загрузку и плавление металлизованных окатышей, продувку ванны кислородом, нагрев металла и выпуск с отсечкой шлака, в завалке на "болото" применяют композиционный шихтовой материал (КШМ) кажущейся плотность3 (4,5-5,8)˙10^-3 кг/см³ в количестве 20-35% от массы всей металлической завалки или от массы жидкого металла перед выпуском из печи, а непрерывную загрузку и плавление металлизованных окатышей производят после полного расплавления заваленной на "болото" шихты в двух режимных периодах: 0,38-0,45 кг/ (МВт˙с) до 1550-1577^оС и 0,45-0,50 кг/(МВт˙с) в температурном интервале 1550-1577^оС с одновременным, синхронным проведением и окончанием окисления углерода, причем синхронизацию одновременного их окончания обеспечивают в зависимости от подводимой тепловой мощности, интенсивности загрузки окатышей и подачи газообразного кислорода по соотношениям (1) и (2).

Способ прост в осуществлении, управляем как в ручном, так и в автоматическом режимах, опробован и внедрен на Белорусском метзаводе при выплавке кипящей и кордовой стали и может быть внедрен на других металлургических заводах в цехах, оборудованных дуговыми печами с непрерывной загрузкой металлизованных окатышей.

Сущность изобретения: на "болото" заваливают композиционный шихтовый материал из сплавленных чугуна и металлизированных окатышей с кажущейся плотностью (4,5-5,8)·10^-3 кг/см³ в количестве 20-35% от массы жидкого металла в печи перед выпуском. Непрерывную загрузку металлизованных окатышей производят в двух режимных периодах: в первом с удельной скоростью от 0,38 до 0,45 кг/(МВт с) до достижения температуры металла 1550-1570°С, а во втором до конца загрузки металлизованных окатышей с удельной скоростью 0,45 до 0,50 кг /(МВт с) при сохранении достигнутой температуры, при этом окисление углерода проводят синхронно и заканчивают одновременно с окончанием непрерывной загрузки металлизованных окатышей. Длительность второго периода и окисления углерода определяют в зависимости от подводимой мощности, удельной скорости загрузки окатышей, скорости подвода газообразного кислорода. 1 з. п. ф-лы, 2 ил. 1 табл.

1. СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ СТАЛИ В ДУГОВОЙ ПЕЧИ, включающий завалку на "болото" извести и части металлической шихты, например оборотного лома и чугуна, плавление, непрерывную загрузку металлизованных окатышей, продувку ванны газообразным кислородом, окисление углерода, нагрев металла до температуры выпуска и выпуск его в ковш с отсечкой шлака, отличающийся тем, что на "болото" заваливают композиционный шихтовый материал из сплавленных чугуна и железорудных окатышей с кажущейся плотностью (4,5-5,8)·10^-3 кг/см³ в количестве 20-35% от массы жидкого металла в печи перед выпуском, причем непрерывную загрузку металлизованных окатышей производят в двух режимных периодах: в первом с удельной скоростью по нарастающей от 0,38 до 0,45 кг/(МВт·с) до достижения температуры металла 1550-1570^oС, а во втором до конца загрузки металлизованных окатышей с удельной скоростью от 0,45 до 0,50 кг/(МВт·с) при сохранении достигнутой температуры, при этом окисление углерода проводят синхронно и заканчивают одновременно с окончанием непрерывной загрузки металлизованных окатышей. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность τ_з.o второго периода непрерывной загрузки металлизованных окатышей и длительность τ_у.o синхронного окисления углерода определяют по следующим соотношениям:


где m_о начальная до загрузки окатышей масса металла, т;
m_к конечная перед выпуском плавки масса металла, т;
P_д мощность дуги, МВт;
K_у удельная скорость присадки металлизованных окатышей, кг/(МВт·);
K_ок коэффициент усвоения железа из окатышей;
ε коэффициент усвоения углерода из окатышей;
содержание углерода в окатышах,
скорость подвода кислорода, м³/ч;
[C]_о содержание углерода до начала второго периода,
[C]_з заданное содержание углерода,