СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ Российский патент 1997 года по МПК C21C5/52 

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к способам производства стали в дуговых печах.

Наиболее близким к предлагаемому является способ выплавки стали в дуговой печи из металлизованных окатышей, включающий оставление при выпуске из печи конечного шлака и части расплава от предыдущего цикла, загрузку на него различной металлошихты в виде лома, части металлизованных окатышей, шихтовой заготовки, а также шлакообразующих материалов, проплавление исходной завалки, формирование приемной ванны с заданными температурой и концентрацией углерода, последующую непрерывную подачу на приемную ванну и проплавление металлизованных окатышей, доводку и выпуск металла. Процесс выплавки стали по этому способу сопровождается замедленным шлакообразованием, поздним вспениванием шлака, неполным использованием электрической мощности печи, большой длительностью расплавления, повышенными расходами электроэнергии, огнеупоров и, как следствие, образованием на подине печи массивного твердого конгломерата, возникающего в результате загрузки на остатки жидкого расплава большого количества холодных шихтовых материалов (лома, металлизованных окатышей, шихтовой заготовки, извести), сильно отличающихся друг от друга по своим свойствам. Формирование конгломерата с массой, составляющей 35-50% от садки печи, с одной стороны, закрывает подину и защищает ее от опасности прожога электрическими дугами высокой мощности, давая возможность в течение 1-2 мин выйти на предельную мощность. С другой стороны, большая массы этого слоя, пониженные и неоднородные теплофизические свойства значительно замедляют скорость его расплавления, тормозят шлакообразование и затягивают появление в печи пенистого шлака. Отсутствие в печи важнейших шлаков, закрывающих электрические дуги, не позволяет работать с максимальной вводимой мощностью и с максимальным напряжением на дугах, ограничивает их величину и значительно снижает коэффициент использования энергии при передаче ее от электродов к ванне металла. По этой причине длительность периода расплавления и формирования приемной ванны стабильного состава и температуры нагрева увеличивается. Попытка работать с поддержанием максимальной энергетической мощностью, не считаясь с этими факторами, оказались безуспешными из-за большого износа подины и сильного перегрева подины и металла в зоне под электродами. Это ведет к частым отключениям печи и соответственно к увеличению длительности плавки. Подача окатышей в эти зоны с целью охлаждения металла в ней до расплавления всей приемной ванны замедляет плавление шихты в периферийных участках ванны и поэтому не получила промышленного применения. Малая степень заполнения печи шихтой, обусловленная при работе на окатышах: непрерывным характером их загрузки вместо порционной загрузки, делает невозможным экранирование дуг шихтой как в момент проплавления исходной завалки и формирования приемной ванны, так и в период проплавления оставшейся части металлизованных окатышей (второй период плавления). Недостаточное экранирование электрических дуг шихтой и вспененными шлаками ограничивает среднюю потребляемую мощность в начальный период плавления, увеличивая расход электроэнергии, кислорода, огнеупоров и длительность плавления. К числу недостатков известного способа относится также необходимость подачи кислорода с самого начала плавления, когда средняя температура конгломерата минимальна и наблюдается преимущественное окисление железа. Ванна при этом расплавляется быстрее, ускоряется формирование шлака и его вспенивание, сдвигается к началу плавления окисление углерода и кипение ванны. Однако при этом необходим большой расход кислорода, достигающий 10-30 м³/т металла, что усиливает износ огнеупоров из-за появления агрессивного железистого шлака, кроме того, снижается выход годного и усиливается пылеобразование.

Цель изобретения поддержание шлака во вспененном состоянии, ускорение нагрева приемной ванны и сокращение продолжительности расплавления.

Сущность изобретения состоит в том, что формирование приемной ванны осуществляют подачей шихтовой заготовки, состоящей из смеси агломерата и железорудных окатышей, залитой чугуном, при соотношении соответственно (0,15-0,45): (0,45-0,15): (1,8-3,0) с суммарным количеством кислорода, необходимым для полного окисления примесей чугуна (кремния, марганца, фосфора) и 25-50% суммарного количества углерода, содержащегося в расплаве и шихтовой заготовке, при этом последнюю вводят из расчета получения в исходной шихте суммарной концентрации углерода в пределах 1,1-2,0%
Шихтовая заготовка, состоящая из окиси агломерата и железорудных окатышей, залитой чугуном, в сравнении с заготовкой из чугуна с железорудными окатышами обладает рядом преимуществ: температура плавления агломерата намного ниже температуры плавления железорудных окатышей (1460-1480^oC) и близка к температуре плавления чугуна. Благодаря этому окисление компонентов чугуна, в том числе углерода, начинается с момента включения печи при низких температурах ванны (1250-1400^oC). Соответственно этому начинается формирование шлака и достигается его вспенивание. Наличие в агломерате повышенного содержания закиси железа (10-25% по сравнению с 0,8-2,85% в железорудных окатышах) дополнительно стимулирует окисление примесей чугуна, растворение извести и пенообразование в шлаке. Помимо этого повышенная основность агломерата, равная 1-2 вместо 0,25-0,6 у железорудных окатышей, также способствует улучшению пенообразования. Наконец содержание в агломерате спеченной и оплавившейся минеральной составляющей, содержащей закись железа, оксиды кальция, кремния, алюминия, магния и марганца, представляющей предварительно подготовленную шлаковую фазу, оказывает ускоряющее влияние на шлакообразование и приближает начало пенообразование в шлаке.

Содержание в шихтовой заготовке наряду с агломератом железорудных окатышей, имеющих в составе повышенное количество оксидов железа (80-83% Fe₂O₃, 3-4% FeO, 8-12% (SiO₂+CaO) и обладающих повышенной температурой плавления, обеспечивает снабжение ванны кислородом, окисление компонентов чугуна, кипение ванны и вспенивание шлаков во второй части плавления исходной завалки, когда температура ее достигает температуры плавления железорудных окатышей.

Наличие в железорудных материалах суммарного количества кислорода, достаточного для полного окисления примесей чугуна и 20-50% суммарного содержания углерода, находящегося в исходной завалке (болото, шихтовая заготовка, лом, окатыши), гарантирует тотальное окисление компонентов чугуна за исключением углерода, их переход в шлаковую фазу, использование тепла экзотермических реакций для нагрева и плавления ванны, а также позволяет за счет окисления части углерода обеспечить достаточно интенсивное кипение ванны, ее нагрев, ранее вспенивание шлаков и экранирование ими дуг, а также отвод тепла из зоны дуг в объемы ванны. Ввод шихтовой заготовки из расчета получения суммарной концентрации углерода в шихте на уровне 1,1-2,0% при снижении окисления углерода во время проплавления исходной завалки и формирования приемной ванны на уровне 20-25% отвечает условию, при котором скорость его окисления и количество окислившегося углерода обеспечивают быстрый нагрев и расплавление ванны, быстрое образование пенистого шлака, значительное удаление фосфора, работу на повышенных электрических мощностях и как следствие этого минимальную длительность проплавления.

Шихтовая заготовка представляет собой смесь агломерата и железорудных окатышей, залитую чугуном при соотношении их масс (0,15-0,45):(0,45-0,15): (1,8-3,0) соответственно. Соотношение компонентов в шихтовой заготовке найдено экспериментальным путем, и изменения соотношения в большую или меньшую сторону приводит в дестабилизации процесса (увеличение длительности плавки, повышенному расходу электроэнергии, увеличению времени рафинирования металла от примесей). Соотношение долей агломерата и железорудных окатышей в шихтовой заготовке соответственно 25-75 и 75-25% по массе друг к другу обеспечивает быстрое проплавление исходной завалки и формирование однородной приемной ванны с температурой 1500-1600^oC и содержанием углерода в пределах 0,8-1,2% При содержании агломерата менее 25% а железорудных окатышей в смеси более 75% концентрация углерода в ванне по расплавлении приемной ванны получается ниже 0,8% что замедляет проплавление оставшейся части окатышей. При массовой доле агломерата выше 75% а доля железорудных окатышей менее 25% скорость окисления углерода снижается, а концентрация его в расплаве по расплавлению превышает 1,2% что увеличивает длительность проплавления. В этом случае из-за пониженного содержания закиси железа в шлаке окисления углерода и кипение ванны по мере проплавления завалки и нагрева приемной ванны затухают, что увеличивает длительность плавления и всей плавки в целом.

Суммарное количество оксидов в рудной части шихтовой заготовки, достаточное для полного окисления примесей чугуна и 20-50% углерода, позволяет максимально использовать тепло, выделяющееся в результате окисления кремния, марганца и фосфора для нагрева ванны в период, когда ее температура минимальна, подвод тепла ограничен большой вязкостью расплава, а потребность ванны в тепле максимальна. Это ускоряет проплавление исходной шихты и формирование приемной ванны. Продукты этих реакций, переходя в шлак, ускоряют растворение извести и наводку шлака. Количество окислившегося углерода 20-50% с одной стороны, гарантирует сохранение в ванне по ее расплавлению необходимого содержания углерода в ней на уровне 0,8-1,2% при котором жидкий расплав имеет достаточную степень перегрева, жидкотекучесть, повышенную скорость окисления углерода, интенсивное кипение ванны, быстрый нагрев и нормальные условия для удаления включений и газов из расплава. С другой же стороны, при таком соотношении количество окислившегося углерода и скорость его окисления оказываются достаточными для того, чтобы обеспечить вспенивание шлака и экранирование им дуг, а также создать перемешивающий эффект, достаточный для быстрого нагрева ванны и ее расплавления. При доле окислившегося углерода менее 20% концентрация углерода по расплавлении оказывается завышенной, температура ванны и особенно перегрев металла получаются низкими. Длительность расплавления при этом увеличивается. В случае окисления более 50% углерода от его доли, содержащейся в шихте, концентрация углерода в ванне по расплавлении получается заниженной, температура ванны по расплавлении оказывается излишне высокой, достигая 1620-1630^oC. Пониженное содержание углерода в приемной ванне замедляет проплавление исходной завалки и оставшейся части окатышей. Кроме того, повышенная температура металла и шлака усиливает износ футеровки железистыми шлаками. По этим причинам степень окисления углерода, равная 20-50% является оптимальной.

Суммарную концентрацию углерода в шихте в пределах 1,1-2,0% создаваемую путем регулирования соотношения масс "болота" и шихтовой заготовки с учетом их состава по углероду, следует считать оптимальной. При этом нижний предел относится к выплавке стали с относительно небольшим расходом вдуваемого кислорода 6-12 нм³/т, верхний же предел отвечает работе электропечей с повышенной интенсивностью продувки ванны кислородом в пределах 15-30 нм³/т стали. Такое содержание углерода в шихте обеспечивает как быстрое расплавление исходной завалки с получением приемной ванны с заданными температурой нагрева (1560-1600^oC) и концентрацией углерода (0,8-1,2%) и необходимой степенью однородности, так и ускоренное проплавление оставшейся части металлизованных окатышей, подаваемых на приемную ванну после ее расплавления непрерывно. При содержании углерода в шихте менее 1,1% проплавление исходной завалки замедляется, а концентрация углерода и степень нагрева металла получаются ниже требуемых, а при более 2,0% приемная ванна имеет повышенное содержание углерода, что влечет за собой увеличение расхода кислорода, необходимого для окисления избытка углерода. Поэтому увеличение концентрации углерода в шихте выше 2% нецелесообразно.

Для оценки проведены плавки с режимом и параметрами заявляемого способа, так и с выходом за их пределы.

Пример. Выплавку сталей по предлагаемому способу осуществляли в дуговой электропечи с трансформатором мощностью 200 кВт и номинальной садкой 3 т. Фактическая емкость печи составляла 5,5-6 т.

При выпуске плавки их электропечи оставляли конечный шлак и часть жидкого металла. На расплав давали шихтовую заготовку, содержащую 75-80 чугуна и смесь агломерата с железорудными окатышами при различных соотношениях их концентраций (0-100%) и (100-0%) соответственно. Шихтовую заготовку с массой чушки 33-35 кг получали на разливочной машине чугуна путем заливки чугуна в мульды, куда предварительно загружали смесь агломерата и железорудных окатышей.

Для получения шихтовой заготовки использовали передельный коксовый чугун по ГОСТ 805-80, марка N 2, группа 1, класс производства НПО "Тулачермет", содержащего до 0,75 мас. кремния, 1мас. марганца, 0,15 мас. серы, а также агломерат производства НПО "Тулачермет", имеющий состав, мас. Fe_общ. 58,86; FeO 12,35; Fe₂O₃ 67,5; SiO₂ 7,2; Al₂O₃ 1,65; Мgo 1,46; P₂O₅ 0,11; CaO 8,32; SO₃ 0,38.

В качестве железорудных окатышей применяли обожженные окатыши Михайловского ГОКа, имеющие следующее содержание компонентов, мас. Fe_общ. 59,4; FeO 0,76; CaO 4,6; MgO 0,37; SiO₂ 9,8; AI₂O₃ 0,1 TiO₂ 0,02; P 0,014; S 0,009.

Соотношение расплавов и шихтовой заготовки выбиралось из условия получения в исходной шихте суммарной концентрации углерода в пределах 1-2,1% После проплавления части исходной завалки производили скачивание первичного шлака, появляющегося на 6-15 мин и продолжали плавление шихты. По ходу плавления отбирали пробы шлака и металла, измеряли температуру ванны, производили хронометраж плавки. На первой плавке применяли кислород, в дальнейшем, как показал опыт, от его использования практически отказались из-за отсутствия необходимости в нем. После расплавления ванны производили доводку металла, предварительное раскисление и выпуск стали в ковш.

Результаты плавок, проведенных по предложенному способу в сравнении с плавками, выплавленными по известному способу (показатели средние), приведены в таблице.

Как видно из таблицы, предложенный способ обеспечивает сокращение длительности расплавления приемной ванны с получением температуры за 22-29 мин против 37-41 мин, то есть на 40-50%
Весьма характерным признаком предложенного способа является повышенное содержание оксиад кальция в шлаке (42-51%) и повышенная основность на уровне (1,45-2,0), отвечающие условиям максимального вспенивания шлака.

Проверку эффективности нового способа производили в 100 тонной высокомощной дуговой печи Белорусского металлургического завода. Опыты показали возможность сокращения длительности плавки со 120-130 до 80-95 мин.

Сущность изобретения: при выпуске стали из печи оставляют конечный шлак и часть жидкого металла, загружают на него металлошихту, шлакообразующие, вдувают кислород, проплавляют загруженные металлизованные окатыши. Таким образом, формирование приемной ванны осуществляют подачей шихтовой заготовки, состоящей из смеси агломерата и железорудных окатышей, залитой чугуном при соотношении их масс (0,15-0,45):(0,45-0,15):(1,8-3,0) соответственно, с суммарным количеством кислорода, необходимым для полного окисления чугуна (кремния, марганца, фосфора) и 20-25% суммарного количества углерода, содержащегося в расплаве и шихтовой заготовке, при этом последнюю вводят из расчета получения в исходной шихте суммарной концентрации углерода у пределах 1,1-0,2%. В результате можно ускорит нагрев приемной ванны, сократить продолжительность расплавления и поддержать шлак во вспененном состоянии. 1 табл.

Способ выплавки стали в дуговой электропечи, включающий оставление при выпуске из печи конечного шлака и части жидкого металла предыдущей плавки, загрузку на него металлошихты, в которой шихтовая заготовка находится в количестве 0,5 1,5 т на 1 т скрапа, и шлакообразующих материалов, проплавление исходной завалки, формирование приемной ванны с заданными температурой и концентрацией углерода, последующую непрерывную подачу и проплавление металлизованных окатышей, доводку и выпуск металла, отличающийся тем, что, с целью поддержания шлака во вспененном состоянии, ускорения нагрева приемной ванны и сокращения продолжительности расплавления, шихтовая заготовка состоит из смеси агломерата и железорудных окатышей, залитой чугуном, при соотношении их масс 0,15 0,45:0,45 0,15:1,8 3,0 соответственно с суммарным количеством кислорода, необходимого для полного окисления примесей чугуна (кремния, марганца, фосфора) и 25 50% суммарного количества углерода, содержащегося в расплаве и шихтовой заготовке, при этом последнюю вводят из расчета получения в исходной шихте суммарной концентрации углерода в пределах 1,1 2,0%