ЧУШКА ДЛЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПЕРЕДЕЛА Российский патент 1997 года по МПК C21C5/52 C21C5/04 C22B1/00 

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно, к составу шихт для производства стали, в частности, в дуговых электропечах.

Известен способ получения шихты для электроплавки, в котором шихтовую заготовку формируют путем заливки формы, предварительно заполненной металлизованными окатышами, жидким чугуном в количестве 0,8-8,0 кг на 1 кг окатышей (авт. свид. N 805634, кл. C 22 B 1/00 прототип).

Недостатком данного изобретения является наличие в составе шихты предварительно восстановленного материала металлизованных окатышей, содержащих минимальное количество кислорода в виде недовосстановившихся оксидов железа, этого количества кислорода недостаточно для заметного окисления углерода, кремния, марганца, фосфора и других легкоокисляемых примесей, входящих в состав чугуна. Во избежание получения по расплавлении металлозавалки расплава с повышенным содержанием этих элементов приходится ограничивать долю этого материала в шихте и заменять ее ломом, содержащим повышенное и неконтролируемое количество примесей цветных металлов.

Помимо этого, шихтовая заготовка, состоящая из чугуна и металлизованных окатышей, обладает повышенной до 4,5-6,5 г/см³ плотностью, приближающейся к плотности тяжеловесного лома. Использование ее в шихте электроплавки в больших количествах вызывает образование в электропечи при загрузке плотного слоя тяжеловесной шихты, который к тому же не заполняет полностью рабочее пространство печи.

Это не позволяет работать на мощных длинных дугах и ограничивает тем самым вводимую в печь электрическую мощность. В сочетании с пониженной скоростью плавления этот фактор также вызывает необходимость ограничения доли шихтовой заготовки в загрузке электропечи.

Кроме того, использование чугуна в качестве металлической основы при производстве шихтовой заготовки также служат препятствием на пути увеличения в шихте электропечей доли этой заготовки, поскольку при этом возникает опасность получения расплава с чрезмерно высоким содержанием углерода и кремния.

Вместе взятые, отмеченные выше недостатки известного способа (прототипа), ставят предел использованию в электропечах шихтовой заготовки и ограничивает его уровнем 15-25 Это требует соответствующего увеличения расхода скрапа или металлизованных окатышей. Первый вносит в металл примеси цветных металлов, причем количество их не поддается прогнозированию, что ухудшает тем самым качество стали и стабильности ее свойств. Окатыши имеют стоимость, превосходящую стоимость шихтовой заготовки, и требуют специальных средств для их загрузки в электропечь, что удорожает себестоимость металла.

Дополнительным существенным недостатком материала по прототипу является большая длительность плавки, обусловленная более низкой скоростью проплавления тяжеловесной шихтовой заготовки и ограничениями в количестве вдуваемого кислорода и вводимой мощности.

Технической задачей изобретения является исключение применения в завале электропечей металлолома, либо сведение доли лома в шихте до минимума, не превышающего 20-40 и улучшение на этой основе качества стали за счет снижения в ней концентрации примесей цветных металлов, а также сокращение длительности электроплавки.

Технический результат достигается тем, что для выплавки стали в электропечах в завалке применяют чушку для металлургического передела, содержащую железоуглеродистый сплав и оксидсодержащий материал при следующем содержании компонентов, мас.

железоуглеродистый сплав 50,0-99,5
оксидсодержаший материал 0,5-50,0
при этом она выполнена с порами и пустотами, объем которых составляет 0,1-0,7 от общего объема чушки.

Предложенный состав обеспечивает за счет реакции взаимодействия углерода, входящего в состав железоуглеродистого сплава и кислорода, имеющегося в оксидсодержащем материале, а также за счет частичной диссоциации оксидов с выделением газообразного кислорода, получение чушки с пористой структурой, объем пор и пустот в которой составляет 0,1-0,7 от общего объема чушки. В зависимости от степени ее пористости и соотношения компонентов, составляющих основу чушки железоуглеродистого сплава и оксидсодержащего материала, чушка имеет плотность на уровне, значительно меньшем плотности металлической основы и плотности известного материала по прототипу. Благодаря этому ее объем и поверхность нагрева при той же массе значительно возрастают.

Использование более легких чушек позволяет исключать образование на подине печи плотного тяжеловесного медленно плавящегося слоя шихты, увеличить долю нового материала в шихте электропечей. Одновременно это дает возможность повысить степень заполнения рабочего пространства электропечи этой шихтой до 60-100 и работать на длинных дугах с использованием максимальной мощности трансформатора.

Наличие пустот в чушке не оказывает отрицательного влияния на теплопроводность металлической основы и поэтому линейная скорость расплавления чушек нового материала, обладающего пористой структурой, находится на уровне монолитной шихты.

Отсутствие на подине печи массивного трудноплавящегося монолита и более высокая степень заполнения рабочего пространства электропечи шихтой по сравнению с известным изобретением (прототипом) позволяют работать с максимальной до 100 долей нового материала, использовать максимально мощность трансформатора и длинные дуги.

Более высокая вводимая мощность и меньшая степень отвода тепла в объем слоя исключают сваривания шихты в монолит. Благодаря этому и большой поверхности теплообмена проплавление шихты, состоящей из чушек нового материала, ускоряется, а длительность плавки сокращается.

Меньшая по сравнению с жидким металлом плотность чушек уменьшает долю шихты, находящейся в расплавленном металле, и снижают отбор тепла от жидкой ванны, ускоряя тем самым ее нагрев до более высокой температуры и последующее расплавление всей шихты в целом. Одновременно с этим возрастает доля шихты, проплавляемой над поверхностью жидкой ванны, за счет прямого нагрева от электрических дуг. Коэффициент использования тепла друг при этом составляет 0,8, что превышает вдвое значение этой величины при расплавлении твердой шихты, погруженной в жидкую ванну. Это дополнительно увеличивает скорость проплавления шихты.

Таким образом, чушка предложенного состава снимает ограничения теплофизического характера, существующие в известном изобретении (прототипе), на возможность увеличения доли шихтовой заготовки, раздвигая пределы ее потенциального использования до 100
Использование в предлагаемой чушке железоуглеродистого сплава с более широким диапазоном содержания углерода (0,2-5,5) вместо чугуна и оксидсодержащего материала в виде окисленных окатышей, железной руды, окалины, агломерата, железофлюса, сидерита и т.п. вместо металлизованных окатышей позволяет задавать в чушке в исходном состоянии необходимые соотношения углерода с одной стороны, и кислорода с другой. При этом открываются широкие возможности регулирования концентрации углерода в расплаве, получаемом в результате проплавления завалки из чушек нового материала. По ходу плавления чушки компоненты, входящие в ее состав, а именно углерод и кислород, взаимодействуют между собой, в результате чего первоначальная (исходная) концентрация углерода в чушке снижается. При этом в зависимости от соотношения углерода и кислорода образовавшийся из него расплав будет иметь различное содержание углерода, что в сочетании с возможностью изменения доли этого материала в шихте электропечи, позволяет обеспечить заранее заданную концентрацию углерода в расплаве и регулировать пределы содержания углерода в зависимости от марки выплавляемой стали в широких пределах.

Это снимает ограничения на верхний предел содержания шихтовой заготовки в общей массе металлозавалки, накладываемые на нее опасностью получения по расплавлении чрезмерно высоких содержаний углерода в ванне. Последнее влечет за собой ухудшение технико-экономических показателей электроплавки из-за дополнительных затрат времени и материалов на проведение операции обезуглероживания расплава.

Задавая соотношение углерода и кислорода и регулируя развитие реакции между ними, нетрудно обеспечить достижение по расплавлении ванны рациональной для данной марки стали и данной электропечи концентрации углерода.

Образование в результате реакции между углеродом и кислородом монооксида углерода и выделение газообразного кислорода в результате диссоциации оксидов железа способствует эффективному перемешиванию ванны, ускоряет ее нагрев, обеспечивает вспенивание шлака и экранирование им дуг, а также улучшает рафинирование стали от неметаллических включений и газов.

Углерод, кремний, марганец, фосфор и другие примеси, имеющиеся в чушке и обладающие восстановительным потенциалом, реагируя с кислородом оксидсодержащего материала, восстанавливают оксид железа до металлического состояния. Восстановленное железо, расплавляясь, образует жидкий металл, особо высокой чистоты, который поступает в ванну, увеличивая степень извлечения железа и повышая чистоту выплавляемого металла.

Состав чушки, содержащий соответственно, масс. 50,0-99,5 железоуглеродистого сплава и 0,5-50,0 оксидсодержащего материала, является оптимальным, обеспечивая получение требуемой пористости чушки в пределах 0,1-0,7 от ее общего объема, высокую скорость проплавления, достижение необходимого содержания углерода по расплавлении ванны и, как следствие этого, возможность работы электропечи на 100 металлошихты предложенного состава и повышенную чистоту стали.

Если содержание железоуглеродистого сплава составляет менее 50% а оксидсодержащего материала соответственно более 50% то объем пор и пустот из-за чрезмерной интенсивности взаимодействия углерода и кислорода и большого количества газов, выделяющихся в результате разложения оксидов железа, достигнув предела, начинает снижаться, а качество получаемых чушек - ухудшаться, что уменьшает эффективность предложенного материала. Кроме того, при этом даже при максимально возможном содержании углерода в железоуглеродистом сплаве концентрации углерода после расплавления чушки получается низкой (менее 0,1). Отмеченные выше обстоятельства уменьшают возможную долю металлошихты нового состава в общей массе металлозавалки и качество металла.

Если содержание железоуглеродистого сплава в чушке превышает 99,5 а оксидсодержащего материала соответственно менее 0,5 то количества выделяющегося кислорода и образующегося при реакции кислорода с углеродом монооксида углерода, оказывается недостаточным для обеспечения требуемой пористости чушки. Получаемая при этом пористость составляет менее 10 Кроме того, степень окисления углерода при этом относительно невелика, что требует ограничения содержания углерода в железоуглеродистом сплаве в узких пределах. Оба фактора приводят к ограничению доли материала предложенного состава в шихте электропечи.

Оптимальной величиной пористости и пустот в чушке следует считать интервал 0,1-0,7 от общего объема чушки, обеспечивающий наилучшие показатели при обеспечении требуемой чистоты стали по примесям. При этом нижний предел относится к чушке, предназначенной для охлаждения остатка расплава от предыдущей плавки с целью предохранения подины от возможности перегрева при работе электропечи на максимальной электрической мощности с самого начала плавки. При указанной пористости заготовка, несмотря на ее меньшую плотность по сравнению с жидким расплавом, благодаря энергии падения и собственной тяжести, погружается в толщу металла и располагается на подине печи, вызывая охлаждения расплава и футеровки при минимальном расходе шихтовой заготовки.

Верхний предел относится к случаю применения шихтовой заготовки в качестве заменителя металлизованных окатышей или тяжеловесного скрапа, например, при выплавке сталей, чувствительных к примесям цветных металлов. При этой величине пористости возможной работа электропечи на 100 такой шихты в завалке и обеспечивается максимальная чистота выплавляемого металла. Благодаря повышенной вводимой мощности и меньшей плотности теплоемкости материала, исключается сваривание кусков шихты в монолит. Изложенное выше делает возможным отказ от использования в шихте электропечей скрапа, что гарантирует чистоту металла по примесям цветных металлов.

При пористости чушек менее 10 не обеспечивается основное условие - максимально возможная доля их в шихте электропечей и получение стали, чистой по примесям. Эффективность материала предложенного состава снижается, и его предельная доля в металлошихте ограничивается пределом 35
Достижение пористости чушек выше 70 вызывает определенные трудности и влечет за собой необходимость изменения конструкции машин и технологии получения чушек с высокой пористостью, что удорожает их себестоимость. Указанные выше пределы 10-70 соответствуют максимальному использованию нового материала с достижением высоких показателей производительности электропечи и требуемой степени чистоты стали по примесям цветных металлов.

Пример конкретного выполнения.

Каждую мульду, закрепленную на конвейерной ленте разливочной машины, предварительно опрыскивали известковым молоком, содержащим карбонаты (кальция, магния, железа и марганца) суммарной массой 0,3-0,5 кг. Затем в каждую мульду загружали окисленные окатыши диаметром 5-18 мм, массой 2,5-8,0 кг. После этого на них заливали жидкий чугун.

В результате испарения влаги, входящей в состав известкового молока, разложения оксидов железа и карбонатов магния и др. элементов, а также благодаря реакции между углеродом и оксидами железа, происходило выделение газообразных продуктов, которые, проходя слой жидкого чугуна, создали в чушке поры и пустоты.

Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Данные таблицы 2 показывают, что предложенный материал с пористой структурой дает возможность увеличить его долю в шихте до 50-100 снизить в готовой стали содержание микропримесей и сократить длительность плавки на 20-50 мин.

Использование: в области черной металлургии, конкретно при производстве металлошихты для выплавки стали в дуговых электропечах. Сущность изобретения: чушка для металлургического передела содержит железоуглеродистый сплав и оксидный материал при следующем соотношении компонентов, мас.% : железоуглеродистый сплав 50,0-99,5, оксидный материал 0,5-50,0. Она выполнена с порами и пустотами, объем которых составляет 0,1-0,7 от общего объема чушки. Предложенная чушка для металлургического передела позволяет полностью заменить металлический лом при завалке дуговых электропечей. На основании приведенных испытаний установлено, что указанная выше шихта дает положительные результаты и может быть рекомендована к использованию в промышленных условиях для получения стали в электропечах, чистой по вредным и нежелательным примесям. 2 табл.

Чушка для металлургического передела, содержащая железоуглеродистый сплав и оксидсодержащий материал, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.

Железоуглеродистый сплав 50,0 99,5
Оксидсодержащий материал 0,5 50,0
при этом она выполнена с порами и пустотами, объем которых составляет 0,1 0,7 от общего объема чушки.