Способ выплавки чугуна в электродуговых печах Российский патент 2024 года по МПК C21B11/10 

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно - к способу выплавки чугуна в электродуговых печах.

При этом ключевые, содержащиеся в независимом пункте формулы, признаки заявляемого способа могут быть использованы в процессах выплавки в электродуговых печах стали и, с меньшей эффективностью, в процессах выплавки стали в индукционных тигельных печах. Использование ключевых признаков заявляемого способа при выплавке стали в индукционных печах канальных типов исключено в силу наличия в печах каналов, расположенных в нижней части ванн. Более низкая, по сравнению с электродуговой плавкой, эффективность использования ключевых признаков заявляемого способа при получении стали в индукционных тигельных печах обусловлена меньшим угаром компонентов шихты в связи с отсутствием в печах данного типа электродугового воздействия - см. «Расчёт шихты для выплавки легированной стали. Методические указания к практической работе для студентов специальностей 110400 и 121200 «Литейное производство черных и цветных металлов» и «Технология художественной обработки материалов», Хабаровск, Издательство ХТГУ, 2003, стр. 14, табл. 2 «Угар и другие безвозвратные потери при производстве стального литья (усреднённые практические данные)» -

https://pnu.edu.ru/media/filer_public/2013/02/06/raschet_shiht.pdf, просмотрен 25.07.2023 г.).

О заправке печи и температурах, развивающихся в ней в процессе плавки:

1 - по книге «Металлургия чёрных металлов», учебник для техникумов, авторы Б.В. Линчевский, А.Л. Соболевский, А.А. Кальменев, М. «Металлургия», 1986:

Загрузку печи выполняют или через завалочное окно мульдозавалочной машиной (при небольших печах) или через верх при помощи бадьи - см. стр. 172.

При загрузке печи в один-два приёма за время около 5 мин в меньшей степени охлаждается футеровка, сокращается время плавки, уменьшается расход электроэнергии, эффективнее используется объём печи. Бадья представляет собой стальной цилиндр, диаметр которого меньше диаметра рабочего пространства печи. Снизу цилиндра имеются подвижные гибкие сектора, концы которых стягиваются тросом. Взвешивание и загрузку шихты производят на шихтовом дворе электросталеплавильного цеха. Бадью опускают в печь. Сектора бадьи освобождают от влияния стягивающего их троса, при подъёме бадьи сектора раскрываются, и шихта выгружается в печь в том порядке, в каком она была уложена в бадье - см. стр. 173 и первый сверху абзац на стр. 174.

Для наиболее полного использования рабочего пространства печи в центральную её часть ближе к электродам загружают крупные куски, ближе к откосам - средний лом, на подину и на верх загрузки - мелкий лом. Мелкие куски должны заполнять промежутки между крупными кусками - см. стр. 182.

Кремний стремятся вводить как можно позднее на разных стадиях плавки, в том числе и во время выпуска в ковш - см. стр. 187.

Температура в зоне электрических дуг достигает нескольких тысяч градусов. Хотя футеровка электропечи отделена от дуг, она всё же должна выдерживать нагрев до температуры 1700°С - см. стр. 175.

Температура анода (речь об электродах, шихта и расплав являются катодом) может достигать 4000°С - см. стр. 177.

2 - по книге «Металлургические технологии. Учебник» авторы Ю.Н. Симонов, С.А. Белова, М.Ю. Симонов, Пермь, Издательство ПНИПУ, 2012, параграфы 8.3.1 «Технологии выплавки сталей в дуговых электропечах» и 15.1 «Производство отливок из чугуна» -

https://pstu.ru/files/2/file/kafedra/mtf/kafedry/MTO/MU/Metallurgicheskie_tehnologii.pdf, просмотрен 13.01.2023 г.:

Шихту в современные печи загружают бадьей с открывающимся днищем за один приём - см. стр. 141.

Длительность периода заправки 10…15 мин. Завалку шихты проводят с помощью бадьи за один приём. Для повышения содержания углерода в шихту могут быть введены до 7…8 % чугуна, бой графитизированных электродов или кокс. Укладку шихты в бадью проводят в определённой последовательности: на дно укладывают часть мелочи, чтобы защитить подину печи от ударов тяжелых кусков скрапа; в центр укладывают крупный лом; по периферии - мелкий лом - см. стр. 147.

Шихта состоит из металлической и неметаллической частей. В состав металлической части шихты могут входить доменный чушковый чугун, чугунный и стальной лом, возврат (литники и брак), брикетированная стружка, природнолегированные чугуны и ферросплавы - см. стр. 244.

Для футеровки стен и свода используют огнеупоры, устойчивые до температуры 2000°С - см. стр. 141.

Дуга представляет собой поток электронов, ионов, паров металла и шлака с температурой выше 3000°С. В месте контакта дуги с жидким металлом (в пятне дуги) развиваются чрезвычайно высокие температуры (примерно 3300°С) - см. стр. 145.

Анализ информации в приведенных выше источниках показывает отсутствие на дату их публикаций каких бы то ни было особых требований к размещению неметаллической части шихты в пространстве над подом электродуговой печи. В двух приведённых ниже патентных документах (RU 2282669 и RU 2395589) такие требования также отсутствуют.

Из патента на изобретение RU 2282669, С22В 1/243, С21С 1/00, С22С 38/00, публ. 27.08.2006, известен брикет, используемый для производства железоуглеродистого сплава. Заявлено 5 вариантов.

В первом варианте брикет содержит карбид кремния металлургический 0,5% мас., материал термообработанный углеродсодержащий электродного производства 74,5-85,5% мас., а в качестве связующего цемент 13-20% мас. Брикет предназначен для выплавки в индукционной печи с кислой футеровкой синтетического чугуна из шихты, состоящей на 90% из стального лома и 10% брикетов.

Во втором варианте брикет содержит карбид кремния металлургический 35-48% мас., материал термообработанный углеродсодержащий электродного производства 39-47% мас., а в качестве связующего цемент 13-20% мас. Брикет предназначен для выплавки в индукционной печи с кислой футеровкой синтетического чугуна из шихты, состоящей на 63% из стального лома, 27% литейных и передельных чугунов, и 10% брикетов.

В третьем варианте брикет содержит карбид кремния металлургический 10-31% мас., материал термообработанный углеродсодержащий электродного производства 42-76% мас., а в качестве связующего цемент 13-20% мас. Брикет предназначен для выплавки в индукционной печи с кислой футеровкой синтетического чугуна из шихты, состоящей на 45% из стального лома, 45% литейных и передельных чугунов, и 10% брикетов.

В четвёртом варианте брикет содержит карбид кремния металлургический 50-72% мас., материал термообработанный углеродсодержащий электродного производства 15-30% мас., а в качестве связующего цемент 13-20% мас. Брикет предназначен для выплавки в индукционной печи с кислой футеровкой синтетического чугуна из шихты, состоящей на 27% из стального лома, 63% литейных и передельных чугунов, и 10% брикетов.

В пятом варианте брикет содержит карбид кремния металлургический 72,0-85,5% мас., материал термообработанный углеродсодержащий электродного производства 0,5-12,0% мас., а в качестве связующего цемент 13-20% мас. Брикет предназначен для выплавки в вагранке синтетического чугуна из шихты, состоящей на 25% из оборотного лома, 7% стального лома, 10% чугунного лома, 58% передельного чугуна и 10% брикетов.

Во всех брикетах по RU 2282669 использован карбид кремния фракций 0-20 мм, содержащий SiC 75-92%, С 3-5%, SiO₂ 5-20%.

Во всех брикетах по RU 2282669 использован материал термообработанный углеродсодержащий электродного производства фракций 0-13 мм, содержащий С - не менее 80%, SiC - 3-7%, S - не более 0,5%.

При этом в описании к изобретению указано, что карбид кремния устойчив до температуры 2610°С, каждый из вариантов брикетов подобран для получения определённых марок чугуна или стали, имеющих различные составы, и в зависимости от агрегата, в котором получают ту или иную марку чугуна или стали; выбор цемента в качестве связующего позволяет изготавливать брикеты достаточной для транспортировки, прочности.

Среди части недостатков, присущих заявленным брикетам, следует выделить присутствие цемента, содержащего диоксиды кремния и алюминия, которые негативно влияют на экономичность процесса выплавки и свойства выплавляемого металла, а также нерациональность использования брикетированного материла при нестабильных номенклатуре и химсоставе металлической части шихты (иррациональность - лат. - неразумный, бессознательный - обусловлена либо необходимостью увеличения номенклатуры хранящихся на складе брикетов, либо расходом сразу двух компонентов (карбида кремния и материала термообработанного углеродсодержащего электродного производства) при наличии возможности корректировки химсостава расплава посредством одного компонента.

Из патента на изобретение RU 2631570, С22В 1/243, С21С 7/06, публ. 11.11.2015, известен комплексный раскислитель для внепечной обработки стали в ковше, содержащий кусковой карбид кремния с фракцией 1-20 мм (бой и лом карборундовых камней с содержанием SiC от 80% до 95%, а также карбид кремния чёрный кристаллический для металлургического производства с содержанием SiC от 88% до 97%), с влажностью менее 1% и его брикетированный отсев фракции менее 1 мм с конечным содержанием в брикетах основного элемента SiC 70-90%, где отсев мелкофракционного карбида кремния выполнен брикетированным, с использованием мелассы свекловичной или неорганического связующего, в цилиндры диаметром до 60 мм и высотой до 70 мм или в таблетки диаметром до 40 мм и высотой до 30 мм с прочностью не менее 400 кг/см².

В описании к данному патенту указано, что фракции карбида кремния менее 1 мм при внепечной обработке стали в ковше не достигают металла вследствие их уноса газовоздушным тепловым потоком, исходящим от жидкой стали, что фракции менее 1 мм не востребованы в металлургическом производстве, так как их использование приводит к безвозвратной потере материала, ухудшению экологической обстановки в цехе, увеличивает себестоимость продукции и требует дополнительных затрат на утилизацию.

Анализ источников информации, посвящённых формообразованию топливных брикетов и пелет, выявил, что их формообразование выполняют с участием неорганических (цемент, мел, шламы глинозёмного производства, гипс, глина, угольный шлам или зола уноса тепловых электростанций, ортофосфорная кислота, жидкое стекло, хлорид сульфат и тиосульфат натрия или калия и т.д.) и органических (меласса, крахмал, пек, пшеничная мука, нефтебитумы, парафин, поли и олигосахариды, целлюлоза, шламы анаэробного сбраживания органических отходов, лигнин, лигносульфонаты, гуматы, диспергированный в воде торф и т.д.) компонентов, в ряде случаев с участием гидрофобизаторов, или с использованием бумажной и полимерной оболочек.

Неорганические компоненты - участники формообразования брикетов - либо увеличивают балластный состав загружаемой в печь шихты, либо влияют на свойства выплавляемого металла и требуют проведения корректирующих мероприятий по доведению химсостава железоуглеродистого расплава до нормативных показателей, что снижает экономическую эффективность работы печи.

Органические компоненты - участники формообразования брикетов - при температурах от 300 до 600°С провоцируют образование Бензо[а] пиренов (данная группа веществ является канцерогеном, снижает репродуктивные качества человека и повышает его восприимчивость к бактериальным инфекциям…), при неполном сгорании органические компоненты провоцируют образование цианистого водорода (токсичность в 50 раз превосходит токсичность СО), а в интервале температур 600-800-1200°С, при наличии в шихте хлорорганических соединений, органические компоненты провоцируют образование диоксинов (данная группа веществ является канцерогеном, мутагеном, иммунодепрессантом, кумулятивным ядом, снижает репродуктивные качества человека и вызывает у него гормональные нарушения).

Полное разложение диоксинов происходит при температурах выше 1250°С и выдержке более 2 с, при температуре 200-450°С они могут синтезироваться вновь. Пиролиз (термообработка без доступа кислорода) при температуре до 450-500°С исключает условия для синтеза диоксинов.

Из содержания трёх вышерасположенных абзацев следует необходимость осторожного подхода при использовании брикетов по патенту RU 2631570 и нежелательность использования брикетов по патенту RU 2282669 при беспорядочной загрузке неметаллической части шихты в сталеплавильную печь.

В статье, размещённой на интернет-ресурсе: https://elar.urfu.ru/bistream/10995/26292/1/ivmim_2013-06.pdf, авторы А.Д. Деревянко, А.В. Жаданос, А.Д. Подольчук, стр. 16, указано, что скорость взаимодействия карбида кремния с жидким металлом лимитируется внутренним массопереносом компонентов на границе раздела, а время растворения зависит от фракционного состава раскислителя, иными словами, время растворения зависит от площади поверхности реагирующих компонентов и чем мельче фракционный состав карбида кремния, тем меньше время его усвоения. Из содержания данного абзаца следует, что брикетирование по патенту RU 2282669 увеличивает время взаимодействия неметаллической части шихты с металлом, снижая производительность печи.

Из статьи «Исследование влияния технологии раскисления и легирования стали на степень усвоения легирующих элементов», Д.С. Баландин, Донецкий национальный технический университет, руководитель - к.т.н., доцент кафедры ЭМСиФ С.А. Храпко, Конференция «Металлургия XXI столетия глазами молодых», 2011, размещённой на интернет-ресурсе http://uas.su/conferences/2011/metxxi2011/emet/7/7.php, см. пятый абзац над рисунком «Диаграмма сквозного усвоения С (с использованием SiC)», известно, что при осуществлении плавок с использованием карбида кремния металлургического степень его усвоения на выпуске металла в ковш, зависит от содержания углерода - чем больше содержание углерода, тем выше степень усвоения элементов. Экстраполируя информацию данного абзаца, можно сделать вывод о нецелесообразности использования брикетов по патенту RU 2282669 при выплавке чугуна или стали в электродуговых или индукционных печах, а также предпочтительность первоочередного введения в контакт с металлом сначала материала термообработанного углеродсодержащего электродного производства и, во вторую очередь, после частичного усвоения сталью углерода, карбида кремния.

В «Конспекте лекций по дисциплине «Специальные технологии производства заготовок» для аспирантов специальности 05.16.01 «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов», составитель к.т.н. А.А. Акутин, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева», Рыбинск 2016, стр. 26, - https://www.rsatu.ru/upload/medialibrary/bed/Spets.tekhn.proiz_zagotovok-Lektsiy.pdf, просмотрен 13.01.2023 г., указано - если содержание углерода оказалось выше заданного, то вводятся стальные отходы для разбавления расплава. Учитывая, что при этом происходит уменьшение концентрации кремния, одновременно со сталью добавляется также ферросилиций. Аналогично снижается содержание кремния, если оно оказалось завышенным. Из упомянутого в данном абзаце следует, что кроме запаса необходимой номенклатуры брикетов по патенту RU 2282669 сталеплавильный цех должен располагать корректирующими запасом ферросилиция или карбида кремния металлургического и запасом материала термообработанного углеродсодержащего электродного производства, что усложняет логистику производства.

Из патента на изобретение RU 2395589, С21С 1/00, С21С 1/10, публ. 27.07.2010, известен способ выплавки железоуглеродистых сплавов в индукционных печах, включающий завалку металлической части шихты, плавление и легирование расплава кремний и углеродсодержащими материалами. Легирование осуществляется комплексной смесью, содержащей кремний и углерод, при соотношении C∑: Si = (25÷90):(0,5÷65), где Si - содержание кремния в комплексной смеси; C∑ - суммарное содержание углерода в комплексной смеси, при этом кремний содержится в составе смеси в виде карбида кремния металлургического и/или его шламов, а углерод - в виде термообработанных углеродсодержащих материалов электродного производства и/или графита.

В комплексных смесях по патенту RU 2395589 используется карбид кремния металлургический фракции 0-20 мм, содержащий SiC 75-92%, SiO₂ 5-20%, действующим компонентом является SiC (70% Si, 30% С).

В комплексных смесях по патенту RU 2395589 используется материал термообработанный углеродсодержащий электродного производства фракций 0-13 мм, содержащий С - не менее 80%, SiC - 3-15%, S - не более 0,5% или графит.

В описании к патенту RU 2395589 указано, что металлургический карбид кремния - инертный материал, устойчивый до температуры 2610°С, при взаимодействии с железным расплавом происходит разрыв связи Si-C и данные компоненты растворяются непосредственно в металле.

Плавку чугуна осуществляли в индукционных печах с кислой футеровкой, использовали лом стали 1А, 2А (ГОСТ 2787-88), обрезь трансформаторной стали, а также чугун передельный ПЛ1, ПЛ2 (ГОСТ 805-95). При этом содержание суммарного углерода в применявшихся комплексных смесях составляло и 90% мас., и 25% мас. при том, что содержание карбида кремния в них составляло, соответственно, и 1% мас., и 90% мас.

Одним из недостатков решения RU 2395589 является достаточно широкий разброс в формуле изобретения массового содержания компонентов комплексной смеси, которое реально зависит от химсостава металлической части шихты, используемой для выработки железоуглеродистого расплава необходимого качества. Данный факт частично проиллюстрирован в примерах, содержащихся в описании к патенту, а также подтверждён содержащейся в описании фразой - «соотношение компонентов в смеси варьируется исходя из конкретных производственных условий и содержания Si и С в готовом металле». Таким образом, в случае существенного разброса по химсоставу металлических шихт, применяемых в электропечном стале-, чугунолитейном производстве, комплексные карбид-углеродные смеси целесообразно готовить с привязкой к химсоставу смеси металлов, непосредственно подготавливаемых к загрузке в печь. Использование превентивно подготовленных комплексных смесей ведёт либо к необходимости увеличения номенклатуры содержимого склада, либо к вынужденному расходу сразу двух компонентов (из состава смеси) при наличии возможности корректировки химсостава расплава посредством одного компонента.

Использование комплексных смесей по патенту RU 2395589 при выплавке металла в электродуговых печах и при внесении комплексных смесей на расплав (в соответствие с решением по патенту RU 2395589), кроме вышеприведённых проблем, добавит необходимость оснащения печного цеха, дополнительно к бадье, мульдозавалочной машиной, что может существенно усложнить логистику цеха. При этом, экстраполируя упомянутую в контексте решения по патенту RU 2631570 фразу о том, что фракции карбида кремния менее 1 мм при внепечной обработке стали в ковше не достигают металла вследствие их уноса газовоздушным тепловым потоком, исходящим от жидкой стали, можно утверждать, что мелкие фракции карбида кремния металлургического (удельная плотность 3210 кг/м³) и, тем более, материала термообработанного углеродсодержащего электродного производства или графита (удельная плотность антрацита 1700 кг/м³, графита 2230 кг/м³) будут уноситься к своду печи и там непроизводительно (без усвоения металлом) выгорать.

В упоминавшемся выше «Конспекте лекций по дисциплине «Специальные технологии производства заготовок» для аспирантов специальности 05.16.01 «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов», составитель к.т.н. А.А. Акутин, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева», Рыбинск 2016, на стр. 25 (цитируется по параграфу «Технологические особенности плавки серых чугунов в различных печах») указано, что «операция загрузки должна быть по возможности быстрой для того, чтобы не допустить охлаждения печи. Вначале на подину следует загрузить 75% науглероживателя, 50% мелкой шихты, затем чугунную часть шихты, стальной лом и оставшуюся мелочь. Крупные куски стремятся расположить под электроды. Это обеспечивает заполнение мелочью промежутков между крупными кусками шихты, компактность её укладки и, как следствие стабильность горения дуги. Важно отметить, что в дуговой печи можно использовать любую по физическому состоянию шихту - мелкую легковесную, крупную плохо разделанную, т.е. самую дешевую. …Расплавление. Данный этап плавки, проводится путём проплавления глубоких «колодцев» под электродами. В этот период печь работает с максимальным КПД (около 85%), так как излучение дуги экранируется стенками «колодца» и воздействует только на шихту и торцы электродов». Из процитированного фрагмента следует, что 25% науглероживателя вносят вместе с оставшимися 50% металлической части шихты (сведения о нюансах внесения науглероживателя и металлической мелочи отсутствуют). При этом во втором сверху абзаце этой же 25-той страницы указано «Температура дуги (около 6000°С) определяет важнейшие достоинства и недостатки печи».

Повторяясь:

1. В книге «Металлургия чёрных металлов», учебник для техникумов, авторы Б.В. Линчевский, А.Л. Соболевский, А.А. Кальменев, М. «Металлургия», 1986 указано, что температура анода может достигать 4000°С - см. стр. 177.

2. В книге «Металлургические технологии. Учебник» авторы Ю.Н. Симонов, С.А. Белова, М.Ю. Симонов, Пермь, Издательство ПНИПУ, 2012, указано, что температура дуги выше 3000°С. В месте контакта дуги с жидким металлом развиваются чрезвычайно высокие температуры (примерно 3300 °С) - см. стр. 145.

3. В описаниях к патентам RU 2282669 и RU 2395589 указано, что металлургический карбид кремния устойчив до температуры 2610°С. При этом в книге «Материалы и элементы электронной техники. Проводники, полупроводники, диэлектрики, В.С. Сорокин, Б.Л. Антипов, Н.П. Лазарева, издательство Лань, С.-Петербург-Москва-Краснодар, 2015, стр. 240 указано, что при температуре свыше 2600…2700°С наблюдается возгонка карбида кремния.

Учитывая вышеприведённую информацию о температурах, развиваемых в районе горения дуг, а также фразу «излучение дуги экранируется стенками «колодца» и воздействует только на шихту и торцы электродов», процитированную по «Конспекту лекций по дисциплине «Специальные технологии производства заготовок», составитель к.т.н. А.А. Акутин, можно утверждать, что некоторая часть углерода и кремния, входящего в состав карбида кремния металлургического возгоняется и уносится к своду печи, где и выгорает без усвоения их металлом. Данное обстоятельство делает нежелательным использование комплексных смесей по патенту RU 2395589 при упорядочивании шихты в соответствие с рекомендациями цитируемого в данном абзаце учебника.

Более подробно о выгорании углерода будет сказано ниже.

Исходя из внесения остатков науглероживателя на предварительно загруженные 75% науглероживателя, 50% мелкой шихты, чугунный и стальной лом можно утверждать о гравитационном сепарировании загружаемой финальной части науглероживателя кусками ранее загруженной шихты, причём, как в процессе загрузки бадьи, так и при её выгрузке в печь. При этом распределение компонентов науглероживателя по объёму печи зависит как от фракционного состава нуглероживателя, так и от кускового состава металлической части шихты и носит вероятностный характер. Из последнего обстоятельства вытекает вторичность требований к гомогенизации смесей (гомогенизация - греч. - однородный - технологический процесс, производимый над двух- или многофазной системой, в ходе которого уменьшается степень неоднородности распределения химических веществ и фаз по объёму гетерофазной системы, иными словами - процесс, при котором различные фракции образца становятся равными по составу) по патенту RU 2395589 при их использовании для выплавки чугуна в электродуговых печах, а также первичность требований по защите неметаллической части шихты от прямого воздействия электрических дуг. Данное обстоятельство косвенно может быть подтверждено содержащейся в описании к патенту RU 2395589 фразой «соотношение компонентов в смеси варьируется исходя из конкретных производственных условий и содержания Si и С в готовом металле».

Из патента на изобретение RU 2688099, С21В 11/10, С22С 37/00, публ. 17.05.2019, известен способ выплавки чугуна в электродуговых печах, заключающийся в опосредованной бадьёй поэтапной загрузке на под печи сначала карбида кремния металлургического, затем углеродсодержащего материала, и в финале - металлической части шихты, осуществляемой без предварительного смешивания компонентов шихты, в плавлении загруженной в печь шихты и последующей корректировке химического состава расплава дополнительным введением графита измельчённого, металлургического карбида кремния и ферросплавов.

В процессе выплавки чугуна применяется карбид кремния металлургический фракцией 0-10 мм с содержанием SiC 85-95% мас. в количестве 0,57-1,00% мас., а в качестве дополнительного источника углерода графит измельчённый в количестве 0,15-0,74% мас.

Ключевые, в контексте заявляемого изобретения, признаки решения по патенту RU 2688099 - поэтапная/пошаговая укладка на под печи в первую очередь карбида кремния металлургического, во вторую очередь карбона (карбон - англ. сarbon - углерод - по RU RU 2282669 и 2395589 материал термообработанный углеродсодержащий электродного производства, а по RU RU 2395589 и 2688099 графит измельчённый - далее для обозначения любого из этих материалов, с целью сокращения длины предложений, будет использован термин карбон) и в третью очередь скрапа (скрап - англ. - scrap - лом с отходами) исключает возможность появления недостатков, которые могли бы, гипотетически, иметь место в случае использования решений по патентам RU RU 2282669 и 2395589 в электропечном чугунолитейном производстве при упорядочивании шихты в соответствие со сложившейся, до даты приоритета RU 2688099, практикой.

Использование решения по патенту RU 2688099 при электропечной выплавке чугуна:

- обеспечивает защиту карбида кремния металлургического от высокотемпературного воздействия электрических дуг, провоцирующих его возгонку;

- обеспечивает первоочередное взаимодействие металла с карбоном и последующее более эффективное усвоение металлом карбида кремния (растворение кремния в металле и дополнительное науглероживание металла);

- минимизирует (в пределах химической чистоты компонентов неметаллической части шихты) введение в электропечь балластных или «загрязняющих» металл веществ, исключает введение в неё веществ, не связанных с обеспечением химсостава выплавляемого металла, а также провоцирующих образование токсичных газообразных продуктов, отравляющих атмосферу цеха сверх показателей, обусловленных химической чистотой шихты;

- в случае вариабельности по химсоставу металлических шихтовых материалов, применяемых в электропечном чугунолитейном производстве, обеспечивает загрузку неметаллических шихтовых материалов в соответствие с объёмом и химсоставом смеси металлов, подготавливаемых к загрузке в печь;

- уменьшает номенклатуру содержимого склада до минимально необходимого уровня, обеспечивающего возможность выплавки чугунов марочных составов при вариабельности химсостава металлических шихтовых материалов;

- обеспечивает возможность корректировки расплава по химсоставу одним компонентом, при наличии возможности такой корректировки;

- обеспечивает использование небрикетированной неметаллической части шихты фракции менее 1 мм и соответствующую фракционному составу небрикетированной шихты скорость усвоения элементов.

Из уровня техники известно, что:

- температура плавления чугунов среднестатистически лежит в пределах 1095-1450°С;

- графит, используемый в качестве науглероживателя при выплавке чугуна, начинает взаимодействовать с железом только после образования жидкой фазы металла;

- температура дуги, по оценкам вышеупомянутых источников, может варьироваться от 3000 до 6000°С, а в месте контакта дуги с жидким металлом может составлять величину около 3300°С;

- футеровка печи должна выдерживать нагрев до температуры 1700°С (по вышеупомянутой книге «Металлургия чёрных металлов», учебник для техникумов, авторы Б.В. Линчевский, А.Л. Соболевский, А.А. Кальменев); футеровка стен и свода печи должна выдерживать нагрев до температуры 2000°С (по упомянутой выше книге «Металлургические технологии. Учебник» авторы Ю.Н. Симонов, С.А. Белова, М.Ю. Симонов).

Из «Краткого химического справочника» под ред. В.А. Рабиновича, издательство «Химия» Ленинградское отделение, 1977, стр. 105, известно, что при температуре 3700°C наблюдается возгонка графита.

Из книги «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочник», А.Н. Баратов, А.Я. Корольченко, Г.Н. Кравчук и др., М. Химия, 1990, книга 1, стр. 237, известно, что аэровзвесь пыли графита дисперсностью до 74 мкм имеет температуру самовоспламенения 730-970°С.

Из книги «Огнеупоры для промышленных агрегатов и топок. Справочник. Книга 1 «Производство огнеупоров», под ред. И.Д. Кащеева, М. «Интермет инжиниринг», 2000, известно, что при температуре 600-700°С графит окисляется (горит) - см. стр. 423, что:

- интенсивность сгорания зависит от степени измельчения, времени и температуры,

- крупночешуйчатый графит окисляется медленно - см. стр. 71;

- сопротивляемость окислению (потеря массы 3% от веса пробы за время воздействия 10 мин.) углеродистых материалов составляет 720-730°С для чешуйчатых графитов, 695°С для плотнокристаллических, 605°С для искусственных графитов из кокса, 660-670°С для антрацита, 510-550°С для скрытокристаллических графитов, 540°С для кокса нефтяного, 460°С для антрацита - см. стр. 424. На данной странице книги антрацит упомянут дважды, по-видимому, это связано с его сортностью и, соответственно, с различным содержанием в его составе кислорода, водорода, азота и серы.

При этом известно, что антрацит служит сырьём для изготовления выше упоминавшегося материала термообработанного углеродсодержащего электродного производства, а кокс - сырьём для изготовления искусственного графита.

Из величин температур, развиваемых в электродуговых чугунолитейных печах, и величин сопротивляемости окислению углеродистых материалов вытекает ещё один недостаток гипотетического использования комплексных смесей по патенту RU 2395589 при упорядочивании шихты в соответствие со сложившейся, до даты приоритета RU 2688099, практикой - непроизводительное, без усвоения металлом, выгорание некоторой части карбона. Данный недостаток, в значительно меньшей степени, присущ и решению по патенту RU 2688099.

Пояснение может быть проиллюстрировано примером чугунолитейного производства заявителя, в котором для обслуживания электропечей используется бадья диаметром 2,7 м и высотой 3,2 м.

Пошаговой загрузке в бадью сначала карбида кремния металлургического фракций 0-10 мм, а затем карбона фракций 0-13 мм (цитируется по RU 2395589 - в RU 2688099 размер фракций не указан), сопровождаемой свободным падением материалов в бадью, на каждом из этих этапов сопутствует гравитационная сепарация материала в воздушном объёме бадьи, в результате которой мелкие (более лёгкие) компоненты падают медленнее, чем крупные (более тяжёлые), что, неизбежно, ведёт к образованию между гранулами пустот, заполненных воздухом, и к насыщению слоёв карбида кремния и карбона воздухом.

Последующие завалка бадьи металлическими компонентами шихты и разгрузка бадьи в печь обеспечивают лишь частичное уплотнение (снижение пористости) неметаллических компонентов, уложенных на под печи. Реакция окисления карбона кислородом воздуха, заключённого в пористой массе карбида кремния и карбона, протекает при температурах существенно более низких, чем температура взаимодействия углерода с железом.

Задача изобретения заключается в обеспечении снижения угара углерода при электродуговой выплавке чугуна с использованием в качестве углеродсодержащих материалов карбона (графита и/или материала термообработанного углеродсодержащего электродного производства) и карбида кремния металлургического.

В качестве прототипа принято решение по патенту RU 2688099.

Задача решается в способе выплавки чугуна в электродуговых печах, заключающемся в загрузке на под печи в первую очередь карбида кремния металлургического, затем карбона, и в заключении металлической части шихты, в последующих плавлении металлической части шихты и доводке химического состава расплава до нормативных показателей.

Технический результат достигается тем, что:

- завалку карбида кремния металлургического выполняют в объёме, продиктованном составом подготавливаемого к плавке металла и в соответствие с расчётом;

- завалку карбона выполняют в объёме, продиктованном составом подготавливаемого к плавке металла, а также в соответствие с расчётом, производимым с учётом объёмов химически связанного углерода, содержащегося в составе загружаемого в печь карбида кремния металлургического;

- после завалки карбида кремния металлургического и карбона выполняют виброуплотнение неметаллической части шихты;

- после завершения операции виброуплотнения неметаллической части шихты выполняют завалку компонентов металлической части шихты;

- после завершения завалки в печь шихтовых материалов выполняют плавление шихты;

- после выдержки расплава в печи в течение предусмотренного регламентом плавки времени выполняют экспресс-анализ химсостава полученного расплава по результатам которого рассчитывают необходимое количество корректирующих компонентов и выполняют доводку расплава;

- шихтовку печей металлоёмкостью менее 5 т выполняют непосредственно в печи, при этом операцию виброуплотнения неметаллической части шихты выполняют в печи;

- шихтовку печей металлоёмкостью свыше 5 т выполняют посредством бадьи, при этом операцию виброуплотнения неметаллической части шихты выполняют в бадье;

- при выполнении основной завалки неметаллической части шихты применяют карбид кремния металлургический фракций 0-10 мм и карбон фракций 0-13 мм;

- при доводке расплава применяют кремния металлургический фракций 1-5 мм и карбон фракций 1-5 мм.

Заявляемый способ основан на использовании явления сегрегации.

Из монографии И.Я. Федоренко «Вибрационные процессы и устройства в АПК», Барнаул, РИО Алтайского ГАУ, 2016, см. стр. 193-194 известно, что при воздействии вибраций на слой сыпучего (зернистого, дисперсного) материала значительной толщины в нём наблюдается ряд эффектов, зависящих при прочих равных условиях от интенсивности этого воздействия. При этом в слое, наряду с быстрыми вибрационными движениями, возникают согласованные медленные движения частиц. В этих медленных (осреднённых) составляющих движения среди ряда динамических режимов воздействия вибраций можно выделить режим оседания слоя с уплотнением и относительным покоем. При ускорениях, не превышающих, как правило, земное, слой начинает приобретать подвижность, текучесть, частицы подходят ближе друг к другу, уменьшается число пор, слой уплотняется. Наибольшее уплотнение достигается при амплитудных значениях ускорения близких к ускорению свободного падения. При этом процесс уплотнения занимает некоторое время, обычно не более 1-2 мин., а первоначальная высота слоя уменьшается на 10-20%. Это явление широко применяется для уплотнения сыпучих материалов в железнодорожных вагонах, грузовиках, контейнерах, бункерах, мешках и т.д. При этом гарантированно считают, что перевозится на 10% больше сыпучего материала.

Из книги «Вибрационная механика», И.И. Блехман, М. Издательская фирма «Физико-математическая литература» ВО «Наука», 1994, см. стр. 228-229, известно, что если подвергнуть вибрированию смесь крупных и мелких частиц одной плотности, то в результате воздействия вибрации крупные частицы расположатся над мелкими; в случае смеси частиц одинакового размера, но с различными плотностями лёгкие частицы расположатся над тяжёлыми; в случае смеси крупных и мелких частиц различных плотностей нижнее положение займут мелкие тяжёлые, затем расположатся мелкие лёгкие, крупные тяжёлые или смесь мелких лёгких и крупных тяжёлых; в верхнем положении окажутся крупные лёгкие частицы.

Изобретение может быть реализовано в чугунолитейном производстве, при электродуговой выплавке чугуна в печах любой металлоёмкости с использованием в качестве углеродсодержащих материалов карбона (графита и/или материала термообработанного углеродсодержащего электродного производства) и карбида кремния металлургического.

Шихтовку печей металлоёмкостью менее 5 т выполняют непосредственно в печи. Шихтовку печей металлоёмкостью свыше 5 т выполняют посредством завалочной бадьи. При этом известны и бадьи с секторным днищем с гибкими секторами, и бадьи с секторным днищем грейферного типа с жёсткими челюстями - последние характеризуются повышенной герметичностью смыкания секторов днища.

В первую очередь загружают карбид кремния металлургический фракций 0-10 мм в объёме, продиктованном составом подготавливаемого к плавке металла, а также в соответствие с расчётом. После завершения завалки карбида кремния металлургического загружают карбон фракций 0-13 мм в объёме, продиктованном составом подготавливаемого к плавке металла, а также в соответствие с расчётом, производимым с учётом объёмов химически связанного углерода, содержащегося в составе загружаемого в печь карбида кремния металлургического.

После завалки карбида кремния металлургического и карбона выполняют виброуплотнение неметаллической части шихты.

Виброуплотнение неметаллической части шихты в печах металлоёмкостью менее 5 т выполняют непосредственно в печи с использованием вибратора (вибраторов) или песта (пестов).

Виброуплотнение неметаллической части шихты в печах металлоёмкостью более 5 т выполняют в загрузочной бадье. Для чего последнюю, либо заблаговременно, либо после загрузки неметаллической части шихты, размещают на вибростоле.

Время вибрационного воздействия подбирается экспериментально в зависимости от параметров применяемого виброборудования.

После завершения операции виброуплотнения неметаллической части шихты выполняют непосредственную, при печах металлоёмкостью менее 5 т, или опосредованную бадьёй, при печах металлоёмкостью свыше 5 т, дозавалку печи металлической частью шихты. При этом в качестве компонентов металлической части шихты используют порознь или в любой совокупности возврат собственного производства, чушковый (передельный, литейный) чугун, стальной пакетированный лом, ферросплавы (сплавы железа с хромом, кремнием, марганцем и др.), и т.д.

Завалка компонентов металлической части шихты осуществляется в принятой в чёрной металлургии последовательности.

После завершения завалки в печь шихтовых материалов выполняют их расплавление в печи.

После выдержки расплава в печи в течение предусмотренного регламентом плавки времени выполняют экспресс-анализ химсостава полученного расплава по результатам которого, при необходимости, рассчитывают необходимое количество корректирующих компонентов и выполняют доводку расплава.

Доводка химического состава расплава до нормативных показателей может быть выполнена введением в печь:

- стальных или чугунных отходов;

- карбида кремния металлургического фракции 1-5 мм;

- карбона фракции 1-5 мм;

- ферросплавов.

Диапазон 1-5 мм используемых при доводке фракций карбида кремния металлургического и карбона выбран из условия их гарантированного усвоения металлом в течение времени его доводки до нормативного химсостава.

При этом в качестве одного из вариантов доводки расплава по содержанию углерода может быть использован известный из патента на изобретение RU 2016075, С21С 1/08, публ. 15.07.1994, способ науглероживания чугуна, заключающийся в заливке чугуна в ковш и сливе чугуна из ковша через слой карбюризатора, нагретого перед заливкой до температуры 500-800°С, где в качестве карбюризатора предлагались к использованию куски размером 20-100 мм электродного боя, углеродной стружки, каменноугольного пека и тому подобных материалов, удерживаемые в ковше посредством огнеупорных перфорированных перегородок с отверстиями диаметром 10 мм.

По информации заявителя способ по патенту RU 2016075 позволяет обеспечить повышение степени усвоения углерода из карбюризатора.

Положительный эффект обеспечивается за счёт следующего:

- при двукратной фильтрации металла через единый, заполненный карбюризатором канал время контакта реагирующих фаз возрастает в два раза, что способствует развитию диффузионных процессов растворения углерода в чугуне. Это способствует повышению эффективности процесса и степени усвоения углерода карбюризатора;

- при протекании жидкого металла через слой карбюризатора в обоих направлениях возникают хорошие условия для взаимного перемешивания реагирующих фаз за счёт интенсивного перемещения их относительно друг друга, что способствует повышению степени усвоения;

- при протекании жидкого металла через слой карбюризатора поток металла становится турбулентным. В турбулентном потоке процессы науглероживания идут интенсивнее, что положительно сказывается на повышении степени усвоения;

- придание потоку металла турбулентности способствует отрыву от кусков карбюризатора микро- и макрочастиц углеродосодержащего вещества, эффективно растворяемым в расплаве металла;

- наличие определённого промежутка времени после первой фильтрации (в период накопления металла в ковше) способствует протеканию диффузионных процессов растворения частиц карбюризатора в жидком металле;

- вторичная фильтрация металла через слой карбюризатора способствует повышению степени усвоения карбюризатора не только за счёт перечисленных факторов, но также в результате нагрева слоя карбюризатора за счёт тепла металла, профильтрованного при наполнении ковша, до высокой температуры (1100-1300°С). Это способствует активизации процессов растворения и повышению степени усвоения карбюризатора.

Вибрационное воздействие на неметаллическую часть шихты способствует перераспределению её фракционных компонентов и их уплотнению, в результате чего, по И.И. Блехману, в нижнем слое расположится мелкодисперсный карбид кремния, второй слой, наиболее вероятно, займёт смесь мелкодисперсного карбона и кускового карбида кремния, а третий слой будет отдан кусковому карбону (термин кусковой в данном абзаце применён в качестве альтернативы термину мелкодисперсный). В силу широкого фракционного состава компонентов неметаллической части шихты, используемых в заявляемом способе, их распределение по внутренним слоям в процессе вибрационного воздействия будет носить менее выраженный, по сравнению с описанным, характер. В любом случае вибровоздействие будет способствовать уплотнению неметаллической части шихты, уменьшению её пористости и, как следствие, обеднению кислородом воздуха.

Выполняемая после виброуплотнения неметаллической части шихты дозавалка, соответственно, печи или бадьи компонентами металлической части шихты способствует дополнительному, к вибрационному, уплотнению неметаллической части шихты. Выгрузка бадьи в печь (для печей металлоёмкостью свыше 5 т) сопровождается сначала некоторым разрыхлением неметаллической части шихты, а затем её повторным уплотнением инерционной массой сходящей в печь металлической части шихты.

Принятое в металлургии расположение со стороны науглероживателя 50% мелкой металлической шихты также способствует увеличению насыпной плотности слоя металлической части шихты, расположенного со стороны науглероживателя и, как следствие, обеднению этого слоя кислородом воздуха.

На начальном этапе плавления электрические дуги в металлической части шихты проплавляют колодцы, их излучение экранируется стенками «колодцев» и воздействует только на шихту и торцы электродов - цитируется по «Конспекту лекций по дисциплине «Специальные технологии производства заготовок», составитель к.т.н. А.А. Акутин. В контексте заявляемого решения, равно и прототипа - дуги, на начальном этапе плавки, воздействуют только на металл шихты, в котором отсутствуют карбюризаторы, следовательно, выгорание углерода, на данном этапе плавки также отсутствует.

Из статьи «Нагрев и плавление насыпных кусковых материалов», Федяев В.Л., Осипов П.П., Беляев А.В., Сироткина Л.В., Вестник Самарского университета, Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, т. 17, № 2, 2018 г., известно, что:

- при малых температурах пористая среда плохо проводит тепло, т.к. поры изолируют теплопередачу от куска к куску, а за короткое время стекания расплав не успевает обменяться теплом с ними;

- после заполнения жидким металлом пустот между кусками и спустя время релаксации, система приходит в термодинамическое равновесие с сохранением в расплаве твёрдых кусков;

- что только после увеличения температуры проводимость дисперсной среды резко возрастает, приближается к теплопроводности материала кусков и металл полностью переходит в жидкую фазу.

Исходя из процитированного абзацем выше - стекание расплава в нижнюю часть печи неизбежно сопровождается вытеснением воздуха, содержащегося в нижних слоях шихты, в верхние, несвязанные флуктуациями расплава слои - в сторону наименьшего сопротивления. Сродство к кислороду углерода существенно выше сродства к кислороду железа, однако на начальном этапе плавки тепловое воздействие расплавленного железа на карбон экранировано расположенным на карбоне слоем мелкой железосодержащей шихты. Флуктуации жидкого металла, заполняющие пустоты между нерасплавленными кусками металлической части шихты способствуют вступлению содержащегося в печи кислорода в реакцию с нагретым металлом и, соответственно, к уменьшению содержания кислорода в более низких слоях шихты.

Нагрев карбона до температуры его окисления происходит с некоторой задержкой от времени начала воздействия электрических дуг и в обеднённой кислодом среде, что уменьшает непроизводительный, без усвоения металлом, расход углерода. При этом известно, что:

- реакция неполного сгорания углерода относится к эндотермическим - способствует понижению температуры карбона;

- теплопроводность карбона и карбида кремния металлургического, среднестатистически существенно ниже теплопроводности чугуна (3,5…4,9 и 0,45 Вт/(см град) - величины вариативны, т.к. зависят как от плотности укладки, так и от величины температуры.

Указанное также способствуют задержке теплопередачи в слои неметаллической части шихты, содержащие мелкофракционный карбон, и соответственно, уменьшает суммарный, в процессе плавки, угар карбона.

Из книги «Справочник сварщика» под ред. В.В. Степанова, М. Машиностроение», 1974, см. стр. 15, глава «Шлаковые включения в сварных швах», известно, что величина и колчество шлаковых включений в наплавленном металле зависят от скорости всплывания частиц, их способности к коагуляции, вязкости, плотности и механического воздействия на жидкий металл. Скорость всплывания частиц зависит от их размеров, плотности жидкого металла и частиц, а также вязкости металла. Основное влияние на скорость всплывания имеет диаметр частиц, с увеличением которого ускоряется их подъём. Малые частицы, образующиеся в процессе раскисления, имеют очень малую скорость всплывания.

Экстраполируя информацию из вышеприведённого абзаца можно утверждать, что после расплавления металла происходит сепарация науглероживателя по его объёму, а именно - крупные куски карбона всплывают быстрее, с отставанием от крупных кусков карбона распределятся крупные куски карбида кремния и мелкие фракции карбона, нижние слои металла будут насыщены мелкими фракциями карбида кремния. Сепарация обеспечивает раскисление металла и его частичное науглероживание, способствующее усвоению металлом кремния из состава карбида и донауглероживанию металла.

В случае отклонения состава расплава от нормативных показателей выполняется доводка, осуществляемая известными из уровня техники методами.

Достигается снижение угара углерода при электродуговой выплавке чугуна, выполняемой с использованием в качестве углеродсодержащих материалов графита и/или материала термообработанного углеродсодержащего электродного производства и карбида кремния металлургического.

Изобретение относится к металлургии, к способу выплавки чугуна в электродуговых печах. Осуществляют завалку на под печи карбида кремния металлургического, карбона, металлической части шихты, плавление металлической части шихты и доводку химического состава расплава до нормативных показателей. При этом после завалки карбида кремния металлургического и карбона выполняют виброуплотнение неметаллической части шихты. После завершения операции виброуплотнения неметаллической части шихты выполняют завалку компонентов металлической части шихты. После завершения завалки шихтовых материалов в печь выполняют плавление шихты. При выполнении основной завалки неметаллической части шихты используют карбид кремния металлургический фракции 0-10 мм и карбон фракции 0-13 мм. Доводку химического состава расплава до нормативных показателей выполняют введением в расплав, по отдельности или в какой-либо совокупности, стального лома, передельного и литейного чугунов, а также карбида кремния металлургического, и/или карбона, и/или ферросплавов. Обеспечивается снижение угара углерода. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ выплавки чугуна в электродуговых печах, включающий завалку на под печи в первую очередь карбида кремния металлургического, во вторую очередь карбона, в третью очередь металлической части шихты, последующие плавление металлической части шихты и доводку химического состава расплава до нормативных показателей, отличающийся тем, что после завалки карбида кремния металлургического и карбона выполняют виброуплотнение неметаллической части шихты, после завершения операции виброуплотнения неметаллической части шихты выполняют завалку компонентов металлической части шихты, после завершения завалки шихтовых материалов в печь выполняют плавление шихты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шихтовку печей металлоёмкостью менее 5 т выполняют непосредственно в печи, при этом операцию виброуплотнения неметаллической части шихты выполняют в печи.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выполнении основной завалки неметаллической части шихты используют карбид кремния металлургический фракции 0-10 мм и карбон фракции 0-13 мм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что доводку химического состава расплава до нормативных показателей выполняют введением в расплав, по отдельности или в какой-либо совокупности, стального лома, передельного и литейного чугунов, а также карбида кремния металлургического, и/или карбона, и/или ферросплавов.