Способ выплавки стали в дуговой электропечи

 

Использование: в области черной металлургии, конкретно, в способах плавки сталей в дуговой электропечи. Технической задачей изобретения является увеличение в металлозавалке жидкого чугуна с одновременным применением в ней твердого чугуна, а также сокращения энергозатрат при выплавке стали. Сущность изобретения: в способе выплавки стали в дуговой электропечи, включающем загрузку твердых окислителей, шлакообразующих материалов, твердой металлошихты из железостального лома, их прогрев, заливку жидкого чугуна, продувку ванны газообразным окислителем, плавление, окислительное и восстановительное рафинирование расплава и его выпуск, твердые окислители и твердый чугун вводят в виде чушек из твердого окислителя, залитого жидким чугуном. В качестве металлошихты используют твердый и жидкий чугуны. Суммарное количество чугуна поддерживают в пределах 51-95% от общей массы металлошихты, выдерживая отношение твердого чугуна к жидкому равным соответственно 1:(0,1-10). Чушки содержат оксидный материал, залитый чугуном в соотношении соответственно 1: (1,5-9). Суммарное количество кислорода в оксидном материале равно или больше его необходимого количества для полного окисления компонентов чугуна, обладающих большим сродством к кислороду по сравнению с углеродом. Дополнительно к твердому окислителю, связанному с твердым чугуном, в завалку вводят твердый окислитель в свободном виде в количестве 5-50 кг на тонну чугуна. Соотношение железостального лома к жидкому чугуну в завалке поддерживают в пределах 1:(0,5-10). В качестве твердого окислителя в свободном виде используют железную руду, агломерат, концентрат железной руды, окалину. Чушки и железостальной лом перед загрузкой в ванну предварительно подогревают до 200-850^oC. В качестве шлакообразующих материалов используют известь, известняк, доломит. 6 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к способам выплавки в дуговых электропечах.

В ряде случаев, особенно при недостатке стального лома, в шихту электрических печей вводят чугун. При небольшом количестве чугуна ( 10-20% ) в шихте его используют в твердом виде, при большом ( 30-50% ) в жидком. В настоящее время сталь в электропечах на жидком чугуне выплавляют редко. Однако, в связи с появлением новых крупных электропечей потребность в стальном ломе возрастает, поэтому можно ожидать, что в последующем жидкий чугун в шихте электропечей будет применяться в больших масштабах. К тому же в настоящее время увеличивается дефицит стального лома.

При выплавке стали с применением жидкого чугуна необходимо вводить в шихту большое количество железной руды и извести. Эти материалы можно частично загружать во время завалки, частично во время плавления шихты. После загрузки шлакообразующих и железного лома включают печь и прогревают материалы в течение 0,8-1 ч, затем заливают чугун. Количество жидкого чугуна обычно составляет 30-50% от массы металлической части шихты. После чугуна происходит окисление примесей металла, образующийся при этом шлак сливают из печи. В этом отношении электроплавка стали на чугуне аналогична скрап-рудному процессу в мартеновских печах. Во время плавления, а также после расплавления ванну продувают кислородом.

Окислительное действие атмосферы в электрической печи значительно меньше, чем в мартеновской, поэтому при выплавке стали в электропечи с введением в шихту 40-50% жидкого чугуна содержание углерода в металле по расплавлении шихты значительно выше, чем в мартеновской печи при плавке на такой же шихте. (А.Д.Крамаров, А.Н.Соколов. Электрометаллургия стали и ферросплавов. М. Металлургия, 1976, с.235-236 прототип).

Недостатками указанного выше способа является использование больших количеств относительно дефицитного стального лома и недостаточно высокий уровень качества выплавляемой стали, а также необходимость ввода больших количеств газообразного кислорода, вызывающего испарение железа и образование оксидов азота, а также значительный расход электроэнергии.

Целью изобретения является максимальная замена металлического лома твердым и жидким чугунами, улучшение качества стали, сокращение расхода газообразного окислителя и электроэнергии.

Технический результат достигается тем, что в способе выплавки стали в дуговой электропечи, включающей загрузку твердых окислителей, шлакообразующих материалов, твердой металлошихты из железостального лома, их прогрев, заливку жидкого чугуна, продувку ванны газообразным окислителем, плавление, окислительное восстановительное рафинирование расплава и его выпуск, твердые окислители и твердый чугун вводят в виде чушек из твердого окислителя, залитого жидким чугуном, а в качестве металлошихты используют твердый и жидкий чугуны, при этом суммарное количество чугуна поддерживают в пределах 51-95% от общей массы металлошихты, выдерживая отношение твердого чугуна к жидкому равным соответственно 1:(0,1-10), а также тем, что: чушки содержат оксидный материал, залитый чугуном в соотношении соответственно 1:(1,5-9), при этом суммарное количество кислорода в оксидном материале равно или больше необходимого количества для полного окисления компонентов чугуна, обладающих большим сродством к кислороду по сравнению с углеродом; дополнительно к твердому окислителю, связанному с твердым чугуном, в завалку вводят твердый окислитель в свободном виде а количестве 5-50 кг на тонну чугуна; соотношение железостального лома к жидкому чугуну в завалке поддерживают в пределах 1:(0,5-10); качестве твердого окислителя в свободном виде используют железную руду, аглометар, концентрат железной руды, окалину; чушки и железостальной лом перед загрузкой в ванну предварительно подогревают до 200-850^oC; в качестве шлакообразующих материалов используют известь, известняк, доломит.

Применение в металлозавалке повышенного расхода жидкого чугуна, а также твердого чугуна в виде чушек из твердого окислителя, залитого жидким чугуном в мульдах разливочной машины чугуна, позволяет уменьшить содержание вредных примесей, прежде всего цветных металлов. Кроме того, это позволяет резко сократить долю лома в шихте, что уменьшает потребность в стальном ломе, а увеличение объемного веса шихты облегчает условия завалки, сокращает время плавки и расход электроэнергии. Твердые окислители в виде чушки из твердого окислителя, залитого жидким чугуном, обладают по сравнению с ломом пониженной температурой плавления благодаря наличию в ее основе легкоплавкого чугуна, ускоряют образование на подине печи слоя жидкого расплава, формирующийся преимущественно из расплавляющихся чушек твердого окислителя. После заливки жидкого чугуна дальнейшее плавление кусков лома происходит в жидкой металлической ванне, имеющей повышенную величину коэффициента теплопередачи с одновременным перемешиванием расплава пузырьками окиси углерода, образующимися в результате окисления углерода чугуна чушки кислородом твердого окислителя. Это ускоряет передачу тепла от жидкого расплава к кускам твердой нерасплавившейся шихты и увеличивает скорость их проплавления.

Кроме того, на протяжении всего периода плавления наблюдается окисление углерода чушек твердого окислителя и поддержание шлака во вспененном состоянии за счет непрерывного кипения ванны. Суммарное количество чугуна поддерживают в пределах 51-95% от общей массы металлошихты. Если суммарное количество чугуна ниже 51% то не находит должного отражения снижение дефицитного металлического лома.

Для повышения содержания углерода в шихте суммарное количество чугуна повышают до 95% а также низкого содержания вредных примесей. Суммарное количество жидкого и твердого чугунов выше 95% нежелательно, во избежание чрезмерного повышения содержания фосфора.

Отношение твердого чугуна к жидкому принято равным соответственно 1: (0,1-10) согласно экспериментальным данным.

Данное изобретение исключает разделение окислителей и твердого чугуна на части при загрузке в печь и предусматривает только их совместное введение в виде чушек из твердого окислителя, залитого жидким чугуном. Чушки содержат оксидный материал, залитый чугуном в соответствии соответственно 1:(1,5-9), при этом суммарное количество кислорода в оксидном материале равно или больше необходимого количества для полного окисления компонентов чугуна, обладающих большим сродством к кислороду по сравнению с углеродом.

Оксидами металлов, входящими в состав оксидного материала, могут быть двух- и трехвалентные оксиды железа, оксиды марганца (MnO, MNO₂, Mn₂O₃ и Mn₃O₄), а также оксиды легирующих элементов: меди, хрома, никеля, молибдена, вольфрама, кобальта при условии, что указанные выше элементы входят в состав выплавляемой марки стали. Сродство этих металлов к кислороду меньше в условиях сталеплавильной ванны, чем у углерода, что обеспечивает в процессе плавки их восстановление до металлического состояния углеродом, имеющимся в металлической составляющей шихты. Использование чушек, в которых соотношение оксидного материала к чугуну меньше чем 1:9, приводит по расплавлении ванны к неполному окислению кремния и других высокоактивных элементов из-за недостатка в чушке кислорода. Это не позволяет провести должным образом окислительных период плавки, затрудняет удаление фосфора и окисление углерода. Дополнительный ввод кислорода для окисления остаточного содержания кремния, а также фосфора и углерода удлиняет окислительный период и цикл плавки в целом, ухудшает качество металла, снижая тем самым эффективность электроплавки. Помимо отмеченного выше при указанном выше содержании компонентов, наблюдается тенденция повышения содержания углерода в металле по расплавлении ванны, что удлиняет окислительный период и требует ввода дополнительного количества кислорода.

Использование чушек, в которых соотношение оксидного материала к чугуну больше чем 1:1,5, концентрация углерода в ванне по расплавлении получается низкой, что затрудняет последующий нагрев ванны и достижение заданной температуры металла на выпуске. Помимо этого, наличие чрез мерно высокой доли оксидного материала в составе чушек вызывает резкое охлаждение металлической ванны. За счет этого увеличивается длительность плавки и расход электроэнергии, а также ухудшается качество металла по содержанию газов и включений.

Заявляемые пределы отвечают условиям достижения наилучших технико-экономических показателей плавки и качества стали, обеспечивая выплавку широкого сортамента сталей. Указанные выше пределы компонентов чушек обеспечивают полное окисление кремния и других высокоактивных элементов типа ванадия и титана в случае наличия их в металлической составляющей шихты, открывая тем самым возможность раннего окисления углерода и фосфора. По мере относительного возрастания доли оксидного материала в чушках выше соотношения 1:9 количество кислорода, содержащегося в чушке, оказывается достаточным для окисления некоторой части углерода. Выделение газообразных продуктов этой реакции усиливает перенос тепла и вещества в ванне, ускоряет формирование жидкоподвижной шлаковой фазы, усиливает вспенивание шлака и экранирование дуг, улучшает условия нагрева металла, ускоряет окисление углерода и фосфора, облегчает скачивание шлака и удаление фосфора.

При соотношении чугуна и оксидного материала соответственно в пределах 70-80 и 20-30% количество кислорода оказывается достаточным для тотального окисления всех примесей сплава, включая углерод, кремний, марганец, и полного восстановления оксидов железа до металлического состояния. При этом обеспечивается максимальное кипение ванны, исключается влияние состава чушек на химический состав металлической ванны, обеспечиваются благоприятные условия для рафинирования металла, сокращения продолжительности плавки. Поэтому состав чушки является оптимальным. При увеличении доли чугуна и оксидного материала выше 70: 30 часть оксидов железа, неизрасходованная на окисление примесей сплава, начинает поступать в шлак, увеличивая его окисленность и ускоряя растворение извести. За счет этого рафинирующие и вспенивающие свойства шлака возрастают и достигается более глубокое удаление углерода, фосфора, серы, газов и происходит совмещение плавления с окислительным периодом. Результатом этого является сокращение общей продолжительности цикла плавки.

Постепенное уменьшение относительной доли чугуна и увеличение соответственно доли оксидного материала в чушке сопровождается непрерывным уменьшением количества железа, поступающего в металлическую ванну. Начиная с определенного соотношения компонентов чушки, количество железа, восстанавливаемого из оксидов железа, не компенсирует снижения количества металла, поступающего из твердого чугуна. Вследствие этого выход жидкого металла снижается. Одновременно с этим возрастает количество шлака и охлаждение ванны. Поэтому увеличение количества оксидного материала в чушке выше соотношения 1:1,5 приводит к неоправданному росту массы шлака и повышенным затратам тепла на нагрев, разложение и плавление оксидного материала, а также уменьшение выхода годного.

Чушки с повышенной долей чугуна и пониженным содержанием оксидного материала пригодны для выплавки средне- и высокоуглеродистых сталей, содержащих высокое количество углерода, чушки с пониженным содержанием чугуна и высоким содержанием оксидного материала могут быть рекомендованы применительно к выплавке низкоуглеродистых сталей, в том числе для производства особо низкоуглеродистых сталей, в том числе для производства особо низкоуглеродистых сталей типа нержавеющих, электротехнических, сталей для автолиста и т.п.

Наличие в оксидном материале свободных оксидов металлов, сродство к кислороду равное и/или меньше, чем у углерода, создает условия, с одной стороны, для полного восстановления оксидов железа и других элементов до металлического состояния и поступления в ванну чистого металла свободного от микропримесей. Разбавление металлической ванны чистым расплавленным железом снижает концентрацию нежелательных элементов, оказывающих отрицательное влияние на свойства стали, а также увеличивает выход жидкого металла.

С другой стороны, кислород оксидного материала окисляет примеси чугуна, в первую очередь кремний, ванадий, титан и др. высокореакционные элементы, а затем и углерод. Перемешивание ванны выделяющимися газообразными продуктами окисления углерода интенсифицирует тепломассообмен в ванне. Эффект перемешивания возникает с момента проплавления первой порции чушек и продолжается на протяжении всего периода плавления. За счет этого уже в конце периода достигается формирование активного жидкоподвижного шлака, его сильное вспенивание, позволяющее закрыть дуги и обеспечить нормальное скачивание шлака, улучшаются условия дефосфорации и десульфурации металла, а также дегазации ванны. Следствием этого является совмещение части окислительного периода с периодом плавления, сокращение продолжительности плавки и улучшение качества металла.

Формирование большого количества жидкоподвижного шлака к концу периода плавления ускоряет дефосфорацию и десульфурацию, обеспечивая получение в металле по расплавлении низких остаточных концентраций фосфора, серы и хрома. Благодаря этому окислительных период частично совмещается с плавлением, что облегчает дальнейшее проведение этого периода, сводя его в основном к корректировке содержания углерода путем присадки небольших твердых окислителей (агломерата и пр.) и подогреву металла до нужной температуры. Ускорение образования жидкого шлака и металла позволяет через 10-12 мин от начала плавления достичь нагрузку устойчивого горения и резко снизить шумовую.

Максимально возможная концентрация свободных окислов в оксидном материале отвечает случаю максимального содержания и углерода в чугуне и максимальной доли его в чушках. При этих условиях обеспечивается полное окисление кремния, ранее образование жидкоподвижного шлака, обладающего максимальной вспениваемостью, повышенной рафинирующей способностью в отношении фосфора и серы и высоким окислительным потенциалом. В результате этого достигается одновременное и параллельное окисление фосфора и углерода, а также удаление серы, то есть совмещение с окислительным периодом. Плавка имеет минимальную продолжительность и высокое качество металла.

При выплавке ряда марок сталей в завалку вводят дополнительно твердый окислитель в свободном количестве 5-50 кг на тонну чугуна, расход которого считается оптимальным. Большой расход твердого окислителя нецелесообразен, поскольку будут наблюдаться большие потери железа. В качестве твердого окислителя в свободном виде используют железную руду, агломерат, концентрат железной руды, окалину.

Соотношение железостального лома к жидкому чугуну в завалке поддерживают в пределах 1:(0,5-10). Числовые значения указанных выше соотношений выбраны экспериментальным путем.

Для ускорения процесса плавления можно производить предварительный подогрев шихты. Подогрев шихты до 800^oC способствует уменьшению удельного расхода электрической энергии на 100 кВт·ч/т и увеличению производительности печи на 20% Пример конкретного выполнения.

Выплавка анизотропной электротехнической стали проводилась в 100-тонновых электропечах.

Состав металлошихты соответствовал: Металлический лом 6,0 49,0 Чушки в виде твердого оксидного материала, залитого чугуном 10,6 48,0
Жидкий чугун 8,6 45
Особое внимание уделялось условиям формирования жидкоподвижного шлака в конце периода плавления шихты.

Основные показатели выплавки стали с применением в качестве металлошихты чушек с оксидным материалом, залитым чугуном, металлоломом и жидким чугуном в сравнении с прототипом, приведены в таблице.

Как видно из данных таблицы, расход электроэнергии с применением изобретения уменьшается на 12% а расход кислорода уменьшается на 22%
Выход высших марок анизотропной электротехнической стали по предлагаемому изобретению повысился.

Формула изобретения

1. Способ выплавки стали в дуговой электропечи, включающий загрузку твердых окислителей, шлакообразующих материалов, твердой металлошихты из железостального дома, их прогрев, заливку жидкого чугуна, продувку ванны газообразным окислителем, плавление, окислительное и восстановительное рафинирование расплава и его выпуск, отличающийся тем, что твердые окислители и твердый чугун вводят в виде чушек из твердого окислителя, залитого жидким чугуном, а в качестве металлошихты используют твердый и жидкий чугуны, при этом суммарное количество чугуна выдерживают в пределах 51-95% от общей массы металлошихты, выдерживая отношение твердого чугуна к жидкому, равным соответственно 1: (0,1-10).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что чушки содержат оксидный материал, залитый чугуном в соотношении соответственно 1: (1,5-9), при этом суммарное количество кислорода в оксидном материале равно или больше его необходимого количества для полного окисления компонентов чугуна, обладающих большим сродством к кислороду по сравнению с углеродом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно к твердому окислителю, связанному с твердым чугуном, в завалку вводят твердый окислитель в свободном виде в количестве 5-50 кг на 1 т чугуна.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение железостального лома к жидкому чугуну в завалке поддерживают в пределах 1 (0,5-10).

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве твердого окислителя в свободном виде используют железную руду, агломерат, концентрат железной руды, окалину.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что чушки и железостальной лом перед загрузкой в ванну предварительно подогревают до 200 850^oС.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве шлакообразующих материалов используют известь, известняк, доломит.

РИСУНКИ

Рисунок 1