Способ выплавки стали в электродуговой печи

 

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано в электросталеплавильном производстве для выплавки стали. Способ выплавки стали в электродуговой печи включает завалку и подвалки единовременно загружаемых в ванну печи порций металлошихты, их плавление и доводку расплава до необходимой температуры и состава за счет использования энергии электрических дуг и альтернативных источников энергообеспечения плавки с применением в качестве шлакообразующего материала дробленного известняка. Известняк вводят в зону горения электрических дуг в виде кускового материала с фракцией размером 20-80 мм при природном влагосодержании не более 2,0-5,0%, с содержанием не менее 2,0-2,5% MgO и сопротивлением сжатию не более 450 кг/м². Подают его в печь после отработки от начала плавления каждой порции металлошихты 90-130 кВт•ч/т электроэнергии вводимыми компактными порциями в количестве 220-300 кг с интенсивностью подачи в ванну от 0,9 до 1,2 кг/мин, за период подвода одного кВт•ч/т электроэнергии, поддерживая общий его расход за период плавки в пределах от 50 до 55 кг/т. Технический результат - расширение технических возможностей и повышение технико-экономических показателей плавки при использовании в качестве шлакообразующего материала известняка. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в электросталеплавильном производстве.

Известен способ выплавки стали в электродуговых печах, характеризующийся использованием в качестве шлакообразующих материалов свежеобожженной извести, являющейся источником поступления в шлак окиси кальция (Электрометаллургия стали и ферросплавов./Под ред. Д.Я. Поволоцкого. - М.: Металлургия, 1984, с. 568). Применение извести в качестве шлакообразующего материала позволяет обеспечить необходимые условия для дефосфорации металла в процессе плавки. При ее использовании в практических условиях необходимо соблюдать достаточно жесткие требования по качественным характеристикам и условиям поставки в технологический агрегат. Обладая высокой гигроскопичностью, известь может вносить в сталь влагу, обогащая ее водородом и являясь причиной образования флокенов в готовой продукции. Известь получают в шахтных печах или трубчатых печах путем высокотемпературного (при Т=800-1000^oС) обжига известняка (СаСО₃). Использование дополнительных технологических приемов ее получения вызывает существенное увеличение себестоимости стали.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ выплавки стали в дуговых печах, включающий использование в качестве шлакообразующей составляющей известняка (Еднерал Ф.П. Электрометаллургия стали и сплавов. - М.: Металлургия, 1991, с.98). Достоинством применения известняка вместо извести рассматривается то, что он не вносит в печь влагу, а также то, что активно выделяющийся из него в процессе термообработки по ходу плавления шихты углекислый газ способствует дополнительному перемешиванию расплава. Процесс перемешивания благоприятствует выравниванию температуры и состава расплава, а также удалению из него неметаллических включений и газов. Обязательным условием для эффективного использования известняка по известному способу электроплавки является применение его в прокаленном и дробленом виде, с содержанием СаСО₃ не менее 97% и серы не более 0,05%.

Существенным, ограничивающим область его использования, недостатком рассматриваемого в прототипе способа выплавки стали является повышение энергозатрат при обеспечении требуемых условий шлакообразования плавки, обусловленных энергоемким развитием процесса разложения известняка по ходу плавки с увеличением расхода электроэнергии на период плавления и увеличением его длительности.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение технических возможностей и повышение технико-экономических показателей плавки (себестоимость, снижение энергозатрат, качество выплавки, технологичность) при использовании в качестве шлакообразующего материала известняка за счет использования определенных его качественных характеристик и заданных условий ввода в рабочее пространство электродуговой печи по ходу плавки.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе выплавки стали в электродуговой печи, включающем завалку и подвалки единовременно загружаемых в ванну печи порций металлошихты, их плавление и доводку расплава до необходимой температуры и состава за счет использования энергии электрических дуг и альтернативных источников энергообеспечения плавки с применением в качестве шлакообразующего материала дробленного известняка, не подвергаемый предварительной термической обработке известняк вводят в зону горения электрических дуг в виде кускового материала с фракцией размером 20-80 мм при природном влагосодержании не более 2,0-5,0%, с содержанием в нем не менее 2,0-2,5% MgO и сопротивлением сжатию не более 450 кг/м², обеспечивая подачу его в печь в периоды плавления каждой порции металлошихты после отработки от начала ее плавления 90-130 кВт•ч электроэнергии на каждую тонну металлошихты вводимыми компактными порциями в количестве 220-300 кг с интенсивностью подачи в ванну печи от 0,9 до 1,2 кг/мин, за период подвода одного кВт•ч электроэнергии на одну тонну расплава, поддерживая общий его расход за период плавки в пределах от 50 до 55 кг на одну тонну расплава.

В другом варианте выполнения изобретения необходимо, чтобы количество известняка при завалке на одну тонну металлошихты, расходуемое за период плавления первой ее порции, на 20-30% превышало его расход при плавлении второй порции металлошихты при подвалке, а расход известняка за период плавления каждой последующей порции при подвалке снижают на 20-30% по отношению к его количеству, расходуемому за период плавления предыдущей порции.

Кроме этого, целесообразно количество известняка, загружаемого при завалке или последующих подвалках, добавляемых в печь по ходу цикла плавки, увеличивать в зависимости от технических требований плавки.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата. Плавление и доводку расплава до необходимой температуры и состава за счет использования энергии электрических дуг с применением в качестве шлакообразующего материала дробленного известняка, который, не подвергая предварительной термической обработке, вводят в межэлектродное пространство в виде кускового материала с фракцией 20-80 мм при влагосодержании не более 2,0-5%, с содержанием в нем не менее 2,0-2,5% MgO (а также и 50-60% СаО) и с временным (начальным) сопротивлением сжатию не более 450 кг/м², обеспечивая подачу его в ванну в периоды плавления каждой порции металлошихты после отработки от начала ее плавления 90-130 кВт•ч электрической энергии на каждую тонну металлошихты компактными порциями массой 220-300 кг с интенсивностью подачи в ванну от 0,9 до 1,2 кг/мин, за период отработки кВт•ч электрической энергии на одну тонну металлошихты, поддерживая при этом общий его расход за всю плавку в пределах от 50 до 55 кг на тонну расплавляемой металлошихты.

При этом удельное количество известняка, расходуемого за период плавления первой порции металлошихты (завалки), в килограммах на 1 т металлошихты на 20-30% превышает его расход при плавлении второй порции шихты (подвалки), а расход известняка за период плавления последующей порции (второй подвалки) снижают на 20-30% по отношению к его количеству, расходуемому за период плавления предыдущей порции расплавляемой шихты (первой подвалки).

Сущность способа выплавки стали поясняется следующим.

Повышенное содержание фосфора в металле определяет возникновение в нем свойства хладноломкости, в связи с чем он рассматривается вредной примесью в составе качественных марок сталей. По этой причине одним из обязательных приемов в технологии электросталеплавильного процесса выплавки ответственных марок сталей является полное окисление фосфора из расплава и перевод его в шлак. Фосфор является поверхностно-активным элементом, поэтому реакция его окисления получает развитие на поверхности раздела фаз металл-шлак и обесфосфоривание металла осуществляют путем организации в печи заданного шлакового режима.

Технологическими факторами, определяющими распределение фосфора между металлом и шлаком, являются состав наведенного шлака и температура металла. Обязательным требованием к качеству шлака в рассматриваемых условиях является наличие в нем необходимого количества растворенной окиси кальция (СаО), которая связывает в шлаке фосфор при достижении его равновесного состояния между шлаком и металлом. Скорость растворения окиси кальция определяется содержанием в шлаке закиси железа (FeO) и температурным уровнем расплава. Эффективные результаты по активизации процесса обесфосфоривания (перехода фосфора из металла в шлак) могут быть достигнуты при обеспечении оптимального сочетания технологических факторов (жидкотекучести и основности шлака, соотношения в нем содержания СаО к FeO, температуры расплава).

Следует отметить, что максимальная активность перехода фосфора из металла в шлак при прочих равных условиях достигается при определенном, ограниченном диапазоне температур 1470-1530^oС в процессе нагрева металла. Возможности в обеспечении заданного температурного режима плавки расширяются при использовании в качестве шлакообразующего материала известняка, обеспечивающего доставку окиси кальция в шлак с протеканием эндотермического эффекта его разложения в процессе термической обработки непосредственно в рабочем пространстве печи.

С целью интенсификации термического воздействия на известняк и активизации темпа его разложения по ходу технологического процесса электродуговой плавки его направляют непосредственно в зону горения электрических дуг (в межэлектродное пространство) в виде смеси кусков в ограниченном фракционном составе.

Оптимальным размером кускового известняка, используемого для шлакообразования плавки, является смесь, состоящая из фракций 20-80 мм. Смесь с фракцией размером 20 мм и менее включает повышенное количество сопутствующих примесей (мелуза, глина, песок), которые в условиях повышенной влажности окружающей среды приобретают свойства связующих материалов, в практических условиях нарушающих технологичность подачи известняка в печь через систему труботечек и бункеров из-за их налипания на внутренней поверхности системы транспортировки. При пониженной температуре среды увеличивается вероятность слипания рассматриваемой смеси известняка в силу ее повышенной гигроскопичности. Использование в смеси кусков фракцией 80 мм и более вызывает забивание труботечек по ходу обеспечения технологического процесса плавки и нарушения его организации, сбои в производстве.

Диапазон фракций СаСО₃ размером 20-80 мм удовлетворяет технологическим требованиям высокоинтенсивного темпа плавки, обеспечивая необходимый темп разложения известняка и шлакообразования с заданным содержанием окиси кальция при минимальном использовании балластных энергоемких примесей.

Использование известняка с природным влагосодержанием не более 2-5% позволяет применять его в качестве шлакообразующего материала (флюса) непосредственно в составе технологического процесса плавки без его предварительной термообработки (обжига), что существенно снижает себестоимость сырьевых материалов плавки.

Повышенное, более 2,0-2,5% содержание включений MgO в известняке обеспечивает достаточно высокую полноту разложения его кусков с вышеуказанной фракцией при термическом воздействии за счет характерного для MgO повышенного коэффициента линейного расширения и высокой, по сравнению с основной массой материала, теплопроводностью. Характерное для молодых месторождений природных известняков сочетание повышенного содержания MgO с ограниченной величиной временного сопротивления сжатию в пределах не более 450 кг/м² не позволяет использовать их в качестве сырья для получения извести в обжиговой печи, так как известняк с указанными характеристиками при термической обработке разлагается полностью, превращаясь в пушонку. Однако его склонность к полному разложению при тепловой обработке является благоприятным свойством для использования этого качества известняка в составе шлакообразующего материала непосредственно в составе технологии электросталеплавильного процесса, без предварительной подготовки.

С увеличением тепловой нагрузки при обжиге кускового известняка, содержащего более 2,0-2,5% MgO и с временным сопротивлением сжатию не более 450 кг/м², при температуре более 1000^oС, интенсивность его разложения увеличивается. При снижении в составе известняка содержания MgO менее 2,0-2,5% полнота его разложения снижается, цикл термообработки материала и количество крупных фракций известняка увеличиваются. При сохранении рассматриваемого состава известняка увеличение его прочности, при временном сопротивлении сжатию более 450 кг/м², препятствует темпу и полноте его разложения, а в дальнейшем и расплавлению.

Сочетание вышеприведенных, приемлемых для использования в качестве шлакообразующего материала в технологическом режиме электросталеплавильного процесса, свойств известняка характерно для отдельных месторождений, так называемых "молодых" месторождений.

Экспериментально установлено, что при термообработке смеси кусков известняка с вышеуказанной фракцией, влагосодержанием и качеством при температуре, соответствующей температуре расплавляемого металла на начальной стадии окислительного периода плавки, около 1550^oС, обеспечивается практически полный переход его в жидкую фазу (растворение) в течение 2-4 мин, что удовлетворяет требованиям современного высокоинтенсивного темпа плавки в дуговой печи. Разложение известняка происходит бурно и характеризуется активным газовыделением.

Начало подачи известняка в межэлектродное пространство печи по ходу плавления каждой порции металлошихты после отработки от начала плавления 90-130 кВт•ч. электрической энергии на каждую тонну металлошихты (удельная мощность кВт•ч/т) позволяет направлять его непосредственно на поверхность образовавшегося высокотемпературного расплава в наиболее термонапряженную околодуговую зону, обеспечивая этим самым активное начало обжига материала и процесса шлакообразования. В различающихся условиях качественного состава и массы расплавляемой шихты ввод в нее указанного количества электрической энергии является достаточным для проплавления в центре ванны колодцев и образования открытого зеркала расплава. При отработке меньшей, чем 90 кВт•ч/т электрической энергии, объем расплавленного металла недостаточен для аккумулирования тепловой энергии необходимой для разложения известняка без нарушения заданного режима энергообеспечения плавки. Начало периода ввода известняка после отработки более 130 кВт•ч/т электроэнергии определяет сокращение длительности цикла для ввода в печь заданного его количества, задерживает начало активного шлакообразования и обесфосфоривания расплава, удлиняет в целом длительность плавки.

Подача известняка единовременно вводимыми через свод печи компактными порциями по 220-300 кг с интенсивностью их подачи в ванну от 0,9 до 1,2 кг/мин за период отработки 1 кВт•ч электроэнергии на 1 т расплавляемой порции металлошихты позволяет обеспечить удовлетворяющий требованиям высокоинтенсивного электросталеплавильного производства темп шлакообразования и удаления фосфора из расплава при оптимальных условиях поставки материала в печь. Рассматриваемые параметры тесно взаимосвязаны между собой и качественными характеристиками известняка.

Использование порций известняка вышеуказанного качества и состава меньше 220 кг снижает единовременное потребление тепла из расплава. При этом не достигается удовлетворяющая требованиям производства интенсивность ввода шлакообразующего материала в ванну, в условиях наращивания температуры расплава темп обесфосфоривания металла затормаживается из-за недостаточного количества известняка, вводимого в печь в период плавления заданного объема шихты. При массе порций более 300 кг повышенная интенсивность залпового потребления тепла из расплава вызывает сдерживание интенсивности разложения известняка и интенсивности шлакообразования в условиях скачкообразного уменьшения температуры расплава. При этом возникает необходимость снижения интенсивности ввода известняка в печь из-за торможения процесса регенерации тепла в расплаве при штатном режиме энергообеспечения плавки.

Подача известняка в ванну с интенсивностью меньшей 0,9 кг/мин за период ввода в расплав 1 кВт•ч на 1 т шихты вызывает удлинение периода ввода заданного его количества и задержание темпа активного обесфосфоривания металла, что в конечном итоге приводит к увеличению затрат энергии на проведение окислительного периода плавки. При интенсивности подачи известняка, превышающей 1,2 кг/мин, происходит увеличение потерь тепла из ванны на разложение и расплавление известняка, темп протекания технологического процесса и шлакообразования снижается, при этом возникает вероятность поломок электродов и спекания известняка.

Обеспечение общего расхода известняка за период плавления потребляемой за плавку массы металлошихты в пределах от 50 до 55 кг на 1 т шихты в полной мере соответствует требованиям электросталеплавильного процесса по полноте удаления фосфора из металла. При расходовании меньше чем 50 кг/т известняка не обеспечивается заданное качество металла по фосфору по расплавлению, при использовании более 55 кг/т его перерасход определяет снижение технико-экономических показателей плавки в целом.

Удельный расход известняка (1 кг на 1 т металлошихты) при плавлении первой порции шихты (завалки) увеличивают на 20-30% по отношению к его расходу за период плавления второй порции (первой подвалки), а его расход за период плавления последующей порции шихты (второй подвалки) на 20-30% снижают по отношению к количеству известняка, используемого за период плавления предыдущей порции шихты (первой подвалки). Обеспечение указанного режима шлакообразования позволяет регламентировать полноту перевода фосфора в шлак по ходу технологического процесса при неустановленном в начале плавки содержании фосфора в металле.

В зависимости от технологических требований плавки обеспечивают использование дополнительного количества известняка в составе шихтообразования при завалке или последующих подвалках расплавляемой металлошихты, добавляемых в ванну в виде подвалок по ходу плавки.

С экономической точки зрения часть кускового известняка может быть заменена порошкообразным известняком, используемым в составе расплавляемых порций шихты и вводимым в ванну по ходу плавки с использованием специальных приемов и средств.

В качестве примера реализации предлагаемого способа плавки рассмотрим освоенную в опытном порядке технологию современного высокоинтенсивного одношлакового процесса плавки в дуговой сталеплавильной печи емкостью 120 т, работающей при среднем весе загружаемой шихты 130-135 т по схеме: завалка 65 т плюс подвалка.

После выпуска предыдущей плавки производят завалку первой порции металлошихты массой около 65 т и с включением электрического тока начинают ее плавление, обеспечивая постепенное погружение электродов в ванну. Объем и последовательность технологических операций плавки осуществляют в соответствии с действующим стандартным режимом.

Допускается присутствие в ванне остатка 10-15 т расплава от предыдущей плавки, используемого в новой в качестве аккумулятора тепловой энергии и интенсификатора начального периода процесса шлакообразования.

В зависимости от задач технологии в составе расплавляемой металлошихты допускается использование определенного количества коксовой мелочи или металлургического кокса, применяемых в качестве науглероживающих материалов.

После отработки 4-6 кВт•ч на 1 т расплавляемой шихты начинают использование альтернативной энергии - включают группу стеновых газокислородных горелок, работающих в стехиометрическом режиме, с общей тепловой мощностью около 15-25 МВт. Оптимальные условия энергообеспечения стеновых горелок направлены на расплавление периферийной части шихты в холодных зонах ванны одновременно с центральной частью, расплавляемой дугами. После расплавления шихты горелки работают в окислительном режиме - с использованием только кислорода, вводимого в ванну для дожигания выделяющейся из нее окиси углерода.

После отработки 60-80 кВт•ч/т электроэнергии через специальную выдвижную фурму в расплав подают до 3000 м³/ч кислорода, обеспечивая интенсификацию процесса его обезуглероживания, при этом стеновые горелки используют только в окислительном режиме. После отработки 70-90 кВт•ч/т электроэнергии вводят в работу дверную газокислородную горелку мощностью до 10 МВт для ускорения расплавления шихты в зоне завалочного окна. С целью частичного раскисления образующегося печного шлака и его вспенивания по ходу плавки применяют порошкообразный кокс, вводимый в ванну с помощью специализированных устройств. Управление работой вспомогательного оборудования производится автоматически, по заранее разработанному алгоритму.

Подачу в ванну известняка вышеуказанного состава и качества, например, Трифештского месторождения (Молдавия), начинают по тракту сыпучих материалов через течку, расположенную в своде печи, после отработки 90-130 кВт•ч/т электроэнергии - при образовании в центральной части открытой зоны расплава. Его вводят единовременными порциями массой по 220-300 кг с интенсивностью от 0,9 до 1,2 кг/мин за период отработки кВт•ч электроэнергии на одну тонну загруженной шихты, обеспечивая общее количество, вводимое за период плавления завалки, около 3200 кг. Перед началом использования известняка, после отработки 80-85 кВт•ч/т электроэнергии, также как и при использовании в качестве шлакообразующего материала только кускового известняка, в печь присаживается коксовая мелочь (около 500 кг) порциями по 200-250 кг.

По ходу подсыпки известняка в печь в период плавления шихты в ванну кратковременно вдувается ограниченное количество порошкообразного кокса в струе кислорода (до 300-500 кг), обеспечивая подачу в ванну дополнительного количества альтернативной энергии, снижая при этом окислительное воздействие кислорода на электроды, а также обеспечивая условия для вспенивания шлака. Кислородная фурма работает до отключения печи на подвалку шихты. В это же время порошкообразный кокс подается в ванну через расположенные в кладке печи инжекторы порциями по 40-60 кг.

Во избежание поломок электродов при возможных обвалах шихты в период подвалки второй порции шихты и устранения при этом выбросов расплава полное расплавление шихты первой завалки не допускается.

После завалки второй порции металлошихты энергообеспечение плавки и динамика подачи в печь шлакообразующих материалов осуществляется практически по вышеуказанному режиму. При этом суммарное его количество (в кг на тонну шихты) за период плавления подвалки снижают на 20-30%. В случае использования второй подвалки - еще на 20-30%.

Использование известняка обеспечивает полное обесфосфоривание расплава. Его разложение сопровождается активизацией тепло- и массообменных процессов в расплаве. Эндотермический эффект разложения СаСО₃ определяет необходимость увеличения расхода электроэнергии на 20-25 кВт•ч/т, однако расчет общей эффективности его применения показывает, что исключение затрат на его предварительный обжиг в шахтной печи в целом позволяет обеспечить существенный экономический эффект.

Формула изобретения

1. Способ выплавки стали в электродуговой печи, включающий завалку и подвалки единовременно загружаемых в ванну печи порций металлошихты, их плавление и доводку расплава до необходимой температуры и состава за счет использования энергии электрических дуг и альтернативных источников энергообеспечения плавки с применением в качестве шлакообразующего материала дробленого известняка, отличающийся тем, что не подвергаемый предварительной термической обработке известняк вводят в зону горения электрических дуг в виде кускового материала с фракцией размером 20-80 мм при природном влагосодержании не более 2,0-5,0%, с содержанием в нем не менее 2,0-2,5% MgO и сопротивлением сжатию не более 450 кг/м², обеспечивая подачу его в печь в периоды плавления каждой порции металлошихты после отработки от начала ее плавления 90-130 кВт·ч электроэнергии на каждую тонну металлошихты вводимыми компактными порциями в количестве 220-300 кг с интенсивностью подачи в ванну печи от 0,9 до 1,2 кг/мин, за период подвода одного кВт·ч электроэнергии на 1 т расплава, поддерживая общий его расход за период плавки в пределах от 50 до 55 кг на 1 т расплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество известняка на одну тонну металлошихты, расходуемое за период плавления первой ее порции, на 20-30% превышает расход известняка при плавлении второй порции металлошихты при подвалке, а расход известняка за период плавления каждой последующей порции металлошихты при подвалке снижают на 20-30% по отношению к его количеству, расходуемому за период плавления предыдущей порции.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество известняка, загружаемого при завалке или последующих подвалках, добавляемых в печь по ходу цикла плавки, увеличивают в зависимости от технических требований плавки.