СИНТЕТИЧЕСКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ШИХТОВОЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ СТАЛИ
SYNTHETIC COMPOSITE CHARGE MATERIAL FOR PRODUCTION OF HIGH-QUALITY STEEL

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано в качестве металлошихты при выплавке стали в различных сталеплавильных агрегатах, преимущественно в электродуговых сталеплавильных печах.
Известны шихтовые материалы для металлургического передела, такие как передельный чугун, железный (стальной) лом, металлизованные окатыши, брикеты, синтиком и др. Данные материалы имеют свои преимущества и свои недостатки.
Известен шихтовой композиционный материал для металлургического передела (RU 2087546C1, опубл. 20.08.1997), содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Железоуглеродистый сплав - 50,0-99,5,
Оксидосодержащий материал - 0,5-50.
Недостатком данного технического решения является отсутствие в составе углеродосодержащего компонента, необходимого для восстановления оксидов, тем самым не контролируется процесс науглероживания шлака с целью уменьшения в нем содержания окислов железа. Также этот фактор ведет к увеличению времени плавки и расходу электроэнергии, электродов и др.
Известен шихтовой композиционный материал (RU 2142018C1, опубл. 27.11.1999) для металлургического передела, представляющий собой брикет, который содержит железорудный концентрат, углеродистое связующее и карбюризатор на основе чугунной стружки, при соотношении компонентов, мас.%:
Железорудный концентрат - 5,0-35,0;
Углеродистое связующее - 1,0-10;
Карбюризатор - 0,5-10,0;
Чугунная стружка - остальное.
Недостатком данного технического решения являются затраты на производство брикетов способом, предложенным Н.А. Ярхо, и то, что чугунная стружка является отходом производства и не может быть использована как альтернатива чугуну или металлическому скрапу как основе.
2
3
Наиболее близким аналогом по совокупности существующих признаков является шихтовой композиционный материал для металлургического передела в дуговых электропечах (Вздыханько М.М. и др. Производство и применение синтетических композиционных материалов при выплавке стали в дуговых электропечах. Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации (ЦНИИ и ТЭИ ЧМ-ОАО), 2012, выпуск 1, с.38-46), раскрытый на примере СК 15, содержащий железоуглеродистый сплав (чугун), углеродосодержащее вещество и железосодержащий окислительный компонент (окатыши), включающий оксид железа FeO и монооксид FeO, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Железорудные окатыши - 15%,
Передельный чугун - 85%,
Углеродосодержащий материал - 0,1-10,
Железоуглеродистый сплав или железоуглеродистый сплав и чугунный и/или металлический скрап - остальное.
2
3
Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности экономии энергозатрат за счет изменения в железосодержащем окислительном материале процентного соотношения окислов железа FeO и FeO.
Задачей данного технического решения является повышение экономии энергии при производстве стали в электродуговой печи за счет уменьшения угара шихты на окислительных реакциях при дутье и уменьшении энергозатрат на востановление находящихся в составе синтикома окислов железа.
Техническим результатом является синтетический композиционный шихтовой материал (синтиком) для производства высококачественной стали, содержащий железоуглеродистый материал, углеродосодержащее вещество и железосодержащий окисленный компонент в следующем соотношении компонентов, масс.%:
2
3
- оксид железа FeO - 0-10;
- монооксид FeO - 5-30,0;
- углеродосодержащее вещество - 0,1-10;
- железоуглеродистый сплав - остальное.
Предложенный состав обеспечивает экономию энергии на реакции взаимодействия углерода, входящего в состав железоуглеродистого сплава, и кислорода, имеющегося в оксидосодержащем материале, а также на частичную диссоциацию оксидов с выделением газообразного кислорода.
2
3
Применяемый в вышепоказанных известных технических решениях железосодержащий окислительный материал представляет собой железорудные окатыши или железорудный концентрат, основу которых составляет оксид железа FeO. Применение данного оксида позволяет ввести в шихту дополнительное количество кислорода, позволяющего уменьшить потребление его в газообразном состоянии при вдувании через горелки.
Кислород, вдуваемый в печь при температуре 2000°С, приводит к интенсификации процесса окисления железа из состава металлошихты и, как следствие, к его испарению из реакционной зоны и угару, прежде всего «в пыль», снижая тем самым выход жидкого металла и ухудшая экологическую обстановку. Нередко слой лома над твердожидкой ванной вызывает конструктивные повреждения кислородной фурмы, вследствие ее удара о твердую шихту, что снижает производительность сталеплавильной печи.
В свою очередь, все перечисленные выше факторы зачастую приводят к технологической нестабильности конвертерного процесса: увеличению массы шлака и значительным потерям железа с ним в виде оксидов и корольков, повышенному газо- и дымообразованию, выбросам и т.п. Снижаются основные технико-экономические параметры плавки, показатели по чистоте выплавляемого металла, повышается нагрузка на экосистему. Следовательно, ограничивается производство высококачественной стальной продукции плавильного агрегата.
Ведение же оксидов в качестве наполнителя шихты снижает приведенный выше эффект угара, при этом обеспечивая шихту при плавке внутренним кислородом, участвующем в реакциях окисления углерода и шлакообразования.
2
3
При этом снижение содержания FeO при увеличении содержания FeO как основного кислородосодержащего элемента позволит сэкономить на процессе восстановления железа за счет использования менее энергозатратного компонента (FeO), при этом уменьшая процент угара. В дополнении, использование монооксида железа поспособствует уменьшению содержания общего кислорода (относительно марки композиционного материала - процентного содержания наполнителя) в синтикоме, что приведет к сокращению его содержания в шлаке, а следовательно, снизит расход углеродосодержащих компонентов и энергию, затраченную на его восстановление.
По ходу плавления синтетического композиционного материала компоненты, входящие в состав - железо, углерод и др. химические элементы, реагируют с кислородом. Взаимодействие между собой компонентов плавки в результате приводит к тому, что первоначальная (исходная) концентрация элементов и углерода металлической основы снижается, образуя шлаковую массу.
Реакции, происходящие при переделе. разные по теплопотреблению, так реакция окисления, происходящая при кислородном дутье, носит экзотермический характер, что способствует увеличению угара, а процессы окисления за счет оксидосодержащего компонента - эндотермические. Уменьшение расхода энергии за счет двух этих реакций позволит сэкономить средства и уменьшить время плавки.
Использование в предлагаемом композиционном материале более широкого диапазона содержания монооксида железа FeO позволяет задавать в них в исходном состоянии необходимые свойства для контроля за процессом плавки.
Пример 1.
2
3
Беря во внимания сказанное выше, были проведены расчеты с целью определения эффективности использования монооксида железа FeO при среднем значении содержания железосодержащего окислительного материала - 15% на примере синтетического композиционного шихтового материала СК 15. Содержание FeO в процентном соотношении 0-10% является неизбежным, его наличие определено как величина примеси.
2
3
Частичная замена оксида железа FeO монооксидом железа FeO снижает затраты энергии на восстановление 1 тонну железа с 2000 кВт∗ч до 1350 кВт* ч, то есть на 650 кВт∗ч/т железа.
При этом в пересчете применительно к марке синтетического композиционного материала (синтикома) СК 15 экономия энергии на 1 тонну синтикома составит:
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>15</mn><mo>∗</mo><mn>2000</mn></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>15</mn><mo>∗</mo><mn>1350</mn></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>300</mn><mo>−</mo><mn>202,5</mn><mo>=</mo><mn>97,5</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>В</mi><mi>т</mi></mrow>
где 15 - процентное содержание наполнителя (окатышей) в синтикоме,
2
3
2000 - количество энергии, необходимой на восстановление 1 тонны железа, с использованием FeO в виде наполнителя,
1350 - количество энергии, необходимой на восстановление 1 тонны железа, с использованием FeO в виде наполнителя.
Соответственно при плавке в ДСП синтикома марки СК 15 предложены составы в количестве 40 тонн, экономия энергозатрат на плавку будет равна:
(97,5∗40)=3900 кВт∗ч
2
3
Дополнительное сокращение энергозатрат дает также фактор меньшего содержания кислорода в СК 15 предложенного состава по сравнению с СК 15 традиционного состава с FeO. В новом материале в 1 тонне СК 15 находится кислород
<mrow><mfrac><mrow><mn>22</mn><mo>∗</mo><mn>150</mn></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>33</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow>
2
3
2
3
Этот кислород окислит 24,8 кг углерода из 38,25 кг, содержащихся в 850 кг металлической основы СК 15. Избыток углерода составит около 13,45 кг на 1 т СК 15. В отличие от этого СК 15 с FeO содержит не 22%, а 30% кислорода. 150 кг окислителя внесут 45 кг кислорода, которым будет окислено 33,8 кг углерода. В избытке остаются всего 38,25-33,80=4,45 кг углерода. Оставшийся в избытке углерод окисляется кислородом дутья (газообразным кислородом). Эта реакция имеет экзотермический характер и сопровождается выделением 3,5 кВт∗ч энергии на 1 кг окисленного углерода. С учетом этого экономия энергозатрат в расчете на 1 т СК 15 при замене FeO на FeO будет равна:
(3,5∗13,45)-(3,5∗4,45)=31,5 кВт∗ч/т СК 15
В пересчете на плавку в ДСП с расходом СК 15 40 т это дает снижение энергозатрат на величину
31,5∗40=1260 кВт∗ч/на плавку
Суммарная экономия энергии получается равной 3900+1250=5150 кВт∗ч/на плавку, удельные энергозатраты сократятся на величину
<mrow><mfrac><mrow><mn>5150</mn></mrow><mrow><mn>160</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>31,19</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>В</mi><mi>т</mi><mo>∗</mo><mi>ч</mi><mo>/</mo><mi>т</mi></mrow>
2
3
стали ≈31,2 кВт∗ч/т стали. Следовательно, замена в СК части FeO монооксидом железа снижает расход энергии в ДСП, причем существенно.
Пример 2.
С целью определения эффективности использования монооксида железа FeO при значении ниже минимального содержания железосодержащего окислительного материала (<5%) на примере синтетического композиционного материала СК 3.
2
3
Частичная замена оксида железа FeO монооксидом железа FeO снижает затраты энергии на восстановление 1 тонну железа с 2000 кВт∗ч до 1350 кВт∗ч, то есть на 650 кВт∗ч/т железа.
При этом в пересчете применительно к марке синтетического композиционного материала (синтикома) СК 3 экономия энергии на 1 тонну синтикома составит:
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>3</mn><mo>∗</mo><mn>2000</mn></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>3</mn><mo>∗</mo><mn>1350</mn></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>60</mn><mo>−</mo><mn>40,5</mn><mo>=</mo><mn>19,5</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>В</mi><mi>т</mi></mrow>
где 3 - процентное содержание наполнителя (окатышей) в синтикоме,
2
3
2000 - количество энергии, необходимой на восстановление 1 тонны железа, с использованием FeO в виде наполнителя,
1350 - количество энергии, необходимой на восстановление 1 тонны железа, с использованием FeO в виде наполнителя.
Соответственно при плавке в ДСП синтикома марки СК 3 предложены составы в количестве 40 тонн, экономия энергозатрат на плавку будет равна:
(19,5∗40)=780 кВт∗ч
Дополнительное сокращение энергозатрат дает также фактор меньшего содержания кислорода в СК 3. В новом материале в 1 тонне СК 3 находится кислород
<mrow><mfrac><mrow><mn>22</mn><mo>∗</mo><mn>30</mn></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>6,6</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow>
,
2
3
2
3
Этот кислород окислит 4,96 кг углерода из 43,65 кг, содержащихся в 970 кг металлической основы СК 3. Избыток углерода составит около 38,69 кг на 1 т СК 3. В отличие от этого СК 3 с FeO содержит не 22%, а 30% кислорода. 30 кг окислителя внесут 9 кг кислорода, которым будет окислено 6,47 кг углерода. В избытке остаются всего 43,65-6,47=37,18 кг углерода. Оставшийся в избытке углерод окисляется кислородом дутья (газообразным кислородом). Эта реакция имеет экзотермический характер и сопровождается выделением 3,5 кВт∗ч энергии на 1 кг окисленного углерода. С учетом этого экономия энергозатрат в расчете на 1 т СК 3 при замене FeO на FeO будет равна:
(3,5∗38,69)-(3,5∗37,18)=5,3 кВт∗ч/т СК 3
В пересчете на плавку в ДСП с расходом СК 3 40 т. это дает снижение энергозатрат на величину
5,3∗40=212 кВт∗ч/на плавку.
Суммарная экономия энергии получается равной 780+212=992 кВт∗ч/на плавку, удельные энергозатраты сократятся на величину
<mrow><mfrac><mrow><mn>992</mn></mrow><mrow><mn>160</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>6,2</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>В</mi><mi>т</mi><mo>∗</mo><mi>ч</mi><mo>/</mo><mi>т</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>а</mi><mi>л</mi><mi>и</mi></mrow>
Следовательно, с учетом сравнения среднего показателя (СК 15) суммарной экономией 31,2 кВт∗ч/т стали и для СК 3 с 6,2 кВт∗ч/т стали использование более низкого, чем 5% содержания железосодержащего окислительного материала, нецелесообразно с учетом снижения энергетической экономии в 5 раз. При этом резко увеличивается избыток углерода, что снижает процесс протекания окислительных реакций по всему объему плавильной ванны и усиливает дополнительную нагрузку на кислородное дутье, тем самым увеличивая процент угара железа.
Пример 3.
С целью определения эффективности использования монооксида железа FeO при значении выше максимального содержания железосодержащего окислительного материала (>30%) на примере синтетического композиционного материала СК 45.
2
3
Частичная замена оксида железа FeO монооксидом железа FeO снижает затраты энергии на восстановление 1 тонну железа с 2000 кВт∗ч до 1350 кВт∗ч, то есть на 650 кВт∗ч/т железа.
При этом в пересчете применительно к марке синтетического композиционного материала (синтикома) СК 45 экономия энергии на 1 тонну синтикома составит:
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>45</mn><mo>∗</mo><mn>2000</mn></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>45</mn><mo>∗</mo><mn>1350</mn></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>900</mn><mo>−</mo><mn>607,5</mn><mo>=</mo><mn>292,5</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>В</mi><mi>т</mi></mrow>
где 45 - процентное содержание наполнителя (окатышей) в синтикоме,
2
3
2000 - количество энергии, необходимой на восстановление 1 тонны железа,с использованием FeO в виде наполнителя,
1350 - количество энергии, необходимой на восстановление 1 тонны железа, с использованием FeO в виде наполнителя.
Соответственно при плавке в ДСП синтикома марки СК 45 предложены составы в количестве 40 тонн экономия энергозатрат на плавку будет равна:
(292,5∗40)=11700 кВт∗ч
Дополнительное сокращение энергозатрат дает также фактор меньшего содержания кислорода в СК 45. В новом материале в 1 тонне СК 45 находится кислород:
<mrow><mfrac><mrow><mn>22</mn><mo>∗</mo><mn>450</mn></mrow><mrow><mn>100</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>99</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow>
2
3
2
3
Этот кислород окислит 24,75 кг углерода из 24,75 кг, содержащихся в 550 кг металлической основы СК 45. Избыток углерода составит около 0 кг на 1 т СК 45. Так, СК 45 с FeO содержит не 22%, а 30% кислорода. 30 кг окислителя внесут 9 кг кислорода, которым будет окислено 24,75 кг углерода. В избытке остаются всего 24,75-24,75=0 кг углерода. С учетом этого экономия энергозатрат в расчете на 1 т СК 45 при замене FeO на FeO будет равна
(3,5∗0)-(3,5∗0)=0 кВт∗ч/т СК 45
В пересчете на плавку в ДСП с расходом СК 45 40 т. это дает снижение энергозатрат на величину
0∗40=0 кВт∗ч/на плавку.
<mrow><mfrac><mrow><mn>11700</mn></mrow><mrow><mn>160</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>73,12</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>В</mi><mi>т</mi><mo>∗</mo><mi>ч</mi><mo>/</mo><mi>т</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>а</mi><mi>л</mi><mi>и</mi></mrow>
Суммарная экономия энергии получается равной 11700+0=11700 кВт∗ч/на плавку, удельные энергозатраты сократятся на величину
Суммарная экономия энергии на 1 т стали составит 73,12 кВт/т, стали, при этом с учетом того, что реакция окисления углерода будет иметь эндотермический характер, что приведет к увеличению нагрузки на кислородное дутье, при этом энергия, потребляемая при дутье, будет расходоваться впустую, а низкое содержание избытка углерода приведет к необходимости добавления его во время плавки для протекания металлургических реакций. Также высокое содержание железосодержащего окислительного материала сверх 30-35% приводит к крайней чувствительности чушек синтикома к разрушению при транспортировке. Все эти данные показывают о не целесообразности и экономической невыгодности получения синтетического композиционного материала с содержанием железосодержащего окислительного материала (FeO) сверх 30-35%.
Таблица 1.
Состав синтетического композиционного шихтового материала для производства высококачественной стали, мас.%
Наименование
Железосодержащий окисленный компонент, %
Углеродосодержащее вещество, %
Железоуглеродистый сплав, %
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
FeO
Прототип
5-30
-
1,0-10
остальное
Синтетический композиционный материал
0-10
5-30
0,1-10
остальное