СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ
STEELMAKING AT ELECTRIC FURNACES

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам выплавки стали в различных сталеплавильных агрегатах, преимущественно в дуговых электрических печах.
Известны способы выплавки стали с применением в шихте различных материалов, таких как чугун, стальной лом, металлизованные окатыши, брикеты и др. Технико-экономические показатели плавки определяются технологией выплавки, стоимостью и составом применяемой металлошихты.
Известен способ выплавки стали с применением шихтовых брикетов (патент РФ №2213788, МПК С21С 5/00, опубл. 10.10.2003) следующего состава, % масс.: окисленный железосодержащий материал 5-57, карбюризатор 20-30, связующее 10-20, легирующая добавка 1-15, железоуглеродистый сплав 1-30, шлакообразующий материал 1-10, пластификатор 1-10. К существенным недостаткам данной технологии выплавки относится высокое содержание вредных примесей в брикетах, что является нежелательным при выплавке высококачественных марок стали.
Известен способ выплавки стали (патент РФ №2180007, МПК С21С 5/52, С21С 5/04, опубл. 27.02.2002) с добавкой в металлошихту железоуглеродистых брикетов (ЖУБ), содержащих, в % мас.: 70 - оксидов железа, 30 - углеродсодержащего вещества и связующее вещество - 5-10 сверх 100% - в виде концентрата кальцинированной соды и суглинка, генерирующих при нагреве восстановительную газовую среду (СО). В качестве железосодержащих материалов в таких брикетах используется стальная окалина, железосодержащая металлургическая пыль, железная руда и т.п. Применение окисленных железосодержащих материалов в шихте требует увеличения времени плавки для завершения процессов восстановления железа, что приводит к дополнительному расходу электроэнергии.
Известен шихтовый брикет (патент РФ №21505514, С21С 5/00, С22В 1/00, опубл. 10.06.2000) для производства высококачественной стали, содержащий железо металлическое, оксиды железа, углерод и пустую породу, в следующем соотношении, мас. %:
при этом отношение углерода к кислороду оксидов железа больше или равно 0,8. Брикеты производят способом горячего брикетирования со степенью металлизации - 75-85%. Размер брикетов, мм: 110×50×30 мм.
Выплавка стали осуществляется в ДСП на шихте с соотношением компонентов: 35% брикетов и 65% металлолома.
Существенными недостатками данного брикета, являются:
- высокие затраты, связанные с изготовлением данного брикета, в результате чего увеличивается себестоимость полученной стали;
- пониженная прочность брикетов, приводящая к образованию большого количества мелочи при транспортировке брикетов в результате чего ухудшаются технико-экономические показатели плавки;
- высокая продолжительность плавления в связи с тем, что оксиды в материале не распределены по объему материала, а находятся в центральной части, что требует дополнительное время для диффузии активного кислорода оксидсодержащего сплава к углероду железоуглеродистого сплава;
- высокая концентрация углерода, повышающая длительность плавки в связи с необходимостью его удаления для определенных марок стали.
Известен способ выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи с применением металлизованных окатышей в шихте (прототип) (авт. свид. СССР №1350179, МПК С21С 5/52, опубл. 07.11.1987).
Выплавка стали ведется на шихте, состоящей из стального лома - 20-40%, металлизованных окатышей, доля которых составляет 60-80% от массы плавки, кокса и шлакообразующих. В электродуговую печь после выпуска предыдущей плавки загружают часть смеси извести и известняка в соотношении 1:(0,1-1), заваливают стальной лом, включают печь и во время проплавления электродами колодцев в шихте загружают через отверстие в своде остальную часть указанной смеси извести и известняка общим количеством 0,7-2% от массы плавки, а также необходимое расчетное количество кокса. После проплавления электродами в стальном ломе колодцев непрерывно загружают в печь металлизованные окатыши, известь и известняк в соотношении 10:(0,5-1,2):(0,2-1,2).
К недостаткам использования в шихте металлизованных окатышей можно отнести то, что:
- высокая степень металлизации (90-98%) окатышей определяет их высокую стоимость, что увеличивает себестоимость стали, выплавленной из них;
- в случае использования привозных окатышей они должны быть пассивированы или брикетированы для защиты от возгорания и ухудшения технологических свойств;
- металлизованные окатыши дозируются на плавку во времени, скорость подачи окатышей должна быть согласована с подводимой в печь электроэнергией, что вместе с их высокой поверхностью (диаметр окатышей 10-15 мм) приводит к значительному угару, т.е. к потере железа, ухудшению экологии;
- при степени металлизации более 95% относительная доля оксидов железа в материале мала. При этом оксиды железа полностью восстанавливаются углеродом, в результате чего отсутствует их переход в шлак. Формирование шлака низким содержанием закиси железа и извести ухудшает его рафинирующие свойства в отношении удаления фосфора и серы;
- недостаток кислорода на окисление углерода приводит к низкой интенсивности кипения ванны и повышенной концентрации углерода в металле по расплавлению. Для интенсификации процесса вводятся окислители.
Перечисленные факторы ведут к увеличению длительности плавки, а также к увеличению энергозатрат.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по расширению базы сырьевых компонентов, которые можно было бы использовать при выплавке стали.
Желаемыми техническими результатами изобретения являются: сокращение длительности расплавления металлозавалки, снижение себестоимости выплавляемой стали за счет вовлечения в передел отходов процесса прямого восстановления железа и снижения затрат на шихту.
общ.
мет
2
Указанный технический результат достигается тем, что по способу выплавки стали в составе шихты используется металлургический брикет со степенью металлизации 65-70%, изготавливаемый из железосодержащих отходов производства процесса прямого восстановления железа. Доля брикетов составляет 10-15%, что позволяет снизить долю дорогостоящих металлизованных окатышей и/или ГБЖ со степенью металлизации 89-98%. Химический состав брикетов, %: Fe - 78-80; Fe - 56-61; FeO - 21-30; SiO - 3,6-3,9; CaO - 1,5-1,6; S - 0,05-0,06; P - 0,01. Размеры, мм: диаметр 50; высота 15. Брикеты не содержат сверх допустимого уровня вредных для металлургического процесса примесей, обладают прочностью достаточной для транспортировки и плавки.
В состав металлошихты входят стальной лом, металлизованные окатыши и брикеты.
В завалку подаются лом и брикеты. Загрузка стального лома и брикетов на подину печи осуществляется послойно: лом - брикеты - лом - брикеты. Размеры брикетов являются оптимальными для обеспечения условий их равномерного распределения в объеме металлозавалки. При таком способе подачи брикетов обеспечивается оптимальная плотность укладки, более равномерный сход шихты, улучшаются условия тепло- и массобмена в рабочем пространстве печи, что приводит к сокращению продолжительности периода расплавления.
Повышенное содержание в брикетах кислорода в виде оксидов железа (21-30%), способствует их интенсивному взаимодействию с углеродом брикетов. Образующийся монооксид углерода обеспечивает поддержание на протяжении всей плавки пенистых шлаков, экранирование дуг, хорошие условия для рафинирования металла, что также оказывает положительное влияние на условия теплообмена в печи и ведет к снижению продолжительности плавления шихты.
Подачу металлизированных окатышей и шлакообразующих материалов осуществляют по мере расплавления шихты.
При использовании в завалке доли брикетов менее 10% не обеспечивается сокращение продолжительности периода расплавления, т.к. не происходит достаточного уплотнения шихты, окисление углерода расплава кислородом оксидов, имеющихся в брикете, недостаточно для вспенивания шлака и закрытия им электрических дуг. Экономический эффект от снижения себестоимости шихты незначителен.
Использование в завалке доли брикетов более 15% вызывает увеличение длительности расплавления шихты за счет снижения ее проводимости, формирования большого количества шлака, получаемого при связывании оксидов пустой породы брикетов с оксидами кальция, а также затрат времени для расплавления требуемых присадок шлакообразующих.
Осуществление способа.
Выплавку стали 20 проводили на экспериментальной лабораторной установке с вместимостью тигля 0,003 т и мощностью трансформатора 23,7 кВт. Для проведения опытных плавок в составе шихты применялись стальной лом, металлизованные окатыши и брикеты со степенью металлизации 65-70%.
общ.
мет.
2
Химический состав применяемых брикетов %, масс.: Fе - 76; Fe - 52,93; SiO - 3,73; FeO - 21,44; CaO - 1,46; P - 0,011; С - 2,5; S - 0,058. Степень металлизации - 69,6%.
общ.
мет.
2
Химический состав металлизованных окатышей %, масс.: Fe - 90,8; Fe - 85,8; SiO - 3,54; CaO - 1,51; P - 0,011; С - 2,07; S - 0,007. Степень металлизации - 94,5%. В качестве лома использовался углеродистый лом по ГОСТ 2787-75.
Были проведены три серии опытных плавок с различным соотношением компонентов в шихте. Шихта по первому варианту для первой серии плавок не содержала брикетов. Во второй серии плавок часть металлизованных окатышей заменили брикетами.
В процессе выплавки интенсивность прогрева шихты оценивали путем измерения температур термопарами, а также фиксировали время начала и окончания расплавления шихты.
При выплавке первой серии плавок на подину печи в завалку подавали лом и по мере его проплавления загружали окатыши и шлакообразующие.
Для второй и третьей серий опытных плавок загрузку лома и брикетов на подину осуществляли послойно и по мере расплавления шихты проводили загрузку окатышей.
Результаты опытных плавок показали:
- использование брикетов в составе шихты в пределах 8-12% для выплавки стали технологически возможно;
- загрузку брикетов необходимо осуществлять на подину печи вместе со стальным ломом послойно;
- отмечается повышенное вспенивание шлакового расплава, связанное с протеканием реакции взаимодействия оксидов железа с углеродом.
По результатам опытных плавок было выявлено, что наименьшая продолжительность процесса расплавления металла соответствует шихте по второму варианту, с содержанием брикетов в пределах 8%, увеличение доли брикетов в шихте сверх 12% приводит к возрастанию длительности расплавления.
Согласно проведенным испытаниям предлагаемый способ обеспечивает:
- сокращение длительности расплавления шихты при плавке с применением брикетов в завалке на 6,0-7,3%;
- снижение себестоимости металлошихты на 50-70 руб./т стали.