способ подготовки пенистого шлака и удержания его плотности и свойств по всей поверхности расплава в плавильной ванне при плавке стали в электродуговой печи

Формула изобретения

1. Способ подготовки пенистого шлака при плавке стали в электродуговой печи, включающий подачу на расплав в печи через фурмы, установленные по периметру печи, шлакообразующих, углеродсодержащих материалов и окислителей, отличающийся тем, что в качестве шлакообразующих материалов используют материалы, содержащие оксид кальция, окислителей - материалы, содержащие оксиды железа и/или газообразные смеси, содержащие кислород, при этом оксиды железа и/или кислород из газообразной смеси подают в печь при отношении к оксиду кальция 3-7:1, и общем расходе оксида кальция 3-15 кг/т стали, а углеродсодержащие материалы вводят в ванну со скоростью 4-10 кг/т стали в минуту, причем количество фурм N устанавливают в зависимости от массы плавки по формуле

N=3+(0,03·G-1),

где G - масса плавки, т;

3 - минимальное количество фурм для плавки массой менее 50 т;

1; 0,03 - коэффициенты, устанавливающие количество дополнительных фурм в зависимости от емкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что потребляемый электродами ток, расходы оксида кальция, оксида железа или кислорода из газообразной смеси и углерода устанавливают из условия получения и удержания плотности шлака, равной 30-50% от плотности шлака, получаемого в конце плавки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала, содержащего оксид кальция, используют известняк, известь или их смеси.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала, содержащего оксид железа, используют фильтровые пыли, шламы, окалину или их смеси.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газообразных смесей, содержащих кислород, используют воздух, обогащенный кислородом воздух, смеси азота или аргона с кислородом.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего материала используют кокс, уголь, термоантрацит, карбид кальция или карбид кремния.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, точнее к производству стали в дуговых сталеплавильных электропечах, и, может быть использовано при производстве стали с использованием приема создания пенистого шлака над расплавом и поддержания его свойств по ходу плавки.

Одним из путей повышения коэффициента использования энергии в дуговых печах является такая организация плавки в электропечи, при которой электрическая дуга погружена частично или полностью в пенистый шлак. Пенистый шлак позволяет защитить огнеупорные материалы и конструктивные охлаждаемые элементы печи от черезмерного облучения, выровнять колебания электрической мощности печи, уменьшить износ и нагрузку на электроды в случае короткого замыкания, стабилизировать передачу энергии путем регулирования высоты слоя шлака, что с учетом специфической проводимости шлака позволяет сбалансировать сопротивление электродуги.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является метод по эксплуатации электродуговой печи для построения и удержания пенистого шлака, в котором при плавке стали в электродуговой печи организуют и поддерживают на поверхности расплава пенистый шлак, путем подачи на расплав в печи, через фурмы, установленные по периметру печи шлакообразующих и углеродсодержащих материалов и окислителей и регулирования количеств подаваемых углеродсодержащих, шлакообразующих материалов и окислителей в зависимости от потребляемого электродами тока [ЕР 1082467 В1 МПК⁷ С 21 С 5/54, С 21 С 5/36 08.05.2002] [1].

Недостатком известного метода являются периодические прерывания процесса подачи углерода и извести на расплав, так как из-за неравномерности подачи материалов по поверхности расплава возникают труднорастворимые образования конгломератов, что приводит к неравномерному распределению шлака по поверхности расплава. При изменении массы плавки вследствие изменений, возникающих в потреблении тока электродами, возникают изменения в вводимых количествах материалов, что также приводит к повышению неравномерности распределения шлака по поверхности расплава. Кроме того, образование труднорастворимых конгломератов увеличивает продолжительность образования шлака.

Технический результат - ускорение образования пенистого шлака требуемой плотности для его достаточно равномерного распределения по поверхности расплава и высоте печи, снижение потребления электрической энергии.

Это достигается тем, что в известном способе подготовки пенистого шлака при плавке стали в электродуговой печи, включающем подачу на расплав в печи через фурмы, установленные по периметру печи, шлакообразующих, углеродсодержащих материалов и окислителей, по изобретению в качестве шлакообразующих материалов используют материалы, содержащие оксид кальция, окислителей - материалы, содержащие оксиды железа и/или газообразные смеси, содержащие кислород, при этом оксиды железа и/или кислород из газообразной смеси подают в печь при отношении к оксиду кальция 3-7:1, и общем расходе оксида кальция 3-15 кг/т стали, а углеродосодержащие материалы вводят в ванну со скоростью 4-10 кг/т стали в минуту, причем количество фурм N устанавливают в зависимости от массы плавки по формуле

где G - масса плавки, т;

3 - минимальное количество фурм, для плавки массой менее 50 т;

1 и 0,03 - коэффициенты, устанавливающие количество дополнительных фурм в зависимости от емкости.

Потребляемый электродами ток, расходы оксида кальция, оксида железа или кислорода из газообразной смеси и углерода устанавливают из условия получения и удержания по ходу плавки, плотности шлака, равной 30-50% от плотности шлака, получаемого в конце плавки. В качестве материала, содержащего оксид кальция, используют известняк, известь или их смеси, материала, содержащего оксид железа, используют фильтровые пыли, шламы, окалину или их смеси. В качестве газообразных смесей, содержащих кислород, используют обогащенный кислородом воздух, смеси азота или аргона с кислородом, а в качестве материала, содержащего углерод, используют кокс, уголь, термоантрацит, карбид кальция или карбид кремния.

Изобретение основано на следующем

Вспениваемость шлака в основном определяется следующими факторами, возникающими при плавке в печи.

В наибольшей степени способствует вспениванию жидкого шлака низкое поверхностное натяжение шлака. Это связано с тем, что любой внешний источник энергии способен вызвать значительное увеличение межфазной поверхности S, чем меньше удельная поверхностная энергия на границе шлака и газа _ш-г. В общем виде этот фактор, характеризующий пенистый шлак, может быть описан уравнением вида G= S _ш-г. Из которого следует, что пенистые шлаки характеризуются сильно развитой поверхностью контакта со вспенивающим газом.

Другим фактором, способствующим вспениванию шлаков, является присутствие в нем поверхностно-активных компонентов. К таким компонентам при плавке стали относятся фосфорокислородные, кремнекислородные ионы, ионы фтора, серы, кислорода и др. Чем выше концентрации этих компонентов в шлаке, тем выше склонность шлака к вспениванию и выше его устойчивость (то есть длительность его существования).

Основной причиной вспенивания шлака является реакция окисления углерода и образования большого количества мелких пузырей СО. При температурах плавильных процессов, протекающих в печи, наиболее вероятной считается реакция [С]+(FeO)=Fe+{CO}. Отсюда следует, что чем выше интенсивность окисления углерода, тем больше секундный объем выделившегося СО на единицу площади, тем интенсивнее вспенивание

Если в шлаке имеются твердые, лиофобные по отношению к металлу частицы, например известь, доломит, хромит, огнеупоры, то такие частицы способствуют образованию пузырей на их поверхности. Такие пузыри как бы упрочняются твердыми частицами, прочность и время существования пузырей увеличивается. Поэтому гетерогенные шлаки легче вспениваются, чем гомогенные шлаки.

Вспенивание шлака и процесс его стабилизации по ходу плавки следует рассматривать как непрерывный процесс, протекающий под действием всех этих факторов, и который хорошо описывается процессом (эффектом) Меренгони.

Из рассмотрения процесса вспенивания из стабилизации шлака по Меренгони следует, что устранить ценообразование шлака при сталеплавильных процессах полностью невозможно. Чрезмерное вспенивание шлака приведет к переливам шлака за габариты печи, что затруднит ведение плавки и приведет к потерям металла.

По изобретению предусмотрено ограничить явление ценообразования до пределов, когда ценообразование еще является полезным.

Для этого предлагается:

управлять скоростью окисления углерода и ограничивать ее пределами, до которых вспенивание допустимо;

ускорять процесс гомогенизации шлака добавками СаО и FeO в сочетании с интенсивным прогревом, а в некоторых случаях использовать прием ввода гетеродобавок;

Регулировать содержание в шлаке поверхностно-активных веществ, соотнося их содержание с требуемым эффектом вспенивания шлака.

По изобретению для этого предусмотрено оксид железа или кислород из газообразной смеси подавать в печь при отношении к оксиду кальция 3-7:1 и общем расходе оксида кальция 3-15 кг/т стали, а углерод вводить в ванну со скоростью 4-10 кг в минуту.

Помимо подачи материалов с определенными расходами материалы предусмотрено подавать через фурмы, количество которых устанавливают в зависимости от массы плавки по формуле

N=3+(0,03·G-1),

где N - количество фурм, через которые осуществляют подачу оксида кальция, оксида железа и/или газообразного кислорода и углерода;

G - масса плавки, т;

3 - минимальное количество фурм для плавки массой менее 50 т;

1 и 0,03 - коэффициенты, устанавливающие количество дополнительных фурм, через которые осуществляют подачу материалов в печь в зависимости от емкости, устанавливается как кратное целому числу.

Для печей емкостью от 50 до 300 тонн количество применяемых фурм на плавке составит

G - масса, т	50	100	200	300
К - фурм, шт.	3	5	8	11

Предпочтительно потребляемый электродами ток, расходы оксида кальция, оксида железа или кислорода из газообразной смеси и углерода устанавливают из условия получения и удержания плотности шлака, равной 30-50% от плотности шлака, получаемого в конце плавки, что равняется плотности пенистого шлака = 1,03-2,5 т/м³.

В качестве материала, содержащего оксид кальция, используют известняк, известь или их смеси. Как известь, так и известняк при осуществлении способа следует пересчитывать на содержание СаО, аналогичный перерасчет следует проводить на оксид железа при использовании фильтровой пыли, шламов, окалины или их смесей. Также производят пересчет материалов на массовый кислород и углерод, в частности используемых газообразных смесей, и материала, содержащего углерод, например кокс, уголь, термоантрацит, карбид кальция или карбид кремния.

При практическом использовании способа количество материалов пересчитывают на СаО, FeO и углерод.

Пример 1. Проверка способа проведена на 50 т электродуговой печи с выпускным отверстием печи в эркерной части. Количество фурм определяли по формуле N=3+(0,03-50-1)=3+0,5 3 шт. Фурмы были установлены в боковых стенках печи под углом 45° к направлению потока и под углом 20° к горизонтали. Фурмы соединены с трубопроводами подачи извести, окалины, кокса. В качестве газа-носителя углеродосодержащего материала использовали азот. Конструкция фурм допускала одновременную подачу всех материалов в ванну печи.

Для выплавки углеродистой инструментальной стали марки У 12 (1,16-1,23% С, 0,17-0,33% Mn, 0,17-0,30% Si, S, P менее 0,030%) на подину печи загрузили 100% однородного металлолома (0,1% С, 0,60% Mn, 0,18% Si, 0,030%S, 0,025% P) и включили печь. После образования жидкой ванны металлического расплава, покрывающей нерасплавленные куски металлолома, в печь ввели обожженную известь с содержанием СаО 86,7% в количестве 500 кг (количество чистого СаО составило 433 кг) и окалину с содержанием закиси железа 67% в количестве 3230 кг (количество чистой FeO составило 2165 кг). Отношение масс FeO:CaO составило 5:1. Расход оксида кальция на плавку составил 8,7 кг/т стали. После расплавления шлаковой смеси в печь в струе азота через все 3 фурмы вдували графит, содержащий практически 100% углерода. Скорость подачи графита составляла 8 кг/т стали в минуту. После 2 мин обработки в печи образовался пенистый шлак, равномерно покрывающий зеркало металла высотой 1,2 м. В дальнейшем подачу графита продолжали с прежней скоростью еще в течение 10 мин. Общее количество использованного графита составило 96 кг. За это время весь металлолом был расплавлен, а его температура достигла температуры выпуска. После окончания подачи графита шлак осел в течение 1 минуты. Отбор проб шлака в пробницы стандартного объема позволил определить его плотность. В результате плавки получен конечный шлак следующего состава, мас.%: 18,10 SiO ₂, 4,00 AL₂О₃, 40,0 CaO, 8,80 MgO, 8,60 MnO, 14,50 FeO_общ, 1,03 P₂O₅ , 0,08 S, неконтролируемые оксиды - остальное. Плотность конечного шлака =2,12 т/м³, Плотность пенистого шлака =1,03 т/м³, что составило 48%, от плотности конечного шлака. Металл для доводки выпускали в печь - ковш с Т=1660°С. Продолжительность плавки 40 мин. Расход электроэнергии 290 кВт·ч/т стали.

Пример 2. На той же печи, при выплавке той же марки стали, с той же загрузкой, после образования жидкой ванны металлического расплава, покрывающей нерасплавленные куски металлолома, в печь ввели обожженную известь с содержанием CaO 86,7% в количестве 500 кг (количество чистого CaO составило 433 кг). Затем металл через рабочее окно продули кислородом для создания в шлаке аналогичного примеру 1 количества закиси железа по реакции: [Fe]+[О]=(FeO). Для получения в шлаке 2165 кг FeO для продувки был использован 482 кг кислорода, которые ввели в расплав при давлении 6 атм в течение 12 мин. Далее плавка продолжалась аналогично примеру 1 с тем же результатом в конце.

Очевидно, что приведенные примеры не исчерпывают все возможные варианты примеров осуществления плавок в рамках предложенного изобретения.

При выплавке стали по прототипу с образованием и поддержанием плотности шлака в печи без учета расхода материалов и числа фурм получена продолжительность плавки 49 мин. Расход электроэнергии 480 кВт·ч/т стали.

Таким образом, использование изобретения позволяет снизить затраты на проведение плавки за счет снижения расхода электроэнергии на 190 кВт·час/т стали и продолжительности плавки на 9 мин.