способ выплавки углеродистых и низколегированных марок стали

Формула изобретения

1. Способ выплавки углеродистых и низколегированных марок стали, включающий завалку, нагрев и расплавление в сверхмощных дуговых печах основной части шихты, содержащей легковесный лом и шлакообразующие, заливку жидкого передельного чугуна, подвалку легковесного лома, проведение окислительного рафинирования с подачей в расплав кислорода, вспенивание шлака, выпуск полупродукта из печи, окончательную доводку металла по температуре и химическому анализу на агрегате «ковш-печь», отличающийся тем, что дополнительно в составе основной части шихты используют тяжеловесные оборотные отходы собственного производства при соблюдении оптимального соотношения: тяжеловесные отходы - жидкий передельный чугун - 1:(1,0-2,0).

2. Способ по п.1,отличающийся тем, что расчетное содержание углерода в шихте должно превышать его среднемарочное содержание на 0,7-1,1%.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что требуемое расчетное содержание углерода в металле получают использованием в составе шихты углеродсодержащего материала, например кокса, твердого чугуна.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество вводимого в расплав кислорода определяют исходя из стехиометрического соотношения на 1 кг окисляемого в металле углерода - 1,5-2,0 м³ кислорода.

5. Способ по п.1,отличающийся тем, что для вспенивания шлака по ходу расплавления на шлак или в шлак вводят углеродсодержащие материалы в виде порошка путем инжекции или куском фракции до 10 мм по тракту сыпучих через свод печи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к способам выплавки стали в дуговых электропечах, и может быть использовано при производстве углеродистых и низколегированных марок стали с выплавкой полупродукта в электродуговой печи с последующей обработкой металла в сталеразливочном ковше на агрегате «ковш-печь» и разливкой на МНЛЗ или в изложницы.

Известен способ выплавки стали в высокомощных дуговых печах, в котором на плавку используют 15-70% от массы металлической части шихты жидкого передельного чугуна доменной плавки, который заливают на оставленные в печи 5-10% металла предыдущей плавки. Затем загружают на него 40-70% извести и 10-20% плавикового шпата от общего их расхода и продувают ванну кислородом через сводовую фурму в течение 3-5 мин, получают расплав, загружают 30-50% стального лома от массы металлической части шихты, включают печь и одновременно вводят кислород. После расплавления основной массы шихты производят подвалку недостающей части стального лома и шлакообразующих, проводят окислительное рафинирование и при заданных содержаниях углерода и фосфора в металле и температуры его доводят на установке «ковш-печь» (1). Данный способ наиболее близок по технической сущности к изобретению и принят за прототип.

К недостаткам известного способа следует отнести существующую опасность выброса металла и шлака из пространства печи при завалке металлического лома на жидкий расплав (особенно в зимний период), вследствие возможного наличия влаги в заваливаемых отходах. Помимо указанного факта, к выбросу жидкого расплава из печи также может привести заливка передельного чугуна на остатки переокисленного металла и шлака предыдущей плавки, в случае производства низкоуглеродистого сортамента. Кроме того, негативным моментом в известном способе следует считать отрицательное локальное воздействие струи кислорода на футеровку подины печи при продувке жидкого чугуна в начальный момент плавки, при его использовании в количестве 15-50% от объема металлошихты, ввиду достаточно низкого уровня ванны.

Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является сокращение длительности плавки, снижение расхода электродов и электроэнергии, снижение угара железа, а также повышение технико-экономических показателей работы сталеплавильного цеха в целом. Кроме того, при реализации предлагаемого способа выплавки, имеется возможность утилизировать тяжеловесные оборотные отходы собственного производства (обрезь, скрап и др.) в значительных объемах, без снижения основных показателей работы электропечи.

Поставленная задача достигается тем, что предлагается способ выплавки углеродистых и низколегированных марок стали, включающий завалку, нагрев и расплавление в сверхмощных дуговых печах основной части шихты, содержащей легковесный лом и шлакообразующие, заливку жидкого передельного чугуна, подвалку легковесного лома, проведение окислительного рафинирования с подачей в расплав кислорода, вспенивание шлака, выпуск полупродукта из печи, окончательную доводку металла по температуре и химическому анализу на агрегате «ковш-печь», при этом дополнительно в состав основной части шихты используют тяжеловесные оборотные отходы собственного производства, при соблюдении оптимального соотношения: тяжеловесные отходы - жидкий чугун - 1:(1,0-2,0). Расчетное содержание углерода в шихте должно превышать его средне марочное содержание на 0,7-1,1%, причем получают его использованием в составе шихты углеродсодержащего материала, например кокса, твердого чугуна. С целью интенсификации плавки, для ускорения нагрева и расплавления металлической шихты, а также для ввода в расплав кислорода применяют стеновые и оконную фурмы-горелки. При этом количество вводимого в расплав кислорода определяют исходя из стехиометрического соотношения на 1 кг окисляемого в металле углерода - 1,5-2,0 м ³ кислорода. Для вспенивания шлака и экранирования огнеупорной футеровки стен электропечи от воздействия мощной электрической дуги по ходу расплавления на шлак или в шлак вводятся углеродсодержащие материалы в виде порошка, путем инжекции, или куском фракции до 10 мм по тракту сыпучих через свод печи.

Преимущества использования жидкого передельного чугуна доменной плавки в составе металлической части шихты для выплавки электростали, очевидны, и заключаются в следующем:

- в условиях современного рынка, при дефиците качественного стального лома и практически одинаковой стоимости, использование жидкого чугуна позволяет заменить определенную часть лома в составе шихты;

- гарантируется получение остаточных элементов (Cr, Ni, Cu) и других цветных примесей в готовом металле значительно ниже допустимых пределов;

- внесение в печь дополнительного количества тепла - сокращение длительности плавки, снижение удельного расхода электродов и электроэнергии на тонну выплавляемой стали;

- способствует процессу раннего шлакообразования;

- возможность использования дополнительного количества кислорода на плавку за счет увеличения массовой доли углерода в шихте, как следствие - снижение угара железа.

Свои плюсы имеет и применение тяжеловесных оборотных отходов собственного производства в составе шихты: во-первых, это предохранение подины электропечи от воздействия электрической дуги во время проплавления колодцев, и ее размывания при заливке жидкого чугуна в печь сверху, после расплавления основной части завалки; во-вторых, для предприятий полного металлургического цикла, имеющих разливку стали в слитки, появляется возможность утилизировать в значительных объемах тяжеловесные оборотные отходы без снижения основных показателей работы электропечи.

Соблюдение предлагаемого соотношения компонентов шихты в составе завалки, а именно: тяжеловесные отходы - жидкий чугун - 1:(1,0-2,0), является оптимальным. Использование тяжеловесных отходов в меньших количествах, чем предусмотрено соотношением, соответственно приведет к уменьшению доли жидкого чугуна в составе шихты, а следовательно, к снижению содержания углерода в расплаве, что не позволит максимально использовать кислород на плавку, кроме того, потребуются дополнительные затраты электроэнергии на расплавление, вносимого вместо чугуна, металлического лома. Применение тяжеловесных отходов в больших количествах, наоборот, к увеличению доли чугуна в шихте, а следовательно, к росту, вносимого шихтой, содержания углерода, что требует дополнительного времени на его удаление. Помимо сказанного выше, несмотря на избыток физического тепла от вносимого чугуна и тепла химических реакций, протекающих в окислительный период плавки, времени на расплавление увеличенного количества тяжеловесных отходов, даже в условиях сверхмощной печи, не хватает, после выпуска плавки в печи остается «козел».

Заливку жидкого чугуна осуществляют через верх печи одновременно с завалкой (подвалкой) металлолома, в целях сокращения длительности бестоковых операций, или после ее проплавления. В данном случае, в момент заливки чугуна, с одной стороны подина печи будет защищена от размывания футеровки заваленным в нее ломом при одновременной завалке (подвалке), и кусками, не расплавившихся во время проплавления колодцев, тяжеловесных отходов и уже сформированной жидкой ванной металла с другой стороны.

Расчетное содержание углерода в шихте должно находиться выше его среднемарочного содержания, на 0,7-1,1%. Получение низких расчетных содержаний углерода в составе шихты, ограничит использование кислорода на плавку, что в свою очередь приведет к увеличению длительности работы печи под током и плавки в целом (из-за недостатка «альтернативного» тепла, получаемого от окисления, содержащегося в расплаве, углерода). Превышение верхнего предела по расчетному содержанию углерода в шихте, наоборот, сократит длительность работы печи под током, вследствие избытка «альтернативного» тепла, однако при этом длительность плавки возрастет из-за увеличения продолжительности окислительной продувки расплава с целью удаления избытка углерода.

В целях интенсификации электроплавки, для ускорения нагрева и расплавления металлической шихты, а также для ввода в расплав кислорода применяют комбинированные стеновые и (или) оконную фурмы-горелки.

Вследствие охлаждающего воздействия водоохлаждаемых панелей в сверхмощных дуговых печах в холодных зонах у стен, в промежутках между электродами, плавление лома замедляется. Расплавить оставшийся в холодных зонах лом излучением частично погруженных в расплав дуг трудно, т.к. в этом случае неизбежно снижается активная мощность, вводимая в печь, увеличиваются длительность периода плавления и расход электроэнергии. Вместе с тем, невозможно работать на очень мощных длинных открытых дугах. Для решения данной проблемы современные сверхмощные электропечи оборудованы несколькими комбинированными фурмами-горелками, позволяющими работать в режиме газокислородной горелки, в начальный период плавки (нагрев и подрезание шихты), а также для введения газообразного кислорода в расплав в окислительный период плавки, который начинается с момента формирования жидкой ванны в печи.

Количество вводимого в расплав кислорода определяют исходя из стехиометрического соотношения на 1 кг окисляемого в металле углерода - 1,5-2,0 м³ кислорода. Введение большего количества кислорода приведет к получению предельно низких концентраций углерода в металле, высокой температуры расплава, а также повышенному угару железа. Введение меньшего количества не позволит получить заданных для выплавляемой марки содержаний углерода.

Одним из элементов предлагаемой технологии является быстрое и экономичное расплавление металлической части шихты, обеспечивающее максимальную производительность печи при наименьшем износе огнеупорной футеровки. Это достигается путем экранирования мощной электрической дуги. Причем, если в начале периода плавления дуги экранируются металлической шихтой, то ближе к середине и к концу плавления дуги открываются, вызывая интенсивное тепловое облучение стен и свода электропечи. В связи с этим, основным условием использования на протяжении всего периода плавления интенсивного электрического режима при работе на высших ступенях вторичного напряжения трансформатора является эффективная защита электрической дуги расплавом (вспененным шлаком).

Для наведения и поддержания активного, вспененного шлака, состоящего главным образом из шлако-металлической эмульсии, поддерживаемой интенсивно выделяющимися пузырями СО, в период плавления шихты и подачи в расплав кислорода в качестве вспенивающих добавок присаживают: свежеобожженую известь - порциями по 200-300 кг (для разбавления шлака и поддержания заданной основности), кокс - по 50-100 кг (с целью формирования пузырей СО, на шлак или в шлак вводятся углеродсодержащие материалы в виде порошка, путем инжекции, или куском фракции до 10 мм по тракту сыпучих через свод печи) и дробленый плавиковый шпат (при необходимости, для получения требуемой жидкотекучести шлака).

Активное вспенивание шлака в период расплавления шихты и нагрева жидкого металла, помимо увеличения подводимой мощности и предохранения огнеупорной футеровки печи, также позволяет успешно решать задачу дефосфорации металла путем его обновления присадками шлакообразующих материалов и периодическим удалением через порог печи.

При достижении требуемой технологической температуры осуществляют выпуск металла (при необходимости, с максимальной отсечкой печного шлака) в сталеразливочный ковш. Во время выпуска полупродукта в ковш производят присадку раскислителей и легирующих материалов на нижний предел марочного состава. После выпуска жидкого полупродукта сталеразливочный ковш передается на участок агрегата «ковш-печь», где осуществляется окончательная доводка металла по химическому анализу и температуре, затем в зависимости от назначения плавка разливается на МНЛЗ или в изложницы.

По предлагаемой технологии в сверхмощной дуговой электропечи произведено не менее 200 плавок полупродукта углеродистых и низколегированных марок стали, при этом на опытных плавках были значительно улучшены технико-экономические показатели работы печи.

Пример. Для выплавки углеродистых марок стали St.44-2 в сверхмощной дуговой печи с эркерным выпуском и номинальной емкостью 125 т использовали: в составе завалки легковесный углеродистый лом (2А) - 50 т, и тяжеловесные углеродистые отходы в виде обрези (25 т). Общий вес садки составил 140 т, расчетное содержание углерода в полупродукте - 1,15%. Одновременно с включением печи для плавления завалки производили включение стеновых и оконной газокислородных горелок, по мере наплавления жидкого металла через горелки осуществляли ввод кислорода в расплав. При этом до подвалки присаживали известь (около 1/3 от общего количества на плавку). После проплавления завалки отводили свод, производили заливку жидкого чугуна в количестве 35 т через верх печи и осуществляли подвалку, состоящую из легковесного углеродистого лома. После заливки жидкого чугуна и подвалки производили активное окислительное рафинирование расплава путем подачи кислорода через стеновые фурмы-горелки. В период расплавления и окислительной продувки расплава, с целью формирования высокоактивного пенистого шлака и поддержания шлаковой пены в печь периодически порциями присаживали свежеобожженую известь - 200-300 кг, кокс фракцией до 10 мм (сверху - по тракту сыпучих материалов или через инжектора) - 50-100 кг и плавиковый шпат - 100-300 кг. Шлак, в целях дефосфорации, в течение плавки периодически обновлялся путем его частичного удаления через порог и присадками шлакообразующих материалов. По окончании окислительной продувки производили измерение температуры и отбор пробы металла. Температура полупродукта перед выпуском составила 1643°С; содержание углерода в полупродукте составило 0,12%, фосфора - 0,005%, хрома - 0,10%, никеля - 0,11%, меди - 0,08%.

При выпуске полупродукта в сталеразливочный ковш до наполнения 2/3 ковша присаживали раскислители и легирующие материалы на нижний предел марочного состава. После слива жидкого полупродукта сталеразливочный ковш передавался на участок агрегата «ковш-печь», где осуществлялась окончательная доводка металла по температуре и химическому анализу, затем плавка разливалась на МНЛЗ.

Основные технико-экономические показатели работы печи при выплавке углеродистого полупродукта со среднемарочным содержанием углерода 0,10-0,30% по различным вариантам шихтовок и с различными расходами кислорода на окисление расплава представлены в таблице. По каждому варианту выплавлено не менее 20 плавок.

Данный способ выплавки также может быть реализован при производстве средне- и высокоуглеродистого полупродукта в сверхмощных ДСП, при этом расчетная массовая доля углерода в шихте должна быть увеличена соответствующим образом, согласно заявляемым соотношениям, путем повышения удельного расхода жидкого чугуна или др. углеродсодержащего материала на плавку.

Использование предлагаемого способа выплавки углеродистых и низколегированных марок стали позволит: значительно сократить длительность плавки, снизить расход электродов и электроэнергии, уменьшить угар железа, а также способствует повышению технико-экономических показателей работы сталеплавильного цеха в целом. Кроме того, при реализации предлагаемого способа выплавки, имеется возможность утилизировать тяжеловесные оборотные отходы собственного производства (обрезь, скрап и др.) в значительных объемах.

Источник информации

1. Патент РФ № 2201970 C2, 7 C21C 5/52, пр. 17.10.2000 г. - прототип.

Таблица
№ варианта	Шихтовые материалы				Расч. содерж. углерода, %	Расч. содерж. углерода, кг	Расход кислорода на окисление, м3	Соотношение углерод/кислород, кг: м3	Содержание углерода перед выпуском, %	Длит-сть плавки под током, мин	Удельный расход электроэнергии, кВт.ч/т	Примечание
	Жидкий чугун, т	Тяж. отходы, т	Вес шихты, т	Соотношение: тяжеловесные отходы - жидкий чугун
1	35,0	25,0	140,0	1,0:1,4	1,15	1610	2571	1,0:1,6	0,12	42	295
2	34,0	17,0	135,0	1,0:2,0	1,16	1562	2687	1,0:1,72	0,14	43	308
3	34,0	34,0	145,0	1,0:1,0	1,09	1582	2690	1,0:1,7	0,10	45	321
4	28,5	13,0	133,0	1,0:2,19	1,01	1349	2414	1,0:1,79	0,08	49	331
5	30,0	35,0	138,0	1,0:0,86	1,03	1416	2478	1,0:1,75	0,13	53	353	На подине остатки тяжелв. отходов
6	37,0	28,0	137,0	1,0:1,32	1,23	1680	3376	1,0:2,0	0,08	45	315
7	36,0	24,0	132,0	1,0:1,5	1,24	1632	2497	1,0:1,5	0,18	44	311
8	38,0	26,0	139,0	1,0:1,46	1,24	1722	3926	1,0:2,28	0,04	50	338	Металл переокислен
9	37,0	23,5	138,0	1,0:1,57	1,22	1682	2102	1,0:1,25	0,22	49	330	Высокое содержание углерода перед выпуском
10	45,0	30,0	140,0	1,0:1,5	1,42	1990	3641	1,0:1,83	0,20	44	312	Продувка без тока, высокая температура перед выпуском
11	23,0	20,0	145,0	1,0: 1,15	0,80	1164	2013	1,0:1,73	0,05	51	349	Металл переокислен
Известный	15-70% от массы металлической части шихты										385