Способ получения чугуна и стали в металлургических агрегатах

 

Использование: относится к области металлургического производства, в частности производства чугуна и стали. Сущность: способ получения чугуна и стали в металлургических агрегатах включает загрузку, нагрев, расплавление и восстановление шихты, содержащей в качестве одного из компонентов брикеты, приготовленные из железосодержащего материала и связующего. Брикеты предварительно подвергают обжигу, а в качестве связующего используют вещество системы Sio₂-CaO-Na₂O-Al₂O₃-, формирующее при обжиге совместно с оксидами железа газоплотный каркас, внутри которого протекают процессы восстановления. В агрегат дополнительно загружают металлические добавки, используемые после их расплавления в качестве источника нагрева брикетов. Углеродсодержащий материал вводят в брикет в количестве, определяемом отношением содержания углерода к железу 0,3-1,0 по массе с размером частиц в 10-100 раз больше, чем минимальный размер частиц железосодержащего материала. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области металлургического производства, в частности производства чугуна и стали.

Известен способ получения чугуна или жидкого полупродукта [1] основанный на восстановлении тонкоизмельченных смесей руды и угля в угольно-шлаковом слое в открытой электропечи сопротивления способ Любатти. Шихта нагревается за счет физического тепла шлакотеплоносителя и отходящих газов. Регулирование содержания углерода в выплавляемом металле процесса Любатти затруднено случайным развитием реакций восстановления и науглероживания в локальных участках угольно-шлакового слоя.

Недостатком процесса Любатти является отсутствие необходимых условий для эффективного участия монооксида углерода в процессах восстановления, вследствие его беспрепятственного удаления из зоны реакции, а также возможные потери мелких частиц руды и угля с технологическими газами.

Известен способ Л.Императори получения стали путем восстановления рудноугольных брикетов на подине кислой или основной мартеновской печи [2] Процесс восстановления рудноугольных брикетов на подине характеризуется сравнительно низкой степенью извлечения железа от 45,2 до 88,9% поскольку длительный контакт верхнего слоя шихты с окислительным факелом при отсутствии защитного слоя шлака или газа приводит к вторичному окислению восстановленного железа и способствует снижению степени его извлечения. Процесс характеризуется относительно высоким содержанием оксидов железа в шлаках (15-39% FeO и 3-9% Fe₂O₃).

Экономичность процесса снижается необходимостью введения на подину или в слой шихты 1,0-7,5% угля (полукокса, литейного или нефтяного кокса) от массы брикетов.

Таким образом, процесс характеризуется весьма низкими скоростями восстановления и степенью извлечения железа. Преимущества процесса заключаются в простоте и возможности применять обычные мартеновские печи, не компенсируются отмеченными недостатками.

Известен способ [3] опробованный в отражательной регенеративной печи. Восстановление рудно-угольных окатышей или брикетов проводится в жидком шлаке-теплоносителе так называемый процесс в кипящем шлаковом слое (процесс КШС). В условиях процесса КШС достигается весьма высокая степень извлечения железа (от 83,1 до 91,5%).

Недостатком способа КШС является необходимость использования только отражательных печей для его реализации, существенное усложнение технологии плавки, заключающееся в использовании большого количества специально приготовленного шлака, непрерывной подачи брикетов в печь с помощью специальных устройств, сложности в доводке металла по химическому составу. Кипение шлаковой ванны сопровождается значительными потерями углерода в виде газообразных оксидов. При ведении процесса восстановления железа в слое кипящего шлака следует ожидать частичных потерь восстановленного металла в виде корольков, оставшихся в шлаке.

Наиболее близким к изобретению является способ [4] получения чугуна или стали в металлургических агрегатах (электропечь, вагранка, конвертер), который предполагает использование в шихте брикетированных углеродсодержащих брикетов, полученных из железосодержащих материалов (руды, а также отходов, таких как окалина, пыль и т.д.) с использованием связующих, таких как гидроокись кальция, мелясса, сульфитный щелок.

Недостатком указанного способа является использование в качестве связующего таких веществ, как гидроокись кальция, мелясса и сульфитный щелок, которые не выдерживают высокотемпературного воздействия ванны жидкого металла, что приводит к разрушению брикетов. В результате происходит значительный угар углеродсодержащего вещества, а восстановление железа из железосодержащих материалов, в основном, происходит не в объеме брикета, а на поду печи, что аналогично внесению железосодержащих материалов в сыпучем виде в металлургический агрегат. Такой процесс характеризуется низкой степенью извлечения железа, а в связи с возможностью скопления оксидов железа на поду печи, что приводит к разрушению футеровки пода, он не применим для мартеновских печей. Также указанный способ требует обязательного присутствия в составе брикетов руды, что приводит к насыщению металла фосфором.

Задача изобретения создание способа получения железа, чугуна и стали в металлургических агрегатах без существенного изменения технологии плавки с использованием брикетов, позволяющих восстанавливать железо из оксидов непосредственно в металлургическом агрегате с максимальной степенью восстановления при минимальном угаре углеродсодержащего вещества, тем самым осуществляя при необходимости эффективное науглероживание жидкого расплава дополнительным введением углерода в брикет.

Технический результат изобретения способ получения железа, чугуна и стали, который позволяет непосредственно в различных металлургических агрегатах без существенного изменения технологии плавки восстанавливать железо из оксидов на 95-98% при минимальном (5-10%) угаре углерода, что делает возможным проводить эффективное науглероживание жидкого расплава, тем самым заменяя частично или полностью чугун. Помимо этого, способ позволяет вовлекать в металлургический передел отходы металлургического производства: окалину, шламы, пыль от фильтров газоочистки.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ получения железа, чугуна и стали в металлургических агрегатах, включающий загрузку, нагрев, расплавление и восстановление шихты, содержащей в качестве одного из компонентов брикеты, приготовленные из железосодержащего материала, углеродсодержащего материала и связующего, отличающийся тем, что брикеты предварительно подвергают обжигу, а в качестве связующего используют вещество системы SiO₂-CaO-Na₂O-Al₂O₃, формирующее при обжиге совместно с оксидами железа газоплотный каркас, внутри которого протекают процессы восстановления. В агрегат дополнительно загружают металлические добавки, используемые после их расплавления в качестве источника нагрева брикетов. Углеродсодержащий материал вводят в брикет в количестве, определяемом отношением содержания углерода к железу 0,3-1,0 по массе с размером частиц в 10-100 раз больше, чем минимальный размер частиц железосодержащего материала.

Отличием предлагаемого изобретения является то, что для обеспечения максимальной степени восстановления железа из оксидов непосредственно в металлургическом агрегате при минимальном угаре углеродсодержащего вещества и осуществления при необходимости эффективного науглероживания жидкого расплава дополнительным введением углерода в брикет, используется брикет со связующим веществом системы SiO₂-Na₂O-Al₂O₃, которые позволяют при обжиге обеспечить формирование газоплотного каркаса из оксидов железа и связующего вещества, внутри которого протекают процессы восстановления. Каркас образуется в результате обжига брикета при температуре 850^oC, при этом происходит смачивание оксидов железа стеклообразным расплавом связки, в результате чего частицы углерода оказываются замкнутыми в объеме брикета. Частицы углерода инертны к связующему веществу. При нагреве углерод взаимодействует с окружающим его оксидом железа, обеспечивая при этом прямое восстановление железа твердым углеродом и образование газообразного восстановителя монооксида углерода, выход которого за пределы реакционной зоны затруднен вследствие газоплотности стеклообразного каркаса, участвующего в процессах восстановления. Этим достигается максимальная степень восстановления железа из оксидов, минимальный угар углеродсодержащего вещества и эффективное науглероживание расплава. К положительным свойствам образующегося каркаса относится обеспечение высокой механической прочности брикета при давлении верхнего слоя шихты. При нагреве до 1200^oC каркас размягчается, однако сплошность брикета и газоплотность сохраняется. Оксиды железа, входящие в состав каркаса, в процессе взаимодействия с углеродом расходуются. По мере восстановления железа из оксидов, образования ванны жидкого металла и насыщения ее избыточным углеродом, расплав связующего вещества переходит в шлак.

Одним из путей интенсификации процесса восстановления железа является использование в качестве теплоносителя жидкого металла, образовавшегося при расплавлении верхнего слоя металлошихты.

Количество углерода, идущее на восстановление, определяется содержанием оксидов железа в брикете, избыток углерода сверх необходимого для восстановления позволяет насытить углеродом жидкий металл. Эффективность этого процесса определяется отношением содержания углерода к железу по массе и дисперсностью частиц компонентов. При отношении содержания углерода к железу по массе менее 0,3 не обеспечивается необходимая степень восстановления железа, а более 1,0 малое количество оксидов железа в брикете не позволяет сформировать достаточно прочный каркас.

От дисперсности углеродсодержащего компонента зависит его реакционная способность, а также прочность и газоплотность брикета.

При введении углеродсодержащего вещества в количестве, обеспечивающем соотношение углерода к железу 0,3-1,0 с целью науглероживания, дисперсность частиц должна быть в 10-100 раз больше, чем минимальный размер частиц основных компонентов, поскольку использование более мелкой фракции приводит к снижению механических свойств брикета, увеличению потерь из-за его разрушения и преждевременному повышенному угару углерода вследствие его окисления (выгорания) до расплавления брикета.

Повышенный угар углерода во время плавки не позволяет точно предопределить его содержание в расплавленном металле, поэтому его химический состав нестабилен. Использование более крупной фракции углеродсодержащего вещества снижает его реакционную способность как восстановителя, кроме того, приводит к сложности обеспечения стабильности состава брикетов.

Приведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентам и научным источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Пример.

По предложенному способу в лабораторной электропечи Таммана в алундовых тиглях были проплавлены брикеты цилиндрической формы диаметром 50 мм и высотой 20 мм.

В состав брикетов входили следующие компоненты, в Прокатная окалина 69 90 Электродный бой 7 40 Связующее вещество системы SiO₂-CaO-Na₂O-Al₂O₃ 2 3 Окалина, образующаяся при нагреве металла под прокатку имела химический состав, в Fe 72,49; FeO 56,30; Fe₂O₃ 41,00; P 0,009; S 0,008. Помол окалины производился в шаровой мельнице до фракции 0,1-2,0 мм. Определение гранулометрического состава помолотой окалины показало, что отсев фракции <0,1 мм составил 5% Поэтому за минимальный размер частиц окалины принята величина 0,1 мм.

Брикеты были получены путем прессования под давлением 2 кН/см² и подвергнуты обжигу при температуре 850^oC.

Результаты опытных плавок в печи Таммана приведены в таблице.

Опыты по замене передельного чугуна брикетами при выплавке стали были проведены в индукционной печи емкостью 50 кг с магнезитовой футеровкой.

Шихта состояла из брикетов и металлической части, в качестве которой использовались прутки из стали 10 одной партии с содержанием углерода 0,08% В брикетах соотношение твердого углерода к железу составило 0,685. В завалку было введено 6,54% брикетов от общей массы шихты. Брикеты загружались на дно печи, а сверху располагалась металлошихта. В процессе проведения плавки отбирались пробы на химический анализ. Сталь раскислялась алюминием. По мере расплавления металлошихты жидкий металл покрывал брикеты, всплытию которых препятствовала нерасплавившаяся часть металла. При этом обеспечивались условия нагрева, необходимые для процессе восстановления и науглероживания.

По увеличению массы металла установлено, что степень восстановления железа из оксидов брикета достигла 98% Содержание углерода в пробе, отобранной по расплавлению составило 1,15% Таким образом, углерод, введенный в брикет, расходуется главным образом на восстановление железа из оксидов и на науглероживание расплавленного металла при угаре углерода около 6% Предложенный способ позволяет достигнуть более высокой степени восстановления железа из оксидов, введенных в брикет, при использовании их в различных типовых металлургических агрегатах без существенных изменений технологии плавки при меньшем угаре углеродсодержащего вещества, чем в прототипе.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий; 1) средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в металлургии; 2) для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов; 3) средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованиям "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Формула изобретения

1. Способ получения чугуна и стали в металлургических агрегатах, включающий загрузку, нагрев, расплавление и восстановление шихты, содержащей в качестве одного из компонентов брикеты, приготовленные из железосодержащего материала, углеродсодержащего материала и связующего, отличающийся тем, что брикеты предварительно подвергают обжигу, а в качестве связующего используют вещество системы SiO₂ CaO Na₂O Al₂O₃, формирующее при обжиге совместно с оксидами железа газоплотный каркас, внутри которого протекают процессы восстановления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в агрегат дополнительно загружают металлические добавки, используемые после их расплавления в качестве источника нагрева брикетов.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что углеродсодержащий материал вводят в брикет в количестве, определяемом отношением содержания углерода к железу 0,3 1,0 по массе с размером частиц в 10 100 раз больше, чем минимальный размер частиц железосодержащего материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1