Способ выплавки стали

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к выплавке стали в конвертере и электропечи. Способ включает завалку металлолома, железосодержащей металлодобавки, заливку жидкого чугуна или углеродистого полупродукта, ввод шлакообразующих материалов, расплавление металлозавалки, рафинирование расплава. Завалку железосодержащей металлодобавки осуществляют измельченной с удельной поверхностью, равной или большей 50 м²/т в количестве 5-250 кг/т стали. На измельченную железосодержащую металлодобавку подают кислород с расходом 2-65 м³ на 1 т металлодобавки. Использование изобретения обеспечивает повышение выхода годного, сокращение расхода кислорода и уменьшение продолжительности плавки. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к выплавке стали в сталеплавильном агрегате - конвертере и дуговой электропечи.

Наиболее близким по технической сущности является способ выплавки стали в сталеплавильном агрегате, включающий завалку металлолома, железосодержащей металлодобавки заливку жидкого чугуна или углеродистого полупродукта, загрузку шлакообразующих материалов, подачу газообразного кислорода, расплавление металлозавалки, продувку образующегося расплава кислородом, рафинирование расплава, выпуск металла и шлака [1].

Недостатком известного способа является применение в процессе выплавки стали металлолома с малой удельной поверхностью, составляющей обычно 1,5-10 м²/т. При контакте струй кислорода, обладающих сверхзвуковыми скоростями, с металлоломом в начальный период плавки на его поверхности развивается интенсивное окисление (горение) железа, сопровождающееся переходом части железа в шлак и дым. В результате этого выделяется значительное количество тепла, которое частично расходуется на нагрев и расплавление лома. При недостаточной удельной поверхности контакта кислорода с ломом выделяющаяся энергия концентрируется на относительно небольшой площади, вызывая резкое повышение температуры в зоне реагирования кислорода и железа лома. Вследствие этого происходит интенсивное испарение железа и образующихся оксидов. Пары железа и оксидов уносятся отходящими дымовыми газами, снижая эффективность использования тепла окисления, увеличивая потери железа и снижая выход годного [2-6].

Металлолом с пониженной удельной поверхностью характеризуется повышенными размерами и массой отдельных кусков лома. Высокие температуры, развивающиеся в месте соприкосновения струй кислорода с поверхностью лома, вызывают перенос тепла внутрь кусков шихты и их нагрев до достижения полного расплавления. Распространение тепла в твердом теле носит диффузионный характер и происходит согласно современным представлениям относительно медленно. Вследствие этого скорость отвода тепла окисления железа внутрь кусков лома существенно ниже скорости выделения тепла на поверхности плавящегося тела. По этой причине выделяющееся тепло усваивается лишь частично. Это обстоятельство оказывает негативное влияние на процессе взаимодействия кислорода с железом металлолома, вызывая потери тепла, повышение температуры реакционной зоны, усиление испарения железа и увеличение угара железа.

Кроме того, применение металлолома с малой удельной поверхностью, особенно тяжеловесного, увеличивает длительность его расплавления и плавки в целом, а также расход кислорода [3, 5].

Технический эффект при использовании изобретения заключается в повышении выхода годного, снижении длительности плавки и сокращении расхода кислорода.

Указанный технический эффект достигается тем, что в способе выплавки стали в сталеплавильном агрегате, включающем завалку металлолома, железосодержащей металлодобавки заливку жидкого чугуна или углеродистого полупродукта, загрузку шлакообразующих материалов, подачу газообразного кислорода, расплавление металлозавалки, продувку образующегося расплава кислородом, введение по ходу плавки флюсующих добавок, рафинирование расплава, выпуск металла и шлака, завалку железосодержащей металлодобавки осуществляют измельченной с удельной поверхностью, равной или большей 50 м²/т, в количестве 5-250 кг/т стали и подают на нее кислород из расчета 2-65 м³ на 1 т железосодержащей металлодобавки.

Для повышения эффективности предлагаемого изобретения железосодержащую металлодобавку вводят совместно с углеродосодержащим веществом в соотношении по массе 1:(0,1-5) соответственно. Перед вводом в сталеплавильный агрегат указанные компоненты предварительно окусковывают. Одним из возможных методов окускования является заливка исходных компонентов жидким расплавом и последующее затвердевание с получением отливки в виде чушки, аналогичной чушке твердого чугуна. Для этого металлодобавку и углеродистое вещество предварительно помещают в литейную форму и заливают железоуглеродистым сплавом в количестве 3-20 кг на 1 кг материалов, загруженных в литейную форму. Перед заливкой металлодобавки и углеродистого вещества железоуглеродистым сплавом в литейную фурму дополнительно к металлодобавке и углеродистому веществу в литейную форму вводят оксидный железосодержащий материал и/или оксиды и фториды кальция, магния, марганца, натрия либо их смеси в количестве 5-50% от массы железоуглеродистого сплава.

Повышение эффективности процесса выплавки стали в конвертере и электропечи будет происходить вследствие того, что завалку железосодержащей добавки осуществляют измельченной обладающей высокоразвитой удельной поверхностью, намного превосходящей эту величину для металлолома, и подают на нее газообразный кислород. Располагаясь на поверхности металлошихты, железосодержащая добавка первой вступает в соприкосновение с кислородом дутья, предохраняя тем самым металлолом от окисления железа. Это обеспечивает повышение выхода годного из металлошихты. Развитая межфазная поверхность контакта частиц металлодобавки с кислородом значительно ускоряет окисление железа металлодобавки и обеспечивает быстрое выделение значительного количества тепла. За счет этого достигается быстрое расплавление частиц металлодобавки. Капли ее стекают в слой шихты и приносят в металлозавалку повышенное количество тепла, ускоряя ее проплавление. В результате этого сокращается угар металлошихты и расход кислорода.

Подача кислорода на металлодобавку, обладающую развитой удельной поверхностью, снижает количество кислорода, поступающего на единицу поверхности материала. По этой причине температура в зоне реагирования кислорода с железом металлодобавки оказывается ниже, чем в случае с металлоломом, имеющим меньшую удельную поверхность. Благодаря этому снижается испарение железа и его потери в дым, возрастает выход годного и улучшается использование тепла выделяющегося при окислении железа газообразным кислородом.

Следовательно, при вводе в шихту плавки металлодобавки, имеющей повышенную удельную поверхность, интенсифицируется окисление железа и ускоряется выделение тепла, что сокращает длительность плавки и повышает степень использования кислорода, расходуемого на окисление железа. Одновременно с этим применение металлодобавки предохраняет металлошихту от сильного окисления, снижает температуру в зоне реакции кислорода с железом, уменьшает испарение железа, способствуя тем самым повышению выхода годного.

Ввод металлодобавки совместно с углеродосодержащим веществом и их совместное сжигание повышает использование теплотворной способности углерода. В соответствии с физико-химическими закономерностями горения углерода присутствие твердого железа и наличие жидких окислов железа ускоряет сжигание углерода и повышает степень дожигания углерода до CO₂ с 5-7 до 12-20%. Благодаря этому достигается более полное использование потенциала углерода как топлива. Дополнительное тепло, получаемое в результате сжигания углерода, снижает количество железа, которое необходимо окислить для получения тепла, и повышает выход годного.

Предварительное окускование металлодобавки и углеродистого вещества и образование их тесной смеси дополнительно улучшают условия сжигания углерода и обеспечивают лучшее использование тепла окисления углерода. Окускование также исключает вынос угля отходящими потоками газа и просыпание частиц угля в слой металлозавалки, что замедляет сгорание углерода и увеличивает длительность плавки.

Ввод металлодобавки и углеродистого вещества в виде чушки, получаемой путем загрузки их в литейную форму и заливки железоуглеродистым расплавом, усиливает эффект положительного влияния твердого железа на полноту сжигания углерода и увеличивает количество тепла, передаваемого металлозавалке. Дополнительный ввод в состав чушки оксидного железосодержащего материала и/или оксидов и фторидов кальция, магния, марганца, натрия либо их смеси способствует раннему формированию шлака и росту активности оксидов железа. Как известно из термодинамики, возможность окисления углерода до CO₂ в присутствии жидкого шлака и оксидов железа с высокой активностью существенно возрастает. Это создаст предпосылки для более полного использования тепла углерода.

Величина удельной поверхности измельченной железосодержащей добавки, равная или большая 50 м²/т, объясняется закономерностями процесса взаимодействия кислорода с железом металлодобавки. При меньшей величине этого параметра окисления железа кислородом дутья замедляется, вызывая увеличение продолжительности проплавления самой металлодобавки, всей металлозавалки и плавки в целом. В результате этого также увеличивается угар металла и возрастает удельный расход кислорода.

Диапазон значений количества вводимой металлодобавки в пределах 5-250 кг/т стали объясняется теплофизическими закономерностями. При меньших значениях будет выделяться недостаточно тепла для нагрева металлолома до приемлемой температуры. Температура подогрева лома в этом случае не превысит 50-100°С. Это увеличивает продолжительность плавки. При больших значениях будет происходить выделение тепла сверх допустимых значений, определяемых потребностью металлозавалки в энергии, необходимой для ее полного расплавления. Избыточное количество тепла приведет к снижению стойкости футеровки агрегата и перерасходу металлодобавки, а также удлинению времени расплавления металлодобавки, снижению выхода годного и увеличению расхода кислорода.

Расход кислорода на сжигание металлодобавки устанавливают в пределах 2-65 м³ на 1 т материала. При расходе кислорода менее 2 м³/т количество окисленного железа и выделение тепла получается относительно небольшим, что удлинит время расплавления добавки и плавки в целом. В случае вдувания кислорода в количестве более 65 м³/т металлодобавки интенсивность горения железа в зоне контакта с окислителем значительно усиливается. Это сопровождается развитием весьма высоких температур в зоне контакта кислорода с частицами металлодобавки, увеличением испарения железа, снижением выхода железа из шихты, повышенным расходом кислорода.

Железосодержащую металлодобавку вводят совместно с углеродосодержащим веществом в соотношении по массе 1:(0,1-5) соответственно. Совместное применение металлодобавки и углеродистого вещества резко увеличивает степень использования теплотворной способности углерода. Одновременное присутствие железа вместе с углеродом увеличивает скорость сжигания углерода и создает условия для более полного дожигания углерода до CO₂. В результате этого количество энергии, получаемой от сжигания 1 кг углерода, увеличивается в 1,5-2 раза. Это сокращает потребность в энергии и позволяет снизить степень окисления железа металлошихты. Если соотношение масс металлодобавки и углеродистого вещества будет менее 1:0,1, то эффект дополнительного поступления тепла от сжигания углерода получится слабым и введение углеродистого вещества вместе с металлодобавкой теряет смысл. Если же соотношение взять более 1:5, то эффективность сжигания углерода начинает снижаться из-за чрезмерного снижения доли твердого железа и уменьшения его положительного влияния на скорость горения углерода, полноту дожигания углерода до CO₂ и степень использования тепла дожигания окружающей металлошихтой. Соответственно увеличивается количество железа, которое необходимо окислить для получения дополнительного тепла. В свою очередь, это вызовет необходимость окисления части железа металлошихты.

Предварительное окускование металлодобавки и углеродистого вещества улучшает показатели предлагаемого способа. Окускование исходных компонентов увеличивает скорость сжигания углерода газообразным кислородом и повышает полноту его сгорания и степень использования теплотворной способности углерода за счет более высокой степени его дожигания в присутствии твердого железа и возникновение при этом железистого шлака, обладающего высокой активностью и улучшающего условия дожигания углерода до CO₂. Окускование этих компонентов исключает вынос частиц углеродистого материала. Лучшее использование тепла окисления углерода позволяет снизить расход металлодобавки и предохранить часть железа от его сжигания кислородом.

Окускование металлодобавки и углеродистого вещества путем их заливки железоуглеродистым сплавом в количестве 3-20 кг на 1 кг загруженных в литейную форму материалов полностью исключит потери этих компонентов в процессе транспортировки и загрузки. Сжигание углерода при этом осуществляется в присутствии твердого железоуглеродистого сплава. Это увеличивает скорость горения углерода и повышает степень дожигания его до CO₂. При заливке железоуглеродистого сплава менее 3 кг на 1 кг твердых материалов количество поступающего жидкого расплава недостаточно для полного обволакивания твердых компонентов расплавом. Вследствие этого получаемые чушки не будут обладать необходимой прочностью, что приведет к потере части материала. В случае заливки твердых материалов железоуглеродистым сплавом в количестве более 20 кг на 1 кг наполнителя их массовая доля снизится, а количество введенного углерода в печь уменьшится. Вследствие этого показатели способа ухудшаются.

Дополнительный ввод в литейную форму оксидного железосодержащего материала и/или оксидов и фторидов кальция, магния, марганца, натрия либо их смеси в количестве 5-50% от массы железоуглеродистого сплава усиливает положительный эффект предлагаемого способа. В этом случае сжигание углерода происходит в присутствии шлаковой фазы, образуемой оксидами железа, поступающими из оксидного материала, и/или оксидами и фторидами кальция, магния, марганца, натрия. Оксиды железа обладают в этом случае повышенной активностью, способствуя лучшему дожиганию углерода до CO₂. Вместе взятые, эти факторы существенно повышают степень дожигания углерода, увеличивая тем самым эффективность использования углеродистого вещества, уменьшают потребность в металлодобавке и количество железа, которое необходимо сжечь для того, чтобы нагреть и расплавить металлошихту, необходимость сжигания железа. При доле оксидосодержащих материалов менее 5% их положительное влияние незначительное. Если же их доля превышает 50%, то сжигание углерода, находящегося внутри литой чушки, начинает замедляться из-за негативного влияния минеральных компонентов на скорость горения углерода. Поэтому выход за пределы 5-50% ухудшает показатели предлагаемого способа.

Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадений отличительных признаков заявляемого способа с признаками известных технических решений. На основании этого делается вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

Ниже дан вариант осуществления изобретения применительно к конвертеру, не исключающий другие варианты в пределах формулы изобретения.

Способ выплавки стали в сталеплавильном агрегате - конвертере осуществляется следующим образом.

Пример. В процессе выплавки стали в конвертер подают металлическую шихту в виде металлолома, заливают на него жидкий чугун, загружают шлакообразующие материалы, включая известь, вводят измельченную железосодержащую металлодобавку, подают на нее газообразный кислород, расплавляют металлозавалку, продувают расплав кислородом сверху через многосопловую фурму, вводят по ходу плавки флюсующие добавки, осуществляют рафинирование расплава, выпуск металла и шлака, внепечную обработку и доводку металла.

В шихту конвертерной плавки вводят измельченную железосодержащую металлодобавку, имеющую удельную поверхность, равную или большую 50 м²/т в, количестве 5-250 кг/т стали. На нее подают газообразный кислород с расходом 2-65 м³ на 1 т металлодобавки. Подачу кислорода продолжают до расплавления металлозавалки, после чего переходят на продувку расплавленной ванны с обычным расходом кислорода, обеспечивающего окислительное рафинирование жидкого металла.

В качестве металлодобавки используют металлические корольки, выделяемые из конвертерного шлака, бой чугунного скрапа, чугунную стружку, отходу металлообработки, некондиционные металлизованные окатыши, чугунное крошье и др. железосодержащие отходы фракции 0-10 мм.

В качестве углеродосодержащего топлива используют угли, кокс, отходы производства графита, графитовую пыль и др. фракции 0,5-25 мм.

В качестве оксидного железосодержащего материала используют окалину, агломерат, руду, шлаки сталеплавильного производства, железорудные окатыши и т.п.

В таблице приведены примеры осуществления способа выплавки стали в сталеплавильном агрегате - конвертере с различными технологическими параметрами.

Параметры	Примеры
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1. Удельная поверхность металлодобавки, м2/т материала	15	42,6	50,8	102	310	950	1680	2400	3350
2. Расход металлодобавки, кг/т стали	4,2	5,4	10,8	48,1	95,1	197	247	253	262
3. Расход кислорода, м3/т металлодобавки	1,9	2,2	10,6	20,7	30,2	48,1	63,1	65,3	68,1
4. Выход жидкой стали, % от массы металлозавалки	88,3	90,3	90,6	90,8	91,2	91,5	91,7	91,1	89,1
5. Суммарный удельный расход кислорода за плавку, м3/т жидкой стали	63,1	60,1	60,8	61,0	61,2	61,5	61,8	62,1	64,5
6. Продолжительность продувки, мин	20,1	18,5	18,1	17,9	17,6	17,9	18,1	18,7	19,4

В первом примере происходит слабый нагрев металлолома из-за малой удельной поверхности частиц введенной металлодобавки, незначительного расхода ее и недостаточного расхода кислорода, подаваемого на металлодобавку для ее сжигания. Вследствие этого основные характеристики плавки, а именно выход годного, суммарный расход кислорода и длительность продувки оказываются хуже возможных.

В девятом примере наблюдается значительное избыточное выделение тепла из-за слишком высокой удельной поверхности частиц металлодобавки, значительного расхода этого компонента, большого удельного расхода кислорода, подаваемого на окисление металлодобавки. Это приводит к перерасходу металлодобавки и кислорода. Из-за слишком высокого расхода кислорода происходит значительный вынос металла и сокращение выхода годного. Кроме того, большой расход металлодобавки увеличивает время ее расплавления и длительность плавки в целом.

В оптимальных примерах 2-7 достигается максимальный технологический и экономический эффект от дополнительного ввода в шихту плавки измельченной железосодержащей металлодобавки. Железо добавки, представляющее отходы производства, сжигаются кислородом дутья, предохраняя от окисления металлошихту. Благодаря этому возрастает выход годного и сокращается суммарный расход кислорода на 1 т стали. Одновременно сокращается длительность продувки.

Литература

1. Патент RU 2218419 С2, С21С 5/28, 10.12.2003.

2. Кривченко Ю.С. и др. Сталеплавильщик конвертерного производства. - М.: Металлургия, 1991, с.50-54.

3. Колпаков С.В. и др. Технология производства стали в современных конвертерных цехах. - М.: Машиностроение, 1991, с.92-94.

4. Бигеев А.М. Математическое описание и расчеты сталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1982, - 160 с.

5. Морозов А.Н. Современное производство стали в дуговых печах. - 2-ое изд., г.Челябинск, Металлургия, 1987, - 175 с.

6. Шишимиров М.В. и др. Сталь, №1, 2006 г., с.31.

1. Способ выплавки стали в сталеплавильном агрегате, включающий завалку металлолома, железосодержащей металлодобавки, заливку жидкого чугуна или углеродистого полупродукта, загрузку шлакообразующих материалов, подачу газообразного кислорода, расплавление металлозавалки, продувку образующегося расплава кислородом, введение по ходу плавки флюсующих добавок, рафинирование расплава, выпуск металла и шлака, отличающийся тем, что завалку железосодержащей металлодобавки осуществляют измельченной с удельной поверхностью, равной или большей 50 м²/т, в количестве 5-250 кг/т стали, и газообразный кислород подают на нее с расходом 2-65 м³ на 1 т железосодержащей металлодобавки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что железосодержащую металлодобавку вводят совместно с углеродсодержащим веществом в соотношении по массе 1:(0,1-5) соответственно.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что железосодержащую металлодобавку и углеродистое вещество перед вводом предварительно окусковывают.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что предварительное окускование железосодержащей металлодобавки и углеродистого вещества осуществляют путем загрузки их в литейную форму и заливки железоуглеродистым сплавом в количестве 3-20 кг на 1 кг загруженных в литейную форму материалов.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что перед заливкой металлодобавки и углеродистого вещества железоуглеродистым сплавом в литейную форму дополнительно вводят оксидный железосодержащий материал и/или оксиды и фториды кальция, магния, марганца, натрия либо их смеси в количестве 5-50% от массы железоуглеродистого сплава.