Синтетический композиционный шихтовой материал для производства высококачественной стали

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве металлошихты для выплавки стали в дуговых электропечах. Синтетический композиционный шихтовый материал содержит железоуглеродистый сплав, углеродосодержащее вещество и железосодержащий окисленный компонент, включающий оксид железа (Fe₂O₃) и монооксид железа (FeO), при следующем соотношении компонентов, мас.%: монооксид железа 5-30, оксид железа 0-10, углеродосодержащее вещество 0,1-5, железоуглеродистый сплав - остальное. Изобретение позволяет уменьшить энергетические затраты процессов получения высококачественной стали и сократить потери времени плавки. 1 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано в качестве металлошихты при выплавке стали в различных сталеплавильных агрегатах, преимущественно в электродуговых сталеплавильных печах.

Известны шихтовые материалы для металлургического передела, такие как передельный чугун, железный (стальной) лом, металлизованные окатыши, брикеты, синтиком и др. Данные материалы имеют свои преимущества и свои недостатки.

Известен шихтовой композиционный материал для металлургического передела (RU 2087546C1, опубл. 20.08.1997), содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Железоуглеродистый сплав - 50,0-99,5,

Оксидосодержащий материал - 0,5-50.

Недостатком данного технического решения является отсутствие в составе углеродосодержащего компонента, необходимого для восстановления оксидов, тем самым не контролируется процесс науглероживания шлака с целью уменьшения в нем содержания окислов железа. Также этот фактор ведет к увеличению времени плавки и расходу электроэнергии, электродов и др.

Известен шихтовой композиционный материал (RU 2142018C1, опубл. 27.11.1999) для металлургического передела, представляющий собой брикет, который содержит железорудный концентрат, углеродистое связующее и карбюризатор на основе чугунной стружки, при соотношении компонентов, мас.%:

Железорудный концентрат - 5,0-35,0;

Углеродистое связующее - 1,0-10;

Карбюризатор - 0,5-10,0;

Чугунная стружка - остальное.

Недостатком данного технического решения являются затраты на производство брикетов способом, предложенным Н.А. Ярхо, и то, что чугунная стружка является отходом производства и не может быть использована как альтернатива чугуну или металлическому скрапу как основе.

Наиболее близким аналогом по совокупности существующих признаков является шихтовой композиционный материал для металлургического передела в дуговых электропечах (Вздыханько М.М. и др. Производство и применение синтетических композиционных материалов при выплавке стали в дуговых электропечах. Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации (ЦНИИ и ТЭИ ЧМ-ОАО), 2012, выпуск 1, с.38-46), раскрытый на примере СК 15, содержащий железоуглеродистый сплав (чугун), углеродосодержащее вещество и железосодержащий окислительный компонент (окатыши), включающий оксид железа Fe₂O₃ и монооксид FeO, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Железорудные окатыши - 15%,

Передельный чугун - 85%,

Углеродосодержащий материал - 0,1-10,

Железоуглеродистый сплав или железоуглеродистый сплав и чугунный и/или металлический скрап - остальное.

Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности экономии энергозатрат за счет изменения в железосодержащем окислительном материале процентного соотношения окислов железа Fe₂O₃ и FeO.

Задачей данного технического решения является повышение экономии энергии при производстве стали в электродуговой печи за счет уменьшения угара шихты на окислительных реакциях при дутье и уменьшении энергозатрат на востановление находящихся в составе синтикома окислов железа.

Техническим результатом является синтетический композиционный шихтовой материал (синтиком) для производства высококачественной стали, содержащий железоуглеродистый материал, углеродосодержащее вещество и железосодержащий окисленный компонент в следующем соотношении компонентов, масс.%:

- оксид железа Fe₂O₃ - 0-10;

- монооксид FeO - 5-30,0;

- углеродосодержащее вещество - 0,1-10;

- железоуглеродистый сплав - остальное.

Предложенный состав обеспечивает экономию энергии на реакции взаимодействия углерода, входящего в состав железоуглеродистого сплава, и кислорода, имеющегося в оксидосодержащем материале, а также на частичную диссоциацию оксидов с выделением газообразного кислорода.

Применяемый в вышепоказанных известных технических решениях железосодержащий окислительный материал представляет собой железорудные окатыши или железорудный концентрат, основу которых составляет оксид железа Fe₂O₃. Применение данного оксида позволяет ввести в шихту дополнительное количество кислорода, позволяющего уменьшить потребление его в газообразном состоянии при вдувании через горелки.

Кислород, вдуваемый в печь при температуре 2000°С, приводит к интенсификации процесса окисления железа из состава металлошихты и, как следствие, к его испарению из реакционной зоны и угару, прежде всего «в пыль», снижая тем самым выход жидкого металла и ухудшая экологическую обстановку. Нередко слой лома над твердожидкой ванной вызывает конструктивные повреждения кислородной фурмы, вследствие ее удара о твердую шихту, что снижает производительность сталеплавильной печи.

В свою очередь, все перечисленные выше факторы зачастую приводят к технологической нестабильности конвертерного процесса: увеличению массы шлака и значительным потерям железа с ним в виде оксидов и корольков, повышенному газо- и дымообразованию, выбросам и т.п. Снижаются основные технико-экономические параметры плавки, показатели по чистоте выплавляемого металла, повышается нагрузка на экосистему. Следовательно, ограничивается производство высококачественной стальной продукции плавильного агрегата.

Ведение же оксидов в качестве наполнителя шихты снижает приведенный выше эффект угара, при этом обеспечивая шихту при плавке внутренним кислородом, участвующем в реакциях окисления углерода и шлакообразования.

При этом снижение содержания Fe₂O₃ при увеличении содержания FeO как основного кислородосодержащего элемента позволит сэкономить на процессе восстановления железа за счет использования менее энергозатратного компонента (FeO), при этом уменьшая процент угара. В дополнении, использование монооксида железа поспособствует уменьшению содержания общего кислорода (относительно марки композиционного материала - процентного содержания наполнителя) в синтикоме, что приведет к сокращению его содержания в шлаке, а следовательно, снизит расход углеродосодержащих компонентов и энергию, затраченную на его восстановление.

По ходу плавления синтетического композиционного материала компоненты, входящие в состав - железо, углерод и др. химические элементы, реагируют с кислородом. Взаимодействие между собой компонентов плавки в результате приводит к тому, что первоначальная (исходная) концентрация элементов и углерода металлической основы снижается, образуя шлаковую массу.

Реакции, происходящие при переделе. разные по теплопотреблению, так реакция окисления, происходящая при кислородном дутье, носит экзотермический характер, что способствует увеличению угара, а процессы окисления за счет оксидосодержащего компонента - эндотермические. Уменьшение расхода энергии за счет двух этих реакций позволит сэкономить средства и уменьшить время плавки.

Использование в предлагаемом композиционном материале более широкого диапазона содержания монооксида железа FeO позволяет задавать в них в исходном состоянии необходимые свойства для контроля за процессом плавки.

Пример 1.

Беря во внимания сказанное выше, были проведены расчеты с целью определения эффективности использования монооксида железа FeO при среднем значении содержания железосодержащего окислительного материала - 15% на примере синтетического композиционного шихтового материала СК 15. Содержание Fe₂O₃ в процентном соотношении 0-10% является неизбежным, его наличие определено как величина примеси.

Частичная замена оксида железа Fe₂O₃ монооксидом железа FeO снижает затраты энергии на восстановление 1 тонну железа с 2000 кВт∗ч до 1350 кВт* ч, то есть на 650 кВт∗ч/т железа.

При этом в пересчете применительно к марке синтетического композиционного материала (синтикома) СК 15 экономия энергии на 1 тонну синтикома составит:

$$\left(\frac{15\ast 2000}{100}\right)-\left(\frac{15\ast 1350}{100}\right)=300-\mathrm{202,5}=\mathrm{97,5}кВт$$

где 15 - процентное содержание наполнителя (окатышей) в синтикоме,

2000 - количество энергии, необходимой на восстановление 1 тонны железа, с использованием Fe₂O₃ в виде наполнителя,

1350 - количество энергии, необходимой на восстановление 1 тонны железа, с использованием FeO в виде наполнителя.

Соответственно при плавке в ДСП синтикома марки СК 15 предложены составы в количестве 40 тонн, экономия энергозатрат на плавку будет равна:

(97,5∗40)=3900 кВт∗ч

Дополнительное сокращение энергозатрат дает также фактор меньшего содержания кислорода в СК 15 предложенного состава по сравнению с СК 15 традиционного состава с Fe₂O₃. В новом материале в 1 тонне СК 15 находится кислород

$$\frac{22\ast 150}{100}=33кг$$

Этот кислород окислит 24,8 кг углерода из 38,25 кг, содержащихся в 850 кг металлической основы СК 15. Избыток углерода составит около 13,45 кг на 1 т СК 15. В отличие от этого СК 15 с Fe₂O₃ содержит не 22%, а 30% кислорода. 150 кг окислителя внесут 45 кг кислорода, которым будет окислено 33,8 кг углерода. В избытке остаются всего 38,25-33,80=4,45 кг углерода. Оставшийся в избытке углерод окисляется кислородом дутья (газообразным кислородом). Эта реакция имеет экзотермический характер и сопровождается выделением 3,5 кВт∗ч энергии на 1 кг окисленного углерода. С учетом этого экономия энергозатрат в расчете на 1 т СК 15 при замене Fe₂O₃ на FeO будет равна:

(3,5∗13,45)-(3,5∗4,45)=31,5 кВт∗ч/т СК 15

В пересчете на плавку в ДСП с расходом СК 15 40 т это дает снижение энергозатрат на величину

31,5∗40=1260 кВт∗ч/на плавку

Суммарная экономия энергии получается равной 3900+1250=5150 кВт∗ч/на плавку, удельные энергозатраты сократятся на величину

$$\frac{5150}{160}=\mathrm{31,19}кВт\ast ч/т$$

стали ≈31,2 кВт∗ч/т стали. Следовательно, замена в СК части Fe₂O₃ монооксидом железа снижает расход энергии в ДСП, причем существенно.

Пример 2.

С целью определения эффективности использования монооксида железа FeO при значении ниже минимального содержания железосодержащего окислительного материала (<5%) на примере синтетического композиционного материала СК 3.

Частичная замена оксида железа Fe₂O₃ монооксидом железа FeO снижает затраты энергии на восстановление 1 тонну железа с 2000 кВт∗ч до 1350 кВт∗ч, то есть на 650 кВт∗ч/т железа.

При этом в пересчете применительно к марке синтетического композиционного материала (синтикома) СК 3 экономия энергии на 1 тонну синтикома составит:

$$\left(\frac{3\ast 2000}{100}\right)-\left(\frac{3\ast 1350}{100}\right)=60-\mathrm{40,5}=\mathrm{19,5}кВт$$

где 3 - процентное содержание наполнителя (окатышей) в синтикоме,

2000 - количество энергии, необходимой на восстановление 1 тонны железа, с использованием Fe₂O₃ в виде наполнителя,

1350 - количество энергии, необходимой на восстановление 1 тонны железа, с использованием FeO в виде наполнителя.

Соответственно при плавке в ДСП синтикома марки СК 3 предложены составы в количестве 40 тонн, экономия энергозатрат на плавку будет равна:

(19,5∗40)=780 кВт∗ч

Дополнительное сокращение энергозатрат дает также фактор меньшего содержания кислорода в СК 3. В новом материале в 1 тонне СК 3 находится кислород

$$\frac{22\ast 30}{100}=\mathrm{6,6}кг$$ ,

Этот кислород окислит 4,96 кг углерода из 43,65 кг, содержащихся в 970 кг металлической основы СК 3. Избыток углерода составит около 38,69 кг на 1 т СК 3. В отличие от этого СК 3 с Fe₂O₃ содержит не 22%, а 30% кислорода. 30 кг окислителя внесут 9 кг кислорода, которым будет окислено 6,47 кг углерода. В избытке остаются всего 43,65-6,47=37,18 кг углерода. Оставшийся в избытке углерод окисляется кислородом дутья (газообразным кислородом). Эта реакция имеет экзотермический характер и сопровождается выделением 3,5 кВт∗ч энергии на 1 кг окисленного углерода. С учетом этого экономия энергозатрат в расчете на 1 т СК 3 при замене Fe₂O₃ на FeO будет равна:

(3,5∗38,69)-(3,5∗37,18)=5,3 кВт∗ч/т СК 3

В пересчете на плавку в ДСП с расходом СК 3 40 т. это дает снижение энергозатрат на величину

5,3∗40=212 кВт∗ч/на плавку.

Суммарная экономия энергии получается равной 780+212=992 кВт∗ч/на плавку, удельные энергозатраты сократятся на величину

$$\frac{992}{160}=\mathrm{6,2}кВт\ast ч/т.стали$$

Следовательно, с учетом сравнения среднего показателя (СК 15) суммарной экономией 31,2 кВт∗ч/т стали и для СК 3 с 6,2 кВт∗ч/т стали использование более низкого, чем 5% содержания железосодержащего окислительного материала, нецелесообразно с учетом снижения энергетической экономии в 5 раз. При этом резко увеличивается избыток углерода, что снижает процесс протекания окислительных реакций по всему объему плавильной ванны и усиливает дополнительную нагрузку на кислородное дутье, тем самым увеличивая процент угара железа.

Пример 3.

С целью определения эффективности использования монооксида железа FeO при значении выше максимального содержания железосодержащего окислительного материала (>30%) на примере синтетического композиционного материала СК 45.

Частичная замена оксида железа Fe₂O₃ монооксидом железа FeO снижает затраты энергии на восстановление 1 тонну железа с 2000 кВт∗ч до 1350 кВт∗ч, то есть на 650 кВт∗ч/т железа.

При этом в пересчете применительно к марке синтетического композиционного материала (синтикома) СК 45 экономия энергии на 1 тонну синтикома составит:

$$\left(\frac{45\ast 2000}{100}\right)-\left(\frac{45\ast 1350}{100}\right)=900-\mathrm{607,5}=\mathrm{292,5}кВт$$

где 45 - процентное содержание наполнителя (окатышей) в синтикоме,

2000 - количество энергии, необходимой на восстановление 1 тонны железа,с использованием Fe₂O₃ в виде наполнителя,

1350 - количество энергии, необходимой на восстановление 1 тонны железа, с использованием FeO в виде наполнителя.

Соответственно при плавке в ДСП синтикома марки СК 45 предложены составы в количестве 40 тонн экономия энергозатрат на плавку будет равна:

(292,5∗40)=11700 кВт∗ч

Дополнительное сокращение энергозатрат дает также фактор меньшего содержания кислорода в СК 45. В новом материале в 1 тонне СК 45 находится кислород:

$$\frac{22\ast 450}{100}=99кг$$

Этот кислород окислит 24,75 кг углерода из 24,75 кг, содержащихся в 550 кг металлической основы СК 45. Избыток углерода составит около 0 кг на 1 т СК 45. Так, СК 45 с Fe₂O₃ содержит не 22%, а 30% кислорода. 30 кг окислителя внесут 9 кг кислорода, которым будет окислено 24,75 кг углерода. В избытке остаются всего 24,75-24,75=0 кг углерода. С учетом этого экономия энергозатрат в расчете на 1 т СК 45 при замене Fe₂O₃ на FeO будет равна

(3,5∗0)-(3,5∗0)=0 кВт∗ч/т СК 45

В пересчете на плавку в ДСП с расходом СК 45 40 т. это дает снижение энергозатрат на величину

0∗40=0 кВт∗ч/на плавку.

Суммарная экономия энергии получается равной 11700+0=11700 кВт∗ч/на плавку, удельные энергозатраты сократятся на величину $$\frac{11700}{160}=\mathrm{73,12}кВт\ast ч/т.стали$$

Суммарная экономия энергии на 1 т стали составит 73,12 кВт/т, стали, при этом с учетом того, что реакция окисления углерода будет иметь эндотермический характер, что приведет к увеличению нагрузки на кислородное дутье, при этом энергия, потребляемая при дутье, будет расходоваться впустую, а низкое содержание избытка углерода приведет к необходимости добавления его во время плавки для протекания металлургических реакций. Также высокое содержание железосодержащего окислительного материала сверх 30-35% приводит к крайней чувствительности чушек синтикома к разрушению при транспортировке. Все эти данные показывают о не целесообразности и экономической невыгодности получения синтетического композиционного материала с содержанием железосодержащего окислительного материала (FeO) сверх 30-35%.

Таблица 1.
Состав синтетического композиционного шихтового материала для производства высококачественной стали, мас.%
Наименование	Железосодержащий окисленный компонент, %	Углеродосодержащее вещество, %	Железоуглеродистый сплав, %
Fe2O3	FeO
Прототип	5-30	-	1,0-10	остальное
Синтетический композиционный материал	0-10	5-30	0,1-10	остальное

Синтетический композиционный шихтовый материал для производства высококачественных сталей, содержащий железоуглеродистый сплав, углеродосодержащее вещество и железосодержащий окисленный компонент, включающий оксид железа (Fe₂O₃) и монооксид железа (FeO), отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

оксид железа (Fe2O3)	0-10
монооксид железа (FeO)	5-30
углеродосодержащее вещество	0,1-10
железоуглеродистый сплав	остальное