СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

Название	СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ
Разработчик (Авторы)	Тимофеева Анна Стефановна, Никитченко Татьяна Владимировна, Кожухов Алексей Александрович, Киселева Наталия Анатольевна, Мельников Евгений Николаевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2573847
Дата регистрации	29.07.2014
Правообладатель	Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Область применения (класс МПК)	C21C 5/52 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам выплавки стали в различных сталеплавильных агрегатах, преимущественно в дуговых электрических печах.

Известны способы выплавки стали с применением в шихте различных материалов, таких как чугун, стальной лом, металлизованные окатыши, брикеты и др. Технико-экономические показатели плавки определяются технологией выплавки, стоимостью и составом применяемой металлошихты.

Известен способ выплавки стали с применением шихтовых брикетов (патент РФ №2213788, МПК С21С 5/00, опубл. 10.10.2003) следующего состава, % масс.: окисленный железосодержащий материал 5-57, карбюризатор 20-30, связующее 10-20, легирующая добавка 1-15, железоуглеродистый сплав 1-30, шлакообразующий материал 1-10, пластификатор 1-10. К существенным недостаткам данной технологии выплавки относится высокое содержание вредных примесей в брикетах, что является нежелательным при выплавке высококачественных марок стали.

Известен способ выплавки стали (патент РФ №2180007, МПК С21С 5/52, С21С 5/04, опубл. 27.02.2002) с добавкой в металлошихту железоуглеродистых брикетов (ЖУБ), содержащих, в % мас.: 70 - оксидов железа, 30 - углеродсодержащего вещества и связующее вещество - 5-10 сверх 100% - в виде концентрата кальцинированной соды и суглинка, генерирующих при нагреве восстановительную газовую среду (СО). В качестве железосодержащих материалов в таких брикетах используется стальная окалина, железосодержащая металлургическая пыль, железная руда и т.п. Применение окисленных железосодержащих материалов в шихте требует увеличения времени плавки для завершения процессов восстановления железа, что приводит к дополнительному расходу электроэнергии.

Известен шихтовый брикет (патент РФ №21505514, С21С 5/00, С22В 1/00, опубл. 10.06.2000) для производства высококачественной стали, содержащий железо металлическое, оксиды железа, углерод и пустую породу, в следующем соотношении, мас. %:

при этом отношение углерода к кислороду оксидов железа больше или равно 0,8. Брикеты производят способом горячего брикетирования со степенью металлизации - 75-85%. Размер брикетов, мм: 110×50×30 мм.

Выплавка стали осуществляется в ДСП на шихте с соотношением компонентов: 35% брикетов и 65% металлолома.

Существенными недостатками данного брикета, являются:

- высокие затраты, связанные с изготовлением данного брикета, в результате чего увеличивается себестоимость полученной стали;

- пониженная прочность брикетов, приводящая к образованию большого количества мелочи при транспортировке брикетов в результате чего ухудшаются технико-экономические показатели плавки;

- высокая продолжительность плавления в связи с тем, что оксиды в материале не распределены по объему материала, а находятся в центральной части, что требует дополнительное время для диффузии активного кислорода оксидсодержащего сплава к углероду железоуглеродистого сплава;

- высокая концентрация углерода, повышающая длительность плавки в связи с необходимостью его удаления для определенных марок стали.

Известен способ выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи с применением металлизованных окатышей в шихте (прототип) (авт. свид. СССР №1350179, МПК С21С 5/52, опубл. 07.11.1987).

Выплавка стали ведется на шихте, состоящей из стального лома - 20-40%, металлизованных окатышей, доля которых составляет 60-80% от массы плавки, кокса и шлакообразующих. В электродуговую печь после выпуска предыдущей плавки загружают часть смеси извести и известняка в соотношении 1:(0,1-1), заваливают стальной лом, включают печь и во время проплавления электродами колодцев в шихте загружают через отверстие в своде остальную часть указанной смеси извести и известняка общим количеством 0,7-2% от массы плавки, а также необходимое расчетное количество кокса. После проплавления электродами в стальном ломе колодцев непрерывно загружают в печь металлизованные окатыши, известь и известняк в соотношении 10:(0,5-1,2):(0,2-1,2).

К недостаткам использования в шихте металлизованных окатышей можно отнести то, что:

- высокая степень металлизации (90-98%) окатышей определяет их высокую стоимость, что увеличивает себестоимость стали, выплавленной из них;

- в случае использования привозных окатышей они должны быть пассивированы или брикетированы для защиты от возгорания и ухудшения технологических свойств;

- металлизованные окатыши дозируются на плавку во времени, скорость подачи окатышей должна быть согласована с подводимой в печь электроэнергией, что вместе с их высокой поверхностью (диаметр окатышей 10-15 мм) приводит к значительному угару, т.е. к потере железа, ухудшению экологии;

- при степени металлизации более 95% относительная доля оксидов железа в материале мала. При этом оксиды железа полностью восстанавливаются углеродом, в результате чего отсутствует их переход в шлак. Формирование шлака низким содержанием закиси железа и извести ухудшает его рафинирующие свойства в отношении удаления фосфора и серы;

- недостаток кислорода на окисление углерода приводит к низкой интенсивности кипения ванны и повышенной концентрации углерода в металле по расплавлению. Для интенсификации процесса вводятся окислители.

Перечисленные факторы ведут к увеличению длительности плавки, а также к увеличению энергозатрат.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по расширению базы сырьевых компонентов, которые можно было бы использовать при выплавке стали.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются: сокращение длительности расплавления металлозавалки, снижение себестоимости выплавляемой стали за счет вовлечения в передел отходов процесса прямого восстановления железа и снижения затрат на шихту.

Указанный технический результат достигается тем, что по способу выплавки стали в составе шихты используется металлургический брикет со степенью металлизации 65-70%, изготавливаемый из железосодержащих отходов производства процесса прямого восстановления железа. Доля брикетов составляет 10-15%, что позволяет снизить долю дорогостоящих металлизованных окатышей и/или ГБЖ со степенью металлизации 89-98%. Химический состав брикетов, %: Fe_общ. - 78-80; Fe_мет - 56-61; FeO - 21-30; SiO₂ - 3,6-3,9; CaO - 1,5-1,6; S - 0,05-0,06; P - 0,01. Размеры, мм: диаметр 50; высота 15. Брикеты не содержат сверх допустимого уровня вредных для металлургического процесса примесей, обладают прочностью достаточной для транспортировки и плавки.

В состав металлошихты входят стальной лом, металлизованные окатыши и брикеты.

В завалку подаются лом и брикеты. Загрузка стального лома и брикетов на подину печи осуществляется послойно: лом - брикеты - лом - брикеты. Размеры брикетов являются оптимальными для обеспечения условий их равномерного распределения в объеме металлозавалки. При таком способе подачи брикетов обеспечивается оптимальная плотность укладки, более равномерный сход шихты, улучшаются условия тепло- и массобмена в рабочем пространстве печи, что приводит к сокращению продолжительности периода расплавления.

Повышенное содержание в брикетах кислорода в виде оксидов железа (21-30%), способствует их интенсивному взаимодействию с углеродом брикетов. Образующийся монооксид углерода обеспечивает поддержание на протяжении всей плавки пенистых шлаков, экранирование дуг, хорошие условия для рафинирования металла, что также оказывает положительное влияние на условия теплообмена в печи и ведет к снижению продолжительности плавления шихты.

Подачу металлизированных окатышей и шлакообразующих материалов осуществляют по мере расплавления шихты.

При использовании в завалке доли брикетов менее 10% не обеспечивается сокращение продолжительности периода расплавления, т.к. не происходит достаточного уплотнения шихты, окисление углерода расплава кислородом оксидов, имеющихся в брикете, недостаточно для вспенивания шлака и закрытия им электрических дуг. Экономический эффект от снижения себестоимости шихты незначителен.

Использование в завалке доли брикетов более 15% вызывает увеличение длительности расплавления шихты за счет снижения ее проводимости, формирования большого количества шлака, получаемого при связывании оксидов пустой породы брикетов с оксидами кальция, а также затрат времени для расплавления требуемых присадок шлакообразующих.

Осуществление способа.

Выплавку стали 20 проводили на экспериментальной лабораторной установке с вместимостью тигля 0,003 т и мощностью трансформатора 23,7 кВт. Для проведения опытных плавок в составе шихты применялись стальной лом, металлизованные окатыши и брикеты со степенью металлизации 65-70%.

Химический состав применяемых брикетов %, масс.: Fе_общ. - 76; Fe_мет. - 52,93; SiO₂ - 3,73; FeO - 21,44; CaO - 1,46; P - 0,011; С - 2,5; S - 0,058. Степень металлизации - 69,6%.

Химический состав металлизованных окатышей %, масс.: Fe_общ. - 90,8; Fe_мет. - 85,8; SiO₂ - 3,54; CaO - 1,51; P - 0,011; С - 2,07; S - 0,007. Степень металлизации - 94,5%. В качестве лома использовался углеродистый лом по ГОСТ 2787-75.

Были проведены три серии опытных плавок с различным соотношением компонентов в шихте. Шихта по первому варианту для первой серии плавок не содержала брикетов. Во второй серии плавок часть металлизованных окатышей заменили брикетами.

В процессе выплавки интенсивность прогрева шихты оценивали путем измерения температур термопарами, а также фиксировали время начала и окончания расплавления шихты.

При выплавке первой серии плавок на подину печи в завалку подавали лом и по мере его проплавления загружали окатыши и шлакообразующие.

Для второй и третьей серий опытных плавок загрузку лома и брикетов на подину осуществляли послойно и по мере расплавления шихты проводили загрузку окатышей.

Результаты опытных плавок показали:

- использование брикетов в составе шихты в пределах 8-12% для выплавки стали технологически возможно;

- загрузку брикетов необходимо осуществлять на подину печи вместе со стальным ломом послойно;

- отмечается повышенное вспенивание шлакового расплава, связанное с протеканием реакции взаимодействия оксидов железа с углеродом.

По результатам опытных плавок было выявлено, что наименьшая продолжительность процесса расплавления металла соответствует шихте по второму варианту, с содержанием брикетов в пределах 8%, увеличение доли брикетов в шихте сверх 12% приводит к возрастанию длительности расплавления.

Согласно проведенным испытаниям предлагаемый способ обеспечивает:

- сокращение длительности расплавления шихты при плавке с применением брикетов в завалке на 6,0-7,3%;

- снижение себестоимости металлошихты на 50-70 руб./т стали.

Формула изобретения

Способ выплавки стали в электрической печи, включающий загрузку в печь шихты, содержащей стальной лом, металлизованные окатыши и шлакообразующие материалы, плавление шихты, доводку и выпуск металла, отличающийся тем, что в составе шихты загружают металлургические брикеты со степенью металлизации 65-70%, которые изготавливают из железосодержащих отходов производства процесса прямого восстановления железа, при этом металлургические брикеты загружают на подину печи послойно со стальным ломом, а металлизованные окатыши и шлакообразующие материалы подают по мере расплавления шихты.

Изобретение "СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ" (Тимофеева Анна Стефановна, Никитченко Татьяна Владимировна, Кожухов Алексей Александрович, Киселева Наталия Анатольевна, Мельников Евгений Николаевич) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога