Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛИ В ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к способам получения стали в дуговой электросталеплавильной печи (ДСП).

Известен способ получения стали в дуговой электросталеплавильной печи, включающий завалку в печь металлома, заливку чугуна, расплавление металлошихты, окисление углерода газообразным кислородом, дефосфорацию стали путем присадки железной руды или агломерата и извести, скачивание шлака через порог рабочего окна, выпуск стали в ковш и присадку извести, раскислителей и легирующих, отличающийся тем, что известь во время плавления вводят в составе смеси, содержащей известково-магнезиальный ожелезненный флюс и известь, при соотношении флюса к извести (0,15-0,50):1 в количестве 2,5-4% от массы плавки до достижения концентрации в шлаке MgO=8-15%, CaO=35-55%, при этом производят продувку газообразным кислородом для получения концентрации FeO не менее 15%, при выпуске стали в ковш осуществляют отсечку печного шлака, а известь в ковш присаживают в количестве 1,7-2,5% от массы жидкой стали (Патент РФ №2269577, МПК С21С 5/52).

Существенными недостатками данного способа являются:

- заявленное содержание в шлаке MgO=8-15% обеспечивает снижение износа огнеупорной футеровки ДСП в условиях окончания плавки (периода рафинирования), однако содержание в шлаке MgO 8% и более является избыточным для условий начала и середины плавки (период расплавления), что приводит к затягиванию шлакообразования в период расплавления из-за формирования чрезмерно густых шлаков, в результате чего снижается степень дефосфорации металла. Кроме того, это приводит к интенсивному образованию трудноудаляемых настылей шлакового происхождения на элементах футеровки ДСП (откосах, элементах рабочего окна, эркерного узла), в результате чего периодически возникают аварийные ситуации, например невозможность слива металла из ДСП в ковш по окончании плавки при зарастании эркерного узла слива, невозможность скачивания вспененного шлака по ходу плавки через порог рабочего окна при зарастании окна;

- заявленное содержание в шлаке MgO=8-15% обеспечивают повышение вспениваемости шлака в ограниченном диапазоне содержания FeO, что приводит к перерасходу электроэнергии при превышении FeO в шлаке более 30% в период плавления и более 25% в период рафинирования;

- рекомендованное содержание в шлаке СаО=35-55% не увязано с содержанием в шлаке SiO₂, т.е. с отношением СаО к SiO₂, что на практике не позволяет использовать рекомендованное содержание СаО=35-55% в качестве критерия оптимизации процесса с точки зрения рафинирующей способности и вязкости шлака.

Известен также способ получения стали в дуговой электросталеплавильной печи, включающий следующие стадии: получение кальциево-силикатного шлака с высоким содержанием извести во время периода плавления и периода рафинирования, включающих нагревание шихты для получения стали в электрической сталеплавильной печи; введение кондиционера для шлака, состоящего в расчете на массу из смеси отсортированных по размеру агрегатов и от 2 до 30% связующего вещества для связывания упомянутых агрегатов, при этом упомянутая смесь включает от 40 до 80% обожженного до полного спекания магнезита, включающего частицы размером менее 8 мм, из которых, по меньшей мере, 30% имеют размер 0,2 мм и более, и содержащего от 35 до 94% MgO; до 40% легко обожженного магнезита; от 5 до 50% углерода, выбранного из группы, включающей уголь, кокс, графит и нефтяной кокс, в упомянутую электрическую сталеплавильную печь в количестве, необходимом для повышения содержания MgO в кальциево-силикатном шлаке с высоким содержанием извести до 5-14%, тем самым придавая шлаку кремообразную структуру, невыщелачивающую растворимый MgO, вызывая образование пены для увеличения объема шлака и нанесение защитного покрытия на боковые стенки электрической сталеплавильной печи; кроме того, упомянутый кондиционер для шлака может вводиться в количестве, достаточном для повышения уровня MgO в упомянутом содержащем большое количество извести кальциево-силикатном шлаке до 18%; кроме того, упомянутый кондиционер для шлака может вводиться в количестве, достаточном для повышения уровня MgO в упомянутом содержащем большое количество извести кальциево-силикатном шлаке до 14%, при этом отношение СаО к SiO₂ составляет от 1,8 до 2,1 (Заявка РФ №2005135628, МПК С21С 5/00 от 16.11.2005).

Существенными недостатками данного способа являются:

- заявленное содержание в шлаке MgO=5-18% обеспечивает снижение износа огнеупорной футеровки ДСП в условиях окончания плавки (периода рафинирования), однако содержание в шлаке MgO 5% и более является избыточным для условий начала плавки (период расплавления), что приводит к затягиванию шлакообразования в период расплавления из-за формирования чрезмерно густых шлаков и интенсивному образованию трудноудаляемых настылей шлакового происхождения на откосах ДСП, в результате чего уменьшается рабочий объем ванны и возникают затруднения при проведении плавки вследствие повышения уровня металла;

- заявленное отношение СаО к SiO₂ от 1,8 до 2,1 при содержании MgO в шлаке до 14% в характерном для современной электроплавки диапазоне содержаний FeO от 15 до 40% снижает рафинирующую способность шлака, не позволяя получать сталь с содержанием фосфора менее 0,020%;

- заявленное содержание в шлаке MgO=5-18% не увязано ни с отношением СаО к SiO₂, ни с содержанием FeO, что может в определенные периоды плавки вызывать как снижение вспениваемости шлака, так и его рафинирующей способности, а также образование трудноудаляемых настылей шлакового происхождения на элементах футеровки ДСП.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение стойкости огнеупорной футеровки ДСП при одновременном исключении аварийных ситуаций, связанных с зарастанием элементов футеровки ДСП тугоплавкими настылями шлакового происхождения, и улучшение шлакового режима плавки путем регулирования процесса шлакообразования по периодам плавки, приводящее к снижению расхода электроэнергии и содержания фосфора в стали.

Для этого предлагается способ получения стали в дуговой электросталеплавильной печи, включающий загрузку лома и чугуна, их расплавление и последующее рафинирование полученного металлического расплава путем ввода шлакообразующих и вдувания кислорода, вспенивание шлака методом одновременного вдувания в ванну кислорода и угля, согласно изобретению регулируют вязкость и рафинирующие свойства шлака в периоды расплавления чугуна и лома и рафинирования металлического расплава, при этом в период расплавления чугуна и лома шлакообразующие вводят в количестве, обеспечивающем содержание в шлаке 3-5% MgO и отношение СаО к SiO₂ от 2 до 2,5 при содержании FeO от 20 до 30%, а в начале периода рафинирования металлического расплава при достижении температуры 1540-1550°С шлакообразующие вводят в количестве, обеспечивающем содержание в шлаке 7-16% MgO и отношение СаО к SiO₂ от 2 до 3 при содержании FeO от 15 до 25%, причем после каждого периода вспененный шлак скачивают через порог рабочего окна.

В качестве контролирующих параметров при осуществлении способа учитывалось, что содержание в шлаке MgO, FeO и отношение СаО к SiO₂ в комплексе определяют вероятность образования трудноудаляемых настылей на футеровке ДСП, агрессивность шлака по отношению к огнеупорам, его рафинирующую способность, а также вязкость - свойство шлака, в значительной мере характеризующее его способность к вспениванию. Указанный технический результат достигается тем, что содержание в шлаке MgO, FeO и отношение СаО к SiO₂ взаимосвязанно регулируются по периодам плавки соответственно температурным условиям периодов расплавления чугуна и лома и рафинирования металлического расплава. Заявленная последовательность технологических операций, а также пределы химического состава шлака по периодам плавки выбраны из следующих предпосылок опытным путем.

Содержание в шлаке периода расплавления чугуна и лома FeO=20-30% при отношении СаО к SiO₂ от 2 до 2,5 определено исходя из комплексного характера влияния данных параметров на важнейшие свойства шлаков периода расплавления - их рафинирующую способность, вспениваемость, агрессивность к футеровке, а также на потери шихты. Снижение FeO менее 20% в шлаке периода расплавления приводит к затягиванию шлакообразования из-за повышенной вязкости маложелезистого шлака, что вызывает оголение зеркала наплавленного металла и его интенсивное испарение, снижение фосфоропоглотительной способности шлака, невозможность его вспенивания для экранирования дуг. Превышение FeO более 30% в шлаке периода расплавления приводит к необоснованному увеличению потерь шихты в виде оксидов железа и резкому снижению вязкости шлака, что повышает его агрессивность по отношению к огнеупорам ДСП и снижает его вспениваемость, как следствие, вызывая дополнительные потери электроэнергии. Снижение отношения СаО к SiO₂ в шлаке периода расплавления менее 2 ед. приводит к снижению фосфоропоглотительной способности шлака, повышению его агрессивности к футеровке. Повышение отношения СаО к SiO₂ в шлаке периода расплавления более 2,5 ед. приводит к затягиванию шлакообразования из-за формирования чрезмерно густых шлаков, что вызывает оголение зеркала наплавленного металла и его интенсивное испарение, снижение фосфоропоглотительной способности шлака, невозможность его вспенивания для экранирования дуг, а также требует необоснованного дополнительного ввода извести.

Содержание MgO=3-5% в шлаке периода расплавления чугуна и лома выбрано исходя из фактической емкости шлака по оксиду магния с FeO=20-30% и отношении СаО к SiO₂ от 2 до 2,5 в температурных условиях расплавления. Для этого периода характерно наличие значительного количества твердого лома в ванне, который сдерживает рост температуры жидкой ванны, оказывая на нее эффект термостата, заключающийся в том, что вводимая в печь энергия практически полностью расходуется на плавление твердого лома, т.е. на фазовый переход лома из твердого состояния в жидкое при температуре плавления лома, а не на повышение теплосодержания уже расплавленных металла и шлака. В результате температура жидкого шлака по ходу периода расплавления изменяется от температуры начала плавления шлака (около 1400°С) до 1540-1550°С, не намного превышая температуру плавления лома (1520-1530°С). В этих условиях при отношении СаО к SiO₂ от 2 до 2,5 и содержании FeO=20-30% концентрация насыщения шлака оксидом магния изменяется от 3 до 5%. Поэтому для подавления процесса растворения огнеупоров ДСП шлаком в период расплавления достаточно обеспечить ввод в шлак 3-5% MgO из шлакообразующих. Снижение поступления MgO в шлак из шлакообразующих менее 3% приведет к тому, что недостаток MgO в шлаке до концентрации насыщения (3-5% MgO) будет компенсироваться поступлением MgO из огнеупоров ДСП, т.е. приведет к постепенному разрушению футеровки ДСП. Превышение поступления MgO в шлак из шлакообразующих более 5% приведет к затягиванию шлакообразования из-за формирования чрезмерно густых шлаков, что вызовет оголение зеркала наплавленного металла и его интенсивное испарение, снижение фосфоропоглотительной способности шлака, невозможность его вспенивания и, как следствие, потери электроэнергии, а также образование трудноудаляемых настылей шлакового происхождения на элементах футеровки ДСП (откосах, элементах рабочего окна, эркерного узла).

Содержание в шлаке периода рафинирования металлического расплава FeO=15-25% при отношении СаО к SiO₂ от 2 до 3 определено исходя из комплексного характера влияния данных параметров на важнейшие свойства шлаков периода рафинирования - их рафинирующую способность, вспениваемость, агрессивность к футеровке. Снижение FeO менее 15% в шлаке периода рафинирования приводит к затягиванию шлакообразования из-за повышенной вязкости маложелезистого шлака, что вызывает снижение фосфоропоглотительной способности шлака, существенную потерю его вспениваемости и, как следствие, потери электроэнергии. Превышение FeO более 25% в шлаке периода рафинирования приводит к резкому снижению вязкости шлака, что повышает его агрессивность по отношению к огнеупорам ДСП и снижает его вспениваемость, как следствие, вызывая дополнительные потери электроэнергии. Снижение отношения СаО к SiO₂ в шлаке периода рафинирования металлического расплава менее 2 ед. приводит к снижению фосфоропоглотительной способности шлака, повышению его агрессивности к футеровке. Повышение отношения СаО к SiO₂ в шлаке периода рафинирования более 3 ед. приводит к затягиванию шлакообразования из-за формирования чрезмерно густых шлаков, что вызывает снижение фосфоропоглотительной способности шлака, существенное снижение его вспениваемости и, как следствие, потери электроэнергии.

Содержание MgO в шлаке периода рафинирования металлического расплава 7-16% выбрано исходя из фактической емкости шлака по оксиду магния с FeO=15-25% и отношении СаО к SiO₂ от 2 до 3 в температурных условиях рафинирования. Начало данного периода следует за окончанием периода расплавления чугуна и лома и совпадает с моментом исчезновения твердого лома в ванне, который в период расплавления оказывал на нее термостатический эффект, сдерживая рост ее температуры. Таким образом, с началом периода рафинирования металлического расплава, соответствующим достижению температуры ванны 1540-1550°С, исчезает термостатический эффект плавления лома, в результате чего температура ванны и в т.ч. жидкого шлака начинает быстро расти со скоростью около 20-30°С/мин вплоть до 1650°С и более. В этих условиях при отношении СаО к SiO₂ от 2 до 3 и содержании FeO=15-25% концентрация насыщения шлака оксидом магния изменяется от 7 до 16%. Поэтому для подавления процесса растворения огнеупоров ДСП шлаком в период рафинирования достаточно обеспечить ввод в ДСП шлакообразующих до достижения в шлаке MgO=7-16%. Снижение поступления MgO в шлак из шлакообразующих до его содержания менее 7% приведет к тому, что недостаток MgO в шлаке до концентрации насыщения (7-16% MgO) будет компенсироваться поступлением MgO из огнеупоров ДСП, т.е. приведет к постепенному разрушению футеровки ДСП. Превышение поступления MgO в шлак из шлакообразующих до его содержания более 16% приведет к затягиванию шлакообразования из-за формирования чрезмерно густых шлаков, что вызовет снижение фосфоропоглотительной способности шлака, невозможность его вспенивания и, как следствие, потери электроэнергии, а также образование трудноудаляемых настылей шлакового происхождения на элементах футеровки ДСП (откосах, элементах рабочего окна, эркерного узла).

Заявляемый способ получения стали был реализован на ДСП-80 конструкции фирмы Danieli с трансформатором 60 МВА. Выплавка стали производилась следующим образом. Шихта состояла из 54-58 т углеродистого лома и 22-26 т жидкого передельного чугуна. В период расплавления чугуна и лома в печь загружались известь в количестве 1700-2000 кг и 200-250 кг магнезиального флюса ФОМИ, содержащего MgO ≥ 66,0%, СаО=12-22%, Fe₂O₃=4-8%, SiO₂≤5,0%, S≤0,05% с размером гранул 10-25 мм. Скорость подачи кислорода составляла 1900-2300 нм³/ч с соотношением вдуваемых в печь угля и кислорода 0,4 кг/нм³, при этом обеспечивалось получение шлака, содержащего 3-5% MgO и 20-30% FeO с отношением СаО к SiO₂ от 2 до 2,5. По ходу плавления осуществлялось скачивание вспененного шлака через порог рабочего окна. В начале периода рафинирования металлического расплава после достижения ванной температуры 1540-1550°С в ДСП вводилась известь в количестве 1000-1300 кг и 450-500 кг магнезиального флюса ФОМИ. Скорость подачи кислорода увеличивалась до 2400-3000 нм³/ч с соотношением вдуваемых в печь угля и кислорода 0,6 кг/нм³, при этом обеспечивалось получение шлака, содержащего 7-16% MgO и 15-25% FeO с отношением СаО к SiO₂ от 2 до 3. По ходу рафинирования производилось скачивание вспененного шлака через порог рабочего окна. По достижении сталью необходимой температуры, а также содержания углерода и фосфора производился выпуск стали в ковш.

Заявляемый способ позволил увеличить стойкость футеровки ДСП-80 на 8-10%, исключить случаи аварийного слива металла из эркерного отверстия и шлака через порог рабочего окна вследствие предотвращения интенсивного зарастания элементов футеровки печи настылями шлакового происхождения, повысить степень дефосфорации на 10-15% при гарантированном получении содержания фосфора в стали не более 0,020%, снизить расход электроэнергии на 10-15 кВт·ч/т.