способ производства стали и линия для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ производства стали, включающий получение частично восстановленного железосодержащего окисленного материала, последующую его подачу в шихту электродуговой печи, подачу флюса и восстановителя, плавление шихты, окончательное восстановление материала и рафинирование расплава, выпуск и разливку стали, отличающийся тем, что частично восстановленный железосодержащий окисленный материал получают в виде конгломерата из окисленного железосодержащего материала и железоуглеродистого сплава с общей степенью начальной металлизации 50 95 при этом в электродуговую печь его подают в количестве 5 100 от железосодержащей части шихты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окисленного железосодержащего материала используют окисленные окатыши, железную руду, агломерат, железорудный концентрат, окалину.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве железоуглеродистого сплава используют чугун или сталь.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что частично восстановленный железосодержащий окисленный материал получают путем заливки окисленного железосодержащего материала железоуглеродистым расплавом с последующим образованием конгломерата при кристаллизации.

5. Линия для производства стали, содержащая установленные по ходу технологического процесса и связанные между собой транспортными коммуникациями установку для получения частично восстановленного железосодержащего окисленного материала, электродуговую печь и установку для разливки стали, отличающаяся тем, что установка для получения частично восстановленного железосодержащего окисленного материала содержит литейную конвейерную машину, связанную системой трубопроводов с расположенными над ней расходными бункерами для окисленного железосодержащего материала, и печь получения железоуглеродистого сплава, при этом печь связана с конвейерной машиной посредством транспортных коммуникаций.

6. Линия по п. 5, отличающаяся тем, что в качестве печи для получения железоуглеродистого сплава она содержит доменную печь, или вагранку, или индукционную печь, или электродуговую печь или печь ПЖВ.

7. Линия по п.5, отличающаяся тем, что в качестве транспортных коммуникаций, связывающих литейную конвейерную машину и печь для получения железоуглеродистого сплава, она содержит систему желобов.

8. Линия по п.5, отличающаяся тем, что в качестве транспортных коммуникаций, связывающих литейную конвейерную машину и печь для получения железоуглеродистого сплава, она содержит систему подачи жидких расплавов железнодорожным транспортом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, конкретно к составам шихт для производства стали, и предназначено, в частности, для выплавки стали в электропечах.

Известен способ получения частично восстановленного железосодержащего окисленного материала и последующую его подачу в шихту электродуговой печи (процесс "Стратеджик Юди" прототип, см. Развитие безкоксовой металлургии. Под ред. Н.А.Тулина, К.Майера. М. Металлургия, 1987, с.43-45), при котором восстановление руды (по крайней мере частичное) проводят во вращающейся или дуговой печи, затем горячий продукт перерабатывают в электропечи в металл. Вращающаяся печь не имела подвода воздуха через корпус, следовательно, был предусмотрен только один подвод тепла со стороны выгрузки из печи. Предварительно восстановленный материал вместе с прокаленным углем загружали через футерованную течку (воронку) в дуговую печь, где происходило окончательное восстановление металла и его плавление. Для управления балансом углерода был предусмотрен дополнительный подвод угля через отверстия в корпусе печи (с помощью черпаков). Это делалось для того, чтобы в электропечь поступал только прокаленный углеродсодержащий материал.

Важнейшими проблемами, не разрешенными в процессе испытания способа "Стратеджик Юди", явились подвод тепла в зону реакции восстановления железа углеродом из оксидного расплава в начале процесса и подвод оксидов железа в зону реакции при его завершении. Реакция (FeO) + C_тв (или ICI) Fe_ж + CO_газ является сильно эндотермической, что приводит к охлаждению расплава. Кусочки восстановителя, отягченные корольками восстановленного железа (или капли восстановленного науглероженного железа), все глубже погружаются в оксидный расплав, охлаждая и вспенивая его вокруг себя реакционным монооксидом углерода. Этот процесс, бурный при уверенной подаче восстановителя, становится неуправляемым при его избытке, так как, погружаясь до нижних слоев, он превращает в пену весь находящийся в ванне оксидный расплав. Пена фонтанами бьет из электродных отверстий и загрузочных устройств, электрические дуги, поднимаясь вместе с пеной, горят под сводом, вызывая ток, близкий к короткому замыканию, плавка прекращается по воле оператора или в результате автоматического отключения. Подача восстановителя, исключающая катастрофическое вспенивание, обеспечивала восстановление до 0,22 т/ч железа на 1 м² поверхности руднофлюсового расплава. Снижение удельной производительности было особенно заметно при достижении содержания оксидного железа в шлаке < 15% В это время возникала вторая проблема - замедление процесса восстановления из-за уменьшения поверхности контакта и концентрации реагентов: интенсивность кипения шлаковой ванны снижалась, а вязкость шлака возрастала. Таким образом, промышленное применение данного способа не было успешным.

В настоящее время в решении задачи значительного улучшения качества и сортамента стали и проката, поставленной перед черной металлургией, большое значение приобретает металлургия железа, методами которой на базе чистых железорудных материалов можно получать чистую по примесям первородную шихту.

В настоящее время особое значение приобретает применение чистых шихтовых материалов для выплавки высококачественных сталей (жаропрочные, конструкционные легированные и углеродистые, электротехнические, подшипниковые, металлокорд, стали для судостроения).

Техническая задача получение шихтовой заготовки высокого качества, применение которой при выплавке сталей позволяет уменьшить количество вредных примесей.

Технический результат достигается тем, что в способе производства стали, включающем получение частично восстановленного железосодержащего окисленного материала, последующую его подачу в шихту электродуговой печи, подачу флюса и восстановителя, плавление шихты, окончательное восстановление материала и рафинирование расплава, выпуск и разливку стали, частично восстановленный железосодержащий окисленный материал получают в виде конгломерата из окисленного железосодержащего материала и железоуглеродистого сплава. С общей степенью начальной металлизации 50-95% при этом в электродуговую печь его подают в количестве 5-100% от железосодержащей части шихты.

В качестве окисленного железосодержащего материала используют окисленные окатыши, железную руду, агломерат, железорудный концентрат, окалину.

В качестве железоуглеродистого сплава используют чугун или сталь.

Частично восстановленный железосодержащий окисленный материал получают путем заливки твердого окисленного железосодержащего материала железоуглеродистым расплавом с последующим образованием конгломерата при кристаллизации.

В качестве железоуглеродистого расплава с содержанием в нем углерода 0,2-0,45% используют передельный чугун (см. табл.1) или сталь.

В качестве твердого окисленного железосодержащего материала используют окисленные офлюсованные или неофлюсованные железорудные материалы: окатыши, окалину, сырые руды и их отходы, агломерат, фрагментированные металлические отходы, окисленный металлический лом типа стружки и др.

Например, в качестве твердого окисленного железосодержащего материала используют обожженные железорудные окатыши из концентратов КМА.

Физико-химические характеристики железорудной составляющей приведены в табл.2.

Частично восстановленный железосодержащий окисленный материал получают в виде чушек. Чушки представляют собой гомогенный конгломерат углеродсодержащей основы и оксидов железа с максимальными размерами 550х260х120 мм (минимальными размерами 180х180х80 мм) и массой 50 10 кг, наиболее распространенной формой является усеченная пирамида с размерами оснований 180х200 мм и 60х70 м и высотой 80-130 мм.

Свойства суперкома:

Кажущаяся плотность 4,8-6,9 г/см³

Насыпная масса 3,0-4,8 т/м³

Теплопроводность 40-60 Вт/мК

Удельное электросопротивление - (3,3-4,8)10⁶Оммм²/м

Удельная поверхность чушек 8-15 м²/т

Температура плавления 1200-1250^oC

Частично восстановленный железосодержащий оксидный материал не содержит взрывоопасных предметов, посторонних примесей органического и минерального происхождения.

Наиболее широкое распространение получил состав, состоящий из 80% железоуглеродистого сплава и 20% оксидов железа. Химический состав железоуглеродистого сплава (передельного чугуна), оксида железа (обожженных железорудных окатышей) и расчетный состав частично восстановленного железосодержащего оксидного материала приведен в табл.3.

Содержание цветных и примесных элементов в суперкоме гарантируется в пределах, указанных в табл.4.

Постоянство материала по его составу, размеру и весу гарантировано и отвечает техническим требованиям сталелитейных заводов. Это обеспечивает возможность автоматизации процесса производства частично восстановленного железосодержащего оксидного материала.

Частично восстановленный железосодержащий оксидный материал получают с общей степенью начальной металлизации 50-95%

При исходной начальной степени металлизации менее 50% относительная доля оксидов железа в материале получается излишне большой, а доля железоуглеродистого сплава малой. Процесс восстановления оксидов в этом случае протекает не до конца, поскольку количества углерода, содержащегося в железоуглеродистом сплаве, становится недостаточно для полного восстановления оксидов железа, избыток которых переходит в шлак. При этом возрастает содержание оксидов железа в шлаке и количество шлака, а также имеет место мягкое расплавление, вызывающее необходимость проведения дополнительной операции науглероживание ванны. Это приводит к увеличению длительности плавки и расходу электроэнергии, а также снижению стойкости футеровки и возрастанию удельного расхода огнеупоров.

При начальной степени металлизации более 95% относительная доля оксидов железа в материале получается малой, а доля железоуглеродистого сплава излишне большой. При этом оксиды железа полностью восстанавливаются углеродом, в результате чего отсутствует их переход в шлак и как следствие этого шлак содержит мало оксидов железа. Это затрудняет растворение извести в шлаке. Формирование шлака резко ухудшает рафинирующие свойства шлака в отношении удаления фосфора и серы. Кроме того, из-за недостатка кислорода на окисление углерода концентрация углерода в металле по расплавлению ванны оказывается повышенной. Вместе взятые эти факторы вызывают увеличение длительности окислительного периода и плавки в целом, а также увеличение энергозатрат. Исходная (начальная) степень металлизации в пределах 50-95% обеспечивает получение заданной концентрации углерода по расплавлению ванны, возможность ее регулирования в широких пределах от 0,3 до 1,3% а также позволяет обеспечить необходимую степень дефосфорации и десульфурации металла благодаря формированию шлака оптимального состава при его минимальном количестве в печи. Вследствие этого продолжительность электроплавки и расход электроэнергии получаются минимальными.

В дуговую электропечь частично восстановленный железосодержащий оксидный материал подают в количестве 5-100% от железосодержащей части твердой шихты.

Доля шихтовой заготовки в завалке в пределах 5-100% соответствует получению широкого сортамента сталей с наилучшими технико-экономическими показателями при обеспечении требуемой чистоты стали по примесям цветных металлов и ее качества.

При количестве шихтовой заготовки в завалке менее 5% не обеспечивается основное условие ее применения чистота по примесям и сокращение продолжительности плавки и расхода электроэнергии, не достигается также требуемая степень удаления фосфора. Кроме этого, окисление углерода расплава кислородом оксидов, имеющихся в исходном материале, недостаточно для вспенивания шлака и закрытия им электрических дуг, что увеличивает затраты. Недостаточное выделение монооксида и относительно слабое перемешивание им ванны не позволяют ускорить заметно ее нагрев и улучшить рафинирование от газов и включений. Поэтому качество стали ухудшается, а длительность плавки и расход энергии увеличиваются.

При количестве шихтовой заготовки в завалке 100% достигается гарантированное и минимально возможное содержание примесей цветных металлов в готовом металле, что улучшит механические и эксплуатационные свойства изделий, изготовленных из этого металла. Способ выплавки стали на 100% такой шихте целесообразен для получения высокопрочных конструкционных сталей, сталей для автолиста, кордовых сталей и других марок, к которым предъявляются повышенные требования в отношении чистоты. При этом некоторое ухудшение показателей электроплавки компенсируется повышенным качеством металла и сокращением брака.

В качестве наиболее близкого аналога линии для осуществления предложенного выше способа производства стали принята схема применяемого оборудования, о которой имеются сведения при описании процесса "Стратеджик Юди" (см. рис. 1.22 на с.44 "Развитие бескоксовой металлургии". Под ред.Н.А.Тулина. К.Майера. М. Металлургия, 1987), которая включает бункер подачи шихтовых материалов, вибрационный грохот, дробилку, ленточный конвейер с расходным бункером, расходные бункера руды, добавок и угля, вращающуюся печь, систему дозирования шихты в электропечь, электропечь.

Предложенная линия для производства стали отличается от известной тем, что установка для получения частично восстановленного железосодержащего окисленного материала содержит литейную конвейерную машину, связанную системой трубопроводов с расположенными над ней расходными бункерами для окисленного железосодержащего материала, и печь получения железоуглеродистого сплава, при этом печь связана с конвейерной машиной посредством транспортных коммуникаций.

В качестве печи или получения железоуглеродистого сплава линия содержит доменную печь, или индукционную печь, или электродуговую печь, или печь ПЖВ.

В качестве транспортных коммуникаций, связывающих литейную конвейерную машину и печь для получения железоуглеродистого сплава, линия содержит систему желобов.

В качестве транспортных коммуникаций, связывающих литейную конвейерную машину и печь для получения железоуглеродистого сплава, линия содержит систему подачи жидких расплавов железнодорожным транспортом.

Для практического осуществления способа получения частично восстановленного железосодержащего окисленного материала в промышленных масштабах на современном уровне техники необходимо высокопроизводительное, простое, надежное, недорогое и безопасное в эксплуатации оборудование, исключающее или сводящее до минимума ручной труд.

В основном этим требованиям отвечает оборудование, применяемое в существующих доменных цехах металлургических предприятий для разливки чугуна в чушки на разливочных машинах. Такой подход позволяет исключить дополнительные капзатраты на создание оборудования.

Разливочные машины чугуна с их вспомогательным оборудованием имеют высокую производительность, надежны и относительно дешевы в эксплуатации, неприхотливы, просты и безопасны при обслуживании. Форма и размеры чушек чугуна сформировались в течение длительного времени передела холодного чугуна на сталь и отвечают требованиям сталеплавильного производства.

В разливочном отделении размещены: кантовальное устройство, при помощи которого чугун из ковша сливается через желоб в мульды конвейеров, кран-балка для механизации вспомогательных работ, железнодорожные пути для подачи ковшей с чугуном с наливной стороны и уборки полученных чушек с разгрузочной стороны машины, маневровое устройство для подтягивания ж/д платформы с чушками из частично восстановленного железосодержащего окисленного материала.

Для загрузки окатышей в мульды машина дооборудуется установкой для дозированной загрузки окатышей из транспортных средств (ж/д вагон или автомобиль) в расходные бункера.

Одним из вариантов может быть система подачи окатышей пневмотранспортом. Предварительно подсушенные до влажности 2% обожженные железорудные окатыши фракцией 5-25 мм подают железнодорожным или автомобильным транспортом к разливочной машине. Далее грейферным краном окатыши засыпаются в приемный бункер, откуда пневмотранспортом перекачиваются по трубопроводу в бункер-распределитель. В качестве транспортного агента используется осушенный воздух с давлением 4-6 ат и расходом 6-8 м³/кг окатышей.

Заполненные окатышами мульды приводом конвейера подаются под сливной носок желоба, по которому из чугуновозного ковша подается чугун.

Ковш с чугуном подают тепловозом к наливной стороне машины и кантуют с помощью кантовальной лебедки. Из ковша чугун поступает в ванну наклонного желоба, сливной носок которого имеет Т-образную форму (один из вариантов), обеспечивающую заполнение чугуном мульд с окатышами.

Частичное восстановленный железосодержащий окисленный материал является заменителем амортизационного лома, металлизованных окатышей и чугуна при выплавке стали в различных агрегатах и может использоваться в электроплавке в количестве до 100% от массы металлошихты.

При доле его в шихте до 20-30% он применяется в качестве заменителя лома, прежде всего тяжеловесного обрези слябов, слитков и непрерывной литой заготовки. Наряду с ролью заменителя лома выполняет функцию разбавителя жидкой ванны и снижения концентрации меди и других примесей цветных металлов. При выплавке высокоуглеродистых сталей может использоваться как заменитель чугуна как без изменения его расхода, так и с увеличением его расхода.

В случае использования в шихте в количестве 30-60% выполняет роль первородной шихты, заменяя собой металлизованные окатыши, брикеты горячего прессования и другие виды предварительно восстановленного железа, а также лом. При таком количестве полученный жидкий расплав имеет минимальную концентрацию примесей цветных металлов и по чистоте аналогичен металлу, выплавленному из металлизованного сырья. В таких количествах его предпочтительно использовать при выплавке конструкционных сталей ответственного назначения.

Завалка частично восстановленного железосодержащего окисленного материала в электропечь при количестве его в шихте до 20-30% может осуществляться в один прием, а при большом количестве в два приема в завалку и подвалку.

Пример конкретного выполнения. Выплавка анизотропной электротехнической (трансформаторной) стали производилась в 100-тонных электропечах ЭСПЦ. Состав металлошихты соответствовал, мин.-макс./средн. т:

Металлический лом 72-85/77,6

Частично восстановленный железосодержащий окисленный материал - 11-23/17,8.

Особое внимание уделялось условиям формирования жидкоподвижного шлака в конце плавления шихты. Увеличение присадки извести, агломерата и плавикового шпата в завалку способствовало получению шлака необходимой подвижности, обеспечивающей сход его через порог завалочного окна.

Проведенный анализ проб металла по ходу выплавки показывает, что формирование большого количества жидкоподвижного шлака в конце периода плавления обеспечивает низкие остаточные концентрации фосфора, серы и хрома уже в данной фазе плавки. Обновление шлака производилось в основном только присадками агломерата для обеспечения обезуглероживания металла.

При стабилизации состава суперкома содержание углерода в металле по расплавлению шихты стабилизируется относительно среднего значения в пределах 0,10% абс.

Как видно из табл.5, расход электроэнергии на плавку колеблется в пределах 50400-60900 кВтч и, в среднем, составляет 55650 кВтч, в том числе на плавление шихты 49350 кВтч.

Анализ проб металла по ходу плавки см. в табл.6, а показатели качества литых слябов на плавках с использованием частично восстановленного железосодержащего окисленного материала см. в табл.7. Слябы отливали на машине непрерывного литья заготовок. Выход марок анизотропной электротехнической стали в зависимости от состава шихты см. в табл.8.

По сравнению с прототипом достигнуто снижение содержания примесей цветных металлов на 30-50%

Химический состав литого металла соответствовал ТИ 106-СТ.ЭС-01-91 по всем элементам. Выход слябов для всей опытной технологии составил 104,6 т на плавку при массе металлошихты плавки, равной 113,2 т, что соответствует 92,4% от массы шихты.

Качество литого металла соответствует уровню качества металла, выплавленного по обычной технологии. Отмечается также снижение продолжительности плавления шихты на 20-50 мин и повышение производительности.

Пример конкретного выполнения. Состав металлошихты соответствовал 100% частично восстановленному железосодержащему окисленному материалу.

Работа была проведена в 3-тонной дуговой печи ДСП-3А с трансформатором мощностью 1,8 мВт при выплавке углеродистых сталей.

На подине печи оставляли 10-30% жидкого расплава от предыдущей плавки. На остаток расплав загружали известь в количестве 90-150 кг и 200-250 кг окислителя агломерата или окисленные железорудные окатыши. После этого в печь одной порцией загружали 3,3-3,5 т частично восстановленного железосодержащего окисленного материала [чушки из железорудных окатышей, залитых предельным чугуном в соотношении соответственно (10-20):(80-90)] и включали подачу электроэнергии. Через 7-10 мин от момента включения печи начинали ввод кислорода через неохлаждаемую стальную трубу диаметром 3/4 дюйма. Расход кислорода составлял 5-8 м³/т стали. После расплавления 70-80% металлозавалки производили скачивание шлака через порог рабочего окна и отбирали предварительную пробу металла.

По ходу плавления для обновления шлака присаживали в ванну агломерат в количестве 5-12 кг/т стали и плавиковый шпат 1-3 кг/т. В конце периода плавления достигались низкие концентрации фосфора, серы, хрома и др. цветных металлов. Поэтому окислительный период сводился к корректировке содержания углерода присадками окислителя и вводом кислорода и нагреву металла. По окончании окислительного периода металл выпускали в ковш, где производили его раскисление. Химический состав отвечал требованиям ГОСТа для марки СТЗ.

Преимущества применения частично-восстановленного железосодержащего окисленного материала:

высокая исходная чистота по содержанию цветных металлов и примесных (остаточных) элементов, например Ni, Cu, Mo, Sn, Pb, Zn, что приводит к снижению содержания этих элементов в жидкой стали;

снижение температуры плавления на 200-300^oC по сравнению с работой на ломе, что ускоряет проведение процесса плавки;

раннее начало окисления углерода, непрерывное его протекание по ходу плавления, повышенные скорости окисления углерода, достигающие в зоне плавления значений 0,4-0,8% С/мин;

непрерывное выделение монооксида углерода по ходу плавления/окислительного периода, что улучшает нагрев ванны и ее рафинирование от газов и неметаллических включений, а также улучшает тепловой баланс печи;

быстрое формирование шлака (через 7-12 мин после включения тока) с основностью 1,7-2,2, обладающего вспенивающими свойствами;

сокращение длительности плавки на 20-50 мин по сравнению с работой на металлизованных окатышах.

Примечания к таблицам. Частично восстановленный железосодержащий окисленный материал сокращенное название суперком. Выход марок листовой электротехнической анизотропной стали для толщины 0,3 мм и 0,35 в зависимости от состава шихты представлен в табл. 4, из которой следует вывод о том, что продукция находится на достаточно высоком уровне качества. Для стали выход марок 3400-3409 составил:

толщина 0,3 мм 90,1% на 2,4% превышает выход этих марок, когда при выплавке стали вместо суперкома в шихту вводился чушковый чугун;

толщина 0,35 мм 92,4% соответственно на 6%