способ получения литейного чугуна

Формула изобретения

1. Способ получения литейного чугуна, включающий загрузку в печь сырья, содержащего источник железа и источник кремния, подачу электрической энергии на электроды для образования между ними электрической дуги и нагрев и плавление сырья, отличающийся тем, что упомянутая печь является печью с погруженной дугой, сырье содержит углеродсодержащий восстанавливающий агент и источник железа содержит железный или стальной лом, сырье подают в печь вблизи электродов печи и осуществляют плавление источника железа посредством электрической дуги между электродами для получения литейного чугуна, имеющего содержание кремния приблизительно от 0,05 до 9,5 вес.%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют непрерывно удаление расплавленного литейного чугуна из печи.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют плавление железного или стального лома с получением литейного чугуна, имеющего содержание углерода, приблизительно от 0,01 до приблизительно 4,5 вес.%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника кремния используют чистый кварцит или песок.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеродсодержащий восстанавливающий агент выбирают из группы, состоящей из древесных стружек, древесного угля, каменного угля, нефтяного кокса, битуминозного кокса и их смесей.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что плавление железного или стального лома и получение литейного чугуна осуществляют по существу в отсутствие шлака.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что источник железа содержит, по меньшей мере, 50 вес.% железного или стального лома.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что источник железа содержит по меньшей мере около 90 вес.% железного или стального лома.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника кремния используют диоксид кремния в количестве приблизительно от 0,01 до 20 вес.% от общего веса загружаемого сырья.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что загружаемое сырье содержит по меньшей мере приблизительно 5,0 вес.% углеродсодержащего восстанавливающего агента в расчете на вес железа в загружаемом сырье.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что загружаемое сырье не содержит кокса.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве печи с погруженной дугой используют печь переменного тока с закрытой дугой, с по меньшей мере двумя удаленными друг от друга электродами, имеющими нижние наконечники, которые погружают в сырье и располагают над ванной с расплавленным металлом в печи для образования дуги над ванной.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что концы наконечников погружают в сырье по меньшей мере приблизительно на 61 см.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что наконечники электродов погружают в сырье и располагают на расстоянии от ванны с расплавленным металлом приблизительно на 30,5 см.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что печь с погруженной дугой содержит по меньшей мере один электрод, на который подают электрический потенциал величиной приблизительно 100 В.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника кремния используют диоксид кремния, при этом дополнительно осуществляют плавление указанного источника кремния в присутствии углеродсодержащего агента для восстановления кремния и получения литейного чугуна с содержанием кремния от приблизительно 0,05 до приблизительно 9,5 вес.%.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве печи с погруженной дугой используют плазменную печь с закрытой дугой.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют плавление железного или стального лома для получения литейного чугуна с содержанием углерода от приблизительно 2% до приблизительно 4 вес.%.

19. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют плавление железного или стального лома для получения литейного чугуна с содержанием кремния от приблизительно 0,5 до приблизительно 4 вес.%.

20. Способ по п.1, отличающийся тем, что плавление источника железа в печи с погруженной дугой осуществляют при температуре от 1148,9 до 1760^oC.

21. Непрерывный способ получения литейного чугуна, включающий непрерывную загрузку в печь сырья, содержащего источник железа и источник кремния, подачу электрической энергии к электродам для образования между ними электрической дуги и нагрев и плавление сырья электрической дугой, отличающийся тем, что упомянутая печь является печью с погруженной дугой, сырье содержит углеродсодержащий восстанавливающий агент, источник железа содержит смесь железного или стального лома, а в качестве источника кремния используют материал, содержащий диоксид кремния, при этом сырье загружают вблизи электродов и плавят железный или стальной лом и материал, содержащий диоксид кремния, в присутствии углеродсодержащего восстанавливающего агента посредством электрической дуги для восстановления кремния и получения литейного чугуна, имеющего содержание кремния приблизительно от 0,05 до 9,5 вес.% и содержание углерода приблизительно от 0,01 до 4,5 вес.% по существу в отсутствие шлака.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что железный или стальной лом имеет размер частиц менее 60 см.

23. Способ по п.21, отличающийся тем, что железный или стальной лом имеет размер частиц менее 0,5 см.

24. Способ по п.21, отличающийся тем, что используют не содержащее железной руды и ферросилиция сырье.

25. Способ по п. 21, отличающийся тем, что загружаемое сырье содержит древесные стружки в количестве по меньшей мере приблизительно 5,0 вес.% от веса железа в загружаемом сырье.

26. Способ по п.21, отличающийся тем, что в качестве материала, содержащего диоксид кремния, используют чистый кварцит.

27. Способ по п.21, отличающийся тем, что получают литейный чугун, имеющий содержание кремния приблизительно от 0,25 до 3,0 вес.%.

28. Способ по п.21, отличающийся тем, что получают литейный чугун, имеющий содержание кремния приблизительно 2,0 вес.%.

29. Способ по п.21, отличающийся тем, что осуществляют загрузку в печь не содержащего кокса сырья.

30. Способ по п.21, отличающийся тем, что углеродсодержащий восстанавливающий агент выбирают из группы, состоящей из древесного угля, каменного угля, древесных стружек, кокса и их смесей.

31. Способ по п.21, отличающийся тем, что источник железа содержит по меньшей мере приблизительно 98 вес.% железного или стального лома.

32. Способ по п.21, отличающийся тем, что поддерживают температуру ванны печи приблизительно от 1148,9 до 1760^oC.

33. Способ по п.21, отличающийся тем, что нагрев и плавление загружаемого сырья осуществляют в печи постоянного тока с закрытой дугой.

34. Непрерывный способ получения литейного чугуна, включающий непрерывную загрузку в печь сырья, содержащего источник железа и источник кремния, подачу электрической энергии для образования электрической дуги, посредством которой осуществляют нагрев и плавление сырья, отличающийся тем, что упомянутая печь является печью постоянного тока с погруженной дугой, сырье содержит углеродсодержащий восстанавливающий агент, источником железа является смесь железного или стального лома, а в качестве источника кремния используют материал, содержащий диоксид кремния, при этом сырье загружают в печь постоянного тока с погруженной дугой вблизи по меньшей мере одного ее электрода для образования слоя сырья и осуществляют одновременное плавление железного или стального лома и материала, содержащего диоксид кремния, в присутствии углеродсодержащего восстанавливающего агента для восстановления кремния и получения литейного чугуна, имеющего содержание кремния приблизительно от 0,05 до 9,5 вес.%, и содержание углерода приблизительно от 0,01 до 4,5 вес.%, по существу в отсутствие шлака.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к способу получения литейного чугуна из железного лома и/или стального лома. Более конкретно, изобретение относится к способу получения литейного чугуна в печи с закрытой дугой с использованием железного лома и/или стального лома в качестве первичных источников железа.

Предшествующий уровень техники

Литейный чугун, используемый для литья и выплавки стали, получают в черной металлургии несколькими различными способами. Применяемый способ обычно зависит от материала сырья и предполагаемого использования литейного чугуна.

Один способ получения литейного чугуна, известный из патентов США N 2242219 и 4731112, использует стандартную печь типа вагранки. Множество источников железа, таких как железный лом, стальной лом и чугун в чушках, подают в вертикальный шахтный ствол печи, нагреваемой от сгорания кокса с продувом воздуха. Добавляемая в печь загрузка обычно содержит множество добавок, таких как ферросилиций, для увеличения содержания кремния в железе и шлакообразующие вещества, такие как известняк, для удаления примесей, таких как сера. Железо, полученное таким способом, обычно содержит приблизительно 1 - 3% кремния и от 2 до 4% углерода.

Печь типа вагранки к сожалению имеет сеточный окислитель кремния, что приводит к тому, что до 30% поступившего кремния теряется в результате окисления и удаляется в шлак. Обычно только приблизительно 70% поступившего кремния объединяется с железом. Кремний является существенным элементом литейного чугуна и обычно добавляется в виде ферросилиция, так как такой кремний способен легко объединяться с железом. Ферросилиций является дорогим источником кремния, поэтому потери кремния в результате окисления могут значительно увеличить стоимость производства.

Печь типа вагранки необходима во многих процессах, так как она может быть энергетически эффективной и требует относительно низких капиталовложений. Вагранка также легко может быть увеличена для получения большего объема продукции от одной установки и может работать при способе с непрерывной загрузкой и выпуском. Углерод легко соединяется с железом и естественно поглощается в вагранке, когда расплавленные железные и стальные капли проходят через горячий кокс и растворяют углерод.

Осуществимость получения литейного чугуна зависит, в частности, от эффективности применяемого способа и стоимости загружаемых материалов. Стоимость железного лома и стального лома зависит от нескольких факторов, включающих в себя содержание железа, количество присутствующих желательных и нежелательных составных частей сплава и размера частиц. Стоимость очень тонкого или легкого железного лома и стали, таких как стружка от сверления или токарная стружка, обычно намного меньше, чем стоимость более тяжеловесного лома, так что желательно использовать легкий лом, когда это возможно. Использование легкого лома в вагранке требует агломерации или брикетирования, так как большой объем газов, выходящих из вагранки в противном случае выносит из печи неприемлемо большое количество загрузки в процентном отношении. Очень мелкий или легкий железный лом должен быть собран в рукавный фильтр или скруббер, приводя к низкому восстановлению железа и, таким образом, увеличивая эксплуатационные затраты.

Литейный чугун также получают традиционно и коммерчески выгодным способом с помощью индукционной электропечи, известным из публикации "Steel Times International", декабрь 1989, с.38-39. В индукционной электропечи загрузку, которая может быть железным ломом, стальным ломом и чугуном в чушках, вводят в печь, плавят, а затем вводят добавки, включающие кремний, углерод и шлакообразующие вещества для покрытия железа. Железную загрузку нагревают вихревыми токами, получаемыми в результате электромагнитной индукции от переменного тока, протекающего в катушке, окружающей загрузку. Кремний обычно добавляют в форме ферросилиция, а углерод добавляют в форме графита с малым содержанием серы. Полученное железо обычно имеет содержание кремния 1-3%, а содержание углерода 2-4%.

Индукционная электропечь к сожалению ограничена периодичностью процесса, при котором отдельные установки обычно способны производить менее 20 тонн чугуна в час. К тому же, электроэнергия достаточно дорога из-за неэффективности периодического процесса.

Другими недостатками являются затраты на средне- и высокотугоплавких материалов, высокие капитальные вложения, высокая стоимость труда, высокая стоимость ферросилиция и науглероживающих добавок и ограниченная возможность увеличения размера установки.

Другим способом получения литейного чугуна, известным из статьи "Электрические печи для получения чугуна" журнала "Металлы", опубл. сентябрь 1963, с. 619-620, является плавка железной руды в дуговой электропечи с закрытой дугой. Электропечи с закрытой дугой имеют преимущество в непосредственном плавлении руд и получении требуемых уровней углерода и кремния в чугуне, используя тепло электрической дуги вместе с одновременным карботермическим химическим восстановлением оксидов металла с помощью углеродсодержащих восстанавливающих агентов, таких как кокс и уголь. Электроды погружают в загрузку и слой шлака, который образуется над расплавленным железом. Такая конструкция создает эффективную теплопередачу между дугой и веществами загрузки. Однако природа нагрева в печи с закрытой дугой требует, чтобы электрическая проводимость загрузки была управляемой для одновременного глубокого погружения электродов в загрузку, в то же время избегая чрезмерных токов, которые могут привести к перегреву электродов.

Железная руда имеет низкую электропроводность, делая ее поддающейся плавлению в печи с закрытой дугой. Известные способы производства литейного чугуна в печах с закрытой дугой ограничены использованием железной руды в форме мелких фракций, болванок или гранул в качестве первичного источника железа. Пример использования печи с закрытой дугой для плавления железной руды раскрыт в патенте США N 4613363, выданном Weinert. Недостаток обычных способов получения чугуна, использующих дуговую печь, заключается в том, что карботермическое восстановление руд для получения железа требует большого количества электроэнергии, увеличивая таким образом стоимость производства. Напротив, более широко применяемые способы получения литейного чугуна (с использованием вагранки и индукционных печей) требуют сравнительно дорогих исходных материалов, таких как тяжеловесное железо или стальной лом, и источников предварительно восстановленного кремния, например, карбида кремния или ферросилиция, которые являются относительно дорогими источниками кремния. Все эти особенности ограничивают эти известные способы получения литейного чугуна. Соответственно, производство железа испытывает настоятельную необходимость в экономичном и эффективном способе получения литейного чугуна.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание эффективного и экономичного способа получения литейного чугуна, используя легкодоступное и недорогое сырье.

Другой задачей настоящего изобретения является создание способа использования железного лома или стального лома в качестве первичных источников железа для получения литейного чугуна.

Другой задачей настоящего изобретения является создание способа получения литейного чугуна в печи с закрытой дугой.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способа плавления железного лома или стального лома в печи с закрытой дугой.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание способа одновременного плавления диоксида кремния и плавления железного или стального лома для получения литейного чугуна.

Другой задачей настоящего изобретения является создание способа получения литейного чугуна, в котором по существу не образуется шлака.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание способа плавления железного или стального лома в печи с закрытой дугой и увеличение содержания кремния и углерода в железе для получения литейного чугуна.

Эти и другие задачи настоящего изобретения, в основном, достигаются способом получения литейного чугуна, содержащего стадии подачи загрузки в печь с закрытой дугой вблизи ее электродов, причем загрузка содержит смесь источника железа, источника кремния и углеродсодержащего восстанавливающего агента, причем источник железа содержит железный или стальной лом, подачи электроэнергии к электродам для образования между ними электрической дуги, нагревания железного лома или стали, источника кремния и углеродсодержащего восстанавливающего агента в печи с помощью электрической дуги между электродами для плавления железного или стального лома и по лучения литейного чугуна.

Способ, согласно настоящему изобретению, способен использовать недорогие железный или стальной лом в печи с закрытой дугой для получения литейного чугуна, в то же время контролируя содержание углерода и кремния и, по существу, при отсутствии шлакообразования. Источник кремния восстанавливают до кремния в присутствии углеродсодержащего восстанавливающего агента для увеличения и изменения содержания кремния в литейном чугуне. Углеродсодержащий восстанавливающий агент производит углерод, который растворяется в железе или стали.

Другие задачи, преимущества и характерные признаки настоящего изобретения станут ясными из нижеследующего подробного описания, которое вместе с прилагаемыми чертежами раскрывает предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

На чертеже изображен увеличенный вид сбоку, частично в сечении, дуговой электропечи с закрытой дугой для использования в способе согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Способ, согласно настоящему изобретению, в основном, содержит подачу железного лома или стали в качестве первичного источника железа, источник кремния и углеродсодержащие вещества, которые служат и в качестве источников углерода для железа и в качестве восстанавливающих агентов в электропечи с закрытой дугой для получения литейного чугуна. В предпочтительных вариантах воплощения настоящего изобретения диоксид кремния или источник диоксида кремния является первичным источником кремния. Тепло, полученное от электрической дуги в печи, принуждает углеродсодержащий восстанавливающий агент восстанавливать диоксид кремния до кремния, который поглощается железом вместе с углеродом из восстанавливающего агента. В предпочтительных вариантах воплощения процесс выполняют непрерывным способом, одновременно расплавляя источники железа и расплавляя источники диоксида кремния в присутствии углеродсодержащего восстанавливающего агента.

Литейный чугун в данном изобретении применяют для определения полученного железного продукта, имеющего, по меньшей мере, приблизительно 0.05 вес.% кремния и, по меньшей мере, приблизительно 0.01 вес.% углерода. Класс литейного чугуна включает в себя различные композиции железа, включающие, например, чугун в чушках, серый чугун, ковкий чугун и литьевой чугун. Литейный чугун, полученный с помощью изобретения, может быть применен непосредственно без дополнительной обработки для получения требуемого продукта в зависимости от заданного использования железа. В дополнительных вариантах осуществления изобретения получившийся литейный чугун может быть дополнительно обработан для модификации композиции и свойства железа, например, для получения стали.

В вариантах осуществления получившийся литейный чугун содержит приблизительно от 0.05 до 9.5% кремния и приблизительно от 0.01 до 4.5% углерода, а оставшуюся часть составляет железо с небольшими количествами включений, таких как сера, фосфор, марганец, алюминий, хром, титан и другие металлы. Указанные здесь соотношения выражены в процентах по весу, если не указано обратное. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения литейный чугун предпочтительно содержит от 0.5 до приблизительно 9.5% кремния, более предпочтительно от 0.5 до 4.0% кремния, и приблизительно от 2.0 до приблизительно 4.0% углерода. Обычно литейный чугун содержит менее 3.0% кремния, приблизительно от 2.0 до 4.0% углерода и менее приблизительно 1.0% серы, фосфора, алюминия, марганца, хрома и других примесей. Предпочтительно литейный чугун содержит 0.1 вес.% или менее серы. В вариантах осуществления литейный чугун содержит приблизительно от 0.25 до 3.0 вес.% кремния. В других вариантах литейный чугун содержит приблизительно 2.0 вес.% кремния.

На чертеже изображена подходящая электропечь с закрытой дугой для выполнения способа, согласно настоящему изобретению. Электропечь 10 с закрытой дугой включает в себя облицовку нижней части или стенок 12 пода печи, боковые стенки 14 и крышку 16 или верхнюю закрывающую стенку, определяющих зону 18 плавления и плавки и для сбора и удаления пыли, дыма и газов в систему сбора. В крышке 16 имеются отверстия 20 для подачи загрузки или сырьевого материала в печь 10 посредством конвейеров или питателей 26. В альтернативной системе питания вещества загрузки вводят посредством выгрузки сырья непосредственно на верх имеющейся загрузки, используя известную бункерную схему механической загрузки. На боковой стенке 14 имеются одно или более отводов 22 для удаления расплавленного металла 28 из зоны 18 плавления. Выпускное отверстие 24 для шлака также может быть в боковой стенке 14 для удаления шлака 30 из зоны 18 плавления. Корпус 34 печи 10 может быть охлажден с помощью водяной пленки (не изображена). Кольцо распыления может быть расположено непосредственно под верхним фланцем боковой стенки, посредством чего вода собирается в канавке в нижней части боковых стенок 14. В вариантах осуществления изобретения крышка или верхняя стенка может быть расчленена в своем продольном направлении, чтобы позволить загружать сырьевой материал загрузки в любую точку в печи.

Три электрода 36 переменного тока вводятся сквозь крышку 16 в зону 18 плавления. Электроды обычно расположены по углам треугольника. В варианте воплощения, изображенном на фиг. 1, изображены два электрода, а третий расположен позади одного из изображенных электродов. Электроды 36 независимо управляются для выборочной регулировки их вертикального положения в печи и для предотвращения избыточных токов. Электроды 36 могут, как известно, подниматься или опускаться для изменения длины дуги. Печь обычно питается переменным трехфазным электрическим током от выбираемого переменного напряжения 30 - 300 В с максимальным током приблизительно 100000 ампер на фазу. Электроды, например, могут быть графитовыми электродами, предварительно спеченными угольными электродами, из пасты Soderberg, или самоспекающимися электродами, которые известны. Электроды являются предпочтительно угольными электродами в различных известных формах.

Выпускной канал 32 проходит через крышку 16, расположенную над печью, для сбора отходящих газов, таких как газообразные продукты горения, пыль и дымы, образующихся во время фаз плавления процесса. Отходящие газы поступают в рукавный фильтр для очистки перед удалением газов в атмосферу. Твердые частицы, собранные в рукавном фильтре, рециркулируют, обрабатывают или удаляют обычным способом.

Примером подходящей электропечи с закрытой дугой является печь, производимая Elkem Technology из Осло, Норвегия. В других вариантах воплощения электропечь с закрытой дугой может быть печью постоянного тока (DC), имеющая один электрод, погруженный в загрузку с соответствующим известным обратным электродом, плазменной печью с закрытой дугой или электропечью переменного тока с закрытой дугой, имеющей, по меньшей мере, два электрода.

Электропечь с закрытой дугой обеспечивает непрерывное получение литейного чугуна посредством непрерывной загрузки печи сырьем и отводом расплавленного металла из нижней части печи. Процесс может быть легко увеличен в масштабе до больших объемов производства, в то же время контролируя производительность и выходной состав чугуна. Подходящие известные питающий конвейер, бункерная система загрузки или трубы загрузки могут быть применены для непрерывной подачи сырьевого материала в печь. Производительность печи, или скорость получения, зависят от мощности, подводимой к печи, и скорости подачи материалов в печь. Печь может быть сконструирована для уровня рабочей мощности приблизительно от 1 МВт до приблизительно 100 МВт в зависимости от конструкции печи, типа электродов и сырьевых материалов. Обычно печь переменного тока производит тонну литейного чугуна при входной электроэнергии приблизительно 600 кВтчас. В зависимости от материалов загрузки, характеристик продукта и конструкции электропечь переменного тока с закрытой дугой может производить литейный чугун с соотношением входной электроэнергии от 500 до 1400 кВтчас на тонну продукта.

Способ, согласно изобретению, предпочтительно, реализуют в электропечи переменного тока с закрытой дугой с использованием сырья и уровня мощности, так чтобы наконечники электродов были погружены на несколько футов (1 фут = 30.5 см) в слой сырьевого материала в печи, а внутри слоя - приблизительно на 30.5 см от ванны расплавленного металла. Таким образом, зона дуги образуется вблизи ванны или резервуара с металлом. При работе печи поддерживают температуру расплавленного металла в печи приблизительно от 1148.9^oC до 1760^oC. В предпочтительных вариантах осуществления температура пода печи поддерживается достаточно высокой для обеспечения надлежащего перегрева расплавленного металла для легкого отвода и направления вниз по потоку или обработки. Наконечники электродов, погруженные в материал и образующие дугу вблизи расплавленного металла, обеспечивают хорошую передачу тепла необработанному материалу посредством излучения от дуги и расплавленного металла и посредством конвекции от горячего газообразного монооксида углерода, который непрерывно образуется в ходе химического восстановления оксидов металла и диоксида кремния углеродом в нижних областях слоя загрузки.

Стандартная электропечь с закрытой дугой включает в себя предохранительный механизм или систему управления для автоматического подъема электродов над загружаемым материалом для предотвращения [протекания] избыточных токов через электроды, которые могут образоваться в результате увеличения проводимости загружаемых материалов выше порогового уровня. Когда электроды поднимаются над слоем сырьевого материала в ответ на увеличение проводимости [материала] загрузки, температура около пода печи снижается, и если это продолжается длительное время, может привести к ненадлежащему нагреву и плавлению лома и неполному плавлению диоксида кремния. Важно иметь слой подаваемого сырья по высоте и электрической проводимости таким, чтобы позволить электродам погружаться глубоко в слой и образовать дугу приблизительно на 30.5 см выше ванны с металлом.

Получение удовлетворительного погружения или проникновения электродов печи с закрытой дугой в слой [материала] загрузки печи зависит от нескольких факторов, включая удельное электрическое сопротивление загруженных материалов, их физических размеров, их распределения в смеси и рабочего напряжения, выбранного для печи. Рабочее напряжение выбирают для выравнивания соотношения между напряжением, током электрода и сопротивлением загружаемых материалов для достижения глубокого погружения электродов в сырье. Сопротивление слоя [материала] загрузки может изменяться, варьируя материалы сырья и размер материалов, при оптимизации работы для получения наиболее глубокого проникновения электрода в слой загрузки для заданного рабочего напряжения.

Количество электроэнергии, требуемое для получения 1 тонны сплава железа, сильно зависит от степени окисления или восстановления загруженного металлического сырья, количества диоксида кремния и других оксидов, требуемых для достижения требуемой или конечной композиции, оптимизации работы погруженного электрода и опыта оператора печи. Сплавы, содержащие приблизительно от 0.5% до 4% углерода и приблизительно от 0.25% до приблизительно 2.5% кремния, обычно требуют приблизительно 500 - 600 кВтчас на тонну полученного сплава. Более высокое процентное содержание кремния и, соответственно, более низкое процентное содержание углерода требуют увеличения приблизительно 10 кВтчас для сильно неокисленных источников железа на каждые дополнительные 0.1% увеличения содержания кремния свыше приблизительно 2.5% содержания кремния в сплаве.

Сырьевые материалы, составляющие загрузку, которые должны быть поданы в печь с закрытой дугой, предпочтительно смешиваются перед подачей в печь. Напротив, различные составляющие загрузки могут быть поданы одновременно в печь от отдельных источников при контролируемой скорости и в требуемых соотношениях. Композиция получившегося литейного чугуна зависит от композиции загрузки и степени химического восстановления, имеющих место в печи. Сырьевые материалы содержат источник железа, который включает железный или стальной лом, источник кремния и углеродсодержащий восстанавливающий агент, которые более подробно описываются ниже. Обычно первичным источником кремния является диоксид кремния. Плавление железа и плавление диоксида кремния в предпочтительных вариантах осуществления изобретения проводят, по существу, в отсутствии подачи кислорода или окисляющего агента и отсутствии шлакообразующих веществ.

Железный и стальной лом доступны в качестве предмета потребления, известном в металлургии. Рыночные цены и сорта различных типов железного и стального лома регулярно публикуются в различных промышленных публикациях, таких как "American Metal Market". Железный и стальной лом, как известно, сортируют по размеру частиц металла и составу. Например, один тип стального лома определяется так: "Литьевая сталь, 2" макс". Подходящие источники железа для использования в настоящем изобретении включают измельченное железо, непосредственно восстановленное железо (DRI), железо горячего брикетирования (HBI), карбид железа, стружки от сверления и токарные стружки, измельченное автомобильное железо, стальную тару и их смеси.

Состав железного и стального лома будет влиять на композицию получаемого литейного чугуна. Несколько источников или сортов железного лома могут быть смешаны перед подачей в печь для получения требуемых вводимой или выводимой композиций. Источник железа обычно состоит, по меньшей мере, приблизительно на 50% из лома, предпочтительно на 75% из лома, наиболее предпочтительно приблизительно на 90 вес.% из железного или стального лома. Источник железа может быть целиком железным или стальным ломом.

Железный и стальной лом могут быть смешаны с другими железными или стальными материалами для увеличения или уменьшения процентного содержания различных сплавляющихся металлов в конечной композиции литейного чугуна. Например, непосредственно восстановленное железо (DRI) и железо горячего брикетирования (HBI), которые обычно содержат приблизительно 90% железа и содержат мало нежелательных остаточных элементов, таких как медь, могут быть добавлены для увеличения содержания железа в литейном чугуне, посредством этого разбавляя сплавляющиеся металлы и снижая процентное содержание нежелательных металлов, таких как медь, хром и марганец, которые присутствуют в других загружаемых материалах, таких как стальной лом, используемый для получения литейного чугуна. Количество и тип материалов, объединенных с железным и стальным ломом, определяются, в частности, эффективностью печи в использовании ее компонентов и относительной стоимостью сырьевых материалов. Например, тяжелый стальной лом, который содержит мало нежелательных остаточных элементов (примесей), является дорогим по сравнению со стружками от сверления чугуна или стальных токарных стружек, так что большие количества тяжеловесного лома, оставаясь в то же время желательными с точки зрения элементов примесей, являются обычно нежелательными с экономической точки зрения. Для сравнения, стальные токарные стружки, которые имеют малый размер частиц и недороги по сравнению с тяжеловесным стальным ломом, обычно содержат высокие уровни нежелательных остаточных элементов примесей. Использование печи с закрытой дугой позволяет использовать очень мелко измельченные материалы лома, которые, являясь менее дорогими, чем тяжелый лом, обеспечивают экономическое преимущество для получения литейного чугуна по сравнению с другими способами обработки.

Размер частиц загружаемого материала важен для правильного нагрева и плавления лома, хотя не существует абсолютного ограничения. Железный или стальной лом имеет обычно размер 60 см или менее в одном измерении. Подходящий размер железного или стального лома составляет приблизительно 25 мм или менее. В альтернативных вариантах воплощения размер частиц железного или стального лома составляет приблизительно менее 0.5 см. Размер частиц сырья выбирают так, чтобы можно было легко манипулировать и загружать в печь и плавить без образования мостика между электродами или между электродами и боковыми стенками печи. Печь с закрытой дугой в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления способна работать с ломом, таким как чугунная стружка от сверления и токарная стружка, с малым размером частиц менее, чем приблизительно 0.635 см в наибольшем измерении, который является традиционно трудным для обработки без таких этапов обработки, как агломерация или брикетирование. Например, мелкие отходы из мельницы и обрезки из мельницы имеют обычно размер 15.24 см или менее, a DRI/HBI приблизительно от 3.175 см до 15.24 см в наибольшем измерении. Размер частиц железного или стального лома может изменяться от мелкоизмельченных частиц или стружек от сверления до больших кусков. Верхний предел размеров обычно равен расстоянию между обращенными друг к другу поверхностями электродов в печи переменного тока с закрытой дугой или между электродом и тугоплавкой стенкой в печи постоянного тока с закрытой дугой во избежание образования мостиков.

Железный или стальной лом является хорошо проводящим по сравнению с железной рудой, так что при применении лома в качестве источника железа в настоящем способе электрическая проводимость и удельное сопротивление сырья должно быть выбрано и контролироваться для обеспечения глубокого погружения электродов. Электрическое удельное сопротивление сырья может быть модифицировано с помощью выбора размера частиц сырья и типа материалов. С уменьшением размера частиц сырья увеличивается удельное сопротивление сырья. Наиболее эффективный размер частиц будет зависеть от его собственного удельного сопротивления и зависимости проницаемости [материала] загрузки печи для прохождения отходящих газов от размера частиц загруженных материалов.

Стоимость обработки для уменьшения размера частиц также рассматривается при выборе размера частиц сырья. В предпочтительных вариантах осуществления сырьевой материал по существу не содержит железной руды, хотя малые количества железных руд могут быть добавлены для модификации удельного сопротивления сырья. Сильно окисленные обрезки из мельницы или источники железа, имеющие большое сопротивление, также могут быть применены для изменения удельного сопротивления.

Сырьевой материал также включает в себя некоторое количество источника кремния, такого как, например, диоксид кремния, источник диоксида кремния или диоксид кремния в восстановленной форме. Диоксид кремния является предпочтительным источником кремния. Источником диоксида кремния может быть любой коммерчески доступный материал, который может быть расплавлен и восстановлен до кремния в печи с закрытой дугой в присутствии углеродсодержащего восстанавливающего агента одновременно с плавлением железного и стального лома. Кремний получают в форме, которая может быть связана непосредственно с железом. В предпочтительных вариантах осуществления источником кремния является высокочистый кварцит. В альтернативных вариантах осуществления могут быть использованы другие известные источники, такие как кремнийсодержащая руда, отходы и песок, который промыт для удаления глин и других примесей. Обычно [материал] загрузки по существу свободен от ферросилиция или карбида кремния. В предпочтительных вариантах осуществления источник кремния состоит, по меньшей мере, приблизительно на 98 вес.% из диоксида кремния. Примеси предпочтительно удаляют во избежание образования шлака в печи, так как шлак увеличивает энергию, требуемую для плавления сырья.

Применяемый в предпочтительных вариантах осуществления в качестве источника диоксида кремния кварцит по существу свободен от глин и других посторонних веществ, таких как оксиды металлов, которые могут способствовать образованию нежелательного шлака, а также нежелательному загрязнению получающегося литейного чугуна металлами в следовых количествах. Кварцит является обычно сортированной по размеру высокочистой кварцитовой галькой или дробленым кварцитом, содержащим, по меньшей мере, 95% диоксида кремния. Размер частиц источника диоксида кремния определяется конкретными размерами печи, электродами и временем нахождения сырья в печи для обеспечения полного восстановления до кремния в присутствии восстанавливающего агента. Обычно кварцит имеет размер частиц 10.16 см или менее, хотя большие печи могут использовать и большие частицы. Источник диоксида кремния предпочтительно содержит менее приблизительно 0.5 вес.% оксидов алюминия, магния, цинка и титана. Некоторые из этих металлов, например цинк, могут быть окислены и удалены потоком воздуха или кислорода через печь и удалены в рукавный фильтр. Другие оксиды металлов восстанавливаются в печи до металлов, которые могут соединяться с железом.

Количество источника кремния, добавляемого в печь с сырьем, определяется теоретическими вычислениями требуемого содержания кремния в конечном литейном чугуне. Количество добавляемого источника кремния также основано на стехиометрических вычислениях, принимая во внимание расчетное содержание кремния в железном ломе и других сырьевых материалах и расчетные потери из-за прогнозируемого улетучивания при восстановлении диоксида кремния до элементарного кремния. Источник кремния может быть добавлен в количестве приблизительно от 0.01 до приблизительно 20 вес.% в расчете на вес железного или стального лома. Обычно источник кремния составляет менее приблизительно 10%, предпочтительно менее 5 вес.% от железного или стального лома. Обычно приблизительно 90% или более доступного кремния соединяется с железом, в то время как оставшийся кремний теряется в виде диоксид-кремниевого дыма, и, если он образуется, то в виде шлака. Обычно восстановление кремния более 90% наблюдается, когда получают сплавы с содержанием кремния 3% или менее.

Углеродсодержащим восстанавливающим агентом может быть любой источник углерода, способный восстановить диоксид кремния в печи. Примеры подходящих углеродсодержащих восстанавливающих агентов включают растительный или животный уголь, каменный уголь, кокс, например, нефтяной или битуминозный кокс, древесные стружки и их смеси. Предпочтительные углеродсодержащие вещества имеют высокое содержание химически связанного углерода, а также имеют низкое содержание золы, низкое содержание влажности, низкие уровни содержания оксидов алюминия и кальция и низкие уровни содержания серы и фосфора. Углеродсодержащие вещества в предпочтительных вариантах осуществления дополнительно имеют высокую химическую активность и высокое электрическое сопротивление. Предпочтительное углеродсодержащее вещество является свободными от коры стружками тяжелого дерева, такого как дуб. Стружки обеспечивают источник углерода для восстановления диоксида кремния до элементарного кремния, а также средство уменьшения электрической проводимости сырья в печи, так что электроды могут быть глубоко погружены в печь с закрытой дугой для поддержания требуемой температуры плавления лома и плавления диоксида кремния. Сырье может содержать приблизительно 5-40 вес.% углеродсодержащих восстанавливающих агентов в расчете на вес железа. Предпочтительно, сырье содержит приблизительно, по меньшей мере, 5% углеродсодержащих восстанавливающих агентов в расчете на вес железа.

Количество углеродсодержащего восстанавливающего агента, добавляемого к сырью, определяется вычислением стехиометрического количества химически связанного углерода, необходимого для восстановления диоксида кремния до кремния, и количества свободного углерода, необходимого для обеспечения требуемого содержания углерода в конечном литейном чугуне. Теоретические вычисления основаны на содержании химически связанного углерода в каменном угле, растительном или животном угле, коксе, древесных стружках или другом углеродсодержащем восстанавливающем агенте в соответствии со стандартными вычислениями, известными в металлургической промышленности. Количество, тип и размер частиц углеродсодержащего восстанавливающего агента влияет на удельное сопротивление сырьевого материала. Например, растительный или животный уголь может быть использован в больших пропорциях для увеличения удельного сопротивления, т. к. предпочтительный растительный или животный уголь имеет более высокое удельное сопротивление, чем кокс или каменный уголь. Способ может быть выполнен при полном отсутствии кокса.

Размер частиц углеродсодержащего восстанавливающего агента выбирают в соответствии с композицией сырьевых материалов, химической активности и электрического удельного сопротивления или проводимости сырьевой композиции. Подходящий размер древесных стружек составляет обычно 15.24 см или менее в наибольшем размере. Подходящий размер металлургического сортового кокса обычно составляет приблизительно 1.27 см или менее. Частицы каменного угля обычно имеют размер приблизительно 5.08 см или менее, в то время как частицы растительного или животного угля обычно имеют размер 15.24 см или менее в наибольшем размере.

Загружаемая композиция предпочтительно содержит только малые количества серы, фосфора, кальция, алюминия, хрома, цинка и других металлов, которые являются нежелательными в сплавах литейного чугуна. При применении сырьевых материалов, имеющих малое количество примесей, образуется мало шлака или его не образуется вообще. При работе печи с закрытой дугой, по существу, в отсутствии шлака имеется дополнительная выгода, заключающаяся в предвари тельном нагреве загружаемого в печь сырьевого материала теплом расплавленного металла, так как образуется малая или не образуется совсем шлаковое экранирование расплавленного железа от сырьевых веществ. Образования шлака по возможности избегают, так как присутствие шлака увеличивает потребление энергии и снижает эффективность плавления лома и восстановление диоксида кремния до кремния. Избыточное образование шлака также замедляет поток сырьевых материалов в зону нагрева печи и увеличивает вероятность образования мостиков из сырья в печи.

В вариантах воплощения, в которых сырье содержит большие количества серы и других примесей, могут быть добавлены необходимые шлакообразующие составляющие. Подходящие шлакообразующие составляющие включают в себя известняк (карбонат кальция), известь (оксид кальция) или магний, хотя могут быть применены и другие известные шлакообразующие составляющие. При необходимости для эффективной работы может быть использована известь, имеющая размер частиц менее 3 мм.

В предпочтительных вариантах осуществления способ получения литейного чугуна выполняют в печи с закрытой дугой при отсутствии железной руды и кокса, и получают обычно литейный чугун, имеющий температуру от 1148.9^oC до 1760^oC и менее 0.1 вес.% шлака по сравнению с 1-10 вес.% шлака в обычном получаемом литейном чугуне, получаемом с использованием печи с закрытой дугой. Обычно литейный чугун получают по существу в отсутствии шлака.

Варианты воплощения способа, согласно изобретению, раскрываются в нижеследующих неограничивающих примерах.

Примеры 1-12

В каждом примере стальной лом очищенных отходов вырубного пресса и куски разрезанных пластин с небольшим оксидом на поверхности смешивают с коксом, кварцитом и древесными стружками для получения сырьевой смеси. Содержание металлов в ломе приведено в табл. 1 (табл. 1-4 см. в конце описания). Кварцит является высокочистым промятым испанским кварцитом с размером частиц менее 3 мм. Коксом является измельченный металлургический кокс, имеющий размер частиц менее 3 мм. Древесные стружки берут от норвежского дуба, имеющие средний размер приблизительно 75 х 50 х 15 мм. Лом имеет средний размер частиц приблизительно 25 х 5 х 4 мм. Содержание в древесных стружках химически связанного углерода составляет приблизительно 17 вес.%, в коксе - приблизительно 93 вес.% химически связанного углерода для примеров 1 - 8, и содержание химически связанного углерода в коксе приблизительно 86.5 вес.% для примеров 9 - 12.

Сырье для примеров 1 - 12 смешивают в пропорциях, показанных в табл. 2 и 3. Процентное содержание древесных стружек, кокса и кварцита, приведенное в таблице 3, дано по весу в расчете на вес лома.

Печь, используемая в примерах 1 - 12, является лабораторной печью с закрытой дугой, изготовленной Elkem Technology, Норвегия. Печь с закрытой дугой имеет два электрода, питается однофазным переменным током от трансформатора номинальной мощностью 300 кВА, максимальным током 3000 А и напряжениями ответвлений вторичных обмоток 15- 150 В с шагом 1.5 В. Начальный запуск печи выполняют посредством загрузки 16 кг стального лома и 5 кг кокса в печь и электроды опускают до контакта с ломом. Подключают электроэнергию для плавления лома. Смешанное сырье загружают в печь до заполнения печи ломом приблизительно наполовину. Расплавленный металл отбирают и анализируют. Состав для каждого примера приведен в табл. 4. Температура выпущенного из печной ванны расплава составляет приблизительно 1250 - 1550^oC.

Эти примеры показывают, что кварцит плавится одновременно с плавлением лома. Содержание углерода и кремния в полученном чугуне пропорционально содержанию диоксида кремния и химически связанного углерода в сырье.

Пример 13

Смоделированный компьютером процесс состоит в том, что смесь сырья, содержащую 907180 г железного лома, 45359 г древесных стружек, 38555.15 г каменного угля, 9071.8 г кокса и 34019.25 г кварцита, загружают в печь переменного тока с закрытой дугой при производительности получения сплава 72.590 тонн/час. Планируемая подводимая мощность к печи составляет 50000 кВт. Моделируемое сырье из железного лома содержит до 40% нарезанной автомобильной стали, 15% переплавленного возвращенного лома, 15% стального лома #1, 20% чугунных стружек от сверления, 5% жестяных пластин/тары и 15% смешанных токарных стружек с низким содержанием хрома. Смешанное сырье имеет расчетный состав сплава приблизительно 2.5% кремния, 3.85% углерода, 0.40% марганца, 0.10% хрома, 0.15% никеля, 0.15% меди, 0.01% серы, 0.05% фосфора и 0.03% олова, оставшаяся часть - железо, где процентное содержание берется по весу.

Планируемый получаемый чугунный продукт, который отводится из печи, имеет содержание железа 92.5%, содержание углерода 3.85% и содержание кремния 2.5 вес.%, оставшаяся часть - примеси. Расчетное потребление энергии составляет 650 кВтчас/тонну железного сплава.

Пример 14

Смоделированный компьютером процесс состоит в том, что сырье, содержащее 907180 г железного лома, 45359 г древесных стружек, 95253.9 г каменного угля, 11339.75 г кокса и 178260.87 г кварцита, загружают в печь переменного тока с закрытой дугой с планируемой производительностью получения сплава 34.68 тонны/час. Подводимая мощность к печи составляет 50000 кВт. Моделируемое сырье из железного лома является смесью, содержащей 40% нарезанной автомобильной стали, 15% переплавленного возвращенного лома, 10% смешанных токарных стружек, 20% чугунных стружек от сверления, 5% жестяных пластин/тары и 10% токарных стружек с низким содержанием хрома. Смешанное сырье имеет расчетный состав сплава приблизительно 9% кремния, 1.5% углерода, 0.40% марганца, 0.18% хрома, 0.09% никеля, 0.19% меди, 0.14% серы, 0.03% фосфора и 0.02% олова, оставшаяся часть - железо, где процентное содержание берется по весу.

Планируемый получаемый чугунный продукт, который отводится из печи, имеет содержание железа 87.87%, содержание углерода 1.5% и содержание кремния 9.01 вес. %, оставшаяся часть - примеси. Расчетное потребление энергии составляет 1370 кВтчас/тонну железного сплава.

Пример 15

Смоделированный компьютером тест состоит в том, что сырьевую смесь, содержащую 907180 г железного лома, 45359 г древесных стружек, 15875.65 г каменного угля, 24947.45 г кварцита, загружают в печь переменного тока с закрытой дугой с планируемой производительностью получения сплава 80.922 тонн/час. Мощность печи выбирается равной 50000 кВт. Подаваемый железный лом содержит до 40% измельченной автомобильной стали, 15% переплавленного возвращенного лома, 10% смешанных стальных токарных стружек, 20% чугунных стружек от сверления, 5% жестяных пластин/тары и 10% токарных стружек с низким содержанием хрома. Моделируемая сырьевая смесь имеет состав сплава приблизительно 2% кремния, 2% углерода, 0.40% марганца, 0.10% хрома, 0.15% никеля, 0.15% меди, 0.01% серы, 0.05% фосфора и 0.03% олова, оставшаяся часть - железо, где процентное содержание берется по весу.

Планируемый получаемый чугунный продукт, который отводится из печи, имеет содержание железа 94.52%, содержание кремния 2.05 вес.% и содержание углерода 2.0%, оставшаяся часть - примеси. Расчетное потребление энергии составляет 600 кВтчас/тонну железного сплава.

Хотя для иллюстрации изобретения приведены несколько вариантов осуществления, специалистам должно быть ясно, что могут быть сделаны различные изменения и модификации без отрыва от объема и сущности изобретения, которое определяется прилагаемой формулой изобретения.