Способ производства стали в электрической печи при заливке в нее расплавленного передельного чугуна

1 Настоящее изобретение относится к способу производства стали в электрической печи при заливке в нее расплавленного передельного чугуна. В настоящее время почти весь стальной скрап подвергают вторичной переработке в электрических печах, в частности в электродуговых печах. Такие печи позволяют переплавлять стальной скрап и использовать его в качестве вторичного сырья для получения новой продукции сталеплавильного производства. Некоторые содержащиеся в стальном скрапе химические элементы, такие, как медь,никель и др., не отделяются от стали и остаются в ней после переплавки стального скрапа. Очевидно, что при увеличении количества переплавляемого стального скрапа соответственно возрастает и содержание таких остаточных элементов в полученной после переплавки скрапа стали. Наличие в выплавленной из стального скрапа стали таких остаточных элементов создает определенные проблемы при производстве некоторых видов конечной продукции, в частности стального листа и др. Один из возможных способов снижения концентрации остаточных элементов в стали,полученной из стального скрапа, с одновременным снижением мощности, потребляемой электрической печью, основан на добавлении в электрическую печь расплавленного передельного чугуна. При сравнительно высоком содержании в расплавленном передельном чугуне углерода и кремния (обычно 4,5% С и 0,6 Si) заливка в печь расплавленного передельного чугуна значительно увеличивает концентрацию этих элементов в ванне расплавленного металла. В результате этого увеличивается длительность стадии рафинирования, в процессе которой концентрация углерода и кремния в ванне расплавленного металла должна быть снижена до необходимого и обычно очень низкого уровня(в частности концентрация углерода в стали обычно должна составлять от 0,05% до 0,1%). Для этого при традиционных методах выплавки стали после заливки расплавленного передельного чугуна в печь вдувают рафинирующий газ, например, кислород, который снижает концентрацию в стали углерода и кремния. При высоких концентрациях этих элементов во избежание возникновения реакций обескремнивания и обезуглероживания стали, которые отличаются большой интенсивностью, скорость подачи в печь кислорода должна быть достаточно умеренной. В обычных печах при высоких концентрациях углерода и кремния вдуваемый в печь кислород очень интенсивно взаимодействует с ними в точке встречи струи кислорода с находящимся в расплавленной ванне металлом, что приводит в этом месте к мгновенному выделению энергии и образованию газообразных продуктов реакции, в частности СО. Очевидно, что такая очень интенсивно проте 001340 2 кающая реакция сопровождается выплесками стали и передельного чугуна, которые представляют собой существенную опасность с точки зрения возможного загрязнения и повреждения охлаждающих панелей, которыми облицована внутренняя поверхность печи. Поэтому для того, чтобы динамика протекающей в печи реакции рафинирования носила умеренный характер, скорость подачи в печь кислорода должна быть соответствующим образом снижена. Однако при ограничении скорости подачи в печь кислорода длительность процесса рафинирования возрастает и, когда количество залитого в печь расплавленного передельного чугуна превысит определенный уровень, становится ограничивающим фактором, влияющим на длительность всего цикла выплавки стали в печи. Поэтому для повышения характеристики электродуговых печей, определяющей их производительность, т.е. для снижения продолжительности всего цикла плавки, необходимо существенно снизить длительность процесса рафинирования расплавленного металла. В европейской заявке ЕР-А 0630977 описан способ обработки расплавленного передельного чугуна в конверторе, снабженном, по крайней мере, одним электродом. В этой заявке речь идет о способе, который предусматривает заливку в печь всего подлежащего переплавке передельного чугуна до включения печи и образования в ней электрической дуги. В основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ производства стали в электрической печи при заливке в нее расплавленного передельного чугуна, который позволил бы снизить продолжительность плавки. Указанная задача решается с помощью предлагаемого в изобретении способа производства стали в электрической печи, в соответствии с которым в электрическую печь загружают некоторое количество скрапа, который расплавляется в печи под действием электрической дуги, затем после того, как часть скрапа расплавится, в печь заливают определенное количество расплавленного передельного чугуна,а затем после заливки в печь соответствующего количества передельного чугуна в нее начинают вдувать рафинирующий газ, который вдувают в печь до тех пор, пока концентрация углерода и/или кремния в ванне расплавленного металла не достигнет заданной величины. Заливку в печь расплавленного передельного чугуна производят непрерывно с контролируемой скоростью, не прекращая нагревание печи электрической дугой, а подачу в печь рафинирующего газа начинают во время непрерывной заливки в нее передельного чугуна до того, как концентрация углерода и/или кремния в ванне расплавленного металла достигнет заданной предельной величины, и непрерывно продолжают вплоть до окончания процесса заливки. 3 Преимуществом такого способа является,во-первых, то, что заливка в печь передельного чугуна происходит без отключения печи, т.е. при непрерывном ее нагревании электрической дугой. При этом процесс плавки металла происходит непрерывно и быстрее, чем при традиционных методах производства стали, предусматривающих заливку в печь расплавленного передельного чугуна. Во-вторых, рафинирование расплавленного металла вдуванием в печь рафинирующего газа начинается до момента окончания заливки в печь передельного чугуна,т.е. раньше, чем при традиционных методах производства стали. В результате несмотря на то, что количество вдуваемого в печь газа при этом не увеличивается, продолжительность всего цикла плавки снижается. Поскольку процесс рафинирования в предлагаемом способе начинается до окончания заливки в печь расплавленного чугуна, при этом путем регулирования количества заливаемого в печь чугуна и количества вдуваемого в нее газа создается возможность снизить в процессе плавки концентрацию углерода и/или кремния в ванне расплавленного металла. В самом начале процесса рафинирования при выплавке стали предлагаемым способом концентрация, например, углерода в ванне расплавленного металла намного ниже, чем при традиционных методах выплавки стали, при которых рафинирование начинается только после заливки в печь всего подлежащего переплавке количества расплавленного передельного чугуна (то же самое относится и к концентрации кремния). Кроме того, при выплавке стали предлагаемым способом из-за окисления в процессе заливки, по крайней мере, части попадающего в ванну углерода концентрация углерода в ванне расплавленного металла заметно снижается и не поднимается выше заданной предельно допустимой концентрации, которая не превышает 2% или, что более предпочтительно, 1,5%. То же самое относится и к концентрации кремния, которая, правда, характеризуется меньшими значениями. Концентрация кремния в ванне расплавленного металла при выплавке стали предлагаемым способом не превышает в частности 0,3%, или, что более предпочтительно, 0,2%. Такое ограничение концентраций углерода и кремния позволяет при увеличении скорости подачи в печь кислорода обеспечить относительно спокойный характер протекающей в ванне реакции рафинирования. При снижении местной концентрации кремния и углерода зона реакции рафинирования не ограничивается точкой встречи струи кислорода с находящимся в расплавленной ванне металлом, а кислород предварительно переносится на находящееся в ванне железо. Образовавшаяся окись железа после перемешивания находящихся в ванне фаз(металл и шлак) вступает во взаимодействие с кремнием и углеродом не в точке встречи струи 4 кислорода с находящимся в расплавленной ванне металлом, а в других местах ванны. За счет этого обеспечивается более равномерное по всей поверхности ванны выделение образующегося в процессе реакции рафинирования газа,например СО, и менее интенсивное разбрызгивание металла. Тем самым создается возможность, не опасаясь интенсивного разбpызгивания стали и передельного чугуна, которое может послужить причиной загрязнения и повреждения охлаждающих панелей, которыми изнутри выложена печь, увеличить количество подаваемого в печь кислорода и повысить за счет этого скорость рафинирования стали. При этом, как очевидно, соответственно сокращается продолжительность плавок и повышается производительность печи. Следует отметить, что заливка в печь расплавленного передельного чугуна происходит без отключения системы нагрева печи электрической дугой и что во время заливки свод печи постоянно остается закрытым. При постоянно закрытом своде печи заливка в нее расплавленного чугуна осуществляется предпочтительно через боковое отверстие печи. Постоянно закрытый во время всей плавки свод печи исключает попадание воздуха в плавильную камеру и существенно снижает количество попадающего в нее азота. Кроме того, более ранняя и непрерывная заливка передельного чугуна обеспечивает непрерывную промывку ванны с расплавленным металлом образующимися в процессе реакции газами, в частности, СО. При такой промывке ванны СО растворенный в ванне расплавленного металла азот растворяется в пузырьках СО, которые поднимаются на поверхность ванны. Система вытяжки, которой оборудована печь, вместе с образующимся во время плавки газом удаляет из печи и находящийся в ванне азот. Такая непрерывная промывка ванны обеспечивает возможность производства стали с очень небольшим содержанием азота. Отличающийся всеми перечисленными выше особенностями предлагаемый в изобретении способ позволяет получать высококачественные стали, в частности стали, обладающие очень высокой пластичностью, которые, как известно, должны содержать очень небольшое количество азота. Скорость подачи рафинирующего газа и скорость заливки в печь передельного чугуна предпочтительно регулировать таким образом,чтобы после начала процесса рафинирования концентрация углерода и/или кремния в ванне расплавленного металла не возрастала. Этого можно достичь, например, согласованием скорости заливки в печь жидкого чугуна с максимальным количеством подаваемого в печь кислорода и обеспечением при этом окисления всего подаваемого в ванну углерода. Таким путем можно, очень точно контролируя в процессе плавки концентрации углерода и кремния в 5 ванне расплавленного металла, существенно ограничить максимальные концентрации углерода и кремния в ванне и довести, например,концентрацию углерода до 0,5%. В предпочтительном варианте предлагаемого в изобретении способа рафинирующий газ инжектируют в один из двух квадрантов печи,которые расположены против отверстия, через которое внутрь печи подается ее электрод. При этом направление движения инжектируемого в печь газа выбирается таким образом, чтобы первая вертикальная плоскость, которая совпадает с направлением движения заливаемого в печь расплавленного чугуна, и вторая вертикальная плоскость, которая совпадает с направлением движения инжектируемого в печь газа, пересекали друг друга по существу в зоне расположения электрода печи. В процессе рафинирования образование в печи газов, в частности СО, наиболее интенсивно происходит в той зоне печи, где поток вдуваемого в печь газа встречается со струeй заливаемого в нее расплавленного передельного чугуна. Эти газы непрерывно вытесняют из ванны расплавленного металла находящийся в ней азот в верхнюю часть печи и создают над поверхностью ванны защитную атмосферу, препятствующую попаданию в ванну азота. Из-за очень высоких температур, которые создаются в зоне, расположенной вблизи электрической дуги, наличие в этой зоне азота приводит к заметному азотированию ванны расплавленного металла. Поэтому направление потока вдуваемого в печь газа и струи заливаемого в нее передельного чугуна должно быть таким, чтобы они встречались друг с другом в зоне, расположенной ниже электрической дуги. В этом случае плотность защитной атмосферы в зоне, расположенной рядом с дугой, будет сравнительно высокой и обеспечит эффективную защиту ванны от попадания в нее азота. Следует подчеркнуть, что количество заливаемого в печь передельного чугуна может составлять от 20% до 60% от общего количества загруженной в печь шихты и что количество заливаемого в течение одной минуты в печь передельного чугуна не должно превышать 4 % от рабочего объема печи. Скорость вдуваемого в печь кислорода на одну тонну выплавляемой в печи стали должна предпочтительно составлять от 0,5 до 1 м 3 O2 в минуту. Основные отличия предлагаемого в изобретении способа от традиционного проиллюстрированы на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 показаны зависимости от времени плавки потребляемой мощности, количества расплавленного в печи металла и концентрации углерода при выплавке стали обычным способом ("периодическая" загрузка). На фиг. 2 эти же зависимости показаны при выплавке стали предлагаемым в изобретении способом ("непрерывная" загрузка). 6 Общими показателями обычного и предлагаемого способов выплавки стали при заливке в печь расплавленного передельного чугуна являются следующие:- шихта: 66 т стального скрапа + 44 т расплавленного передельного чугуна (или 40%);- максимальная потребляемая активная мощность: 60 МВт;- концентрация углерода в передельном чугуне 4,5%, в стальном скрапе 0,5%. При сравнении обычного и предлагаемого способов учитывали только концентрацию углерода. Результаты, относящиеся к концентрации углерода, можно распространить и на концентрацию кремния; в этом смысле единственное отличие кремния от углерода состоит в том, что кремний окисляется раньше углерода. Поэтому в тот момент, когда концентрация углерода в ванне достигает необходимого уровня, кремния в ванне почти совсем не остается. При сравнении двух способов следует исходить из того, что в том и в другом способе максимальное количество подаваемого в печь кислорода одинаково и составляет около 4000 м 3/ч, что соответствует скорости обезуглероживания, равной 60 кг углерода в минуту. При выплавке стали обычным способом(фиг. 1) в начале плавки при максимальном потреблении мощности осуществляют переплавку определенного количества стального скрапа. По истечении 10 мин электрическая дуга гасится,крышка печи открывается и в течение 5 мин в печь заливается расплавленный передельный чугун. После заливки чугуна и закрытия печи в ней снова зажигается электрическая дуга. Следует подчеркнуть, что с учетом времени, необходимого для открытия и закрытия печи, и 5 минутной продолжительности заливки в печь передельного чугуна суммарное время, в течение которого печь остается в выключенном состоянии, составляет приблизительно 10 мин. При заливке в печь передельного чугуна масса расплавленного металла и концентрация углерода в ванне линейно возрастают пропорционально скорости заливки, и по окончании заливки концентрация углерода в ванне повышается до 3% (концентрация кремния при этом достигает 0,4%). Именно из-за таких очень высоких концентраций кремния и углерода скорость подачи в печь кислорода в процессе рафинирования необходимо ограничивать величиной порядка 4000 м 3/ч. Во время рафинирования, которое начинается после закрытия крышки печи, концентрация углерода в ванне снижается по существу линейно до конечного значения, меньшего 0,1%. Необходимо отметить, что при таком количестве углерода, попадающего в печь при заливке в нее передельного чугуна и загрузке стального скрапа, и указанном ограниченном 7 количестве подаваемого в печь кислорода процесс обезуглероживания ванны продолжается в течение 38 мин. Поскольку обезуглероживание начинается по существу только по истечении 20 мин с момента начала всего цикла выплавки стали, общая продолжительность плавки в этом случае составляет 58 мин. В соответствии с предлагаемым в изобретении способом, который иллюстрируется графиками на фиг. 2, заливка в печь передельного чугуна начинается по истечении 10 мин с момента начала всего цикла выплавки стали и осуществляется со скоростью 3 т/мин, т.е. продолжается около 15 мин. Во время заливки передельного чугуна печь продолжает работать, и количество находящегося в ней жидкого металла постоянно увеличивается не только из-за заливки передельного чугуна, но и из-за происходящей в это время переплавки загруженного в нее стального скрапа. Поэтому в этом варианте переплавка стального скрапа заканчивается на 10 мин раньше, чем при обычном способе (фиг. 1). Кроме того, обезуглероживание ванны, которое при том же количестве подаваемого в печь кислорода (4000 м 3/ч) должно продолжаться 38 мин, начинается в этом варианте почти сразу же с момента начала заливки в печь передельного чугуна, прежде чем концентрация углерода в ванне расплавленного металла превысит 1,5%. Заливка в печь передельного чугуна,которая в соответствии с предлагаемым способом начинается раньше, чем при обычном способе (фиг. 1), позволяет сократить общую продолжительность плавки более чем на 10%. Если при этом одновременно увеличить и количество подаваемого в печь кислорода, чего легко можно достичь, не опасаясь образования в ванне брызг металла из-за низкой концентрации содержащегося в ванне углерода, то, увеличив за счет этого скорость обезуглероживания, продолжительность плавки можно сократить еще больше. Из всего вышесказанного следует, что предлагаемый в изобретении способ позволяет повысить производительность электрической печи минимум на 10%. Режим непрерывной заливки в печь передельного чугуна можно оптимизировать, согласовав скорость заливки с максимальным количеством подаваемого в печь для обезуглероживания кислорода таким образом, чтобы при этом происходило окисление всего поступающего в ванну вместе с чугуном углерода. Такая оптимизация режима заливки позволяет ограничить концентрацию углерода в ванне величинами,меньшими 0,5%. При такой низкой концентрации углерода максимальное количество подаваемого в печь кислорода можно значительно увеличить, повысив тем самым скорость обезуглероживания ванны. Если концентрация углерода в передельном чугуне составляет 4,5%, то в оптимальном варианте зависимость между 8 скоростью заливки в печь передельного чугуна и количеством подаваемого в нее кислорода можно представить в следующем виде: Такой способ более ранней и оптимальным образом рассчитанной заливки в печь передельного чугуна при максимальном количестве подаваемого в печь кислорода, равном 5200 м 3/ч,обозначен показанными на фиг. 2 пунктирными линиями. В этом варианте скорость заливки в печь передельного чугуна составляет 2 т/мин. При этом заливка в печь передельного чугуна начинается одновременно с началом всего цикла плавки, а количество расплавленного металла в ванне печи линейно возрастает с самого начала процесса плавки. Концентрация углерода в ванне, наоборот, остается во время всего процесса заливки постоянной и составляет меньше 0,5%. Такая оптимизация способа заливки позволяет по сравнению с обычными способами заливки увеличить производительность печи приблизительно на 20%. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ производства стали в электрической печи, в котором в электрическую печь загружают некоторое количество скрапа, который расплавляется в печи под действием электрической дуги, затем, после того как часть скрапа расплавится, в печь заливают определенное количество расплавленного передельного чугуна и вдувают рафинирующий газ в печь до тех пор,пока концентрация углерода и/или кремния в ванне расплавленного металла не достигнет заданной величины, отличающийся тем, что расплавленный передельный чугун заливают в печь непрерывно с контролируемой скоростью, не прекращая при этом нагревания ванны электрической дугой, а вдувание в печь рафинирующего газа начинают во время заливки в нее передельного чугуна до того, как концентрация углерода и/или кремния в ванне расплавленного металла достигнет установленной предельной величины, и продолжают непрерывно до конца заливки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость заливки и скорость вдувания рафинирующего газа регулируют таким образом, чтобы после начала рафинирования концентрация углерода и/или кремния в ванне расплавленного металла не увеличивалась. 3. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что рафинирующий газ инжектируют в один из двух квадрантов печи, которые расположены против отверстия, через которое внутрь печи подается ее электрод, при этом направление движения инжектируемого в печь газа выбирают таким образом, чтобы первая вертикальная плоскость,которая совпадает с направлением движения заливаемого в печь расплавленного чугуна, и вторая вертикальная плоскость, которая совпадает с направлением движения инжектируемого в печь газа, пересекали друг друга по существу в зоне расположения электрода печи. 4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что предельное значение концентрации углерода в ванне расплавленного металла меньше 2%, предпочтительно меньше 1,5%. 5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что количество заливаемого в печь расплавленного передельно го чугуна составляет от 20 до 60% от общего количества загружаемой в печь шихты. 6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что количество заливаемого в печь в течение одной минуты расплавленного передельного чугуна меньше 4% от рабочего объема печи. 7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что скорость вдувания в печь кислорода О 2 на тонну рабочего объема печи составляет от 0,5 до 1 м 3/мин.