CZ288467B6

CZ288467B6 - Process for producing steel in electric furnace with addition of molten pig iron

Info

Publication number: CZ288467B6
Application number: CZ19984359A
Authority: CZ
Inventors: Andr Kremer; Guy Denier; Jean-Luc Roth
Original assignee: Wurth Paul Sa
Priority date: 1996-07-03
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 2001-06-13
Also published as: PL185211B1; EA199900064A1; ZA975512B; UA47487C2; JP2001516397A; TR199802334T2; GR3033674T3; DE69702134D1; LU88785A1; NO990027D0; NZ333307A; TW345596B; US6238452B1; CN1223694A; EP0909334A1; CA2259522A1; CN1069700C; AU3174697A; AR013587A1; ATE193332T1

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby oceli v elektrické peci, při kterém se do pece přidává roztavené surové železo.

Dosavadní stav techniky

Velká část ocelového šrotu se recykluje pomocí elektrických pecí, například obloukových pecí. Tyto pece umožňují tavit a opět používat ocelový šrot, který se tak může tímto způsobem zpracovávat a využívat pro výrobu nových ocelových výrobků.

Některé ze zbytkových prvků, obsažených v železném šrotu, například mědi Cu, nikl Ni a podobně, není možné zocelí oddělit a tyto prvky se proto vyskytují také ve výsledném produktu. To znamená, že čím větší množství ocelového šrotu se recykluje, tím je větší koncentrace těchto zbytkových prvků ve výsledném produktu. Tyto prvky jsou potom příčinou různých problémů vznikajících při výrobě určitých výrobků, například ocelových plechů a podobně.

Jednou z množství snížení podílu zbytkových prvků v oceli získávané z ocelového šrotu a současně zlepšení energetické účinnosti elektrických pecí je přidávání roztaveného surového železa do elektrické pece. Protože však surové železo má poměrně velký obsah uhlíku C a křemíku Si, pohybující se kolem 4,5 % hmotn. u uhlíku a 0,6 % hmotn. křemíku, vede přidávání surového roztaveného železa k výraznému zvyšování koncentrace těchto prvků vtavenině. Výsledkem toho je delší trvání zušlechťovacího stádia v tavenině, kterým se má snížit koncentrace uhlíku a křemíku v tavenině na cílovou hodnotu, která je obecně velmi nízká a pohybuje se v konečném stavu v případě uhlíku v rozměru 0,05 až 0,1 % hmotn.

Pro dosažení této nízké koncentraci se dosud používají standardní způsoby přidávání surového železa, při kterých se po přidání surového železa vhání do taveniny rafinační plyn, například kyslík, v důsledku čehož dochází ke snižování koncentrace uhlíku a křemíku. Protože koncentrace těchto prvků je značně vysoká, musí se množství přiváděného kyslíku regulovat, aby nedocházelo k příliš prudkým oduhličovacím a odkřemičovacím reakcím. V praxi reaguje vháněný kyslík za přítomnosti vysokých koncentrací uhlíku a křemíku příliš bouřlivé v okamžiku nárazu na taveninu, což vede lokálně k velmi prudkému uvolňování energie a vývinu reakčních plynů jako je například oxid uhelný CO. Je zřejmé, že taková prudká reakce je provázena rozstřikováním oceli a surového železa, které vyvolává nebezpečí znečišťování taveniny vyzdívkou a poškozování vyzdívky chladicích panelů uvnitř pece. V důsledku toho je nutno snížit intenzitu vhánění kyslíku tak, aby se zmírnila dynamika zušlechťovací reakce.

Omezení intenzity vhánění kyslíku v průběhu zušlechťovacího procesu však na druhé straně prodlužuje dobu potřebnou k dosažení požadovaných výsledků a od určitého množství přídavného roztaveného surového železa tvoří limitní faktor pro dobu trvání tavícího cyklu v peci. Pro zvýšení výkonu obloukové pece, který souvisí s její produktivitou, to znamená pro snížení doby trvání tavícího cyklu, je v současné době rozhodující dosáhnout zkrácení doby trvání zušlechťování materiálu taveniny.

Dokument EP A 0 630 977 popisuje způsob zpracování roztaveného surového železa v konvektoru opatřeném nejméně jednou elektrodou. Tento dokument popisuje také proces, při kterém se celé množství surového železa přidává do konvektoru před aktivací elektrického oblouku.

Úkolem vynálezu je vyřešit způsob výroby oceli v elektrické peci, při kterém se do pece přidává roztavené surové železo a kterým se má dosáhnout zkrácení doby trvání tavícího cyklu.

-1 CZ 288467 B6

Podstata vynálezu

Tento úkol je vyřešen způsobem výroby oceli v elektrické peci, při kterém se elektrická pec 5 zaváží stanoveným množstvím šrotu a šrot se taví pomocí elektrického oblouku, po roztavení části šrotu se do elektrické pece přidává předem určené množství roztaveného surového železa a po přivedení stanoveného množství surového železa se do pece vhání rafinační plyn až do dosažení cílové hodnoty koncentrace uhlíku a/nebo křemíku v tavenině. Podstata tohoto způsobu výroby podle předloženého vynálezu spočívá v tom, že stanovené množství surového železa se 10 přivádí plynule a s řízenou intenzitou bez přerušení vyhřívání elektrickým obloukem, že vhánění rafínačního plynu do pece se zahání v průběhu přidávání surového železa dříve než koncentrace uhlíku a/nebo křemíku v tavenině dosáhne předem určené limitní hodnoty, a vhánění plynu probíhá plynule až do ukončení přidávání surového železa.

Způsob podle vynálezu má řadu výhod, z nichž jedna z nejdůležitějších spočívá v tom, že plnění pece probíhá bez vypnutí přívodu energie, to znamená bez přerušení zahřívání prostřednictvím elektrického oblouku. V důsledku tohoto řešení se tavení ocelového šrotu nepřerušuje a probíhá podstatně rychleji než u standardních způsobů přidávání roztaveného surového železa. Další výhodou způsobuje skutečnost, že zušlechťování vháněním plynu začíná ukončením plnění pece, 20 to znamená mnohem dříve než u doposud známých způsobů přivádění. Výsledkem tohoto postupuje zkrácení doby trvání tavícího cyklu i přesto, že rychlost vhánění plynu do taveniny se nezvyšuje.

Protože zušlechťování začíná ještě před koncem přidávání surového železa, umožňuje způsob 25 podle vynálezu dosáhnout snížení maximální koncentrace uhlíku a/nebo křemíku v tavenině v průběhu tavícího cyklu prostřednictvím nastavování rychlosti dávkování surového železa a intenzity vhánění plynu. Na začátku zušlechťování je koncentrace například uhlíku v tavenině ve skutečnosti výrazně nižší než by byla dosažitelná dosud známými výrobními postupy, při kterých začíná zušlechťování teprve po ukončení zavážení celého množství roztaveného surové30 ho železa, přičemž stejné pravidlo platí také pro koncentraci křemíku. Kromě toho alespoň část uhlíku obsažená v tavenině se okysličuje již při svém přívodu, takže zvyšování koncentrace uhlíku v tavenině v průběhu zavážení pece je výrazně redukováno a v důsledku toho koncentrace nepřekračuje stanovené limitní hodnoty, které jsou pro koncentraci uhlíku například menší než 2 % hmotn., a zejména menší než 1,5 % hmotn. Koncentrace křemíku se chová obdobně, ale 35 v menším měřítku. Předem určená mezní hodnota koncentrace křemíku je například menší než

0,3 % hmotn., a zejména menší než 0,2 % hmotn.

Koncentrace uhlíku a křemíku limitované tímto způsobem umožňují zvýšení množství vháněného kyslíku bez příliš prudkého průběhu zušlechťovacích operací. Výsledkem toho je, že díky 40 omezenému lokálnímu množství křemíku nebo uhlíku není zušlechťovací operace soustředěna do místa přívodu plynu do taveniny, ale kyslík je přenášen přímo na železu. Po promíchání fází, které jsou přítomny v tavenině, to znamená kovu a struktury, reaguje potom takto vytvořený oxid železa s křemíkem uhlíkem, které obklopuje v jiných místech než jsou místa vhánění plynu, uvolňování reakčního plynu, například oxidu uhelnatého CO, a rozstřikování taveniny proto 45 probíhá rovnoměrněji po celém povrchu lázně taveniny a v důsledku toho je průběh těchto jevů mnohem mírnější. Tím je možno dosáhnout zvýšení intenzity přívodu kyslíku a proto také zvýšení rychlosti zjemňování struktury bez rozstřikování oceli a surového železa, které by bylo příliš výrazné a vedlo ke znečišťování vyzdívkou chladicích panelů uvnitř pece a jejímu poškozování. Taviči cykly pece se tak zkracují a produktivita pece se zvyšuje.

Je třeba poznamenat, že přidávání surového železa se uskutečňuje bez přerušení zahřívání prostřednictvím elektrického oblouku, přičemž klenba pece zůstává uzavřená po celou dobu přidávání surového železa, protože toto železo se přivádí zejména bočním otvorem pece. Protože klenba pece zůstává v průběhu celého tavícího cyklu uzavřená, je zamezen vstup vzduchu do 55 pecní komory a tím je také výrazně omezen přístup dusíku N₂. Kromě toho již dříve započaté

-2CZ 288467 B6 a stále probíhající zušlechťování vede k plynulému promíchávání lázně taveniny reakčními plyny jako je oxid uhelnatý CO. V průběhu promíchávání taveniny oxidem uhelnatým se dusík rozpuštěný v roztaveném kovu rozpouští v bublinkách oxidu uhelnatého, které potom unikají z roztaveného kovu. Dusík se potom odstraňuje z nádoby společně s reakčním plynem odsávacím systémem pece. Takové plynulé probublávání tak vede k výraznému snížení koncentrace dusíku v ocelových výrobcích.

V důsledku toho je způsob podle vynálezu dokonale přizpůsoben pro výrobu kvalitních ocelí, zejména vysoce tvárných ocelí, pro které je vyžadován velmi nízký obsah dusíku.

Intenzita přivádění zušlechťovacího plynu a rychlost přidávání surového železa do pece může být zejména nastavena tak, že se koncentrace uhlíku a/nebo křemíku v tavenině kovu po zahájení zušlechťování dále nevyžaduje. Tím je například možno přizpůsobit rychlost dávkování surového železa maximální intenzitě vhánění kyslíku tak, aby se dosáhlo oxidace veškerého uhlíku přiváděného do taveniny. Tímto způsobem je možno přesně regulovat koncentrace uhlíku a křemíku v tavenině v průběhu tavícího cyklu a je možno omezit maximální koncentrace na velmi nízké hodnoty, to znamená pro uhlík na koncentraci kolem 0,5 % hmotn.

Podle výhodného provedení vynálezu se zušlechťovací plyn vhání do jednoho ze dvou kvadrantů pece, které jsou protilehlé k plnicímu otvoru, umístěnému v návaznosti na umístění elektrody elektrické pece. V tomto případě je směr vpravování plynu nastaven tak, že první svislá rovina, ve které probíhá zavážení pece, a druhá svislá rovina, ve které se provádí vhánění plynu, se vzájemně protínají v podstatě v oblasti elektrody pece.

Reakční plyny, například oxid uhelnatý CO, které se uvolňují plynule v průběhu zušlechťování, se vyskytují v oblasti, kde se proudy plynu a surového železa střebávají, ve větším množství než v sousedních oblastech. Při opouštění taveniny přemísťují tyto plyny dusík v nádobě a vytvářejí nad hladinou kovové lázně ochrannou atmosféru proti dalšímu vnikání dusíku do taveniny.

Kvůli velmi vysokým teplotám v sousedství elektrického oblouku vede přítomnost dusíku s této oblasti k nitridaci taveniny. Je proto velmi účelné usměrňovat proud surového železa a rafinačního plynu tak, že se vzájemně střetávají v oblasti nacházející se pod elektrickým obloukem. Ochranná atmosféra vytvořená v sousedství elektrického oblouku je v důsledku toho zvláště hustá a tím je možno velmi účinně bránit pronikání dusíku do taveniny.

Je třeba poznamenat, že přidávání určitého množství roztaveného surového železa se může uskutečňovat v množství pohybujícím se v rozmezí 20 až 60 % celkového množství vsázky pece, přičemž rychlost přivádění surového železa je zejména menší než 4 % kapacity pece za minutu. Intenzita vhánění kyslíku O2 do taveniny se pohybuje v rozmezí 0,5 až 1 m³ na jednu tunu kapacity pece za minutu.

Přehled obrázků na výkrese

Srovnání standardního způsobu výroby oceli s přidáváním surového železa se způsobem podle vynálezu bude provedeno pomocí příkladů provedení těchto dvou způsobů, zobrazených na výkresech, ve kterých představuje obr. 1 graf znázorňující průběh elektrického výkonu množství roztaveného kovu a koncentrace uhlíku v závislosti na čase pro standardní způsob; a obr. 2 graf znázorňující průběh elektrického výkonu, množství roztaveného kovu a koncentrace uhlíku v závislosti na čase pro způsob podle vynálezu.

-3CZ 288467 B6

Příklady provedení vynálezu

Výchozí podmínky pro obě srovnávané dále popsané způsoby přidávání roztaveného surového železa do pece jsou následující:

- kapacita pece: 1001 + 201 v patě;

-vsázka: 661 ocelového šrotu + 441 roztaveného surového železa, tj. 40 % celkové hmotnosti vsázky;

- maximální aktivní výkon pece: 60 MW;

- koncentrace uhlíku v surovém železe 4,5 % hmotn., v ocelovém šrotu 0,5 % hmotn.

V tomto příkladu se předpokládá jediná koncentrace uhlíku v tavenině. Koncentrace křemíku ukazuje chování v podstatě stejné jako koncentrace uhlíku s výjimkou toho, že křemík oxiduje před uhlíkem. Výsledkem toho je, že po dosažení cílové hodnoty koncentrace uhlíku je koncentrace křemíku v tavenině téměř eliminována.

Pro usnadnění srovnání obou způsobů je začátek obou procesů zahájen se stejnou maximální intenzitou vhánění kyslíku, přičemž tato intenzita se pohybuje řádově kolem 4000 m³, což odpovídá intenzitě oduhličení kolem 60 kg uhlíku/min.

Při standardním způsobu podle obr. 1 pracuje pec za účelem dosažení roztavení určitého množství ocelového šrotu na maximální výrobu. Po deseti minutách se elektrická pec vypne, poklop pece se odstraní a do pece se po dobu 5 minut přidává roztavené surové železo. Po předávání surového železa se poklop pece vrátí na původní místo, pec se uzavře a opět uvede do chodu. Je třeba poznamenat, že čas potřebný pro odkrytí a opětné uzavření pece poklopem nebo jiným kiytem prodlouží dobu odstavení pece z provozu z 5 minut potřebných pro přidávání surového železa na celkově asi 10 minut.

V průběhu přidávání surového železa se hmotnost roztaveného kovu a koncentrace uhlíku v tavenině zvyšuje lineárně v závislosti na rychlosti přidávání a na konci přidávání dosahuje koncentrace uhlíku hodnoty kolem 3 % hmotn. (koncentrace křemíku hodnoty kolem 0,4 % hmotn.). Ve většině případů musí být kvůli těmto velmi vysokým koncentracím uhlíku a křemíku intenzita přivádění kyslíku omezována v průběhu zušlechťování na asi 4000 m³/h. V průběhu zušlechťování, které začíná po uzavření pece poklopem nebo krytem, se koncentrace uhlíku snižuje v podstatě lineárně na konečnou hodnotu kolem 0,1 % hmotn.

Je třeba poznamenat, že kvůli značnému množství uhlíku, přiváděnému společně se surovým železem a ocelovým šrotem do taveniny a kvůli omezené intenzitě vhánění kyslíku trvá oduhličování celkově 38 minut. Protože tento proces začíná jen 20 minut po zahájení tavícího cyklu, celková doba tavícího cyklu trvá 58 minut.

Při způsobu podle vynálezu, jehož průběh je znázorněn na obr. 2, začíná přidávání surového železa po 10 minutách a probíhá rychlostí 3 t/min, to znamená přidávání probíhá po dobu kolem 15 minut. V průběhu přidávání surového železa zůstává pec stále zahřívána, takže množství roztaveného kovu v peci se zvyšuje nejen díky přidávání roztaveného surového železa, ale také současným tavením ocelového šrotu. V důsledku toho se dosáhne ukončení tavení ocelového šrotu o 10 minut dříve než u způsobu podle obr. 1.

Kromě toho oduhličení, které vyžaduje 38 minut pro stejnou intenzitu vhánění kyslíku, která se pohybuje kolem 4000 m³/h, začíná krátce po zahájení přidávání surového železa a před zvýšením koncentrace uhlíku v tavenině nad hodnotu 1,5 % hmotn. Zahájení přidávání surového železa dříve než při metodě podle obr. 1 již samo o sobě umožňuje zkrácení doby trvání tavícího cyklu o více než 10%. Jestliže se nyní zvýší maximum intenzity přivádění kyslíku, což je možné bez nebezpečí rozstřikování kvůli nízké koncentraci uhlíku v tavenině, lychlost oduhličování se

-4CZ 288467 B6 zvyšuje a doba trvání tavícího cyklu se dále snižuje. Výsledkem toho je, že způsobem podle vynálezu je možno zvýšit produktivitu elektrické pece o minimálně 10 %.

V optimalizované verzi plynulého přivádění surového železa je možné přizpůsobit rychlost přidávání surového železa maximální intenzitě zavádění kyslíku pro oduhličování tak, aby se dosáhlo okysličování uhlíku již jeho přívodu do taveniny. Tímto způsobem je možné dosáhnout omezení koncentrace uhlíku na hodnoty pod 0,5 % hmotn. Díky nízké koncentraci uhlíku je možno výrazně zvýšit maximální intenzitu zavádění kyslíku, a v důsledku toho zvýšit rychlost oduhličování. Pro surové železo s koncentrací uhlíku kolem 4,5 % hmotn. je vztah mezi rychlostí přivádění surového železa a intenzitou přivádění kyslíku následující:

q surového železa (t/min) = q 0₂ (m³/min)/ 43, kde q označuje množství.

Tento způsob modifikovaný tím, že je při jeho provádění zajištěno včasné a optimalizované přivádění surového železa, je zobrazen na obr. 2 čárkovanou čarou pro maximální hodnotu intenzity vhánění kyslíku 5200 m³/h. Přidávání surového železa se uskutečňuje iychlostí 2 t/min. Je zřejmé, že přidávání začíná co nejdříve po zahájení tavícího cyklu a v důsledku toho se hmotnost roztaveného kovu zvyšuje od začátku lineárně. Koncentrace uhlíku na druhé straně zůstává v podstatě konstantní v průběhu celého přidávání surového železa a je menší než 0,5 % hmotn. Způsob podle vynálezu umožňuje oproti standardním způsobům přidávání roztaveného surového železa zvýšit produktivitu o 20 %.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby oceli v elektrické peci, při kterém se elektrická pec zaváží stanoveným množstvím šrotu a šrot se taví pomocí elektrického oblouku, po roztavení části šrotu se do elektrické pece přidává předem určené množství roztaveného surového železa a po přivedení stanoveného množství surového železa se do pece vhání rafinační plyn až do dosažení cílové hodnoty koncentrace uhlíku a/nebo křemíku vtavenině, vyznačující se tím, že stanovené množství surového železa se přivádí plynule a s řízenou intenzitou bez přerušení zahřívání elektrickým obloukem, že vhánění rafinačního plynu do pece se zahájí v průběhu přidávání surového železa dříve než koncentrace uhlíku a/nebo křemíku v tavenině dosáhne předem určené limitní hodnoty, a že vhánění plynu probíhá plynule až do ukončení přidávání surového železa.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že rychlost přidávání surového železa a intenzita vhánění rafinačního plynu se nastaví na ukončení zvyšování koncentrace uhlíku a/nebo křemíku v tavenině kovu po zahájení zušlechťování.

3. Způsob podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že rafinační plyn se vhání do jednoho ze dvou kvadrantů pece, které jsou protilehlé k plnicímu otvoru vzhledem k elektrodě elektrické pece, přičemž směr vhánění plynu je takový, že první svislá rovina, obsahující směr přidávání surového železa, a druhá svislá rovina, obsahující směr vhánění plynu, se vzájemně protínají v podstatě v oblasti pecní elektrody.

4. Způsob podle nároků laž3, vyznačující se tím, že limitní hodnota koncentrace uhlíku v tavenině je menší než 2 % hmotn., zejména menší než 1,5 % hmotn.

5. Způsob podle nároků laž4, vyznačující se tím, že surové železo se přidává v množství pohybujícím se v rozmezí 20 až 60 % celkového množství vsázky pece.

-5CZ 288467 B6

6. Způsob podle nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že surové železo se přidává rychlostí menší než 4 % kapacity pece za minutu.

5 7. Způsob podle nároků laž6, vyznačující se tím, že intenzita vhánění kyslíku O₂ jako rafmačního plynu na tunu kapacity pece se pohybuje v rozmezí 0,5 až 1 m³/min.