CN104114720B

CN104114720B - 一种熔化钢铁的方法

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Publication number: CN104114720B
Application number: CN201280063962.0A
Authority: CN
Inventors: R·贝尔弗德希拉; J-E·埃里克森; O·乔斯塔姆; M·A·拉玛尼; S·桑德-塔瓦莱伊; O·维德伦德; 杨洪良; X·张
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2012-01-03
Filing date: 2012-01-03
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2032-01-03
Also published as: KR20140090693A; US9045810B2; CN104114720A; MX2014008174A; US20140318314A1; RU2576278C1; EP2800823B1; EP2800823A1; ES2537728T3; WO2013102490A1; PL2800823T3; KR101488145B1; BR112014015842B1; BR112014015842A2; BR112014015842A8

Abstract

本发明涉及一种在电弧熔炉(EAF)中熔化钢铁的方法。在EAF中提供热余留物(15)。将金属废料(16)装载入EAF中。熔化EAF中的金属废料(16)。根据本发明，与起初超过热余留物表面的金属废料的质量相关的热余留物(15)的质量为某一最小值。该最小值是熔化超过热余留物(15)表面的金属废料所需要的热量与当应用公式中所限定的理论热平衡计算时可以从热余留物带走而不会使热余留物固化的热量之间关系的0.75倍。

Description

一种熔化钢铁的方法

技术领域

本发明涉及一种在电弧熔炉(EAF)中熔化钢铁的方法，该方法包括步骤：

-在EAF中提供热余留物(hotheel)，

-将金属废料装载入EAF中，以及

-熔化EAF中的金属废料。

背景技术

EAF钢铁制备是高度能量密集的过程。其消耗大量的电能和化学能。热余留物是之前的熔化操作之后在熔炉内残留的液体钢。实际操作中，多种常规的钢铁熔化过程中都会残留下这些热余留物。当完成钢铁熔化过程时，常规来讲单纯通过倾斜熔炉将熔化的钢铁排出，因此，由于熔炉的几何形状会使得熔化钢铁的一部分残留。保留热余留物的另一个原因是为了避免熔炉壁过大的温度波动。热余留物的一个积极效果是可进一步减少熔化过程的电能供应。

为了提供最佳的工艺条件，搅拌熔液是有益的。这是因为如果没有搅拌，熔液会凝滞而导致严重的问题。不均匀的熔液会产生冷点。为了达到期望的钢铁品质，不得不增加熔化的时间和熔池的温度以形成平的熔池。这会导致高能量消耗。此外，熔化大块的废料会花费很长的时间。钢铁熔液在高熔池温度梯度下会产生严重的热层叠现象。该梯度会导致不均匀的反应区域。

通过搅拌能够消除或至少减少这个以及相关的问题。应用于搅拌的已知主要技术是电磁搅拌(EMS)和气体搅拌。气体搅拌相比于EMS具有一些缺点。

EMS能够横向移动固体废料，而气体搅拌则不能这样。EMS对废料的熔化具有较好的搅拌效果。由于无法充分地配合EAF几何形状，因此气体搅拌的效果还会受到限制。由于维持及操作的难度，气体搅拌具有低可靠性并且还承受底部注入孔阻塞的风险。可能发生熔化的钢铁从气体注入孔泄露。

为了实现有效的EMS，需要使熔炉中的大部分物质为液态。由于应用常规容量的热余留物，将废料装入热余留物会导致至少部分热余留物固化，因为其被废料冷却。于是由于电弧的加热，液态的比例会逐渐增大并且经过一段时间，直至液态部分对于有效地启动EMS来说足够多。这一般在处理已经进行了大部分之后才会发生，典型地在总处理时间的大约40-50％之后。处理时间一般是指从起初将金属废料倒入熔炉内直至熔化钢铁从中排出的时间跨度，并且在当前申请中也为此含义。

因此，只有在处理的一部分期间才能获得应用EMS的益处。

GB2192446A中公开了现有技术中的示例性实例，描述了应用气体搅拌的钢铁熔化过程。利用在该公开中提及的有限容量的热余留物为之前排放的10至30％来操作熔炉。如上所述，在装入废料时该有限容量的热余留物通常不足以避免热余留物的一部分的固化。因此，在处理的早期阶段不能有效地搅拌，尤其是在使用EMS时。

DE9422137U1也公开了一种熔化工艺，其中热余留物从之前的处理周期中得以保持。不限定热余留物的质量并且如果热余留物的质量在常规范围内时，其将不足以避免热余留物的至少部分固化。

例如，GB1601490中公开了如这样的EMS搅拌。

发明内容

本发明的目的是改善钢铁制备工艺中的这类问题。更具体地，目的在于减少处理中电能的消耗。尤其是，目的在于使在更长的处理期间有效地应用EMS成为可能，优选地是在整个处理期间。

这一目的是通过以下实现的，即在本说明书介绍部分具体描述的一种方法，包括以对应于如下公式的量来提供热余留物的另外的具体步骤：

m_{h} = R \frac{(T_{m} - T_{s}) x C_{p}^{s}}{(T_{h} - T_{m}) {xC}_{p}^{1} + Q} m_{s}

其中m_h为所提供的热余留物的质量，m_s为超过了热余留物的表面的初始装入的废料质量，T_m为废料的熔化温度，T_s为废料装入时的废料温度，T_h为装入废料时热余留物的温度，为废料的比热容，为热余留物的比热容，Q为针对废料的比熔热(specificmeltheat)并且R为至少是0.75的系数，并且其中在该处理中应用了电磁搅拌。

术语“热余留物”通常是指在之前的处理中将液体钢排放之后熔炉内残留下的液体钢。这也可以通过本申请中该术语的含义来理解。然而，在本申请中，该术语理解为熔炉内存在的液体金属量，而与其来自何处无关。因此，本申请中的术语“热余留物”包括起初供应至熔炉作为来自之前处理的液体钢的增加或甚至取代来自之前处理的液体钢的任何液体钢。

公式明确了热余留物的质量的最小值，其与依赖于当前热条件的钢铁的质量相关。根据公式的最小值表示了足够大以获得充足的液态的量的热余留物的质量，其比目前常规的热余留物的容量可以在处理的更早期实现有效的EMS应用。因此，在总处理时间的更大范围内就可以获得EMS的有益效果，就电能的损耗来说，这导致更加有效的处理。

公式基于两方面之间的热平衡的计算，一方面是需要将超出热余留物表面的废料块加热至熔化温度的热量，而另一方面是从热余留物退去而不会使其固化的热量。当R＝1时实现理论平衡。

然而，实际上理论平衡不会精确地反映出在处理的初始阶段会发生什么，而是被视为粗略地指导。在该阶段存在影响处理的因素，这些因素倾向于导致固化而无论热平衡如何。在这方面最重要的是从热余留物传递至废料的热量不均匀。因此，热余留物的某些部分可能比其它部分更早地冷却下来。热余留物的不平均冷却因此会造成其中的一部分固化，而不管存在充足的量以在理论上将其保持在液体阶段。

其它的因素具有相反的效果。电弧在处理的起始就已被点燃。由此，提供了持续的热供应，其增加了热余留物的热势。考虑到该效果，热平衡在防止热余留物固化的方向上受到影响。因此，该效果意味着即使对于低于1的R值，热余留物也将保持在液体阶段。

这两个效果的总和依赖时间并且还依赖各种主要条件。因此，其很难计算且无法简单地概括。指定为本发明的一般性呈现的最小值R＝0.75，其表示给出的第二种影响比重最高，而第一种影响小的条件。就初始阶段的热平衡而言，为了最佳处理条件，该R值应当足够大以将热余留物保持在液体阶段。在热余留物中可能产生一些较小的局部固化点，但是不会达到显著降低EMS效果的程度。

相比于现有技术的通过本发明可以在更早阶段应用EMS的方法，可以实现多个优点：

-相比于现有技术，通过在整个处理周期或者至少更长的周期内高效的废料熔化，节省了大量能源。

-增加了铁和合金的产量。

-通过较短的冶炼时间增加了生产率。

-通过充分利用热余留与EMS一同使用的优势减少了氧气的消耗。

-减少了排放口的磨损。

-由于较少的废料移动而减少了电极的损耗。

-降低了电极折断的风险。

-可在较早的阶段应用较高的功率输入。

-改善了电弧的稳定性。

-减少了供电时间。

-防止了出钢带渣。

-改善了端点控制精度和可靠性。

-EMS炉渣位置以将炉渣推向炉渣门以移除炉渣。

-更长的炉渣-金属界面反应时间以及均匀的反应区域。

-增加了熔化和熔池的均匀化效率。

-缩短了处理周期时间。

根据优选的实施例R为至少1。

该实施例意味着热余留物的最小相对质量稍微大于本发明所陈述的最为概括的形式。如上所述，R＝1表示当仅分别考虑热余留物和废料的热含量时的热平衡。因此，该实施例关于避免部分热余留物的固化方面更为安全并且其基于以下设想，即热余留物的非均匀冷却的效果以及由电弧所供应热量的效果彼此大致平衡。因此，更加确定利用EMS将会获得有益效果。

根据另一个优选的实施例R为至少1.2。

该实施例仍提供了抵御热余留物固化的风险的较大余量，因为热余留物的理论热含量比理论上将其保持为液体的所需的高20％。甚至在非均匀固化的效果相比于来自电弧的热供应的效果而言可能处于主导地位的情况下，热余留物将保持为基本上液体。

根据另一个优选的实施例，热余留物的质量低于根据本发明的最小指定质量的1.5倍。

规定热余留物的最小量以便将热余留物维持在液体。然而，使热余留物比与超出热余留物表面的废料质量相关的最小量多出太多并不是必要的。相反地，太多的热余留物是对能源的浪费。通过限制热余留物的相对量，处理的生产率得以考虑，并且因此关于生产率方面而言，根据该实施例的上限是有利的。

对于利用R＝0.75来限定的热余留物的最小质量的实施例来说，根据该实施例的最大质量通过R小于1.125来限定。对于R_min分别为1和1.2的实施例来说，相应的R_max分别为1.5和1.8。

根据另一个优选的实施例，EMS的启动至少在整个熔化处理过去20％之前。

如上所述，本发明的其中一个重要方面是在处理的较早阶段就将允许EMS的应用，并且由此可以在更长的时间段内获得EMS的优势。利用该实施例，其间不能应用EMS的时间段被减少至低于常规技术的一半。

根据另一个优选的实施例，EMS的启动至少在整个熔化处理过去10％之前。因此根据该实施例的EMS应用时间进一步得以增加并且由此增加了与搅拌有关的优势。

根据另一个优选的实施例，EMS的启动至少在整个熔化处理过去2％之前。这意味着EMS实际上在处理开始时就启动了，这尤其具有优势。

根据另一个优选的实施例，在处理的末期，熔炉内热余留物的质量与热金属排放的质量一共为钢铁总质量的至少30％。

这是另一个标准，用来保证熔炉内液相钢铁的充足量，以便为有效的EMS提供条件。使用该标准还进一步考虑了影响熔炉内容物的热平衡的效果，即，初始在热余留物表面之上的废料质量的效果，在处理后期使用多斗排放的情况下进一步排放废料的效果，以及在熔化处理期间供应热金属，即液体金属的效果。

根据另一个优选的实施例，在处理的任意阶段，熔炉内热余留物的质量与热金属排放的质量为钢铁总质量的至少30％。

该实施例进一步有助于确保在整个处理期间EMS将充分地操作。

根据另一个优选的实施例，在处理的末期，熔炉内热余留物的质量与热金属排放的质量一共低于钢铁总质量的60％。

借此，针对热余留物的上限，考虑了关于在初始排放之后添加的熔池组分的影响的标准，以避免热余留物的超过代表高效生产率的量。

根据另一个优选的实施例，在处理的任意阶段，熔炉内热余留物的质量与热金属排放的质量低于钢铁总质量的60％。

相对地该实施例进一步有助于限制热余留物的质量以保持高效的生产率。

根据另一个优选的实施例，确定起初供应至热余留物的废料中片件的尺寸分布。

低于热余留物的表面的废料质量，取决于废料的结构。由于废料中片件的不规则形状和不同的尺寸，片件之间会存在大量的空隙，从而使得含有空隙的整体密度远远低于废料片件本来的密度。该密度正常在2-3kg/dm³的范围内。因此，这可以用作计算所需热余留物质量的指导，以便满足本发明的标准。通过确定废料中片件的尺寸分布，可以更加精确地估计所述整体废料密度。借此，对于热余留物质量的标准将具有提升的精密度，导致提供最佳热余留物质量的更好可能性，以关于一方面确保针对EMS的充足热余留物的质量并且另一方面避免就生产率而言过大的热余留。

确定废料中片件的尺寸可以包括确定每个片件的尺寸或仅仅确定代表性的所选择的片件的尺寸。

尺寸分布还影响从热余留物到废料的热传递。废料中的片件越大，热传递将越慢。在确定热余留物的最优质量时，具有尺寸分布的知识，还可以考虑这一效果。

根据另一个优选的实施例，确定废料中片件的几何形状。

这有助于进一步估计整体废料密度更加精确的值并且还影响热传递的强度，导致了以上提及的优势。还有，在确定几何形状时，可以确定每个片件的几何形状或仅仅确定代表性的所选择的片件的几何形状。

上述本发明优选的实施例在从属权利要求中都得以具体化。要理解的是，其它优选的实施例当然可以由上述优选的实施例的任意可能的组合构成并且可以由这些以及说明书的下列实例提及的特征的任意可能的组合构成。

参照附图，通过下面详细描述的实例将进一步阐释本发明。

附图说明

图1a-e示意性示出了适用本发明方法的EAF的侧面正视图(图1a-c和1e)以及顶部(图1d)正视图，

图2a-b以图表的形式示出了与现有技术的熔化处理相比的本发明处理的实施例的EAF熔化处理中废料熔化过程中作为时间的函数而变化的电能消耗(图2a)以及氧气供应流(图2)。

具体实施方式

图1a-e示出了根据本发明实施例的EAF熔化处理的不同阶段的电弧熔炉(EAF)。EAF10包含电磁搅拌器(EMS)11和电极12。提供了电源系统13可操作地连接至电极12并且处理及控制设备14(仅在图1a中示出)可操作地连接至电源系统13以及EMS以对其进行控制。

通过该处理及控制设备14，基于所存储及所测得的针对确定热余留物的质量的公式中的参数值来计算热余留物的充裕质量。热余留物的全部或至少大部分由之前处理周期的排放之后遗留在熔炉内的熔液形成。因此，热余留物充裕质量的计算优选地仅在先前熔化处理的排出之前进行。

图1a示出了引燃电弧的阶段，其中热余留物15已经从较早的处理周期遗留在EAF10中，即当在较早的处理周期中排空熔化的金属废料时，受控制量的熔化金属废料，即热余留物15，被遗留在EAF中用于接下来的熔化周期。此外，受控制量的固体金属废料已被装入EAF10中。电极12与废料之间的电弧被引燃。

图1b示出了钻入阶段，其中电极12在熔化固体金属废料16同时进一步向下穿透到金属废料16中。这时熔液由热余留物15和一些熔化的废料组成。图2a-b中示出了图1a-b的电弧引燃阶段和钻入阶段期间的功率消耗及氧气供应流，如发生在从处理开始的大约6至12分钟之间。

接下来实施可选的热金属排放。这里，熔化的金属从钢铁制造设施(未示出)供应至EAF。热金属排放期间，这发生在从处理开始的大约12至17分钟之间。没有功率供应至电极12并且没有氧气供应至EAF10。

随后，图1c-d示出了主要熔化处理的实现，在此期间，功率和氧气供应流最大。接下来，图1e示出了可选的精炼阶段的实现，其使用较小的功率将溶液加热至出炉温度。该主要的熔化阶段及精炼阶段发生在距离周期启动的大约17至37分钟之间，在此期间，功率步进式减少。EAF熔化处理周期结束于排空熔化金属废料，但留下了下一个熔化周期所需的热余留物。

图2a是根据本发明EAF的熔化处理期间的电功率消耗与现有技术熔化处理电功率消耗相比的图表，其分别由图表中区段部的较低线和较高线表示。类似地，图2b是本发明EAF熔化处理中的氧气供应流与现有技术熔化处理的氧气供应流相比的图表。

Claims

1.一种在电弧熔炉(EAF)中通过熔化处理熔化钢铁的方法，包括如下步骤：

-在所述EAF中提供热余留物(15)，

-将金属废料(16)装入所述EAF中，以及

-熔化所述EAF中的所述金属废料(16)，

其特征在于，所提供的所述热余留物(15)的质量根据以下公式得出：

m_{h} = R \frac{(T_{m} - T_{s}) {xC}_{p}^{s}}{(T_{h} - T_{m}) {xC}_{p}^{1} + Q} m_{s}

其中m_h为所提供的所述热余留物的质量，m_s为初始装入的超过所述热余留物的表面的所述废料的质量，T_m为所述废料的熔化温度，T_s为所述废料在其装入时的温度，T_h为装入所述废料时所述热余留物的温度，为所述废料的比热容，为所述热余留物的比热容，Q为针对所述废料的比熔热并且R为至少是0.75的系数，并且其中在所述熔化处理中应用了电磁搅拌(EMS)(11)，其中所提供的所述热余留物的质量通过处理和控制设备(14)基于针对所述公式中的参数而存储和测量的值来计算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，R为至少1。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，R为至少1.2。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述热余留物(15)的质量小于根据本发明的指定的最小量的1.5倍。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述EMS(11)的启动至少在整个所述熔化处理已经进行20％之前。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述EMS(11)的启动至少在整个所述熔化处理已经进行10％之前。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述EMS(11)的启动至少在整个熔化时间已经进行2％之前。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述熔化处理的末期，所述熔炉内的所述热余留物的质量与所述热金属的排放的质量总共至少为所述炉内的所述钢铁的总质量的30％。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述熔化处理的任意阶段，所述熔炉内的所述热余留物的质量与所述热金属的排放的质量总共至少为所述炉内的所述钢铁总质量的30％。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述熔化处理的末期，所述熔炉内的所述热余留物的质量与所述热金属的排放的质量总共小于所述炉内的所述钢铁总质量的60％。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述熔化处理的任意阶段，所述熔炉内的所述热余留物的质量与所述热金属的排放的质量小于所述炉内的所述钢铁总质量的60％。

12.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，确定最初供应至所述热余留物的所述废料中的片件的尺寸分布。

13.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，确定所述废料中的片件的几何形状。