CN105940120B - 在电弧炉中制钢的方法和电弧炉 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冶金生产领域，并且具体地涉及用于生产钢的方法和用于实施所述方法的电弧炉的设计。所述方法涉及将装料加载到熔炉的工作空间中，所述装料由废金属和团聚氧化碳材料组成，输入电能、燃料、渗碳剂、助熔剂和气态氧，使用电弧加热和熔化所述装料，与金属浴的脱碳，和从所述熔炉中释放金属和熔渣。在熔化之前，将所述氧化碳材料的一部分与金属装料的第一部分同时加载到所述熔炉的中心区域中，并且在熔化过程期间以每电弧炉的变压器的1兆伏安功率0.5‑10kg/min的比加载速度将剩余的氧化碳材料引入熔化的装料中，并且氧化碳材料片的尺寸被选择为在5毫米与80毫米之间。熔炉壳体的壁设置有至少三个孔洞，所述孔洞沿所述壁的周边隔开，用于将氧化碳材料加载到所述熔炉的所述中心区域中，所述孔洞被提供在所述熔炉壳体的上标记的水平以下0.2‑1.0米处。本发明使得可能降低熔化金属装料时的比电力消耗，增加来自氧化碳材料的铁输出，并且还增加所述材料在装料的总质量中的相对量。
Description
本发明涉及冶金生产领域，并且具体地涉及生产钢的方法和用于钢生产的电弧炉(EAF)设计。
存在一种在钢熔化单元中、特别是在EAF中熔化钢的方法，其包括逐层加载由石灰石、含有氧化铁(oxy-ferric)和氧化碳(oxy-carbon)材料的复合物组成的装料，逐层加载装入材料和其熔化，同时将充分还原铁氧化物所需的量的10-20％的含碳材料与石灰石一起加载，将其余部分与氧化铁材料一起加载，并且在使金属装料总体积的1/3-1/2熔化后，通过炉膛供应气态一氧化碳[俄罗斯联邦专利NQ 2285726的发明说明，日期为2005年3月2日，MPK S21S 5/52，2006年10月20日公布]。这允许有效地控制炉的热功率、装料的加热和熔化过程以及熔渣的形成，这是通过以下方式来实现的：包含在装料和溶渣中的铁氧化物的额外还原；溶渣的起泡和电弧的筛选；炉中一氧化碳的额外燃烧以及混合液体合金与溶渣形成材料。因此，增加了电弧炉的热性能和液体金属输出，并且实现了共混合金的简化。
这种方法是所推荐的钢熔化方法的替代，而使用了合成的复合材料。关于实现所要求的技术结果的可能性存在一些疑问。特别地，СО是膛式炉中的弱还原剂且需要其显著高的消耗，并且铁的额外氧化由于与熔炉内的氧化环境接触而转换成氧化物。因此，未实现所要求的电力消耗的降低。
存在通过EAF进行的熔化方法，其包括加载熔炉，加载废料作为装料，旁通和更换电极，供应电功率、燃料、气态氧、渗碳剂和助熔剂，熔化金属装料，氧化期(金属浴的加热和脱碳)，金属和熔渣从熔炉中输出到浇包(ladle)中[参见A.N.Morozov.Modern steelproduction in arc furnaces.第2版，Chelyabinsk:Metallurgy,1987年，第41页]。
然而，通过EAF熔化钢的又一种方法使用了金属装料组分之一以及废金属和氧化碳材料，其被指定用于替换铸铁、钢屑和部分渗碳剂[参见Y.A.Bondarenko,G.N.Elansky,V.P.Lemyakin等人，Experiment of melting steel in electric furnaces,using oxy-carbon bricks.Works of the fifth congress of steelworkers.-М.:Chermetinformatsiya,1999.第218-219页和Е.Е.Ageyev,V.S.Antonov,V.K.Babich等人，Practical application of oxy-carbon bricks in arc furnaces.Works of thesixth congress of steelworkers.-М.:Chermetinformatsiya,2001.第237-240页]。
氧化碳材料(OCM)是含碳材料(焦炭、石墨、各种类型的煤以及含碳的冶金化学品和其它制造废物)和固体氧化剂(浓缩物、超浓缩物、铁矿石粉粒和固体氧化剂(浓缩剂、超浓缩物、铁矿石粉粒、团聚物残余物和它们的)的粒化或压制混合物，由块、粒和其它压制方法获得。
使用OCM在EAF中熔化钢具有诸如以下的许多优点：
-使在制造过程中产生的所有熔渣再循环；
-部分替换铸铁和废金属；
-降低渗碳剂的消耗；
-降低磷、硫和有色金属的含量；
-降低钢价格。
因此，这种通过EAF进行的钢熔化方法包括填充熔炉的工作空间，加载由废金属和粒化OCM组成的装料，并且，如果需要的话，添加装料，旁通和替换电极，供应电、燃料、渗碳剂、助熔剂、气态氧，装料熔化，金属的加热和金属浴的脱碳(即氧化期)，从熔炉中输出金属和熔渣。这种钢熔化方法在技术上最接近所要求的方法。
此方法的基本缺陷是熔化过程期间增加的电力比消耗和降低的铁输出，以及有限量的供应的OCM，它平均不超过熔化过程中所用的加载金属装料的总质量的5％。这些缺陷的原因在于OCM与废料一起被加载到EAF工作空间的下部中。
在具有大厚度的金属装料层下方并且远离电弧燃烧区域，靠近炉膛布置OCM块使得热传递到其中为OCM的装料下层非常困难。这导致OCM的延长的熔化过程和电耗的增加。
在熔炉的底部形成液体金属浴后开始强烈的OCM熔化。此外，一部分OCM将不会及时熔化，并且金属浴的顶部上的表面溶解在废料中。由于其中的铁氧化物含量增加所致的最后一个缺陷具有氧化性质，并且具有低的相对加热温度。这些因素使得难以通过存在于OCM中的碳将铁由其氧化物还原，从而降低了由OCM对铁的提取和可用铁的输出。
总之，这些因素增加了能耗，并且降低了铁的输出。所有这些因素都是通过EAF使用OCM进行的这一钢熔化工艺没有得到广泛使用的原因。同时，这导致通过EAF进行钢熔化工艺期间使用的OCM的消耗的明显限制。
通过组的第一发明解决的问题以及可实现的技术结果获得了熔化金属装料的电力比消耗的降低、从OCM输出铁的增加以及它们在装料的总质量中的相对量的增加。
为了在通过EAF进行的钢熔化工艺中解决这一问题并实现所要求的技术结果，所述工艺包括填充熔炉的工作空间，加载由废金属和粒化OCM组成的装料，并且，如果需要的话，额外加载装料，旁通和替换电极，供应电、燃料、渗碳剂、助熔剂、气态氧，装料熔化，金属加热和金属浴的脱碳，从熔炉中输出金属和熔渣，在熔化过程之前，以在1MVA EAF变压器功率下0.5–10kg/min的比加载速度同时加载一部分OCM(其在熔化过程期间的总消耗的10–90％)与金属装料的第一部分的废料，并且在5–80mm中选择典型的OCM块大小。
此外：
-将OCM供应到熔炉的中心区域，其邻近电弧的燃烧区域并且限于不超过D＝(dp+3.5dEL)的大小，其中dp是电极崩解直径，并且dEL是电极的直径；
-对于以质量％计的以下含量的初始组分，碳和通过OCM的固体氧化剂引入和/或包含在铁氧化物中的氧的比率限于0.15<C/O<5.00的范围：
固体氧化剂：40-95；
渗碳剂：5-60；
高于100％的粘合剂，其量为渗碳剂和固体氧化剂的总质量的1–10％；
-另外，OCM包含含铁金属颗粒，所述含铁金属颗粒的量为所述材料的总质量的5-30％；
-另外，OCM含有溶渣形成组分，其量为所述材料的总质量的0.1–10.0％。在1,550℃下，相比于铁高度类似于氧的元素即Са、Na、K、Ва、Аl、Ti、Zr、Si、Mn、V、Cr和В的氧化物和/或氟化物用作熔渣形成组分。
需要相应的设备，即EAF来实施此类钢熔化方法。
典型的EAF[参见互联网资源Free Encyclopedia,Wikipedia,http://ru.wikipedia.org/wiki/,term:Electric Arc Furnace]由熔浴(工作空间)、电弧功率调节器和辅助处理机构组成，所述辅助处理机构打开(关闭)熔炉圆顶，泵出熔渣并倒出金属。
在工作空间中进行钢熔化，所述工作空间在顶部由圆顶形顶限定，在底部由球形底限定，并且在侧面由壁限定。炉膛和炉壁的耐火装置被包裹在金属壳体中。可拆卸顶可以由布置在支持框上的耐火砖制成，或者它们可以由水冷式板制成，就像壁一样。由于特殊机构而可以上下移动的电流传导电极通过圆顶中三个对称定位的孔洞插入到工作空间中。熔炉通常被供应三相电流，但也存在DC电流炉。主要使用一种现代的强大电炉作为器具来熔化装料，并获得液体半成品，然后将通过浇包中的出炉工艺使所述液体半成品升高到所需的含量和纯度。
在对EAF进行检查并修复受损的砖衬(补炉)后，以装料的加载开始EAF中的熔化。在现代熔炉中，使用加载筐从顶部加载装料。在加载完成后，将电极插入到熔炉中，打开高压开关并开始熔化过程。功率输出的控制是通过移动电极的位置(电弧长度)，或通过改变电极电压进行的。在熔化期后，熔炉中形成金属和熔渣层。熔渣由含碳材料起泡以关闭电弧，改善其排放，并降低金属损失。
借助钢排放孔和斜槽通过使工作空间倾斜进行成品钢和熔渣到钢包中的排放(或如果熔炉在底部装配有排放部，则通过该方式进行)。由盖覆盖的操作窗口被设计成控制所述熔化过程(以测量金属温度和对金属的化学含量进行取样)。此外，操作窗口可以用于供应熔渣形成材料和合金化材料(对于更小的熔炉来说)。对于现代的超强熔炉来说，熔化过程期间的熔渣形成材料的供应是通过圆顶中的特殊孔由传送器进行的。将使熔渣起泡的含碳材料供应到熔炉中或部分地通过圆顶，或由喷射燃烧器通过气体喷嘴进行。在排放之前和排放期间，将合金化材料和脱氧剂添加到钢包中，并且在熔渣分离期间添加熔渣形成材料。
EAF的缺陷在于电极下面的高局部过热；混合金属和算出金属的平均化学含量的困难；以及在所述工艺期间大量的燃烧产物和噪声。然而，熔炉性能低效的主要征兆是其过高的局部能量集中，它越高，熔炉越强大。此外，除了将OCM作为废料的一部分加载外，现有的熔炉尚未被设计用于将OCM专门供应到金属浴中。
通过所述组的第二发明解决的问题以及可实现的技术结果是通过创造一种装置来实施所要求保护的钢熔化方法，因此降低熔化金属装料的电力比消耗并增加从OCM输出的铁，以及增加它们在装料的总质量中的相对量。
为了解决所述问题并实现所要求的技术结果，由内衬的高耐火材料组成的EAF被设计成实施根据本发明的方法，所述高耐火材料形成了壳体的圆顶和壁，所述壳体具有用于电极插入和供应粒状材料的孔洞，以及具有电极保持器和电极的圆顶形顶，而壳体壁被设计成具有至少三个沿周边定位的孔洞，以将OCM供应到熔炉的中心区域中，所述孔洞位于壳体上的上标记以下0.2–1.0m处。另外，将OCM供应到熔炉的中心区域中的孔洞沿壁周边分布，主要置于两个相邻的电极之间。
附图显示了本发明，其中：
-图1显示了通过使用OCM实施钢熔化方法的EAF的全视图；
-图2显示了图1的横截面А-А-将OCM供应到熔炉的中心区域中的孔洞相对于电极的优选布置。
因此，在主要为三相AC电压的EAF中进行的钢熔化方法包括加载熔炉的工作空间，加载由废金属和OCM块组成的装料，并且，如果需要的话，一次或几次额外加载装料，供应电、燃料、渗碳剂、助熔剂、气态氧，装料熔化，金属的加热和金属浴的脱碳(即氧化期)，以及从熔炉中排放金属和熔渣。以在1MVA EAF变压器功率下0.5–10kg/min的比加载速度，在熔化过程之前，将其每次熔化量的总消耗的10–90％的量的一部分OCM与金属装料的第一部分同时加载到熔炉中，并且在熔化过程期间将剩余量的OCM供应到熔融装料中，而加载的OCM块的典型大小限于5-80mm。
将OCM供应到熔炉的中心区域，其邻近电弧的燃烧区域并且限于不超过D＝(dp+3.5dEL)的大小，其中dp是电极崩解直径，并且dEL是电极的直径；
换句话说，熔炉的中心区域是围绕电极的圆周的直径D。通常，这一区域的面积不超过熔炉的工作空间的横截面积的30％。
对于以质量％计的以下含量的初始组分，碳和通过OCM的固体氧化剂引入和/或包含在铁氧化物中的氧的比率限于0.15<C/O<5.00的范围：
固体氧化剂：40-95；
渗碳剂：5-60；
高于100％的粘合剂，其量为渗碳剂和固体氧化剂的总质量的1–10％；
这意味着，OCM含量和其每次熔化量的消耗量取决于钢的类型，这由于多次试验而成为可能，所述试验允许针对电弧钢熔化的冶金过程进行OCM施加优化，并且产生相应的科学基础。
铁精矿、溶渣、铁矿石、团聚物、直接还原的部分还原的铁和/或它们的混合物被用作硬质氧化剂，而焦炭、石墨、木炭、煤粒、煅制无烟煤和它们的混合物被用作含碳试剂。液体玻璃、各种类型的水泥、糖蜜、木胶、膨润土和它们的混合物以及生物制剂(面粉等)可以用作粘合剂。
OCM可以包含含铁金属颗粒，所述含铁金属颗粒的量为所述材料的总质量的5-30％。金属颗粒用作由包含在渗碳剂中的碳将铁由其氧化物中还原的过程中的催化剂。
另外，OCM含有溶渣形成组分，所述溶渣形成组分的量为所述材料的总质量的0.1–10.0％。在1,550℃下，相比于铁高度类似于氧的元素即Са、Na、K、Ва、Аl、Ti、Zr、Si、Mn、V、Cr和В的氧化物和/或氟化物用作熔渣形成组分。
用于这一所要求的钢熔化方法的EAF由内衬有高耐性材料的底部(1)、壁(2)和壳体(3)组成，所述壳体(3)具有孔洞(4)，用以插入电极(5)；孔(6)，用以供应参与钢熔化的粒状材料；以及圆顶形可拆卸顶(7)，其具有电极保持器(有条件地未显示)和三电极单元(5)。壁(2)被设计成沿周边具有至少三个孔洞(8)以将OCM供应到熔炉的中心区域(9)中，所述孔洞位于壳体(3)的上标记(10)以下0.2-1.0m处。推荐使孔洞(8)沿壁(2)的周边分布，有利地将它们布置在两个相邻的电极(5)之间(或在两个相邻的电极(5)之间的方向上定向。这样做是为了消除所供应的OCM砖轰击电极(5)的可能性，所述轰击可能损害电极(5)，以及消除在熔炉的由直径D限定的中心区域(9)以外加载OCM的可能性，因为在这种情况下，OCM的熔化将需要额外的能量，这导致直接邻近电极(5)的所述区域的过热。
让我们来分析发明要点。
EAF中的中心区域(9)与其它工作空间体积的不同之处在于巨大量的发射热能和其最大浓度(在当前一代的炉中达到10MVA/m3)，以及4000-15000°K的高熔化温度水平和初始装料和最终产品(液体金属)的不超过1700℃的非常显著的熔化温度。由于这些因素，因此所有加载到熔炉中的材料(包括OCM块)在电弧燃烧区域(5)和超出其边界的区域以及熔炉的边缘区域中的熔化性质完全不同。
在第一种情况下，以过量的能耗并且在非常高的温度下进行熔化，所述温度显著超过初始材料和最终产品(即钢)的熔化温度。此类方法的后果之一是所供应的能量的不完全热吸收、显著的热损失和电力的过度消耗。
在不同于第一种情况的第二种情况下，固体装料组分转变为液态，同时分别形成金属和熔渣，是在热量不足和不超过金属和熔渣的温度即1,700℃的操作温度下进行的。
相比于其它方法，所提出的方法是基于甚至在熔化过程之前将一部分OCM与废料一起加载，并且通常，当将更多的电力供应到电炉中时，在熔化过程期间将更大一部分的OCM加载到电弧的燃烧区域中。所供应的材料显著增加了装料的热吸收，因此降低了热损失和能耗。
熔炉中心区域的能量的特殊特征与向熔炉供应OCM的工艺的变化一起预先限定了OCM固体块的异常快速的熔化和它们向液相的转变。因此，基本的OCM组分-硬质氧化剂的铁氧化物和包含在渗碳剂中的碳彼此反应，所述反应以大约5–40kg/(s·m3)的相当高的比速发生。碳氧化和铁还原的该反应的产物是金属铁和一氧化碳。
前者向下流入金属浴中，并且后者由于CO和CO2的后燃而充当熔炉中的额外热供应源，从而降低了熔化金属的装料的比电力消耗。
OCM的加热和熔化是由于一部分热量的额外累积而进行的，这部分热量由于装料消耗全部能量的能力有限而被未其吸收，因此具有热损失。这种情况确保了熔化装料的比电力消耗的降低。
所提出的方法还确保了通过来自OCM的碳将铁由其氧化物快速且完全还原以及增加铁的提取和有用物的输出。
在这种情况下，OCM熔化还导致形成了液体熔渣相，这提高了电炉燃烧和向熔炉供应能量的稳定性。这使得可以节省额外的电力，这是由于电弧燃烧时的能量损失减少而实现的。
当前的EAF在炉顶中具有唯一的所谓“第五”孔洞6以在熔化过程期间供应粒状材料。切换到在熔化过程期间添加材料需要改变当前的电炉设计以通过壁2中的三个或更多个孔洞8产生持续且均匀供应所需材料(包括OCM)的能力，将这些孔洞布置在熔炉壳体3的上部中上标记10的水平以下0.2–1.0m处。这允许从熔化过程一开始就以废金属的任何体积密度供应OCM，以及使得可能在更宽的范围内并且平稳得多地控制OCM的消耗。
EAF中的熔化过程的主要特征是为了这一阶段的最快的装料熔化和连续性的降低的目的而供应最大量的电力，这一阶段耗用了电熔化过程的大部分时间。EAF、尤其是最新一代的EAF具有达到每吨钢最高1,500KVA的大功率变压器，这就是将大量高度集中的能量添加到装料中的原因。该量显著超过了固体装料累积和吸收供热的能力。由于装料吸收所供应的能量的能力有限，因此它的大部分被无效率地使用，被耗尽以蒸发金属的一部分，过度加热装料、金属和气体，以及增加了到熔炉的顶7和壁2的散发等。这些因素增加了熔化过程期间的热损失和能耗并且降低了EAF的热效率。
熔化过程期间供应的装料内的OCM填满了熔化装料层内部的空间，从而增加了其体积密度。因为它们的尺寸相对较小，因此这些材料相比于金属装料块具有更显露的热传递表面。此外，OCM粒料相比于废金属具有更薄的实体，因此具有更快的加热速度，和相应地更短的熔化时间。由于这些因素，因此OCM增加了装料的累积能力和其熔化速度，从而增加了电弧燃烧期间排放的能量的吸收水平并降低了其损失。相应地，这降低了比电力消耗和熔化持续时间。
除了对因来自燃烧电弧的热吸收增加所致的电弧燃烧区域中的热交换的物理影响以外，OCM还具有基于OCM的碳和铁的氧化物之间的化学反应的额外冷却效应。该反应是吸热的，因此额外地冷却其中定位有这些材料的区域，从而增加了供应到该区域的热的吸收速度。因此，EAF熔化中的OCM施加，通过将OCM供应到熔炉的中心区域9中，导致一些热传递到碳和铁的氧化物的相互作用反应。因此实现了不可逆的热损失和比电力消耗的降低。所述效应涉及燃烧电弧区域的化学冷却，并且增加了OCM对该区域中的温度的纯物理作用，从而增加了冷却效应。
吸热反应涉及通过碳将铁由其氧化物还原的反应，并且具有显著的热消耗。然而，在所要求保护的方法中，来自由熔炉中排放的能量并且被认为是一种损失的热确保了该反应的损失。这消除了在使用OCM时的额外热损失。
铁和氧化亚铁是熔化过程期间供应的OCM中的碳和铁的氧化物的相互作用反应的产物。由OCM获得的铁被转移到金属浴，从而增加了铁输出。此外，它具有原始特征并且特征在于其相对于剩余元素如Cu、Sn、Mo、Cr、Ni等的纯度增加。熔炉的中心区域中显著高的温度、OCM块(粒料)的显露的热交换表面、渗碳剂的大反应接触表面以及热传递的高强度确保了对于这一反应(包括铁的完全还原)所需的和充分的条件。
所得一氧化碳是从装料块内散发的额外热量的来源。通过熔化装料块层过滤，它被燃烧直到它变成一氧化碳，每千克包含在OCM中的碳耗散6.55kWh的热量。固体装料的存在、其显露的表面、相对低的温度，以及CO形成区域、其额外的燃烧和热吸收的组合为直到装料内CO变成СО2的更完全的CO燃烧创造了条件，并且增加了周围材料的燃烧的热传递。这些值显著超过已知方法的类似值，其中在熔化过程开始，当所述浴呈混合态并且被覆盖在起泡熔渣中时，进行后燃和热传递。这些因素使用于后燃和热再循环的条件显著恶化。
从上文得出，熔化过程期间的OCM的使用，基于OCM在熔化过程向熔炉的供应，显著改变了这些材料在电熔化过程期间的行为特征且通常是EAF能量。在将OCM供应到高温区域并且随后加热材料块之后，开始通过包含在OCM中的碳将铁由其氧化物还原的反应并且铁输出增加。因此，实现了燃烧区域的物理和化学冷却。它显著地增加了热吸收的水平，并且消除了其损失。一氧化碳在通过装料体积的过滤过程期间后燃成CO2。因此，实现了CO形成区域、其后燃成CO2和热吸收的组合，这显著地增加了后燃效率和通常是作为能量载体的碳的后燃效率，从而减少了电力消耗和熔化时间。
相比于其中OCM仅在熔化过程结束时开始积极地熔化的已知方法，这是所提出的方法的优点之一。此时，熔炉中形成混合态的金属浴，其被相对较冷的起泡熔渣覆盖。因此，CO到CO2的后燃过程以及热传递到熔炉浴在不利的条件下进行。因此，使用碳所产生的效果显著降低，且相比于所提出的方法中的4.5–4.9kWh/kg，不超过3.1-3.8kWh/kg碳。
因此，所提出的熔化钢的方法，基于应用特殊的系统来加载OCM，显著改善了熔化期间的能耗，从而确保了显著更低的电力消耗。
10-90％的值是通过熔炉变压器的比功率的宽变化界限和不同含量对OCM块的冷却效果来限定的。取决于这些参数的比率，在熔化过程期间供应的OCM的量可以由它们每次熔化量的消耗改变10-90％。在该量小于10％的情况下，所实现的效果降低，限制了所述提出的方法的参数。当熔化过程的OCM消耗超过90％时，所提出的方法的效率也降低。在这种情况下，限定了，与废料一起供应的OCM的量并未确保一氧化碳的必需量，这减弱了金属浴的混合强度并且延长了熔化过程。除此之外，形成的一氧化碳的有限量降低了供应到熔化材料和混合态浴的热量。这两个因素综合起来，导致每次装料熔化量的能耗增加。因此，熔化过程期间的OCM消耗的等于10-90％的参考区域间确保了每次装料熔化量的最大比热耗的实现。
OCM块在5–80mm范围内的典型尺寸表示单个块的三个尺寸的平均值。这一块尺寸范围是由假设将它们布置在金属废料的开放空间中的概率和通过熔炉壳体3的壁2中的孔洞供应OCM的能力而获得的。当块小于5mm时，观察到它们通过废料块出现在金属加载下部中和它们从熔化区域排出的效果。这导致邻近底部1的装料层中的OCM累积，并且减慢了它们的熔化，使它转向装料熔化结束。因此，降低OCM块的尺寸到小于5mm不是优选的。尺寸超过80mm的块具有更高的挂住(hang up)倾向且难以供应到熔炉中。因此，进一步尺寸增加是不可行的。
总的说来，上述参数的组合，即在熔化过程期间供应10–90％的OCM与5–80mm范围内的单个块尺寸，以相当高的速度并且由于热而确保了这些材料在开始熔化阶段彻底熔化，所述热由于装料无法吸收来自电弧的所有供应热而损失。此外，实现了包含在固体氧化剂的氧化物中的铁的完全还原。因此，铁输出增加。
有效值是通过一氧化碳的较早(从熔化开始)形成提供的，所述一氧化碳与铁一起作为碳和来自固体氧化剂的铁氧化物的氧的反应产物而形成的。因此，达到600m3/t材料的一氧化碳的形成量起到了积极作用。一氧化碳起着额外的能量载体的作用，因为它后燃成СО2，散发大量的热-每千克碳6.55kWh。相比于已知的方法，固体装料块的存在将后燃热吸收改善了60-80％，而不是30-50％，从而节省了额外的电力。
将一氧化物引入熔炉的气氛中降低了氧含量，并且总的说来，降低了有关金属废料表面的气态的氧化电势，从而额外地降低了金属废料的铁氧化，并且增加了来自金属装料的铁输出。
将根据本发明所述的OCM供应到熔炉的具有不超过D＝(dp+3.5dEL)的尺寸的中心区域9，其面积不超过熔炉在屋顶水平下的总横截面积的30％。
这个参数的选择是通过EAF的比能量来限定的，这意味着所有的电力热转换和散热均发生在熔炉的尺寸与电极5圆直径dp相当的中心区域9内。对于最新一代的现代大功率熔炉来说，这一参数的绝对值是1.3–1.6m。在熔炉中心处存在高度集中的热源预先决定了电弧燃烧区域中的金属负载的固体材料的有利熔化。在孔中彻底熔化并形成统一的熔化区域之后，装料的外周区域显著更迟地熔化。电弧燃烧区域和其邻近区域中的特别高浓度的能量解释了将OCM准确供应到熔炉的中心区域9中的必要性，中心区域9位于电极5下方和它们的侧面。
如果供应区域尺寸不超过D＝(dp+3.5dEL)的值，则所供应的OCM进入最高温度和最大浓度的能量的区域中。因此，确保了OCM的较期熔化以及碳和固体氧化剂的铁氧化物之间的反应的较快完成，所述反应的目标产品是通过碳由铁的氧化物还原的铁和一氧化碳。后者用作额外的热源，其呈后燃的能量和因素的形式，所述因素降低了EAF的气态的氧化电势，从而增加了来自所述装料的铁输出。在1MVA的变压器功率下，供应到熔炉的OCM的比进料速度的推荐区域间是0.5–10.0kg/min。当1MVA下的加载速度低于0.5kg/min时，有关能耗的降低和铁输出的增加的可实现的效果显著降低，因此，该值的进一步降低是不可行的。当1MVA下的OCM加载速度超过10kg/min时，观察到电弧燃烧区域和邻近区域的过度冷却。这导致延长的熔化过程和能耗的增加。除此之外，还存在主要OCM反应不完全的危险，所述反应即碳和铁氧化物之间的反应，它决定了这些材料的应用效率。因此，加载速度的适用范围是0.5–10.0kg/min，这是最合理的解决方案。
OCM的主要主导特征是碳-氧(C/O)比率，它概括了对这些复合材料的应用效率和它们含量的选择的联合影响。在0.15<C/O<5.00的范围中选择OCM中的碳/氧比率。如果OCM中的C/O比率低于0.15，则该材料的冷却效果将接近最大，等于固体氧化剂的冷却能力。其后果之一是降低每次熔化量的OCM量的必要性，这降低了所提出的方法的效率。因此，C/O比率降低到0.15不是优选的。
在这些情况下，当C/O比率高于5.00时，材料的冷却能力将开始急剧下降。其原因是从OCM排放到金属浴中的高碳含量，并导致过量的金属碳化。因此，增加C/O比率到高于5.00是不合理的。因此，两种C/O比率，即低于0.15和高于5.00，都不是优选的。
材料的OCM组分含量限度和内含物由以下方法确定。如果它由小于40％的固体氧化剂组成，并且渗碳剂含量大于60％，则固体氧化剂的铁氧化物的整个氧均被完全消耗以氧化部分的碳，而剩余的大量碳被引入浴中，从而将它碳化。此外，引入浴中的碳的量相当高。增加碳含量降低了OCM对电弧燃烧区域温度的冷却效果，并且它需要氧和电力的额外消耗，从而通常延长了氧化过程和整个熔化过程。同时，金属脱磷条件由于熔渣中的铁氧化物量降低而恶化。因此，降低固体氧化剂含量到低于40％并且增加含碳试剂到高于60％是不可行的。在OCM中的固体氧化剂的含量增加到高于95％并且相应地渗碳剂含量降低到低于5％的情况下，充当氧供体的铁氧化物的量显著超过它们从OCM中去除所有碳所需的量。过高的固体氧化剂含量将OCM的冷却效果增加到接近固体氧化剂的纯形式的水平并且等于废金属的3-4个单位的冷却能力。这显著降低了每次熔化量的OCM消耗。所得过量的铁氧化物被发送到熔渣，增加了熔渣的氧化和质量。这些因素负面地影响电熔化参数，降低了铁输出，增加了最终金属产品中的氧含量，增加了脱氧剂的消耗，增加了氧含量对钢的污染，以及降低了熔炉衬里的稳定性。所有这一切将OCM中的氧化剂和渗碳剂含量的限度分别限定为90％和5％。渗碳剂和固体氧化剂的总质量的100％以上1–10％的量的OCM含量中的粘合剂确保了粒料的适当的机械稳定性并且不显著影响熔化过程。
OCM可以含有5-30％的量的含铁金属颗粒。此类颗粒的存在显著加速了当OCM被加热并熔化时，OCM内发生的碳和硬质氧化剂之间的主要反应。OCM内金属颗粒的存在增加了通过碳将铁由其氧化物的还原和这一过程的速度。
在它们在OCM内低于5％的相对低的含量下，其对反应动力学的影响的益处被减弱。此外，积极结果不超过获得材料块的技术的复杂性。由于OCM块的稳定性降低以及由于涉及OCM块的工艺复杂性，因此将OCM内金属颗粒的含量增加到高于30％导致粘合剂消耗的显著增加。因此这一参数5-3％范围是最佳的。
OCM可以含有0.1-10.0％的熔渣形成组分。它们在OCM内的含量确保了在熔化过程期间液体熔渣的较早形成，并且如实验中所示，增加了电弧燃烧的稳定性并且降低了它们的能量损失。此外，熔渣的快速形成改善了在熔化过程完成后去除磷的条件。熔渣形成材料降低到低于0.1％不是优选的，因为它降低了其影响的效率。增加这些材料到高于10.0％也不是优选的，因为它影响了OCM的主要组分，即碳和铁氧化物的相对含量。0.1-10.0％含量是最佳范围。
现有的EAF只具有一个孔以通过熔炉圆顶在熔化过程期间供应散装材料。对于能够对熔化过程期间供应的显著大量的材料进行操作的现代熔炉来说，一个孔可能是不够的。连续降低废金属的体积密度的倾向使该情况进一步复杂化，该倾向导致对熔炉的整个空间的完全填充，几乎直到圆顶7。自然，这导致金属负载中的间隙减小并且使在熔化过程的初始阶段供应OCM的能力复杂化，因而限制了其消耗。这一问题的解决方案是通过增加即熔炉壳体3的壁2中的孔洞的数目来增加通量，所述孔洞沿两个相邻的电极5之间具有关键定位的周边布置且具有至少三倍于电极5的数量，并且它们的位置在壳体3的上标记10的水平以下0.2–1.0m处。这允许从熔化过程开始以废金属的任何体积密度输入OCM并且使得可能在宽范围内均匀地控制OCM消耗。此外，电极5不被OCM粒料的输入流损坏，并且后者被保证进入熔炉的中心区域9中。因此，确保了材料的均匀分配和彻底熔化，而不形成累积的未熔化OCM的密集体。
钢熔化方法是通过以下方式进行EAF。
在完成从EAF中去除金属和熔渣后，加载其工作空间，从而使熔炉达到初始状态。第一桶负载由废金属和OCM块(粒料)组成，其具有5–80mm范围的块尺寸，具有通过例如振动模制制成的1–10％的波特兰水泥(Portland cement)的粘结基质。取适当量的OCM，以每次熔化量的总消耗的10-90％计算。供应功率、燃料、气态氧和助熔剂。同时且平行地，从装料熔化的那一刻起，即通过熔炉壳体3的壁2中的多个孔洞8以在变压器的1MVA估计功率下0.5–10kg/min的比速度将OCM供应到熔炉工作空间中。这些块部分地填满了留在废金属中的间隙。当前使用的废金属具有大约0.5t/m3的降低的体积质量。因此，废金属内的一些间隙超过90％，并且占总装料体积的绝大部分。初始金属负载层内自由腔的存在确保了输入的OCM布置在其体积内。
在高体积密度的废金属下，优选在熔化过程开始后1–2分钟供应OCM。因此，固体装料的一部分已经熔化，从而释放EAF中的一些工作空间并且在废金属表面与熔炉圆顶7之间产生额外的自由空间。
供应与OCM块组合的流动通过EAF壳体3的壁2中的孔洞8的材料的倾斜角改善了使其到达中心区域9的能力，中心区域9的一部分充当电弧燃烧区域，将尺寸限定为D＝(dp+3.5dEL)最大值，这超过了熔炉的工作空间的横截面积的30％。因此，确保了将OCM供应到中心区域9中，中心区域9位于热电弧下方并且从侧面由未熔化装料的壁来限定。
基于维持进料速度在对应于供应的材料的速度流动的水平或稍低于它的水平下，在熔炉的变压器的1MVA功率下,所供应的材料的消耗速率是0.5–10.0kg/min，所述水平由所供应的功率量确定。材料消耗逐渐增加。当装料继续熔化时，这种情况结束，因为不含熔化装料的金属负载层内形成空腔(孔)，并且在电极5下方的统一熔化区域中形成。在第一阶段后，即在熔化第一桶的一部分，即金属负载的50-65％后，关闭熔炉并且停止OCM供应。然后，加载第二桶废金属并且接通熔炉并再次供应OCM。在从由电弧掩蔽熔炉衬里的固体装料释放壁2并且形成与浸渍在其中的废金属块形成混合态的金属浴后，停止这些材料的供应。这对应于熔化过程的最终阶段，其在浴的平坦表面条件下，在壁2和熔炉圆顶7上直接散发电弧的条件下进行。此后，熔化过程依照类似于已知熔化方法的标准工艺继续。
在熔化过程开始时，将OCM负载供应到装料是基于其中存在大量的间隙，这些间隙是EAF的装料体积和总工作空间的大部分。在具有约0.4-0.6t/m3的相对低的体积密度的基于废金属的初始固体装料的进一步熔化之后，在废金属层内形成自由空间，如上文也已经提到的。后面一些是从圆顶7到底部1的贯穿整个金属装料的空腔。它们的形状极其类似于圆柱体，其壁由形成初始金属负载的材料片段组成。由于固体装料呈熔融状态的转变而形成孔，其位于电极5下方和它们的侧面，并且使所形成的熔化物流向熔炉的下部，直到底部1。因此，熔炉工作空间开始本身卸除装料块并在金属负载内形成不含固体材料的空腔。这简化了将OCM供应到工作空间的条件，并且允许增加其消耗。
在电极5通过所有的初始金属负载后并且在它们被降低到它们的最低位置且电弧燃烧转变为操作模式后，在位于熔炉底部1上的混合态浴中，开始形成孔的侧壁的装料块的熔化过程，以及金属负载内最初形成的自由气体空腔的膨胀。
废金属的低体积密度预先决定了在孔形成那一刻孔的相对小的直径，所述直径通过dK＝1.5dEL表示。金属装料内OCM块的供应和/或存在增加了孔直径与电极直径的比率。当孔的相对直径达到dK/dEL＝2或更高时，所形成的孔组合成一个单一的熔化区域，其位于熔炉的中心区域9中电极5下方。该区域，从其侧面，由尚未熔化的装料块形成，所述装料块反过来由EAF壳体3的壁2支撑。
由于位于电极5下方的固体装料部分熔化，因此一些工作空间不含废金属。它显著改善了OCM到熔炉的供应并且增加了进料速度，以及确保了它们在熔化过程形成的液体金属浴表面处的进入、供应和它们的优先布置。
在加载第二桶后，在大约熔炉的工作空间的中部处的金属负载内出现OCM块。此外，它们出现在电极5的移动路径的中心。从包含在该材料中的碳和固体氧化剂的氧的反应的观点来看，CO到CO2的后燃和通过熔化材料和金属浴吸收热的角度来看，这为OCM潜力的有效使用创造了所需的和充分的条件。同时，这加速了浴的碳化，这反过来又加速了熔化过程，并降低了能耗。
因此，在熔化过程期间供应一些OCM粒料显著改善了熔化技术，并增加了其应用的效率。
在0.15<C/O<5.00的范围中选择并维持通过固体氧化剂的铁氧化物供应的碳/氧比率。当将含有5–30％铁的金属颗粒添加到OCM内含物中时，所提出的方法的效率增加。金属铁的存在降低了碳和金属氧化物的反应的开始温度，以及加速了该反应的流动。反过来，它增加了铁的还原，加速了一氧化碳的形成。该气体的较早形成改善了后燃和到金属负载的熔化材料的热传递的条件，以及增加了装料块与在CO到CO2的后燃过程中形成的热的热交换的持续时间。
通过将化学元素的氧化物和/或氟化物的熔渣形成组分添加到OCM内含物中有助于增加所提出的方法的效率，相比于铁，所述化学元素在高于1,550℃的温度下更接近于氧，所述组分的量是所述材料的总质量的0.1-10％。
由于应用了本组发明，因此产生了用于其实施的钢熔化方法和EAF，这最终显著降低了熔化金属的装料的比电力消耗并增加了来自OCM的铁输出，以及增加了它们在装料的总质量的相对量。
Claims (6)
1.一种在EAF中进行的钢熔化方法，其包括在熔炉的工作空间中加载由废金属和氧化碳材料块组成的装料，所述氧化碳材料是由块、粒和其它压制方法获得的含碳材料和固体氧化剂的粒化或压制混合物，供应燃料、渗碳剂、助熔剂和气态氧，供应电，加热并熔化所述装料，利用电弧使金属浴脱碳，以及从熔炉中释放金属和熔渣，与其它方法的不同之处在于，在熔炉的中心区域中开始熔化过程之前，所述中心区域邻近于电弧燃烧区域并且限制为不超过D＝(dp+3.5dEL)，其中dp是电极崩解直径，dEL是电极的直径，以在EAF的1MVA标称功率下0.5–10kg/min的比加载速度，以每次熔化的其总消耗的10–90％的量同时加载氧化碳材料的金属装料的第一部分，而当所述熔化过程进行时，将剩余的氧化碳材料量添加到熔化的装料中，而氧化碳材料块的尺寸在5–80mm范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其不同之处在于，其具有0.15<C/O<5.00的碳/氧比率，所述氧由氧化碳材料的固体氧化剂供应和/或包含在铁氧化物中，具有以质量％计以下含量的初始组分：所述渗碳剂和所述固体氧化剂的总质量的40-95的固体氧化剂、5-60的渗碳剂和1-10％的粘合剂。
3.根据权利要求1所述的方法，其不同之处在于，其具有另外由含铁金属颗粒组成的氧化碳材料，所述含铁金属颗粒的量为所述材料的总质量的5–30％。
4.根据权利要求1所述的方法，其不同之处在于，其具有另外由熔渣形成材料组成的氧化碳材料，所述熔渣形成材料的量为所述材料的总质量的0.1–10.0％，同时使用元素的氧化物和/或氟化物作为熔渣形成材料，在高于1,550℃的温度下，相比于铁，所述元素更类似于氧，并来自包含Са、Na、K、Ва、Аl、Ti、Zr、Si、Mn、V、Cr和В的组。
5.通过权利要求1-4中所述的任一方法熔化钢的EAF，其由内衬的耐火材料组成，具有底、壁和壳体，所述壳体具有孔洞，用以供应散装材料，和圆顶形可拆卸顶，其具有电极保持器，被设计成具有旁通和更换电极的能力，而壳体壁被设计成沿它们的周边具有至少三个孔洞，以将氧化碳材料供应到所述熔炉的中心区域，所述中心区域邻近电弧燃烧区域并且限于不超过D＝(dp+3.5dEL)的尺寸，其中dp是电极崩解直径，dEL是电极的直径，所述孔洞位于所述壳体的上标记的水平以下0.2–1.0m处。
6.根据权利要求5所述的EAF，其不同之处在于，其沿壁的周边具有孔洞，用以将氧化碳材料供应到所述熔炉的所述中心区域，主要将所述孔洞布置在两个相邻的电极之间。
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