CN108026598A - 在电弧炉中炼钢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及冶金领域，更具体地涉及在电弧炉(EAF)中炼钢的方法。已知的在电弧炉中炼钢的方法包括：向炉子的工作区内至少加入固体金属投料和至少固体含碳材料，用电弧熔化投料，在熔化过程中用所述固体含碳材料对金属渗碳；以及从炉中排出金属和炉渣。提出将高碳渗碳剂以在电弧燃烧区中还原的铁的液相形式加入炉子的工作区中进行熔化过程，用于对金属进行额外的渗碳，其中所述高碳渗碳剂是由铁氧化物和碳质材料获得。将所述铁氧化物和碳质材料加入到大小不超过D＝(dp+6del)的电弧燃烧区中，其中dp为电极节距圆直径，del为电极直径。在所述液态铁相中以游离形式和溶解形式存在的碳总含量不超过30％。熔化中使用的渗碳剂的总量不超过金属投料重量的20％。所述渗碳剂在整个投料熔化的过程中连续或周期性地加入到炉子的工作区中。投料开始熔化时开始加入渗碳剂。本发明的使用导致通过在熔化过程中调节碳含量增加了液体金属产量，增加了从熔化一开始金属的渗碳水平，降低了铁损失到炉渣和烟气中。

Description

在电弧炉中炼钢的方法
本发明涉及冶金领域，更具体地涉及在电弧炉(EAF)中炼钢的方法。
本领域已知的在电弧炉中炼钢的方法包括在电弧炉中熔化炉料，然后进行两个阶段：氧化和还原。第一氧化阶段的主要目标是通过使用固体氧化剂，通常是铁矿石，将大部分磷成渣去除。如果可能的话，将得到的炉渣完全从炉中排出，并用石灰和熟料进行处理。金属在所述炉渣下加热，碳被氧化到设定的限定值。
在第二还原阶段之前，炉中的炉渣被完全除去，并通过添加石灰和萤石而用新鲜的非铁质炉渣代替；所述炉渣用碳、硅和铝脱氧以从金属中除去最大量的硫。然后钢主要在炉内合金化并脱氧。所述技术限制了炉的容量和钢的质量。[Electrometallurgy of steeland ferroalloys.D.Ya.Povolotsky,V.Ye.Roschin,M.A.Ryss,A.I.Stroganov,M.Ya.Yartsev.Study manual.Moscow.“Metallurgy”.1974,pp.213-276]。
在过去的几十年里，开发出了一种新的更有效的炼钢方法。它基于大量使用本体氧气和含碳材料来增强电熔炼的最长过程即熔化阶段[A.N.Morozov,Modern steelmakingin arc furnaces.2nd edition,Chelyabinsk,Metallurgy,1987,175p.]。该新方法的另一个特点是将制造过程的一大部分：脱硫、合金化、脱氧以及在某些情况下脱碳，从炉子转移到二次精炼装置中的钢包[A.N.Morozov,Modern steelmaking in arc furnaces.2ndedition,Chelyabinsk,Metallurgy,1987,p.175；Innovative development of electricsteelmaking.A.G.Shalimov,A.Ye.Syomin,M.P.Galkin,K.L.Kosyrev.Monograph.M.Metallurg.Publish.,2014,p.308]。如今，这种炼钢技术被广泛使用，并且是电弧炉中炼钢的主要方法[A.N.Morozov,Modern steelmaking in arcfurnaces.2nd edition,Chelyabinsk,Metallurgy,1987,175p]。
一种现代炼钢方法使用各种组成的合成复合物，从基于铸铁和铁氧化物的复合物(Synticome)到碳氧化物材料[Yu.A.Bondarev,G.N.Yelansky,V.I.Lemyakin,etal.Experiment conducting melting in electric furnaces with carbon oxidecakes.Proceedings from the fifth congress ofsteelworkers.M.Chermetinformation,1999,218p.]。
有一种已知的在电弧炉中炼钢的方法，其包括：向炉子内填料；装入金属废料、直接还原的铁、含铁和碳材料以及助熔剂；将固体含碳材料(CBM)加入到第一部分投料(第一个桶或筐)中；电极滑动和更换；如果需要，增加投料；供应电力、燃料、氧气、助熔剂、用于使炉渣发泡的颗粒状CBM；熔化投料；如果需要，在炉料开始熔化后通过炉子拱形顶部的炉门加入额外的CBM；在熔化过程中对金属渗碳(碳化)；加热和脱碳金属浴；撇除炉渣；以及金属(半成品钢)出料[G.A.Dorofeev,P.R.Yantovsky,Ya.M.Stepanov,et al.EnergyEfficiency of Arc Steelmaking Furnaces and Prospective Use of CompositeProcess Materials.Proceedings from the thirteenth congress ofsteelworkers.Moscow-Polevsky.2014.pp.87-92]。
发明人证书号1435614中描述的炼钢方法在本领域中是已知的(作者证书号1435614的说明书，优先权日为07/14/1986，公布于11/07/1988)。在所述已知的炼钢方法中，在熔化过程中将分散在载气流中的液体树脂或沥青加入到熔体中。渗碳剂速率在载气流速为0.3-25kg/m3范围内变化。在渗碳过程中，金属被加热并且其气体含量降低。
然而，渗碳只能在炉料完全熔化的情况下进行，也就是说，在熔化的液态阶段，这在现代炉子中非常短暂，只有大约10分钟，仅占总熔化周期时间的10-15％。因此，在没有金属渗碳时发生大部分的熔化，这降低了所述方法的效率。从注入熔体的液体渗碳剂(树脂或沥青)的碳吸收量降低，因为所述材料的大部分都在回流气流中被带到浴的表面，因此增加了渗碳剂的消耗。
使用非常粘稠的液体树脂或沥青作为渗碳剂需要对其加热，这使电弧炉构造和熔化过程变得复杂。因此，涉及用树脂或液体沥青渗碳的炼钢方法并未广泛实施。
专利RF 2539890(2013年12月30日申请，2015年1月27日公布的专利RF 2539890，IPC C21C 5/52的说明书)中公开的在电弧炉中炼钢的方法在其技术实质和取得的成果上最接近本发明。在所述方法中，将包含金属废料和烧结碳氧化物材料的投料装填到炉体中；接通电源；注入燃料、渗碳剂、助熔剂和氧气；并在金属浴脱碳的同时用电弧加热并熔化炉料；然后排出金属和炉渣。在熔化开始之前，向邻接电弧点燃区域的，大小不超过D＝(dp+3.5del)的中心炉区中加入第一部分金属投料以及一部分碳氧化物材料，其中dp为电极节距圆直径和del为电极直径，所述一部分碳氧化物材料的量为熔化时所用总量的10-90％，剩余的碳氧化物材料在熔化过程中以特定的每1MV-A电弧炉变压器功率0.5-10kg/min的进料速率加入到熔融炉料中，其中所述碳氧化物材料块的尺寸在5-80mm范围内。炉体主体的壁沿其边缘具有至少三个用于将碳氧化物材料引入中心炉区的孔，这些孔位于炉体上部标记水平以下0.2-1m处。该发明可以降低用于熔化金属投料的比能耗，增加由碳氧化物材料得到铁的产量，并且增加所述材料在总投料中的相对含量。
已知的电弧炉中炼钢的方法的缺点是：
1.在熔化过程中，当固体投料完全熔化并且已经形成液体金属浴时，碳将溶解在炉内形成的金属中。因为这个原因，金属的渗碳减慢并推迟到熔化阶段完全结束。含碳材料(CBM)独特和与众不同的性质及其化学和物理性质，阻碍了它们溶于液体铁中的能力，限制了液体铁中可能的碳含量。
另一个不利因素是由于炉内CBM部分燃烧导致碳吸收量较低(不超过50％)。因此，在熔化过程结束时，碳含量变得更低，通常不超过0.03-0.05％，尤其是在氧气消耗量更大(35-45m3/T)的最新一代电弧炉中。在出钢前金属中的低碳含量显著增加了熔化损失并使金属产率降低了1-4％。
2.碳从CBM扩散到液态铁中，只有当初始金属投料完全熔化时，当熔体被加热到1,520-1,570°С时，在熔化过程结束和出钢之前6-10分钟，金属才被溶解在铁中的碳渗碳。因此，在时间最长且耗能最高的冶炼阶段即占据了冶炼阶段的最长时间(20-35分钟)的投料熔化过程中，并没有发生多少金属脱碳。因此，增加电弧的金属浴能量吸收以及加热金属的速度的金属和熔渣的沸腾和混合，仍然未被开发。因此，电弧炉炼钢期间的比能耗也会增加。
已知的基于用固体CBM渗碳金属的方法的所述缺点最终会对电弧炉中炼钢的所述参数产生不利的影响，因此需要找到提高金属渗碳效率的技术解决方案。
以下说明本发明实现的技术结果：
-通过调节冶炼过程中的碳含量实现液体金属的产量增加；从冶炼一开始就增加了渗碳水平；并降低铁损失到炉渣和烟气中；
-因为额外渗碳而不需要增加能耗来制备液态渗碳剂(碳化剂)，且在整个冶炼过程中，包括熔化阶段，此时熔融金属浴处于固液态且仅适度加热，熔融金属浴持续不断的渗碳，因此电弧炉中炼钢的比能耗降低；
-通过调节冶炼过程中的氧含量实现了金属中氧含量的降低，并且从冶炼一开始，即从熔融阶段开始就增加了金属渗碳水平，在与金属投料一起装入炉中的固体CBM熔炼期间不增加消耗。
此处提出的炼钢方法中的金属用碳在直接还原铁中的液体溶液进行渗碳(碳化)；所述溶液是在初始金属投料熔化期间在电弧炉中形成，其是由装载到炉中的含有铁氧化物和还原剂(碳)的材料形成，而不是像在已知方法中观察到的那样，由投料形成。使用液态高碳铁熔体代替需要很长时间才溶解于铁中的固态CBM，显著加速了金属的渗碳。从熔融一开始时由金属投料熔化形成的金属熔体中就存在碳，促使了更早且更剧烈的碳氧化。在脱碳中形成的一氧化碳导致金属和炉渣的起泡、沸腾和混合，从而使冶炼成为连续沸腾模式。所述因素增加了热量吸收并加速了金属的加热，降低了能耗。同时降低了铁损失到炉渣和烟气中，从而提高了金属产量。因此，所述因素是特别重要的，因为它使熔化过程成为从金属投料熔化开始到冶炼结束连续沸腾浴模式。
为了解决所述问题并且在包括以下的已知的电弧炉中炼钢方法中实现期望的技术结果：将固体金属投料和至少固体含碳材料一起装载到炉体中；用电弧熔化投料；在熔化过程中用固体含碳材料渗碳金属；以及从炉中排出金属和炉渣，冶炼过程是用作为加入到炉体中的在电弧点火区中还原的铁的液相形式的高碳渗碳剂进行的，以进一步对金属渗碳，其中高碳含量渗碳剂由铁氧化物和碳质材料获得。
为达到最佳技术效果：
在液态铁相中游离态和溶解态的碳总含量不应超过30％；
用于熔化的总渗碳剂不应超过金属投料重量的20％；
应将铁氧化物和碳质材料注入直径不超过D＝(dp+6del)的电弧点火区，其中dp为电极节距圆直径，del为电极直径；
在投料熔化过程中，应将渗碳剂连续或周期性地注入炉腔中；
渗碳剂的进料开始时间应与投料开始熔化时间相一致；
铁氧化物和碳质材料应同时注入电弧点火区；
铁氧化物和碳质材料应在注入炉内之前混合在一起，并应作为均匀混合物进料；
铁氧化物和碳质材料在注入炉前应进行烧结，并应以烧结物的形式加料；
装入炉内之前铁氧化物颗粒和碳质材料的尺寸不应超过25mm；
在液态铁相中的游离态和溶解态的碳总含量应至少为2％；
用于冶炼的渗碳剂的总量应至少为金属投料重量的20％。
在熔化过程中对金属进行额外的渗碳与现有的用固体CBM渗碳的方法前后或同时进行，所述现有的用固体CBM渗碳的方法包括以下步骤：将所述CBM注入投料中，将投料装入炉中，熔化投料，以及碳溶解在金属中。两种渗碳技术的组合确保了金属渗碳很早发生，从而在熔化开始时，即第一部分熔融金属出现时就达到期望的碳浓度。在整个熔化阶段内从熔化开始到结束，在搅拌金属和炉渣的同时发生碳氧化和一氧化碳鼓泡，这降低了能量消耗并提高了投料的铁产量。
所述解决方案考虑的选择将原材料在熔化过程中注入中心最热区域以及注入在投料中形成的空腔(所谓的“井”)中也起到了作用，所述空腔具有最高的能量浓度和特别高的温度。所述因素有助于直接还原铁的快速形成；对其渗碳；熔融的高碳铁的生产，所述熔融的高碳铁在熔化过程中直接作为电弧炉中的“液体”渗碳剂；并加速整个渗碳过程。
使用在投料熔化期间形成的碳在铁中的液体溶液，而不是使用固体的CBM，导致在冶炼一开始时(熔化阶段)由固体金属投料形成的熔融物质较早地渗碳，而且还是以一种受控模式进行。这使得CBM在电冶炼中的使用更加高效，并且还提高了炼钢中的电弧炉性能，包括电能和金属投料消耗。
在“液体”渗碳剂中存在两种状态的碳(即原子状态(稀释)化学结合到铁上的碳和游离态(作为超细颗粒)的碳)可以解释如下。一方面，与潜在的渗碳剂即高碳铁合金如铸铁相比，这可以大大提高材料的渗碳能力，从而减少或完全免去其在冶炼中的使用。另一方面，它保证了固体CBM预先分散成最小的颗粒，约10-3–10-6cm，并且保持其活性在最高水平上，接近于1。这反过来保证了在“液体”渗碳剂流入浴之后，碳快速溶解在炉子的金属浴中，并且铁-碳熔体具有最高的重量均匀性。这防止金属保留一些含碳基团，这会对钢铁质量产生不利影响。
碳在铁中的溶液的总碳含量浓度选择在2-30％范围内。低碳含量(小于2％)是不希望的，既因为提高了渗碳剂的耐火质量，也因为主要元素碳的浓度降低，这降低了本方法的效率。超过30％的高碳含量阻碍了所述渗碳剂从其形成区进入金属浴，因为由于其中存在固体碳颗粒，熔融的渗碳剂流动性变差。
在熔化过程中，渗碳剂(液体碳化剂)的总消耗量设定在从投料重量的1-20％的范围内。渗碳剂的低消耗(小于1％)，由于进入金属的碳量不足，会降低渗碳效果。渗碳剂的高消耗(超过20％)也是不可取的，因为由于形成大量的渗碳剂，金属浴中的碳含量达到极高的浓度。
在本发明中，在金属投料熔化的整个过程中将含铁和碳的材料注入炉中，随后加热材料，铁还原，对其渗碳，形成碳在液态铁中的溶液(“液态渗碳剂”)的步骤在时间和空间上前后和同时发生，这与已知的方法不同。本方法允许部分或必要时完全用同步渗碳来替代现有的用固体CBM连续渗碳，所述同步渗碳更快且更有效。
本发明的在电弧炉中炼钢的方法中渗碳过程的所有阶段可以通过将含铁和碳的材料注入炉子的较热区域来组合，在所述较热区域中由于电能转换成热能而释放大量的热。因此，将发热区域与操作区域相结合，在所述操作区域中注入的材料相互反应产生碳在铁中的液体溶液(“液体”渗碳剂)。这种情况极大地促进了金属的渗碳，并且从熔化的一开始就如此。因此，金属浴的脱碳也从熔化的时刻开始并持续到冶炼结束，确保了金属和熔渣在整个冶炼期间，包括熔化期，沸腾并混合在一起。因此，能量消耗降低并且源自投料的铁产量增加。
原材料加料区域的面积不应超过D＝dp+6d3n。如果尺寸再增加，材料会进入较冷区域，粘在一起，并在炉壁上形成聚集体。它们的熔化将需要额外的能量和时间，这降低了该方法的效率。
本发明的在电弧炉中炼钢的方法包括以下步骤：向炉内加料；向炉体加入固体金属料，以及最小量的用于使金属渗碳的固体含碳材料；用电弧熔化投料；在整个熔化过程中用含碳材料对金属渗碳；从炉中排出金属和炉渣，其中当炉料开始熔化时，向由金属投料形成的熔融金属中注入渗碳剂作为金属液相，在电弧点火区域被还原，其中液态铁相中自由态和原子态的碳总含量不超过30％，从而确保在并发模式下用另一种类型的渗碳剂对金属进行补充渗碳。
作为在电弧燃烧区域被还原的渗碳金属的液相的渗碳剂，由铁氧化物和颗粒尺寸不超过25mm的含碳材料获得，所述含碳材料被注入到电弧燃烧区域及其相邻区域(进入炉子中央最热区域)，其尺寸范围不超过D＝dp+6del，其中dp是电极节距圆直径，del为电极直径。冶炼过程中渗碳剂的总消耗量不超过金属投料重量的20％。在投料熔化的整个过程中都将渗碳剂注入熔融金属中，其中在开始熔化时定时开始注入渗碳剂；或者在整个冶炼过程中将渗碳剂注入熔融金属中。为了获得最好的技术结果，将铁氧化物和含碳材料预先混合在一起并作为均匀混合物注入。为了加速渗碳剂的形成，建议将铁氧化物和含碳材料预先烧结。
金属铁基固体材料被用作金属投料。它们包括：废钢、生铁、Synticome、废料、铭牌投料、各种金属废料以及金属颗粒、海绵铁、球铁和部分还原铁矿石形式的直接还原铁。
在整个熔化过程中与含铁材料一起加载到炉腔内以获得渗碳剂的所述含碳材料包括：焦炭、石墨、无烟煤、热无烟煤、煤炭、木炭，以及含有碳为主要成分的冶金、化学和其它废品，包括低网目焦炭和粉碎电极。所述材料是碳的来源，其同时还原氧化物中的铁并且碳化由金属投料形成的熔融铁。
所述含铁材料包括含有铁氧化物Fe2O3、Fe3O4和FeO的固体氧化剂，其典型实例为：铁矿石、精矿、超级精矿、烧结矿及其混合物，以及在炼钢和金属加工中形成的金属铁颗粒，即镟屑、钢和铸铁、熔岩粒、金属切割过程中形成的金属废料等等。
在碳热还原之后，铁氧化物形成液态的直接还原的金属铁，其同时被渗碳，然后流入金属浴，从而将其渗碳。为了达到这个目的，加入的含铁和碳材料的总质量中的CBM含量应该超过根据(Fe2O3)+3C＝2[Fe]+3{COr}还原反应的化学计量值，即每1T铁，321kg的碳。
本发明的方法被用来在现代电弧炉中，根据液体金属和炉渣残留的技术(“留钢”的做法)进行一系列17G1S-U和22G21-7钢冶炼，所述现代电弧炉的型号为DSP-160，额定加料容量为175T，以100％固体加料操作。和根据本发明的方法的冶炼实验相平行，也进行比较冶炼实验，熔化相同规格的钢。根据使用现代氧气和注射技术的有效工程工艺文档进行对比钢冶炼。冶炼实验与比较实验在相同的动力工程参数下进行，即不用额外的动力工程参数来制备渗碳剂。
与现有方法不同，在本发明的方法中，除了通过向初始金属投料(第一筐)中添加的焦炭粉对金属进行渗碳之外，同时还用在炉中直接获得的液体渗碳剂对金属进行渗碳。为此，在熔化期间将浮渣和焦炭粉形式的含铁材料和含碳材料注入炉中，所得到的用于熔化的渗碳剂的总量为炉料的重量的20％。
所述材料通过炉顶的炉门加入炉子热区中心的直径为4.5米的电弧点火区。这符合本发明的参数，根据本发明，所述区域的直径不应超过d＝dc+6del。焦炭粉在投入物料总量的含量为4-48％。
在一些冶炼实验中，焦炭粉在浮渣之前被注入，而在另一些实验中，它们被同时加料。此外，有时，焦炭粉和浮渣以混合物形式加料，有时在烧结之后以60×60×80mm的煤饼形式加料。在制作煤饼时，使用水泥作为粘结剂，用量为煤饼重量的8-12％。大部分焦炭粉和浮渣的大小为0.5-1.0mm。
1-20％的所述材料在接通电源之后1-3分钟内加入炉中，由于固体投料的熔化和液化，金属投料的顶层中开始形成自由空隙，因此释放了一部分投料所占据的体积。当原料、浮渣和焦炭粉进入电弧点火区时，它们被加热到高温并相互反应。所述碳热反应的产物是液态直接还原铁和一氧化碳。由于碳显著过量，还原铁渗碳，形成液体渗碳剂。后者由碳在铁中的饱和溶液和以超细石墨颗粒分散在其中形式的固相组成，形成胶体分散体系。高碳熔体(高达30％)流入金属浴，同时从金属投料开始熔化和整个熔化过程中碳化金属。在铁氧化物碳热还原中释放的一氧化碳部分燃烧成CO2释放热量。所述热量转移到在炉中熔化的材料中，对其额外加热，由此降低能量消耗。
在冶炼过程中，记录下电弧炉操作条件，包括熔化周期的总时间，炉通电操作时间，炉停工时间，在冶炼过程中使用的投料材料、电能、天然气、氧气、渗碳剂、含铁和碳的组分的消耗量，以及石灰、金属和炉渣的组成等。表A列出了使用具有相同参数的投料根据本发明和遵循已知方法进行冶炼实验的技术和经济性能指标的总结。
从冶炼实验的结果可以看出，由于整个冶炼过程中碳含量较高，本发明的方法具有更高的液态金属收率，较低的能耗以及出钢时金属中较低的氧含量。这源于用液态渗碳剂对金属进行额外的渗碳，所述液态渗碳剂直接从加入炉中的含有铁和碳的组分获得。
由于金属浴的整个熔化过程中金属中碳含量升高引起的金属和熔渣的氧化程度较低，非金属氧化物杂质较少，从而改善了钢质量。
将此处提出的炼钢方法的参数与已知的方法参数进行比较证实了其有效性。
本发明的在电弧炉中炼钢的方法与已知方法在碳扩散到金属中的过程的机理、动力学和热力学上以及在渗碳(碳化)的总体特性上有着根本的不同。
在电弧炉中炼钢工艺中引入的额外渗碳步骤与已知方法在具体性质、机理和其输入模式方面不同，这大大改变了电冶炼技术，赋予了新工艺至关重要的角色。这可归因于以下事实：碳氧化是炼钢中的关键反应，也是所有现代炼钢方法，包括电弧炉中炼钢的基础，并且其确定了炼钢的主要参数。因此，所述特征非常重要，从而体现了我们技术解决方案的新颖性和重要性。
由于所述技术，在本发明的炼钢方法中在整个熔化过程中可以调整冶炼过程中的碳含量，这在已知的采用固体CBM渗碳的炼钢方法中是无法实现的。除了调节碳性能模式之外，本发明还可以显著提高金属的渗碳水平，并且从冶炼一开始，从熔化阶段的开始时刻就实现了。这为整个冶炼过程中，包括金属浴处于固液态并且加热不良的熔化阶段，金属浴的连续脱碳创造了条件。
本发明的炼钢方法中的金属不像在已知方法中所观察到的那样，用来自初始投料的碳进行渗碳，而是用在直接还原铁溶液中的液态碳进行渗碳，所述直接还原铁溶液就是在电弧炉中初始金属投料的熔化期间由注入炉内的原料形成，所述原料尺寸为25毫米，并含有加入炉内的铁氧化物和还原剂(碳)。
使用液态高碳铁熔体代替需要很长时间溶解于铁中的固态CBM显著加速了金属的渗碳。从熔融一开始，在金属投料熔化期间，形成的金属熔体中就存在碳导致更早且更强烈的碳氧化。在脱碳中形成的一氧化碳造成金属与炉渣的起泡、沸腾和混合，从而使冶炼成为连续沸腾模式。所述因素提高了吸热的程度并加速了金属的加热，这降低了能耗并降低了金属和炉渣的氧化水平。
与此同时，还降低了铁损失到炉渣和烟气中，提高了金属的产量。
碳在直接还原铁中的液体溶液除了常见形式的碳以外，同时还含有其它形式的碳，这可归因于碳质材料的消耗较高。在这样的条件下，大部分碳以游离态的粒径为10-3-10-7cm的单独超细微粒的形式存在，形成类似于普通铸铁的分散在铁-碳熔体中的单独的固相。这可以归因于以下事实：在电弧点火区，类似于铸铁，固体CBM中的碳被转化为石墨，其结构本质上类似于石墨。
剩余的碳以原子(溶解)形式存在于碳在铁的溶液中，形成真正的铁-碳溶液。后者在所述元素之间具有特征化学键，因此，这种形式的碳与铁结合，形成Fe-C化学键。由于上面指出的方面，本发明的方法提供了一种不同类型的用作液体的渗碳剂。整体而言，所述类型的颗粒的渗碳是与液态铁具有边界线的胶体分散体系。
从化学和物理的观点来看，所述渗碳剂是一种液体体系，其包含碳在铁中的饱和溶液和分散在其中的石墨颗粒形式的固相，所述石墨颗粒形式的固相的尺寸范围为10-3-10-7cm。换言之，这种类型的渗碳剂是胶体分散体系，其中碳粒子以单独的原子以及超细石墨粒子形式的自由状态存在，与真溶液不同，它与液态铁具有铁-碳相边界。这种体系的特性经过仔细检验，并在专题论文中示出[Properties of Iron Melts.A.A.Vertman,A.M.Samarin.Publisher“Science”,1969,1-280]。
液体渗碳剂中的总碳含量在2-30％范围内，远高于炼钢中使用的铁-碳熔体中的碳浓度；从而与已知具有最高碳含量的铸铁相比，显著提高了其碳化能力。因此，所述特征是必不可少的，因为与基于铁-碳体系的其它潜在的渗碳剂相比，它产生了最大的金属渗碳程度。
含铁和碳材料在整个冶炼过程中以金属投料重量的1-20％的量被注入电弧炉中，从而形成“液体”渗碳剂。铁氧化物和碳质材料，当以上述范围含量存在于注入材料中时，为铁的碳热还原快速发生以及产生液体还原渗碳铁创造了必要充分的条件。具有2-30％的高碳含量的熔融铁是一种特殊的渗碳剂，与已知的固体CBM不同，是液体。因此，所获得的碳溶液在其形成过程中已经以铁中的“液体”渗碳剂的形式流入金属浴中，从而对所述金属浴渗碳。所述渗碳剂优于固体渗碳剂的优点是显而易见的。
本发明的基本特征之一是渗碳整体的独特性质。本领域已知使用固体CBM作为渗碳剂的连续炼钢方法，所述CBM被注入到投料中，所述投料被熔化，并且熔融金属被渗碳。在本发明的方法中以不同的方式进行渗碳：所有步骤和工艺都在时间和空间上进行整合，它们是前后和同时发生的。所述工艺包括：对铁由其氧化物进行碳热还原，形成碳在直接还原铁中的液体溶液，所述溶液流入金属浴中，随后对固体炉料在炉中熔化时形成的金属渗碳。整合的渗碳工艺与连续工艺相比缩短了渗碳时间和熔化阶段的时间。这导致能耗降低和由投料得到铁产量的增加。因此，本发明的冶炼方法中渗碳过程的本质的变化是重要特征。
含铁和碳材料被注入中心电弧燃烧区域及其相邻区域(炉子的最热区域)，其尺寸的范围不超过D＝dp+6del。由铁氧化物对铁的碳热还原是耗能和吸热的。因此，提高热量浓度和升高温度加速了所述反应以及铁氧化物转化为金属态的综合性。由于额定功率高，约10mVA/m3或1500kVA/1T金属，在炼钢领域中已知电弧燃烧区域具有最高的能量浓度。
根据各种来源，电弧点火区的温度在大约4,000-15,000°K范围内，这接近于低温等离子体的温度。位于电极正下方的金属浴表面的温度约为2600℃。上述温度显著高于铁及其与碳的合金的熔点，有利于直接还原铁和其高浓度碳溶液的形成。因此，将构成含铁和碳材料的基础的铁氧化物和还原剂注入中心电弧炉区是本技术方案的基本特征。
所述技术方案的另外的优点是从燃烧电弧吸收的热量明显增加，由于材料被注入具有高浓度能量和高温度的炉子最热区域，这增加了投料的密度。这又反过来抑制了热量的损失并降低了能量成本。考虑到这一点，将材料注入电弧炉的中心区域是新炼钢方法的一个非常重要的元素。
从提高电弧炉能量性能的角度来看，将含铁和碳材料注入炉子最热区域尤为重要。此处，冶金材料被注入热条件接近于低温等离子体的电弧燃烧区。因此，高温发热区与处理区重叠，其中冷的原材料被加热以形成具有高碳浓度(30％)的碳在液态铁中的溶液。所述发热区和使用所施加热量的处理区在时间和空间重叠使得加热、熔化、铁还原、铁碳化，以及作为整体，获得“液体”渗碳剂的条件接近理想。这极大地改善了熔化的加热条件，加速了从电弧到注入材料的热传递，从而减少了热量损失。
表A

Claims (12)

1.一种在电弧炉中炼钢的方法，其包括以下步骤：向炉体中至少加入固体金属投料和至少固体含碳材料；用电弧熔化所述投料；在整个熔化过程中用所述固体含碳材料对所述金属渗碳；以及从炉中排出金属和炉渣，其中，在熔化过程中，将高碳含量的渗碳剂作为在电弧点火区中还原的液相铁加入炉体中，以便对金属进行额外的渗碳，其中所述高碳含量的渗碳剂是由铁氧化物和碳质材料获得的。
2.根据权利要求1所述的炼钢方法，其中在所述液相铁中以游离形式和溶解形式存在的碳总含量不超过30％。
3.根据权利要求1所述的炼钢方法，其中用于冶炼的总碳消耗量不超过所述金属投料重量的20％。
4.根据权利要求1所述的炼钢方法，其中将所述铁氧化物和碳质材料注入到大小不超过D＝(dp+6del)的电弧点火区，其中dp为电极节距圆直径，del为电极直径。
5.根据权利要求1所述的炼钢方法，其中所述渗碳剂在投料熔化的整个过程中被连续或周期性地注入炉体中。
6.根据权利要求1所述的炼钢方法，其中所述渗碳剂开始注入的时间与投料开始熔化的时间一致。
7.根据权利要求1所述的炼钢方法，其中所述铁氧化物和碳质材料同时被注入到电弧燃烧区。
8.根据权利要求1所述的炼钢方法，其中在注入炉中之前，将所述铁氧化物和碳质材料预先混合在一起，并以均匀混合物的形式注入炉中。
9.根据权利要求1所述的炼钢方法，其中在注入炉中之前，将所述铁氧化物和碳质材料预烧结，并以烧结物的形式注入炉中。
10.根据权利要求1所述的炼钢方法，其中在注入炉中之前，所述铁氧化物和碳质材料的颗粒尺寸不超过25mm。
11.根据权利要求1所述的炼钢方法，其中在所述液相铁中以游离形式和溶解形式存在的碳总含量为至少2％。
12.根据权利要求1所述的炼钢方法，其中熔化中使用的渗碳剂的总量至少为所述金属投料重量的20％。
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