专利名称：在电炉中装入熔融生铁料的炼钢方法
技术领域：
本发明涉及一种在电炉中装入熔融生铁料的炼钢方法。
使用电炉，比如电弧炉，高比例的废钢得以循环利用。这些炉子使得按此方式处理的废钢的熔化和再利用成为可能，从而炼制出新的钢产品。
废钢中含有的一些残留元素如铜、镍等，不能从钢中分离出，因而会在最终产品中出现。这就意味着，循环使用的废钢越多，这些残留元素的浓度越高。这些元素会引起某些产品如薄钢板等的生产出现问题。
一种减少源自于废钢的钢中残留元素浓度而且同时又改进电炉能量效率的方法是向电炉中装入熔化的生铁。现在，由于熔化的生铁中碳和硅的含量相当高(典型含量4.5％C和0.6％Si)，装入熔化的生铁料会导致金属熔池中这些元素的浓度明显增加。其结果是延长金属熔池中的精炼阶段，以使得金属熔池中碳和硅浓度度降至目标值，所说的目标值一般很低，比如，对于碳浓度，其目标值为0.05-0.1％。
为达到这一目的，传统的装料方法是在装入生铁料后，再喷吹一种精炼气体，比如氧气，以降低碳和硅的浓度。由于这些元素的浓度相当高，供氧速度必须适当以避免脱硅和脱碳反应过于激烈。事实上，当碳和硅的浓度很高时，喷吹的氧在金属熔池中的冲击点处反应非常激烈，会造成局部区域的能量和反应气体如CO的急剧释放。很明显，如此激烈的反应会伴随钢和生铁的飞溅，这就存在污染和损害炉内衬有的冷却壁的危险。所以，需要降低供氧速度，以使精炼反应的动态过程平稳进行。
然而，由于精炼过程中，供氧速度受到限制，后面的操作就需相长的时间，而且，对于装入的一定量的熔化生铁料而言，它就成了炉子熔炼期时间长短的限制因素。为了改进电弧炉的性能，比如其生产率，即缩短熔炼期时间，因此就必需缩短金属熔池中精炼时间。
所以，本发明的目的是提供一种在电炉中装入熔化的生铁料的炼钢方法，这种方法能够缩短熔炼时间。
依据本发明，这一目的由一种电炉炼钢的方法实现了，该方法中，电炉内装入预定量的熔化生铁料，而且，该方法包括下列步骤(a)．以可控的速度连续装入熔化的生铁料，同时又不中断电弧加热，(b)．在金属熔池中碳和/或硅的浓度达到预定极限值之前，向炉内喷吹一种精炼气体，喷吹不断进行直至装料过程结束，以及(c)．在装入计划量的生铁料后，继续喷吹精炼气体，直至金属熔池中的碳和/或硅的浓度达到目标值。
这种方法有其优越之处。首先，装料过程在不中断供电，即不止电弧加热的情况下进行。结果，废钢的熔化不仅未被打断，而且比装入熔融生铁的传统方法更快。其次，喷吹气体的精炼过程在装料结束前就已开始，即开始时间早于传统的装料方法。结果，熔炼期时间缩短，尽管喷吹气体速度并未增加。
由于精炼过程在装料结束前就已开始，所以，用这种方法有可能在熔炼期内，通过调整装料和喷吹气体的速度，来降低金属熔池中碳和/或硅的最高浓度。在精炼的开始阶段，金属熔池中如碳的浓度，实际上，与只是在装入全部熔融的生铁料后才开始精炼的传统方法相比，其值显著降低(对硅浓度也如此)。而且，熔池中至少一部分碳在其被装入时就被氧化，这样，装料期间金属熔池中碳浓度的增加明显减小，因此，其浓度不超过预定的极限值，此极限值，比如对于碳，是小于2％，而且优选小于1.5％。硅浓度的变化规律相同，只是量值较小。硅浓度的预定极限值比如小于0.3％，优选小于0.2％。
由于这种方式中，碳和硅的浓度受到限制，因而有可能增加氧的喷吹速度但又不会造成精炼反应太过激烈。事实上，由于硅和碳的局部含量有限，精炼反应不再局限于气体在熔池中的冲击点，而是氧气在铁水中间迅速传递。在搅动熔池中存在的各相(金属和炉渣)之后，以这种方式产生的铁的氧化物，继而和其在冲击点之外的地方遇到的硅和碳反应。结果，反应气体比如CO的释放和由其引起的喷溅在金属熔池的整个表面上更为均匀，因而该过程就不会很剧烈。这样，就可以增加供氧速度，进而提高精炼速度，而同时又不会引起钢和生铁的喷溅，这种喷溅非常大且存在污染和损害炉内衬有的冷却壁的危险。结果，炉子的熔炼期得以缩短，炉子的生产率得到提高。
应该指出，生铁料的装入是在不停止电弧加热的情况下实现的，而且，炉顶在整个装料期间始终关闭，后者的实现优选由炉子的一个侧门完成。由于整个熔炼期间炉顶关闭，就避免空气进入炉子熔炼室，氮的进入也就显著减小。而且，较早的和连续的精炼过程使得反应气体如CO不断洗刷金属熔体，通过CO的这一洗刷作用，溶解于金属熔体中的氮就溶入至CO气泡中，该气泡会将氮带出金属熔体。随后，氮就和反应气体一起由炉子的排气系统从炉内排出。如此连续不断的洗刷可使炼出的钢中氮浓度很低。
结果，按照本发明的方法极其适合炼制优质钢，尤其适于炼制韧性很高的钢，对于这种钢，要求其氮的浓度很低。
优选对喷吹精炼气的速度和装入生铁料的速度进行调整，以使精炼开始后金属熔体中碳和/或硅的浓度不再增加。例如，有可能将装入生铁料速度与喷吹氧的最大速度相匹配，以便在装料时熔池中的碳就全部氧化。按这种方式，在熔炼期间，金属熔体中碳和硅的浓度可以得到非常精确地控制，而且，有可能将最高浓度限制在很低的值，例如，对于碳，限制在0.5％的浓度。
根据本方法的一个优选实施方案，精炼气体喷吹至炉子的两个扇形区之一。这两个扇形区正与电炉的一个电极送进口相对，在这种情况下，对喷吹气体的方向进行调整，结果，包含装料方向的一个垂直面与包含喷吹方向的另一个垂直面基本上在炉子的电极区相交。
精炼期间不断释放的反应气体，例如CO，在气体流和生铁流的交汇区比在其它邻近区域更充足。当离开金属熔池时，这时气体替代炉腔内的氮，并在金属熔池表面上方形成一种保护性气氛，以阻止氮进入熔体中。
由于电弧附近的温度非常高，该区中氮的存在会导致金属熔体优先氮化。因此，非常优选对生铁流和精炼气体进行引导，以使两者在位于电弧正下方的区域相遇。这样，在电弧附近产生的保护性气氛尤其稠密，从而可以非常有效地阻止氮进入熔体。
应该指出，装入的熔融生铁料量可以是炉料总量的20-60％，装入生铁料的速度优选每分钟小于炉子容量的4％。每吨炉子容量的供氧速度优选为0.5-1m3O2/min。
以下内容中，采用
图1和图2所示实例，对一种实现本方法的方式与一种传统的装料方法进行比较，两图所展示的是图1对于传统装料方法，电力、熔化的金属量以及碳浓度随时间的变化。
图2对于按照本发明的装料方法，电力、熔化的金属量以及碳浓度随时间的变化。
对两种装入熔融生铁料的方法所作的共同假定如下·炉子容量100吨+20吨浇余金属量；·装料66吨废钢+44吨熔融生铁，即40％；·炉子的最大有功功率60MW；·碳浓度生铁中4.5％，废钢中0.5％。
本实例中，只考虑了金属熔池中的碳浓度，硅浓度的变化规律基本上与碳浓度相同，除了硅的氧化先于碳之外。结果，碳浓度达到目标值之后，硅也几乎从金属熔体中脱除掉了。
为便于比较，首先，两种方法一开始采用相同的最大供氧速度，该供氧速度达4000m3/h的水平，其与60公斤碳/分的脱碳速度相对应。
传统方法中(图1)，电炉首先以最大功率工作来将一定量的废钢熔化。10分钟后，再一次关闭电弧，打开炉盖，用5分钟时间向炉内装入熔融生铁料。装料后，盖上炉盖，再一次打开电弧。应该指出的是，由于打开和盖上炉盖需要时间，5分钟的装料过程意味着炉子停止工作约10分钟。
在装入生铁料期间，金属熔池中熔化金属的量和碳浓度随装料速度线性增加，停止装料时，碳浓度可达3％(硅浓度达0.4％)。主要是由于如此高的硅和碳浓度，才使得精炼期间供氧速度必须限制在4000m3/h的水平。精炼期间，精炼是以炉盖盖上之后才开始，碳浓度基本上线性降低，最终达到小于0.1％的水平。
应该指出，由于生铁和废钢所含有的碳量，加之有限的供氧速度的影响，脱碳过程总共持续38分钟。因为熔炼期开始20分钟后，脱碳才开始，这样，整个熔炼期持续58分钟。
在按照本发明的方法中，结合图2进行说明，10分钟后开始装料，并且以3吨/分的速度持续进行，即装料时间约15分钟。装料期间，炉子一直通电，这样，炉中熔化的金属数量的增加，原因不仅在于装料，而且也在于装料时废钢一直在熔化。结果，废钢的熔化比图1方法提早结束10分钟。
而且，脱碳过程，如按同样4000m3/h的供氧速度，其需要38分钟，在装料开始不久，在金属熔池中碳浓度超过1.5％之前就已开始。按这种方式开始装料，这要比图1中的方法早，已能够使熔炼期时间缩短10％以上。如果现在增加供氧的最大速度，而这是可能的，因为此时金属熔池中碳浓度低，不存在喷溅的危险，结果是脱碳速度增加，并且熔炼期时间进一步缩短。因此，按照本发明的方法，能够使电炉生产率提高至少10％。
在连续装入生铁料的优选方案中，有可能将装入生铁料的速度与脱碳所需氧的最大供应速度相匹配。这样，碳在装入金属熔池时就被氧化。按这种方式，有可能将碳浓度限制在0.5％以下。由于碳浓度低，最大供氧速度可显著增加，以增大脱碳速度。对于碳浓度4.5％的生铁，生铁的装入速度和供氧速度关系为q生铁(t/min)=q氧气(m3/min)/43。
具有这种既早又佳的装料方式的炼钢方法在图2中由虚线代表，最大供氧速度为5200m3/h。在这种情况下，装料以2吨/分的速度进行。可以看到，一旦熔炼期开始，装料也就开始，而且熔化金属的量从一开始就线性增加。另一方面，碳浓度在整个装料期间基本保持不变且低于0.5％。该方法与传统装料方法相比，生产率有可能提高20％。
权利要求
1．在电炉中炼钢的方法，其中向电炉中装入预定数量的熔融生铁料，所述方法特征在于下列步骤a)以可控的速度连续装入熔融生铁料而同时又不中断电弧加热，b)在金属熔池中碳和/或硅的浓度达到预定的极限值之前，向炉内喷吹一种精炼气体，喷吹不断进行直至装料过程结束，而且c)在装入计划量的生铁料后，不断喷吹精炼气体直至金属熔池中的碳和/或硅的浓度达到目标值。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于装料速度和喷吹精炼气体速度可作调整，以使得在精炼开始后，金属熔池中碳和/或硅的浓度不再增加。
3．根据前述权利要求之一的方法，其特征在于精炼气体被喷吹至炉子的两个扇形区之一，所述的扇形区正与电炉的一个电极的进出口相对，对气体的喷吹方法进行调整，以使得包含装料方向的一个垂直平面与包含喷吹方向的另一个垂直平面基本上在炉子电极区相交。
4．根据前述权利要求之一的方法，其特征在于金属熔池中碳浓度的极限值小于2％，优选小于1.5％。
5．根据前述权利要求之一的方法，其特征在于装入熔融生铁料的量为炉子中全部炉料的20％-60％。
6．根据前述权利要求之一的方法，其特征在于装入生铁料的速度为每分钟低于炉子容量的4％。
7．根据前述权利要求之一的方法，其特征在于每吨炉容量喷吹氧气的速度为0.5-1m3/min。
全文摘要
对一种在电炉中炼钢的方法进行了公开,所述方法中,预定量的熔融生铁装入电炉中,而且该方法包括下列步骤:(a)以可控速度连续装入熔融生铁而同时又不中断电弧加热,(b)在金属熔池中碳和/或硅的浓度达到预定极限值之前,向炉内连续喷吹一种精炼气体,喷吹不断进行直至装料过程结束,而且(c)在装入计划量的生铁料后,继续喷吹精炼气体,直至金属熔池中碳和/或硅的浓度达到目标值。
文档编号C21C5/52GK1223694SQ97195995
公开日1999年7月21日 申请日期1997年6月10日 优先权日1996年7月3日
发明者A·克莱默, G·丹尼尔, J－L·露丝 申请人:保罗·沃思有限公司