Способ производства стали

Способ производства стали

Реферат

 

Использование: в области черной металлургии при производстве стали в печи, стенки которой хотя бы частично футерованы огнеупорами, а именно: в кислородном конвертере и электродуговой печи, перерабатывающих металлошихту. Изобретение может использоваться для производства стали из одной только твердой железосодержащей шихты или когда расплавленный железосодержащий металл загружается как часть железосодержащего материала. Твердая металлошихта может состоять из различных видов железосодержащих материалов, таких как стальной скрап, чугун, губчатое железо в форме окатышей, кусков, брикетов и т.д. Сущность изобретения: способ производства стали включает загрузку в футерованную печь шлакообразующих и железосодержащих материалов, подачу кислорода, расплавление железосодержащих материалов, перегрев расплава до температуры выпуска и последующий выпуск. Вначале загружают часть шлакообразующих материалов, на них углеродсодержащие материалы с низким содержанием летучих, а затем железосодержащие материалы, проводят предварительный восстановительный подогрев, по крайней мере, части железосодержащих материалов путем сжигания кислородом, по крайней мере частично, летучих составляющих и углерода из дополнительно вводимых в печь углеродсодержащих материалов с высоким содержанием летучих. Затем зажигают и окисляют часть железосодержащих материалов в центральной зоне печи, вводят оставшуюся часть шлакообразующих материалов и производят окислительный нагрев и рафинирование расплава. Реализация настоящего изобретения способствует защите скрапа от окисления во время цикла расплавления. Подача горячих продуктов сжигания в нижнюю часть скрапа создает условия для его непрерывного нагрева, предохраняет от охлаждения первую порцию расплава при его ссоприкосновении с более холодным днищем сталеплавильного агрегата, что обеспечивает более высокую термическую эффективность процесса, способствует снижению износа огнеупорной футеровки, увеличению выхода годного металла и повышению производительности процесса. 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к способу производства стали в печи, стенки которой хотя бы частично футерованы огнеупорами, а именно в кислородном конвертере и электродуговой печи, перерабатывающих металлошихту. Изобретение может исполь- зоваться для производства стали из одной только твердой железосодержащей металлошихты или когда расплавленный железосодержащий металл загружается как часть железосодержащего материала. Твердая металлошихта может состоять из различных видов железосодержащих материалов, таких как стальной скрап, чугун, губчатое железо в форме окатышей, кусков, брикетов и т.д.

Известные сталеплавильные процессы переработки твердой железосодержащей металлошихты состоят из определенных общих этапов, таких как загрузка железосодержащих металлических материалов, направление тепла на поверхность металла, загрузка неметаллического шлакообразующего материала, перегрев и рафинирование расплавленной ванны и выпуск расплава и шлака.

Различные сталеплавильные процессы различаются по дополнительным особенностям в методе проведения одного или более из этих этапов. Известные сталеплавильные процессы также различаются по дополнительной взаимозависимости и взаимовлиянию этих этапов. Во многих случаях, чтобы сохранить конкурентоспособность сталеплавильного процесса, каждый из этих этапов достаточно оптимизируется по отношению друг к другу так, что нововведение в одном этапе процесса или параметре может потребовать дополнительного изменения традиционной конструкторской идеи, которая использовалась прежде для разработки одного или более из этих основных этапов сталеплавления.

Процессы расплавления металлического скрапа, которые используются для производства жидкой стали, по-разному основываются на источнике или источниках тепла, которые используются для обеспечения расплавления. Современные электродуговые печи способны передавать за очень короткий период времени более 250 кв/т тепловой энергии в скрап для его расплавления. Но высокая стоимость электричества и низкая тепловая эффективность этих печей (менее 50%) продолжает способствовать тому, что сталеплавильная промышленность разрабатывает новые сталеплавильные процессы, использующие менее дорогое тепло, получаемое при сжигании топлива, предварительно нагревающего и расплавляющего скрап.

Известен способ производства стали, описанный в [1 и 2] где говорится, как расплавлять сталь, используя множество горелок в качестве источника тепла для предварительного нагрева скрапа, а также для того, чтобы направить многочисленные факелы окисляющего пламени на предварительно нагретый скрап, чтобы расплавить его еще частичным окислением. Сейчас этот метод используется во многих электродуговых печах, оборудованных дополнительными горелками. Сегодня в электродуговых печах перерабатывается примерно 70% железосодержащего скрапа в США и в других развитых странах.

Известны способы производства стали из твердой металлошихты [3, 4, 5, 6] Все эти способы могут осуществляться в кислородном конвертере, оборудованном донными и боковыми фурмами, используемыми для подачи газообразного кислорода в качестве окислительного газа, а жидких или газообразных углеводородов в качестве топлива.

Недостатки этих методов исходят прежде всего из необходимости подавать жидкое, газообразное и твердое углеродсодержащее топливо через донные кислородные фурмы. Основными недостатками этого способа являются: высокий износ огнеупорной футеровки вокруг фурм; высокое содержание СО в отходящих газах и поэтому низкая тепловая эффективность; высокие потери металла вследствие того, что почти вся поверхность скрапа подвергается воздействию части неиспользованного кислорода, подаваемого через множество фурм. Существенная часть кислорода, которая не успевает прореагировать с углеродом, сначала реагирует с металлошихтой, создавая на ее поверхности оксиды металла. Для системы подачи топлива, так же как и для системы подготовки и транспортировки порошкового материала, необходимо наличие сложного дополнительного оборудования, в результате чего возрастают капитальные затраты и эксплуатационные расходы.

Более того, эти способы являются менее экономичными из-за большого расхода топлива и увеличения периода нагрева.

Любой из сталеплавильных процессов, использующий твердый металлосодержащий материал и реализуемый в высокотемпературной печи, включает в себя несколько действующих одновременно этапов, взаимовлияющих друг на друга. Для перехода железосодержащего материала из твердого состояния в жидкое он должен получить существенное количество тепла. Это тепло должно передаваться очень быстро, чтобы процесс сталеплавления был производительным. При повышенной температуре (свыше 900^оС) окисление твердого железосодержащего материала, на который воздействует газообразная атмосфера, содержащая неусвоенный кислород, очень быстро ускоряется, способствуя появлению твердой окалины, которая изолирует кусочки металла от передачи на них тепла. Далее, когда оксиды становятся жидкими, они быстро стекают вниз и в последующем взаимодействуют с расплавом металла, ухудшая тепловой баланс плавки за счет протекания эндотермической реакции с углеродом расплава.

Когда для выделения теплоты, необходимой для расплавления твердого углеродсодержащего материала, сжигается такое топливо, как жидкие или газообразные углеводороды и/или углеродсодержащий твердый материал, продукты сжигания, находящиеся в атмосфере печи, активно реагируют с твердым железосодержащим материалом. Температура и химический состав этих продуктов сжигания влияют на скорость нагрева и окисления и таким образом на динамику образования оксида в скрапе и скорость его накопления в формирующемся шлаке.

На эффективность шлакообразования и его химический состав в основном влияют динамика подачи тепла, присадки шлакообразующих материалов и углерода на днище печи, где и происходят первые этапы шлакообразования. Содержание углерода в расплаве, температура шлака и основность влияют на реакции между оксидами шлака, серой, фосфором и кремнием в шлаке и расплавом углеродистого железа в течениие всего процесса сталеплавления.

Существующие способы сталеплавления предусматривают ускорение расплавления скрапа путем организации подачи горячих продуктов сжигания внутрь скрапа таким образом, чтобы с целью максимальной передачи теплоты обеспечить максимальный контакт между продуктами сжигания и поверхностью скрапа. Для обеспечения контакта между всей поверхностью скрапа и горячими газами сжигания с разных сторон подается кислород по фурмам или горелкам или его смесь с жидким топливом, а углеродсодержащий материал подается вместе со скрапом при завалке.

Когда воздействию кислородного потока, подаваемого для окисления углеродсодержащего топлива, подвергается максимальная площадь поверхности, в начальный период, когда температура скрапа низкая, его поверхностиь не окисляется, но позже, когда поверхность скрапа становится горячей, результатом излишнего контакта с кислородом является интенсификация формирования оксидов железа. Эти излишние оксиды железа позднее охлаждают ванну вследствие эндотермической реакции между оксидами железа и углеродсодержащими материалами, находящимися в шлаке. Это также ведет к переокислению расплава углеродистого железа и, как результат, снижает выход годного металла и конкурентоспособность процесса. Результатом излишнего окисления поверхности скрапа является также появление слоя оксидов на поверхности скрапа, изолирующего скрап, что снижает скорость передачи теплоты и увеличивает продолжительность предварительного нагрева и расплавления скрапа.

Присадка холодных твердых материалов на днище печи, в которой отсутствует оборудование для локального подвода тепла, приводит к быстрому охлаждению футеровки днища. Затем во время процесса плавления первая порция расплавленного металла стекает в эту более холодную зону. В результате происходит затвердевание этих порций и формирование смеси обезуглероженного металла с шихтой, находящейся на днище печи. Эти затвердевшие материалы остаются твердыми до тех пор, пока ванна расплавленного металла не станет достаточно горячей. При этом процесс плавления этой смеси очень затруднен. Результатом этого является значительное увеличение продолжительности цикла плавки.

Вследствие наличия таких процессов описанные способы предусматривают оборудование конвертеров горелками или фурмами, обеспечивающими локальный подвод тепла для сохранения зоны днища печи в горячем состоянии во время сталеплавильного процесса. К сожалению, подача окислительного газа через днище печи с целью сжигания дополнительного топлива инициирует переокисление расплава. Это негативно влияет на эффективность всего сталеплавильного процесса, включая выход годного металла, скорость шлакообразования, длительность расплавления и рафинирования и предсказуемость химического состава расплава по окончании плавки.

Таким образом, реализация настоящего изобретения направлена на то, чтобы защитить скрап от излишнего окисления во время всего цикла расплавления, в то же время использование изобретения позволяет осуществлять подачу горячих продуктов сжигания в нижнюю часть скрапа, что создает условия для их непрерывного нагревания, ограждая первую порцию расплава от охлаждения при соприкосновении с более холодным днищем сталеплавильного агрегата. Решение этих задач создает условия для обеспечения более высокой термической эффективности процесса, снижения износа огнеупорной футеровки, а также увеличения выхода жидкой стали.

В то же время использование изобретения позволяет уменьшить время, необходимое для расплавления твердой железосодержащей металлической шихты за счет непрерывного рафинирования расплава, тем самым повышая производительность процесса.

Кроме того, осуществление изобретения позволяет создать условия для непрерывного науглероживания расплава низкоуглеродного железа, накопленного в нижней части печи за счет взаимодействия с горячим твердым углеродом, что способствует увеличению выхода годного металла.

Одновременно с этим использование изобретения создает условия для широкого выбора твердых и/или жидких железосодержащих металлических материалов за счет обеспечения возможности одновременного использования не только твердого стального скрапа, но и твердого чугуна, губчатого железа, части обратно загружаемой расплавленной стали или загружаемого жидкого чугуна, что обеспечивает создание более гибкого сталеплавильного процесса.

При этом изобретение может быть использовано в существующих по-разному сконструированных сталеплавильных печах, например в кислородном конвертере, в различных модификациях электродуговых печей и т.д.

Таким образом, сущность изобретения сводится к тому, что в известном способе производства стали, включающем загрузку в футерованную печь шлакообразующих, углеродсодержащих и железосодержащих материалов, подачу кислорода, расплавление железосодержащих материалов, перегрев расплава до температуры выпуска и последующий выпуск, по изобретению вначале загружают часть шлакообразующих материалов, на них углеродсодержащие материалы с низким содержанием летучих и затем железосодержащие материалы, проводят предварительный восстановительный подогрев, по крайней мере, части железосодержащих материалов путем сжигания кислородом, по крайней мере частично, летучих составляющих и углерода из дополнительно вводимых в печь углерод- содержащих материалов с высоким содержанием летучих, после чего зажигают и окисляют часть железосодержащих материалов в центральной зоне печи, затем вводят оставшуюся часть шлакообразующих материалов и производят окислительный нагрев и рафинирование расплава.

При этом для ускорения расплава шлакообразующего материала в качестве дополнительно вводимых в печь углеродсодержащих материалов с высоким содержанием летучих используют длиннопламенный уголь и/или газовый уголь.

Кроме того, часть шлакообразующего материала загружают на дополнительно, по крайней мере частично, оставленный шлак предыдущей плавки. При этом для нейтрализации окислов железосодержащих материалов и тем самым защиты футеровки, в печь дополнительно загружают углеродсодержащий материал, после зажигания и окисления в центральной зоне печи части железосодержащих материалов.

Для повышения интенсивности восстановительного процесса железосодержащий материал загружают порциями и проводят для каждой порции предварительный восстановительный подогрев.

Причем для интенсификации процесса за счет препятствия возникновению окислов железа на поверхности железосодержащих материалов после предварительного восстановительного подогрева, по крайней мере, одной порции железосодержащего материала кислородом зажигают и окисляют, по крайней мере, часть железосодержащего материала в центральной зоне печи.

При этом возможными частными случаями реализации изобретения являются случаи, при которых шлакообразующий материал перед началом окислительного нагрева и рафинирования вводят в количестве 40-90% от общего или, по крайней мере, часть углеродсодержащего материала загружают одновременно с подачей кислорода, или, по крайней мере, часть шлакообразующего материала загружают одновременно с подачей кислорода.

Кроме того, для интенсификации процесса возможным частным случаем реализации изобретения является случай, при котором, по крайней мере, часть железосодержащего материала загружают одновременно с подачей кислорода.

Причем для снижения затрат тепла при поддержании необходимых параметров процесса по ходу плавки частично скачивают шлак.

Возможным частным случаем изобретения, при котором предъявляются требования к физическому процессу плавки (вязкость, температура плавления, жидкотекучесть и т. д.), является случай, когда в качестве шлакообразующих материалов используют материалы, содержащие марганец.

Для обеспечения интенсивности процесса за счет перемешивания содержимого печи при окислительном нагреве и рафинировании расплав продувают нейтральными газами со стороны днища и/или боковых стен печи.

Причем для ускорения процесса плавки и повышения интенсивности нагрева перед окислительным нагревом и рафинированием дополнительно заливают жидкий железосодержащий материал.

Наряду с этим, особым случаем реализации изобретения является ситуация, когда в качестве жидкого железосодержащего материала частично или полностью используют чугун, а загрузка первой порции углеродсодержащих материалов проводится после заливки чугуна. В этом случае первая порция углеродсодержащего материала, загруженная перед чугуном, всплывает.

При загрузке перед жидким чугуном твердого железосодержащего материала всплытие углеродсодержащего материала тем не менее имеет место.

Необходимый температурный режим обеспечивается за счет физического и химического тепла жидкой фазы.

Поэтому возможным вариантом реализации изобретения является такой, при котором в печь первоначально загружают твердый, а затем жидкий железосодержащий материал и на него загружают железосодержащий материал и подают кислород для, по крайней мере, частичного сжигания углеродсодержащего материала, затем проводят окислительный нагрев и рафинирование, по крайней мере, части загружаемых материалов, подогрев расплава до температуры выпуска, последующий выпуск части расплава, при этом шлакообразующие материалы, по крайней мере, частично вводят перед окислительным нагревом.

Кроме того, для обеспечения более эффективной защиты днища и футеровки печи за счет нейтрализации окислов железа в шлаке твердый железосодержащий материал загружают на, по крайней мере, часть оставленного от предыдущей плавки и предварительно загущенного шлака.

При этом частным случаем реализации изобретения является возможность использования в качестве загущающего материала шлакообразующего материала.

Шлак предыдущей плавки загущают вводом на его поверхность, по крайней мере, части шлакообразующих материалов, что обеспечивает возможность подготовки шлака к использованию в последующих плавках.

Изобретение использует твердую железосодержащую металлическую шихту, которая может включать стальной скрап, чугун и/или только губчатое железо, изобретение может также использоваться в сочетании с частью расплавленного "жидкого" чугуна или оставшейся (или загружаемой) части расплавленной стали. Теплоту, используемую в этом процессе для предварительного подогрева первоначальной твердой железосодержащей металлошихты и ее расплавления, получают за счет горения двух разных видов твердого углеродсодержащего топлива, которое для этого загружается в печь и обеспечивает быстрый предварительный нагрев скрапа с минимальным окислением его поверхности и в дальнейшем обеспечивает эффективное науглероживание расплава железа и частично восстанавливает оксиды железа, образовавшиеся во время расплавления скрапа. Полнота горения этого топлива контролируется первоначально при помощи интенсивности подачи окислительного газа, вдуваемого через фурму сверху по центру печи. Этот окислительный газ подается в печь под контролем таким образом, что сначала он вводится и частично потребляется для догорания углеводородов и СО, выделяющегося из загруженных материалов, а в дальнейшем проникает в центральную зону печи и частично расходуется на окисление СО углеводородами и другими горючими материалами в этой зоне. В конечном итоге оставшийся непрореагировавший окислительный газ поступает на внешний участок центральной зоны печи, где он и потребляется. Вследствие подачи кислорода, более низкого, чем для стехиометрических условий сжигания улетучивающихся из угля СО и углеводородов, в этой наружной периферийной зоне сохраняется восстановительная атмосфера и более низкая температура. Эти условия сохраняются вне центральной зоны печи, в пространстве между центральной зоной и боковыми стенками печи, где находится большая часть металлошихты, подлежащая предваритель- ному нагреву и последующему расплавлению. Необходимая управляемость подачи кислорода обеспечивается непрерывно путем сохранения предварительно определенного и заданного расхода окис- лительного газа и установки верхней фурмы в одно или несколько предварительно определенных положений над твердой шихтой и позже над расплавленным металлом.

Как правило в качестве первого твердого углеродсодержащего топлива используется уголь с низким содержанием золы, например коксовый уголь или антрацит, а вторым твердым углеродсодержащим топливом является длиннопламенный уголь и/или газовый уголь, содержащий до 50% легкоулетучивающихся углеводородов. Первое углеродсодержащее топливо в основном используется в качестве вещества, науглероживающего расплав, и вещества, восстанавливающего оксид железа, а также в качеcтве первичного углеродсодержащего топлива во время окончательной высокотемпературной стадии расплавления скрапа. Оно загружается в таких количествах, чтобы обеспечить собственный нагрев за счет частичного окисления и предварительный нагрев скрапа на ранних стадиях расплавления его. Второй углеродсодержащий материал при предварительном нагреве выделяет газовую составляющую, которая должна сначала частично расходоваться на нагрев скрапа, а оставшийся твердый углерод будет расходоваться во время предварительного нагрева и расплавления скрапа. Частицы твердого углерода обоих видов углеродсодержащего топлива первоначально окисляются до СО при взаимодействии с кислородом, а в дальнейшем до СО₂ при взаимодействии с кислородом внутри и над загруженными металлическими материалами.

Также используется эффект от сжигания частиц предварительно нагретого стального скрапа, находящегося в железосодержащей металлошихте в центральной зоне печи, для подъема температуры на очень высокий уровень, что необходимо для быстрого расплавления окружающего скрапа, прежде всего вследствие интенсивного излучения из центральной зоны. Такое сжигание осуществляется путем увеличения расхода окислительного газа в центральную зону до уровня, значительно превышающего количество, необходимое для обеспечения полного окисления летучих горючих в этой зоне. Эта центральная зона отделяется от стенки печи более холодным скрапом, расположенным в периферийной зоне печи ближе к боковым стенкам печи, так что огнеупорная футеровка защищена от отрицательного влияния высокой температуры.

Поэтапное окисление обоих этих углеродсодержащих материалов дифференцируется не только по времени протекания этапов, первый из которых определяется результатом быстрого улетучивания углеводородов из газового угля, но и по расположению угля. Так, для углеродсодержащих материалов, загружаемых внутрь центральной зоны печи, и для тех, что загружаются вне центральной зоны печи. сохраняются различные условия окисления. Путем управления расходом окислительного газа во время всего периода предварительного нагрева и путем регулирования загрузки обоих углеродсодержащих материалов непрерывно обеспечивается сохранение существенной восстановительной атмосферы печи для большей части металлического скрапа.

Когда твердый железосодержащий материал, находящийся в центральной зоне, существенно нагревается, под контролем увеличивается расход кислорода для того, чтобы зажечь, по крайней мере, часть горячего стального скрапа, находящегося в центре печи. В течение этого периода времени поток кислорода внутри центральной зоны значительно интенсивнее потока, необходимого для полного сжигания летучих углеводородов и СО, образующихся при окислении углеродсодержащего топлива. При окислении горячего железосодержащего материала очень быстро выделяется огромное количество тепла в центральной зоне. При этом тепло находится достаточно далеко от стенок печи. В течение этого периода времени металл, подвергаясь горению, излучает иинтенсивный тепловой поток в направлении окружающего скрапа, который все еще защищен окружающими продуктами неполного сгорания, образующимися при первичном стехиометрическом (ниже стехиометрического уровня) окисления углеродсодержащего материала, находящегося вне центральной зоны печи. Поэтому большая часть поверхности металла защищена и потери металла с окислами низкие, что делает процесс очень выгодным с эконоимической точки зрения. При контроле подачи окислительного газа скорость окисления углеродсодержащего материала, находящегося в центральной зоне печи, будет выше, чем скорость окисления вне центральной зоны печи, так что окисление углеродсодержащего материала идет поэтапно не только во времени, но также и в пространстве.

Для этого изобретения важно обеспечить загрузку углеродсодержащего материала непрерывно, в количестве, примерно соответствующем потоку кислорода, вдуваемого по направлению к твердым железосодержащим материалам. Это поможет избежать излишнего выделения углеводородов из углеродсодержащего материала, в результате которого возможно большое накопление несожженных углеводородов и излишнее выделение их в атмосферу.

Для того, чтобы обеспечить максимально возможное технологическое время для рафинирования расплава железа, этот способ включает этап загрузки шлакообразующих материалов до загрузки твердых железосодержащих металлических материалов так, что шлакообразующий материал располагается под указанным твердым железосодержащим металлическим материалов. Этот способ использует некоторую часть горячего шлака, оставшегося с предыдущей плавки так, что шлакообразующий материал загружается сверху этого оставленного шлака. Химический состав и количество шлакообразующего материала обеспечивает изменение температуры и основности горячего шлака предыдущей плавки и его вязкости до того, как происходит дополнительное расплавление. Загрузка шлакообразующего материала должна обеспечить основность формирующегося шлака, превышающую 2,0, а предпочтительнее 3,0.

Этот этап загрузки шлакообразующего материала вызывает снижение температуры шлака и повышение вязкости шлака. Более холодный вязкий шлак используется для подогрева слоя упомянутого первого твердого углеродсодержащего топлива, которое загружается сверху этого загустевшего шлака так, что во время более ранних стадий расплавления железосодержащий металлический расплав может быть восстановлен и науглерожен, так как он проходит через слой углеродсодержащего топлива, расположенного над загустевшим шлаком. Это будет продолжаться до тех пор, пока значительные количества накопленного расплава железа с углеродом в конечном итоге не перегреют шлак до температуры, при которой шлак становится жидким и способным, проходя через весь расплав и между нерасплавленным ломом, всплывать на его поверхности. Таким образом, этот способ обеспечивает науглероживание расплавленного железосодержащего материала и предотвращение охлаждающего влияния эндотермических восстановительных реакций между углеродом и оксидами металла загустевшего шлака во время более ранней стадии предварительного нагрева и расплавления металлошихты. Этот способ также обеспечивает непрерывный нагрев днища печи горячим загущенным шлаком до того, как расплав железа с углеродом окажется на днище печи. Соответственно при этом снижаются потери тепла расплава, а также обеспечивается более ранняя десульфурация расплава и протекание процесса науглероживания расплава железа углеродом топлива. При этом расплав железа с самого начала взаимодействует с горячим слоем углерода и горячим слоем углерода и горячим загустевшим высокоосновным шлаком на днище.

Когда это изобретение используется на практике в электродуговой печи, завершающие стадии расплавления, перегрева и рафинирования должны проводиться при использовании энергии электрической дуги. Это должно снизить или полностью исключить необходимость сжигания металлошихты с окислительным газом внутри центральной зоны печи, как описывалось выше. Это повысить выход годного металла в соответствии с настоящим изобретением, а также повысит конкурентоспособность обычной электродуговой технологии.

Необходимы некоторые усовершенствования вышеназванного способа производства стали, когда твердая железосо- держащая металлическая шихта первоначально состоит из железа в форме губчатого железа и/или чугуна. Эти усовершенствования необходимы вследствие различия многих физических и химических характеристик губчатого железа или твердого чугуна. Эти различия влияют на поведение металлошихты во время предварительного нагрева и расплавления и на характеристики железоуглеродистого расплава (первоначальное содержание углерода, температура плавления расплава и т.д.).

Во-первых, когда перерабатывается твердый чугун или губчатое железо, значительная часть тепла выделяется при окислении железоуглеродистого расплава окислительным газом после того, как он был расплавлен. Когда железоуглеродистый расплав окисляется, выделяется значительное количество топлива. Это тепло используется для перегрева расплава и для расплавления оставшейся твердой шихты. Во время окисления углерода из расплава также выделяется значительное количество СО. Этот СО, выделяющийся из расплава, в дальнейшем окисляясь до СО₂ внутри или над оставшейся твердой шихтой, эффективно нагревает ее, а также нагревает сам расплав. При переходе СО в СО₂ выделяется около 2/3 теплоты, выделяемой при полном окислении углерода. В свою очередь, СО, проходя сквозь твердую шихту, также защищает ее поверхность от окисления.

К специфическим характеристикам твердого чугуна или губчатого железа относится его поведение при взаимодействии с горячими окислительными газами. Низкая (по сравнению со стальным скрапом) точка плавления и высокое содержание углерода вызывает быстрое ошлакование твердого чугуна, когда он нагревается в окислительной атмосфере печи. При этом изолируется твердая шихта от нагрева окружающими газами и быстрого зажигания. Высокая пористость, низкая термопроводимость губчатого железа затрудняют быстрый нагрев и расплавление этого материала. Это приводит к необходимости организации быстрого первоначального расплавления чугуна и губчатого железа таким образом, чтобы твердый материал был хорошо защищен от окисления путем использования углеродсодержащего топлива, как описывалось выше. Также во время более поздней стадии расплавления и рафинирования оставшийся железный скрап будет защищен горячим СО, который выделяется во время окисления твердого угдерода и железоуглеродистого расплава.

Чтобы сделать начальную стадию расплавления твердого железа короткой и быстрой, этот способ использует начальную стадию предварительного нагрева, в которой предварительно нагревается первая порция твердого железосодержащего материала, состоящая из первичного легкого стального скрапа. Эта первая загрузка стального скрапа должна обеспечивать хорошую проницаемость газов и должна предварительно нагреваться с использованием методики, сходной с описываемой выше, включая загрузку двух углеродсодержащих материалов, использующих горячий оставшийся шлак, и загрузку шлакообразующего материала в печь для повышения основности шлака выше 2,0 (желательно выше 3,0) до загрузки упомянутого легкого стального лома. После того, как упомянутая начальная порция стального скрапа предварительно нагрета, сверху этого скрапа закружается дополнительный железосодержащий материал, состоящий прежде всего из твердого чугуна и/или губчатого железа. За ними следует дополнительная завалка окончательного стального скрапа, располагающегося сверху названной завалки твердого железа. После этой завалки необходимо провести дополнительный предварительный нагрев путем подачи окислительного газа через верхнюю фурму и путем непрерывной загрузки углеродсодержащего материала сверху названной дополнительной порции стального скрапа. После того, как порция названного дополнительного стального скрапа предварительно нагрета, увеличивается поток окислительного газа для зажигания и сжигания порции названного стального скрапа, находящегося внутри центральной зоны печи. В результате сжигания стального скрапа в центральной зоне печи возникает быстрое повышение температуры в центральной зоне и образуется горячий (свыше 1500^оС) поток расплавленных железоуглеродистых материалов, включающих оксиды железа. Этот поток горячих расплавленных железосодержащих материалов стекает вниз и расплавляет твердый чугун, который имеет более низкую точку плавления (ниже 1200^оС), чем температура получаемого расплавленного материала. По мере сбора перегретого железоуглеродистого расплава и оксидов на днище печи оксиды железа, в дальнейшем, реагируют с твердым углеродсодержащим материалом и кремнием в расплаве. Это окисление кремния выделяет дополнительное тепло, которое отвечает за дальнейший перегрев и, что очень важно, нагрев в течение этого периода времени. Вследствие использования вышеназванного способа загрузки шихты, предусматривающего чтобы первая завалка предварительно нагретого скрапа имела более высокую точку плавления, чем получаемый железоуглеродистый расплав, сама первая завалка играет роль медленно растворяемой буферной зоны. Эта буферная зона позволяет расплавленному материалу проходить сквозь вышерасположенный твердый чугун и/или губчатое железо, не позволяя ему (чугуну или губчатому железу) попадать в расплавленную ванну. Внутри этой буферной зоны происходит нагрев расплава за счет окислительных реакций, протекающих из-за поступления подаваемого через верхнюю фурму кислорода, а также нагрев за счет окисления выделяющегося при окислении углеродсодержащего материала и расплава СО.

Необходимо организовать расплавление чугуна или губчатого железа таким образом, чтобы твердый материал был хорошо защищен от окисления во время цикла предварительного нагрева. Также во время более поздних стадий расплавления и рафинирования оставшейся железный скрап должен быть защищен горячим СО, который выделяется во время окисления железоуглеродистого расплава. Начальная стадия предварительного нагрева скрапа должна проводиться с использованием твердого углеродсодержащего топлива, богатого легкоулетучивающимися углеводородами (длиннопламенный уголь и/или газовый уголь), для того чтобы предварительно нагреть верхнюю часть первой порции шихты. Необходимо рекомендовать загрузку кокса, антрацита или других твердых углеродсодержащих материалов сверху горячего загустевшего шлака. Этот загустевший шлак формируется за счет шлакообразующего материала (например, извести), загружаемого на часть шлака предыдущей плавки. При таком варианте загрузки твердого углеродсодержащего материала очень рано под скрапом возникнет слой, выделяющий СО. Во время предварительного нагрева скрапа и циклов расплавления этот процесс защитит металлическую часть шихты от окисления. Особенно эффективен этот процесс после того, как температура шихты превысит 700^оС и сильно возрастет летучесть углеводородов. Когда металлошихта нагревается до таких температур, большая часть углеводородов улетучивается из угля, загружаемого сверху скрапа. Как уже обсуждалось выше, более раннее образование горячего шлака с высокой основностью также является преимуществом, обеспечивающим эффективное рафинирование железоуглеродистого расплава (особенно от серы) в течение всего цикла расплавления.

Когда твердый чугун и/или губчатое железо перерабатываются способом, описанным выше, в печи, имеющей электрическую дугу, плазму или другие источники теплоты, которые используют электроэнергию, потребность в загрузке угля может быть значительно снижена в связи с использованием дополнительной