Плавка стали в дуговых печах

Плавка стали в основной дуговой печи с окислением примесей.

Этот метод плавки применяют при использовании стального лома с повышенным содержанием фосфора и серы, а также для вы­плавки малоуглеродистой стали.

Плавка состоит из шести периодов, в числе которых периоды заправки печи, загрузки шихты, плавления, окислительный пери­од, восстановительный период и период выпуска готовой стали.

Шихта состоит из собственного возврата около 50%, чуш­кового чугуна до 10 % для создания избытка углерода, необходи­мого для кипения, и стального лома. Чтобы совместить удаление фосфора с расплавлением шихты, в завалку добавляют 2...3% извести и около 2 % руды.

Заправка проводится немедленно после выпуска предыду­щей плавки. Подина, откосы и все углубления очищают от остав­шихся металла и шлака, и на поврежденные места забрасывают магнезитовый порошок.

Загрузку ведут с помощью корзины (бадьи) с раскрываю­щимся дном, которую вводят в открытую печь сверху. При запол­нении корзины на дно укладывают часть мелкой шихты, чтобы защитить подину от ударов крупных кусков лома. Затем в центре укладывают крупный лом, а по периферии сверху оставшийся мелкий лом и возврат.

Плавление ведут путем проплавления колодцев при мак­симальной мощности трансформатора. В период плавления пол­ностью окисляется кремний, 40...60% марганца, происходит ча­стичное окисление фосфора, углерода и железа. Формируется шлак, в составе которого содержится 0,5... 1,5 % Р₂O₅.

В период окисления необходимо обеспечить следующие процессы:

• уменьшить содержание фосфора в металле до 0,01 ...0,015 %;

• довести содержание углерода до заданного;

• дегазировать расплав и обеспечить всплытие твердых неме­таллических включений;

• перегреть металл до температуры, близкой к температуре выпуска.

Если необходимая скорость окисления не обеспечивается ок­сидами железа, содержавшимися в шихте, и притоком кислорода в печь за счет газоотсоса, то в печь добавляют железную руду либо вводят газообразный кислород.

Окислительный период начинается со скачивания шлака, об­разовавшегося в период расплавления, для удаления из печи фос­фора. Скачивание фосфористого шлака облегчено возможностью наклона печи в сторону рабочего окна на 10... 15°. После наведе­ния нового шлака добавкой свежеобожженной извести и руды про­должается окисление фосфора и начинается интенсивное окисле­ние углерода (кипение стали). Связанное с этим выделение пу­зырьков СО вспенивает шлак, в результате чего фосфористый шлак стекает через порог рабочего окна. Таким образом, содержание фосфора в металле удается снизить до 0,01 %.

Кипение стали сопровождается удалением азота и водорода, ра­створившихся в ней в предыдущих периодах плавки, а также фло­тацией «неметаллической мути». Для успешного протекания этих процессов количество углерода, окисленного в процессе кипения, должно быть не менее 0,35 % при плавке углеродистых сталей и не менее 0,45 % при плавке легированных сталей. Продолжительность окислительного периода составляет 35...50 мин. Применение кис­лорода в окислительном периоде уменьшает продолжительность этого периода и сокращает расход электроэнергии и руды.

Когда содержание углерода в стали достигнет заданного, окис­лительный период завершают. Для этого полностью скачивают шлак окислительного периода во избежание возврата остатков фосфора в металл.

Восстановительный период. Задачами этого периода являются:

• раскисление металла;

• удаление серы;

• доведение химического состава до заданного;

• перегрев металла до заданной температуры.

Эти задачи решаются практически параллельно под белым шла­ком. Для его наведения вводят шлаковую смесь, состоящую из извести, плавикового шпата и шамотного боя. После расплавле­ния смеси образуется жидкоподвижный шлак, с помощью кото­рого успешно протекает диффузионное раскисление стали. Для раскисления шлака в него вводят смесь размолото­го ферросилиция и кокса при их расходе по 5 кг/т металла каждо­го. В соответствии с законом распределения концентрация моноксида железа в металле уменьшается пропорционально ее кон­центрации в шлаке. Преимуществом диффузионного раскис­ления является то, что реакции раскисления протекают в шлаке, поэтому продукты раскисления образуются и остаются в шлаке, и не «замутняют» металл. О степени завершенности диффузионного раскисления судят по цвету затвердевшей пробы шлака. По мере уменьшения в нем содержания FeO застывшая проба шлака свет­леет. Белый цвет рассыпающегося в порошок шлака свидетель­ствует об окончании процесса диффузионного раскисления.

Десулъфурация металла в основных дуговых печах характеризу­ется максимальной эффективностью по сравнению с ранее рас­смотренными процессами. Это объясняется максимально полной реализацией трех условий ее протекания.

• высокая основность шлака;

• высокая температура шлака, нагреваемого электрической ду­гой, обеспечивающая хорошую активность, несмотря на высо­кую основность;

• низкая окисленность шлака и металла.

В результате коэффициент распределения серы между шлаком и металлом составляет 20...60 (для сравнения напомним, что в основной мартеновской печи его значения не превышают 10).

В конце восстановительного периода проводят легирование металла элементами, имеющими высокое сродство к кислороду. В некоторых случаях восстановительный период проводят не под белым, а под карбидным шлаком. Для этого после скачивания шла­ка окислительного периода в печь вводят шлаковую смесь, содер­жащую, кроме извести и плавикового шпата 6...8 кг молотого кокса на 1 т металла. Печь герметизируют, выключают газоотсос, при этом в зоне горения дуги образуется карбид кальция по ре­акции

СаО + ЗС = СаС₂ + СО.

Образующийся карбид кальция обладает исключительно высо­кой раскислительной и десульфурирующей способностью:

реакции раскисления

3FeO + СаС₂= 3Fe + СаО + 2СО;

3МnО + СаС₂ = 3Мn + СаО + 2СО;

реакции десульфурации

3FeS + СаС₂ + 2СаО = 3CaS + 3Fe + 2СО,

3MnS + СаС₂ + 2СаО = 3CaS + ЗМn + 2СО.

Выдержка под карбидным ишаком, содержащим 1,5... 2 % СаС₂, составляет 30...40 мин, тем не менее, при выпуске металла час­тицы карбидного шлака смешиваются с ним, образуя загрязне­ния металла. Поэтому за 20... 30 мин до выпуска карбидный шлак переводят в белый. Для этого открывают рабочее окно печи и вклю­чают газоотсос. Кислород воздуха окисляет карбид кальция до СаО и СО, превращая карбидный шлак в белый.

Обработка карбидным шлаком приводит к увеличению содер­жания в металле углерода, что делает процесс непригодным для выплавки низкоуглеродистых сталей. Наибольшее применение процесс получил для выплавки высокоуглеродистых и легирован­ных инструментальных сталей.

Легирование.

Порядок ввода легирующих определяется их сродством к кислороду. Чем выше сродство элемента к кислороду, тем позже следует его вводить в металл. Никель, молибден, медь во время плавки не окисляются, поэтому их вводят в начальные периоды плавки. Хром, марганец и вольфрам обладают большим сродством к кислороду, чем железо, поэтому легирование этими элементами проводят только после раскисления ванны. В связи с высокой температурой плавления ферровольфрама (около 2000 °С) он медленно растворяется в металле, поэтому его присаживают в ванну не позднее, чем за 30 мин до выпуска. Кремний, ванадий, титан и алюминий особенно легко окисляются, поэтому ферро­ванадий вводят за 15...35 мин до выпуска, ферросилиций — за 10... 20 и алюминий — за 2... 3 мин до выпуска. Ферротитан вводят в ковш, либо в печь за 5... 10 мин до выпуска металла.

Плавка стали в основной дуговой печи без окисления примесей. Этот метод наиболее рационален при выплавке легированных ста­лей с использованием в шихте легированного лома и отходов. От­сутствие окислительного периода позволяет в максимальной сте­пени сохранить легирующие элементы, содержащиеся в шихте. Для получения заданного состава требуются минимальные присадки легирующих добавок, компенсирующие угар при расплавлении. Ориентировочно величины угара при расплавлении составляют:

Элемент.........  Al      Ti              Si           V          Μn          Cr      W

Угар, %..........   100 80...90 40...100 15...20  15...25  10...15 5...15

После расплавления шлак, как правило, не скачивают, имея в виду возможность частичного восстановления оксидов легирую­щих элементов, содержащихся в нем.

Раскисление, десульфурацию и легирование проводят так же, как при плавке с окислением примесей.

Особенности кислого процесса.

Кислая футеровка обладает большей термостойкостью по сравнению основной, что является важным ее преимуществом в условиях литейных цехов, работаю­щих с перерывами в одну или две смены. Кроме того, понижен­ная отражательная способность кислого шлака уменьшает тепло­вую нагрузку на футеровку.

По этим причинам стойкость футеровки кислых дуговых печей выше, чем основных. Стоимость кислых огнеупоров в 2 —2,5 раза ниже, чем основных.

Теплопроводность кислых огнеупоров ниже, чем основных, что способствует уменьшению тепловых потерь. Влияние шлака на металл в кислых печах менее существенно, чем в основных. По­этому глубина ванны в кислых печах больше, чем в основных при том же диаметре ванны. В результате этого тепловой КПД кислых печей выше, чем основных. Этим объясняется широкое использо­вание кислых дуговых печей в сталелитейных цехах.

Шихта. Для плавки в кислых дуговых печах содержание серы и фосфора в шихте должно быть ниже допустимого предела в го­товой стали, так как удалить их в процессе плавки не удается.

Для эффективного рафинирования металла в процессе кипе­ния содержание углерода в шихте должно быть большим, чем в готовом металле, на 0,15... 0,20 %. Для этого в шихту наряду с воз­вратом и отборным стальным ломом добавляют передельный чу­гун, кокс или электродный бой. Порядок загрузки шихты в печь такой же, как при основном процессе.

Период  расплавления сопровождается окислением кремния, марганца, железа и углерода. Доля образующегося при этом шлака невелика, поэтому для улучшения защиты расплавля­емого металла от окисления и растворения газов объем шлака уве­личивают добавкой сухого песка, шлака предыдущей плавки или формовочной смеси. В конце периода расплавления шлак имеет следующий состав, %: SiO₂ 40...50; FeO 15...30; MnO 10...30; Аl₂O₃ 2...6; прочие оксиды 5... 15.

Окислительный период имеет целью дегазацию металла в процессе кипения. Окисление углерода происходит оксидами же­леза и марганца, содержащимися в шлаке. При этом содержание Si0₂ в шлаке растет, и к концу кипения оно достигает 60 %, спо­собствуя процессу восстановления кремния.

При активном процессе восстановление кремния сдерживают присадкой руды и извести, кипение продолжают до достижения заданного содержания углерода. Раскисление проводят в два эта­па — введением ферросилиция и ферромарганца в печь, а при выпуске металла — присадкой алюминия в ковш.

При кремневосстановительном процессе содержание восста­новленного кремния доводят до 0,2 %. При этом требуется только раскисление в ковше алюминием.

Особенности плавки стали в дуговых печах постоянного тока.

Дуговые сталеплавильные печи постоянного тока получили рас­пространение с начала 1980-х гг., после того, как было освоено производство мощных, экономичных и надежных выпрямителей на базе тиристоров. К 1993 г. в мире эксплуатировалось около 80 печей постоянного тока емкостью до 150 т.

Большая часть печей постоянного тока — это вновь создавае­мые печи, но в ряде случаев они представляют собой результат реконструкции печей, работавших на переменном токе.

Дуговые печи постоянного тока обычно имеют только один графитовый электрод, диаметр которого может достигать 700 мм. По сравнению с электродами печей переменного тока, в которых наблюдается поверхностный эффект, плотность постоянного тока равномерна по сечению электрода. Важнейшее конструктивное от­личие дуговой печи постоянного тока состоит в наличии подово­го электрода. Подовый электрод располагается не соосно с верх­ним электродом, а на расстоянии 500...600 мм от оси печи. Это обеспечивает интенсивное электромагнитное перемешивание ме­талла в ванне. Кроме того, к преимуществам таких печей отно­сятся:

• уменьшение, примерно, в 5 —9 раз удельного расхода гра­фитовых электродов;

• связанное с этим уменьшение вредных выбросов из печи;

• уменьшение шума и вибрации при работе печи;

• некоторое снижение расхода электроэнергии и угара металла при плавке.

В то же время следует отметить усложнение конструкции и эк­сплуатации пода печи в связи с расположением в нем подового электрода. Технология плавки в дуговых печах постоянного тока может не иметь существенных отличий от плавки в печах пере­менного тока. Но часто технологией предусматривается загрузка шихты на металл и шлак, частично оставленные в печи от преды­дущей плавки. Используются также топливно-кислородные горелки в начале плавления и вдувание кислорода в ванну металла.