Производство стали и ферросплавов в электропечах

Каблуковский А.Ф.

Металлургия, 1991 г.

ВЫПЛАВКА СТАЛИ В КИСЛЫХ ДУГОВЫХ ПЕЧАХ

Дуговые печи с кислой футеровкой подины, стен и свода применяют при производстве отливок из ковкого чугуна и стали с повышенным содержанием серы и фосфора для фасонного литья. Возможность быстрого нагрева металла в кислой печи используют для получения мелких и тонкостенных отливок. К недостаткам этих печей относят меньшую тепловую и электрическую проводимость кислых огнеупоров и шлаков. Из-за повышенного сопротивления кислых шлаков электрические дуги в кислых печах короче, что обеспечивает более быстрый нагрев металла до заданной температуры при меньшем (на 10—15 %) расходе электроэнергии. Материалы для футеровки кислых печей менее дефицитны, в 2 раза дешевле, чем основные огнеупоры и обеспечивают достаточно высокую стойкость подины, стен и свода при периодической выплавке стали. Существенным недостатком кислых печей является невозможность осуществления в них процессов дефосфорации и десульфурации металла и потребность в чистых шихтовых материалах по сере и фосфору.

Кислый электрометалл, выплавленный кремнийвосстановительным или активным процессами, обладает пониженными пластическими свойствами, что обусловливается присутствием в металле хрупких кремнистых включений, выделяющихся по границам зерен. Из-за активного взаимодействия металла с футеровкой в кислых печах затруднительна выплавка сталей и сплавов с повышенным содержанием марганца, алюминия, титана и других элементов. Использование внепечных процессов рафинирования металла от серы, фосфора, газов и неметаллических включений, а также легирование расплава в ковшах открывают новые перспективы для применения кислых дуговых печей при получении жидкого полупродукта с минимальным расходом электроэнергии.

Продолжительность плавки в кислых дуговых печах определяет период загрузки шихты и ее расплавления. Выдержка жидкого металла в печах с кислой футеровкой значительно короче, чем в печах с основной футеровкой. Сокращения длительности плавления шихты достигают за счет повышения удельной мощности трансформатора, применения подогрева металлической шихты, сокращения времени на завалку и строгого соблюдения шихтовки по габаритности. Загрузка негабаритной шихты вызывает зависание отдельных кусков и образование мостов, что, в свою очередь, затягивает плавку. При загрузке в печь легковесного лома электроды быстро доходят до подины, перегревают дугами небольшое количество металла и разрушают футеровку с образованием вместо красно-бурого, светлого дыма из густых белых хлопьев оксидов кремния (печь "снежит"). При появлении хлопьев в печь загружают дополнительное количество шихты.

Количество используемых в шихте собственных отходов не превышает 50 %. Остальную часть шихты составляют из отходов углеродистых сталей с низким содержанием серы и фосфора. Плавление шихты ведут на повышенной мощности трансформатора. Шлак образуют из задаваемого в печь шамотного боя или оборотного шлака (1—2 % от массы шихты), кремнистых материалов футеровки и оксидов шихты.

Во время расплавления шихты в кислой печи происходит окисление марганца, кремния, фосфора и углерода оксидами железа, растворенными в металле. Как и при основном процессе выплавки стали, железо окисляется при достаточной температуре до FeOпод воздействием кислорода воздуха или оксидов железа по реакциям:

Fe_T + 1/2O₂ = FeOж ;      Fe_T + Fe₂O_3ж = 3FeC

Образовавшийся FeOвзаимодействует с кремнием и марганцем по реакциям:

[Si] + 2(FeO)=(SiO₂) +2[Fe] и[Mn] + (FeO)=(MnO)+ [Fe].

Оксиды марганца с кремнеземом образуют прочные соединения — силикаты марганца. Оксиды фосфора (фосфорный ангидрид Р₂O₅) образуют с FeOнеустойчивое соединение (FeO)₃ * Р₂O₅, которое при избытке кремнезема и отсутствии свободного СаО в шлаке легко восстанавливается до Fe₃P, поэтому фосфор при кислом процессе не может быть удален из металла.

Монооксид железа легко вступает во взаимодействие с кремнеземом шлака и футеровки, образуя силикат 3FeO* SiO₂ и недостаточно активно реагирует с углеродом металла. Недостаток свободного (FeO) в шлаке уменьшает примерно в два раза скорость окисления углерода (0,003— 0,004%/мин).Отсутствие свободной извести в кислом шлаке делает невозможным удаление серы из металла. Для лучшего обезуглероживания и кипения ванны в шлак добавляют известь, которая связывает кремнезем в силикат кальция, увеличивая содержание в шлаке свободного FeO. В период окисления общее содержание (FeO) кислой печи достигает 25—30 %. Интенсивное кипение металла в течение 30—40 мин способствует перемешиванию ванны и удалению из металла силикатных неметаллических включений и газов. Излом шлака окислительного периода имеет темно-коричневый или темный цвет. Кислые шлаки, содержащие 45 % SiO₂,связывают почти все количество FeOи МnО в силикаты. В шлаке восстановительного периода (восстановление кремния) содержание SiO₂ превышает эту цифру. Для уменьшения восстановления кремния содержание (Si0₂) не должно превышать 55 %. Кремний восстанавливается углеродом металла (процесс, сопровождающийся кипением ванны) из кремнезема шлака и футеровки печи по реакции: (Si0₂) + + 2 [С] =[Si] +2 (СО).

При повышенных температурах реакция восстановления кремния из кремнезема железом ванны сопровождается повышением содержания

FeOв шлаке и металле: (SiO₂) + 2 [Fe] = [Si] + 2 (FeO).

Для предупреждения высокой восстановимости кремния и получения заданного химического состава стали по кремнию снижают в процессе плавки температуру металла и уменьшают присадкой извести концентрацию свободного кремнезема в шлаке. Для доводки содержания марганца в стали добавку ферромарганца производят в печь перед выпуском плавки или в ковш. Недостаток кремния в металле ряда плавок компенсируют присадкой соответствующего количества ферросилиция.

Кремнийвосстановительный процесс наиболее приемлем при выплавке среднеуглеродистых сталей. Низкоуглеродистые стали (< 0,25 % С) выплавляют активным процессом, предусматривающим содержание углерода в ванне по расплавлении на 0,1—0,3 % выше заданного содержания в готовом металле. При 1540—1580 °С на шлак присаживают порции железной руды (агломерата) и поддерживают нормальное кипение ванны. Требуемый состав шлака получают присадками песка, шамотного боя, формовочной земли и извести в соотношении 2:6:1:2.

Общий расход шлакообразующей смеси для освежения шлака составляет 0,5—0,6 % от массы шихты, при наведении нового шлака — 1,5— 2,0 %. Для ускорения раскисления ванны на шлак присаживают до 0,2 % от массы садки молотых ферросилиция и кокса. Конечный кислый шлак активного процесса обычно содержит, %: 40-50 SiO₂; 10—13 FeO; 14-18 МnО; 3-6 CaO; 1,0-1,5 Cr₂O₃; 3-4 Fe₂O₃; 5-7 A1₂O₃; 0,5-1,10 MgO; 0,01 P₂O₅. Содержание углерода в металле корректируют в ковше при выпуске ферросплавами, чугуном и карбюризаторами.

Наряду с диффузионным раскислением стали при кислом процессе применяют осадочное (глубинное) раскисление комплексными раскислителями — силикомарганцем, силикокальцием (2—3 кг/т), силико-барием. Конечное раскисление стали производят алюминием (до 1 кг/т). Продолжительность плавки углеродистой стали в 10-т дуговой кислой печи составляет 3 ч. Время операции составляет, мин: очистка, заправка 15; загрузка шихты 10; плавление 90; окисление 30; доводка и выпуск 30.