Производство стали в электрических печах

Электрооборудование.

Рабочее напряжение электродуговых печей составляет 100 - 800 В, а сила тока измеряется десятками  тысяч ампер. Мощность отдельной  установки может достигать 50 - 140 МВ*А. К подстанции электросталеплавильного  цеха подают ток напряжением до 110 кВ. Высоким напряжением питаются первичные обмотки печных трансформаторов. На показана упрощенная схема электрического питания печи. В электрическое  оборудование дуговой печи входят производства ремонтных работ на печи. следующие  приборы:

1. Воздушный разъединитель,  предназначен для отключения  всей электропечной установки  от линии высокого напряжения  во время

2. Главный автоматический  выключатель, служит для отключения  под нагрузкой электрической  цепи, по которой протекает ток  высокого напряжения. При неплотной  укладке шихты в печи в начале  плавки, когда шихта еще холодная, дуги горят неустойчиво, происходят  обва лы шихты и возникают  короткие замыкания между электродами.  При этом си ла тока резко  возрастает. Это приводит к большим  перегрузкам трансформатора, который  может выйти из строя. Когда  сила тока превысит установленный  предел, выключатель авто матически  отключает установку, для чего  имеется реле максимальной силы  тока.

3. Печной трансформатор  необходим для преобразования  высокого напряжения в низкое (с 6-10 кВ до 100-800 В). Обмотки высокого  и низкого напряжения и магнитопроводы, на которых они помещены, располагаются  в баке с маслом, служащим для  охлаждения обмоток. Охлаждение  создается принудительным перекачиванием  масла из трансформаторного кожуха  в бак теплообменника, в котором  масло охлаждается водой. Трансформатор  устанавливают рядом с электропечью  в специальном помещении. Он  имеет устройство, позволяющее переключать  обмотки по ступеням и таким  образом ступенчато регулировать  подаваемое в печь напряжение. Так, например, трансформатор для  200-т отечественной печи мощностью  65 МВ*А имеет 23 ступени напряжения, которые переключаются под нагрузкой,  без отключения печи.  

Участок электрической  сети от трансформатора до электродов называется короткой сетью. Выходящие  из стены трансформаторной подстанции фидеры при помощи гибких, водоохлаждаемых  кабелей подают напряжение на электрододержатель. Длина гибкого участка должна позволять производить нужный наклон печи и отворачивать свод для загрузки. Гибкие кабели соединяются с медными  водоохлаждаемыми шинами, установленными на рукавах электрододержателей. Трубошины  непосредственно присоединены к  головке электрододер-жателя, зажимающей электрод. Помимо указанных основных узлов электрической сети в нее  входит различная измерительная  аппаратура, подсоединяемая к линиям тока через трансформаторы тока или напряжения, а также приборы автоматического регулирования процесса плавки.

Автоматическое регулирование.

По ходу плавки в  электродуговую печь требуется подавать различное количество энергии. Менять подачу мощности можно изменением напряжения или силы то­ка дуги. Регулирование  напряжения производится переключением  обмоток трансформатора. Регулирование  силы тока осуществляется изменением расстояния между электродом и шихтой путем подъема или опускания  электродов. При этом напряжение дуги не изменяется. Опускание или подъем электродов производятся автоматически  при помощи автоматических регуляторов, установленных на каждой фазе печи. В современных печах заданная программа электрического режима может  быть установлена на весь период плавки.

Устройство для  электромагнитного перемешивания  металла.

Для перемешивания  металла в крупных дуговых  печах, для ускорения и облегчения проведения технологических операций скачивания шлака под днищем печи в коробке устанавливается электрическая  обмотка, которая охлаждается водой  или сжатым воздухом. Обмотки статора  питаются от двухфазного генератора током низкой частоты, что создает  бегущее магнитное поле, которое  захватывает ванну жидкого металла  и вызывает движение нижних слоев  металла вдоль подины печи в направлении  движения поля. Верхние слои металла  вместе с прилегающим к нему шлаком движутся в обратную сторону. Таким  образом можно направить движение либо в сторону рабочего окна, что  будет облегчать выход шлака  из печи, либо в сторону сливного отверстия, что будет благоприятствовать равномерному распределению легирующих и раскислителей и усреднению состава металла и его температуры. Этот метод в последнее время  имеет ограниченное применение, так  как в сверхмощных печах металл активно перемешивается дугами.

Плавка стали в  основной дуговой электропечи.

Сырые материалы.

Основным материалом для электроплавки является стальной лом. Лом не должен быть сильно окисленным, так как наличие большого количества ржавчины вносит в сталь значительное количество водорода. В зависимости  от химического состава лом необходимо рассортировать на соответствующие  группы. Основное количество лома, предназначенное  для плавки в электропечах, должно быть компактным и тяжеловесным. При  малой насыпной массе лома вся  порция для плавки не помещается в  печь. Приходится прерывать процесс  плавки и подгружать шихту. Это увеличивает  продолжительность плавки, приводит к повышенному расходу электроэнергии, снижает производительность электропечей. В последнее время в электропечах используют металлизованные окатыши, полученные методом прямого восстановления. Достоинством этого вида сырья, содержащего 85- 93 % железа, является то, что оно  не загрязнено медью и другими  примесями. Окатыши целесообразно  применять для выплавки высо-копрочных  конструкционных легированных сталей, электротехнических, шарикоподшипниковых  сталей.

Легированные отходы образуются в электросталеплавильном цехе в виде недолитых слитков, литников; в обдирочном отделении в виде стружки, в прокатных цехах в  виде обрези и брака и т, д.; кроме  того много легированного лома поступает  от машиностроительных заводов. Использование  легированных металлоотходов позволяет  экономить ценные легирующие, повышает экономическую эффективность электроплавок.

Мягкое железо специально выплавляют в мартеновских печах  и конвертерах и применяют  для регулирования содержания углерода в процессе электроплавки. В железе содержится 0,01-0,15 % С и <0,020 % Р. Поскольку  в электропечах выплавляют основное количество легированных сталей, то для  их производства используют различные  легирующие добавки; электролитический  никель или МЮ, феррохром, ферросилиций, ферромарганец, ферромолибден, ферровольфрам  и др. В качестве раскислителя помимо ферромарганца и ферросилиция применяют  чистый алюминий. Для науглероживания  используют передельный чугун, электродный  бой; для наведения шлака применяют  свежеобожженную известь, плавиковый шпат, шамотный бой, доломит и MgO в  виде магнезита.

Подготовка материалов к плавке.

Все присадки в дуговые  печи необходимо прокаливать для  удаления следов масла и влаги. Это  предотвращает насыщение стали  водородом. Ферросплавы подогревают  для ускорения их проплавле-ния. Присадка легирующих, раскислителей  и шлакообразующих в современной  печи во многом механизирована. На бункерной  эстакаде при помощи конвейеров происходит взвешивание и раздача материалов по мульдам, которые загружаются  в печь мульдовыми машинами. Сыпучие  для наводки шлака вводят в  электропечи бросательными машинами.

Технология плавки.

Плавка в дуговой  печи начинается с заправки печи. Жидкоподвижные нагретые шлаки сильно разъедают  футеровку, которая может быть повреждена и при загрузке. Если подина печи во время не будет закрыта слоем  жидкого металла и шлака, то она  может быть повреждена дугами. Поэтому  перед началом плавки производят ремонт - заправку подины. Перед заправкой  с поверхности подины удаляют  остатки шлака и металла. На поврежденные места подины и откосов - места  перехода подины в стены печи - забрасывают  сухой магнезитовый порошок, а в  случае больших повреждений - порошок  с добавкой пека или смолы.

Заправку производят заправочной машиной, выбрасывающей  через. насадку при помощи сжатого  воздуха заправочные материалы, или, разбрасывающей материалы по окружности с быстро вращающегося диска, который  опускается в открытую печь сверху.

Загрузка печи.

Для наиболее полного  использования рабочего пространства печи в центральную ее часть ближе  к электродам загружают крупные  куски (40 %), ближе к откосам средний  лом (45%), на подину и на верх загрузки мелкий лом (15%). Мелкие куски должны заполнять промежутки между крупными кусками.

Период плавления.

Расплавление шихты  в печи занимает основное время плавки. В настоящее время многие операции легирования и раскисления металла  переносят в ковш. Поэтому длительность расплавления шихты в основном определяет производительность печи. После окончания  завалки опускают электроды и  включают ток. Металл под электродами  разогревается, плавится и стекает  вниз, собираясь в центральной  части подины. Электроды прорезают  в шихте колодцы, в которых  скрываются электрические дуги. Под  электроды забрасывают известь  для наведения шлака, который  закрывает обнаженный металл, предохраняя  его от окисления. Постепенно озеро  металла под электродами становится все больше. Оно подплавляет куски  шихты, которые падают в жидкий металл и расплавляются в нем. Уровень металла в печи повышается, а электроды под действием автоматического регулятора поднимаются вверх. Продолжительность периода расплавления металла равна 1-3 ч в зависимости от размера печи и мощности установленного трансформатора. В период расплавлени" трансформатор работает с полной нагрузкой и даже с 15 % перегрузкой, допускаемой паспортом, на самой высокой ступени напряжения. В этот период мощные дуги не опасны для футеровки свода и стен, так как они закрыты шихтой. Остывшая во время загрузки футеровка может принять большое количество тепла без опасности ее перегрева. Для ускорения расплавления шихты используют различные методы. Наиболее эффективным является применение мощных трансформаторов. Так, на печах вместимостью 100 т будут установлены трансформаторы мощностью 75,0 МВ-А, на 150-т печах трансформаторы 90-125 МВ*А и выше. Продолжительность плавления при использовании мощных трансформаторов уменьшается до 1-1,5 ч. Кроме того, для ускорения расплавления применяют топливные мазутные или газовые горелки, которые вводят в печь либо через рабочее окно, либо через специальное устройство в стенах. Применение горелок ускоряет нагрев и расплавление шихты, особенно в холодных зонах печи. Продолжительность плавления сокращается на 15-20 мин.

Эффективным методом  является применение газообразного  кислорода. Кислород подают в печь как  через стальные футерованные трубки в окно печи, так и при помощи фурмы, опускаемой в печь сверху через  отверстие в своде. Благодаря  экзотермическим реакциям окисления  примесей и железа выделяется дополнительно  большое количество тепла, которое  нагревает шихту, ускоряет ее полное расплавление. Использование кислорода  уменьшает длительность нагрева  ванны. Период расплавления сокращается  на 20-30 мин, а расход электроэнергии на 60-70 кВт-ч на 1 т стали.

Традиционная технология электроплавки стали предусматривает  работу по двум вариантам: 1) на свежей шихте, т.е. с окислением; 2) переплав отходов. При плавке по первому варианту шихта состоит из простых углеродистых отходов, малоуглеродистого лома, метал-лизованных окатышей с добавкой науглероживателя. Избыточное количество углерода окисляют в процессе плавки. Металл легируют присадками ферросплавов для получения  стали нужного состава. Во втором варианте состав стали почти полностью  определяется составом отходов и  легирующие добавляют только для  некоторой корректировки состава. Окисления углерода не производят.

Плавка с окислением.

Рассмотрим ход  плавки с окислением. После окончания  периода расплавления начинается окислительный  период, задачи которого заключаются  в следующем: окисление избыточного  углерода, окисление и удаление фосфора; дегазация металла; удаление неметаллических  включений, нагрев стали.

Окислительный период плавки начинают присадкой железной руды, которую дают в печь порциями. В результате присадки руды происходит насыщение шлака FeO и окисление  металла по реакции: (FeO)=Fe+[O]. Растворенный кислород взаимодействует с растворенным в ванне углеродом по реакции [C] +[O]=CO. Происходит бурное выделение  пузырей CO, которые вспенивают поверхность  ванны, покрытой шлаком. Поскольку в  окислительный период на металле  наводят известковый шлак с хорошей  жидкоподвижностью, то шлак вспенивается выделяющимися пузырями газа. Уровень  шлака становится выше порога рабочего окна и шлак вытекает из печи. Выход  шлака усиливают, наклоняя печь в  сторону рабочего окна на небольшой  угол. Шлак стекает в шлаковик), стоящую  под рабочей пло­щадкой цеха. За время окислительного периода окисляют 0,3-0,6 % C со средней скоростью 0,3-0,5 % С/ч. Для обновления состава шлака  одновременно с рудой в печь добавляют известь и небольшие количества плавикового шпата для обеспечения жидкоподвижности шлака.

Непрерывное окисление  ванны и скачивание окислительного известкового шлака являются непременными условиями удаления из стали фосфора. Для протекания реакции окисления  фосфора 2[P]+5[O]=(P2O5); (Р2O5)+4(СаО)==(СаО)4*P2O5 необходимы высокое содержание кислорода в  металле и шлаке, повышенное содержание CaO в шлаке и пониженная температура.

В электропечи первые два условия полностью выполняются. Выполнение последнего условия обеспечивают наводкой свежего шлака и постоянным обновлением шлака, так как шлак, насыщенный (СаО)4*P2O5 скачивается из печи. По ходу окислительного периода  происходит дегазация стали-удаление из нее водорода и азота, которые  выделяются в пузыри СО, проходящие через металл.