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,
металлизованных 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.
Выделение
пузырьков СО сопровождается
также и удалением из металла
неметаллических включений, которые
выносятся на поверхность потоками
металла или поднимаются наверх
вместе с пузырьками газа. Хорошее
кипение ванны обеспечивает перемешивание
металла, выравнивание температуры
и состава.
Общая продолжительность
окислительного периода составляет
от 1 до 1,5 ч. Для интенсификации
окислительного периода плавки,
а также для получения стали
с низким содержанием углерода,
например хромоникелевой нержавеющей
с содержанием углерода <=0,1 %, металл
продувают кислородом. При продувке
кислородом окислительные процессы
резко ускоряются, а температура
металла повышается со скоростью
примерно 8— 10 С/мин. Чтобы металл
не перегрелся, вводят охлаждающие
добавки в виде стальных отходов.
Применение кислорода является
единственным способом получения
низкоуглеродистой нержавеющей
стали без значительных потерь
ценного легирующего хрома при
переплаве.
Окислительный
период заканчивается, когда содержание
углерода становится ниже заданного
предела, содержание фосфора 0,010%,
температура металла несколько
выше температуры выпуска стали
из печи. В конце окислительного
периода шлак стараются полностью
убирать из печи, скачивая его
с поверхности металла.
Восстановительный
период плавки.
После скачивания
окислительного шлака начинается
восстановительный период плавки.
Задачами восстановительного периода
плавки являются: раскисление металла,
удаление серы, корректирование
химического состава стали, регулирование
температуры ванны, подготовка
жидкоподвижного хорошо раскисленного
шлака для обработки металла
во время выпуска из печи
в ковш. Раскисление ванны, т.е.
удаление растворенного в ней
кислорода, осуществляют присадкой
раскислителей в металл и на
шлак. В начале восстановительного
периода металл покрывается слоем
шлака. Для этого в печь присаживают
шлакообразующие смеси на основе
извести с добавками плавикового
шпата, шамотного боя, кварцита.
В качестве раскислителей обычно
используют ферромарганец, ферросилиций,
алюминий. При введении раскислителей
происходят следующие реакции:
[Mn]+[O]=(MnO) ; [Si]+2 [О]
= (SiO2) ; 2[Al]+ 3[O]-(Al2O3) .
В результате
процессов раскисления большая
часть растворенного кислорода
связывается в оксиды и удаляется
из ванны в виде нерастворимых
в металле неметаллических включений.
Процесс этот протекает достаточно
быстро и продолжительность восстановительного
периода в основном определяется
временем, необходимым для образования
подвижного шлака. В малых и
средних печах при выплавке
ответственных марок сталей продолжают
применять метод диффузионного
раскисления стали через шлак,
когда раскислители в виде
молотого электродного боя, порошка
ферросилиция присаживают на
шлак. Содержание кислорода в
шлаке понижается и в соответствии
с законом распределения кислород
из металла переходит в шлак.
Метод этот, хотя и не оставляет
в металле оксидных неметаллических
включений, требует значительно
большей затраты времени. В
восстановительный период плавки,
а также при выпуске стали
под слоем шлака, когда происходит
хорошее перемешивание металла
со шлаком, активно происходит
десульфурация металла. Этому
способствует хорошее раскисление
стали и шлака, высокое содержание извести
в шлаке и высокая температура. В ходе
восстановительного периода вводят легирующие
– ферротитан, феррохром и др., а некоторые,
например никель, присаживают вместе с
шихтой. Никель не окисляется и не теряется
при плавке. Добавки тугоплавких ферровольфрама,
феррониобия производят в начале рафинирования,
так как нужно значительное время для
их расплавления. В настоящее время большинство
операций восстановительного периода
переносят из печи в ковш. Например, в кош
вводят порции легирующих или дают их
на струю стали, вытекающей из печи при
ее наклоне. Присаживают по ходу выпуска
раскислители. Целью восстановительного
периода является обеспечение нагрева
стали до заданной температуры и создание
шлака, десульфурирующая способность
которого используется при совместном
выпуске из печи вместе со сталью.
Одношлаковый
процесс.
В связи
с интенсификацией процесса электроплавки
в последние годы получил большое
распространение метод плавки
в дуговой печи под одним
шлаком. Сущность этого метода
заключается в следующем: дефосфорация
металла совмещается с периодом
расплавления. Во время расплавления
из печи скачивают шлак и
производят добавки извести. В
окислительный период выжигают
углерод. По достижении в металле
<< 0,035 % Р производят раскисление
стали без скачивания шлака
ферросилицием и ферромарганцем.
Затем присаживают феррохром
и проводят сокращенный (50—70 мин)
восстановительный период с раскислени-ем
шлака порошками ферросилиция
и кокса и раскислением металла
кусковыми раскислителями. Окончательное
раскисление производят в ковше
ферросилицием и алюминием. В
некоторых случаях вообще не
проводят раскисления шлака в
печи порошкообразными раскислителями.
Переплав
отходов.
На заводах
специальных сталей количество
образующихся отходов достигает
25—40 % от выплавляемой стали. Часть
отходов поступает с машиностроительных
заводов, поэтому в электросталеплавильных
цехах 50 % легированных сталей
выплавляют из шихты, состоящей
только из них. Рациональное
использование отходов дает большую
экономию легирующих, электроэнергии,
повышает производительность электропечей.
В СССР легированные отходы
разделяют на 82 группы. При расчете
шихты стремятся использовать
максимальное количество отходов
данной марки стали или наиболее
близких марок
Шихту составляют
с таким расчетом, чтобы содержание
углерода в ванне по расплавлении
было на 0,05— 0,10 % ниже заданного
маркой стали. Необходимые легирующие,
неокисляющиеся добавки Ni Cu, Mo, W загружают
вместе с шихтой, а прочие –
V, Тi, Cr, Mn, Al, Si, Nb – стремятся вводить
как можно позднее на разных
стадиях плавки, в том числе
и во время выпуска в ковш.
Металл заданного состава получают
в процессе рафинировки или
в ковше. Во время плавки
наводят высокоосновной, жидкоподвижный
шлак, который частично скачивают
из печи. Это позволяет удалить
до 30 % фосфора. Если состав металла
близок к расчетному, то, не скачивая
шлака, приступают к раскислению
шлака молотым коксом, ферросилицием
и алюминием. При этом легирующие
элементы восстанавливаются из
шлака и переходят в металл,
например, так восстанавливается
оксид хрома: 2(Cr2O3) +3 (Si) =3(SiO2) +4 [Cr]. Продолжительность
восстановительного периода в
этом варианте технологии такая
же, как и в плавках с окислением.
Плавка на отходах значительно
короче (примерно на 1 ч) по сравнению
с плавкой на свежей шихте
за счет окислительного периода.
Это увеличивает производительность
электропечей на 15—20 % и сокращает
расход электроэнергии на 15 %.
Методы интенсификации
электросталеплавильного процесса.
Применение
кислорода. Использование газообразного
кислорода в окислительный период
плавки и в период расплавления
позволяет значительно интенсифицировать
процессы расплавления и окисления
углерода.
Применение
синтетического шлака.
Этот метод
предусматривает перенесение рафинирования
металла из электропечи в разливочный
ковш. Для рафинирования металла
выплавляют синтетический шлак
на основе извести (52–55%) и глинозема
(40%) в специальной электродуговой
печи с угольной футеровкой. Порцию,
жидкого, горячего, активного шлака
(4–5 % от массы стали, выплавленной
в электропечи) наливают в основной
сталеразливочный ковш. Ковш подают
к печи и в него выпускают
сталь. Струя стали, падая с
большой высоты, ударяется о поверхность
жидкого шлака, разбивается на
мелкие капли и вспенивает
шлак. Происходит перемешивание
стали со шлаком. Это способствует
активному протеканию обменных
процессов между металлом и
синтетическим шлаком. В первую
очередь протекают процессы удаления
серы благодаря низкому содержанию
FeO в шлаке и кислорода в
металле; повышенной концентрации
извести в шлаке, высокой температуре
и перемешиванию стали со шлаком.
Концентрация серы может быть
снижена до 0,001 %. При этом происходит
значительное удаление оксидных
неметаллических включений из
стали благодаря ассимиляции,
поглощению этих включений синтетическим
шлаком и перераспределению кислорода
между металлом и шлаком.
Обработка
металла аргоном.
После выпуска
стали из печи через объем
металла в ковше продувают
аргон, который подают либо
через пористые пробки, зафутерованные
в днище, либо через швы кладки
подины ковша. Продувка стали
в ковше аргоном позволяет
выровнять температуру и химический
состав стали, понизить содержание
водорода, удалить неметаллические
включения, что в конечном итоге
позволяет повысить механические
и эксплуатационные свойства
стали.
Применение
порошкообразных материалов.
Продувка
стали в дуговой электропечи
порошкообразными материалами в
токе газаносителя (аргона или
кислорода) позволяет ускорить
важнейшие процессы рафинирования
стали: обезуглероживание, дефосфорацию,
десульфурацию, раскисление металла.
В струе
аргона или кислорода в ванну
вдуваются порошки на основе
извести, плавикового шпата. Для
раскисления металла используют
порошкообразный ферросилиций. Для
окисления ванны и для ускорения
удаления углерода и фосфора
добавляют оксиды железа. Мелкораспыленные
твердые материалы, попадая в
ванну металла, имеют большую
поверхность контакта с металлом,
во много раз превышающую площадь
контакта ванны со шлаковым
слоем. При этом происходит
интенсивное перемешивание металла
с твердыми частицами. Все это
способствует ускорению реакций
рафинирования стали. Кроме того,
порошкообразные флюсы могут
использоваться для более быстрого
наведения шлака.
Плавка в
кислой электропечи.
Кислые электропечи
футеруют огнеупорными материалами
на основе кремнезема. Эти печи
имеют более глубокие ванны
и в связи с этим меньший
диаметр кожуха, меньшие тепловые
потери и расход электроэнергии.
Стойкость футеровки свода и
стен кислой печи значительно
выше, чем у основной. Это объясняется
малой продолжительностью плавки.
Печи с кислой футеровкой вместимостью
1—3 т применяются в литейных
цехах для производства стального
литья и отливок из ковкого
чугуна. Они допускают периодичность
в работе, т.е. работу с перерывами.
Известно, что основная футеровка
быстро изнашивается при частом
охлаждении. Расход огнеупоров на
1 т стали в кислой печи ниже.
Кислые огнеупоры дешевле, чем
основные. В кислых печах быстрее
разогревают металл до высокой
температуры, что необходимо для
литья. Недостатки кислых печей
связаны прежде всего с характером
шлака. В этих печах шлак
кислый, состоящий в основном
из кремнезема. Поэтому такой
шлак не позволяет удалять
из стали фосфор и серу. Для
того чтобы иметь содержание
этих примесей в допустимых
пределах, необходимо подбирать
специальные шихтовые материалы,
чистые по фосфору и по сере.
Кроме того, кислая сталь обладает
пониженными пластическими свойствами
по сравнению с основной сталью
вследствие присутствия в металле
высококремнистых неметаллических
включений. Технология плавки
в кислой электропечи имеет
следующие особенности. Окислительный
период плавки непродолжителен,
кипение металла идет слабо,
так как кремнезем связывает
РеО в шлаке и тем самым
скорость перехода кислорода
в металл для окисления углерода
снижается. Кислый шлак более
вязкий, он затрудняет кипение.
Шлак наводят присадками песка,
использованной формовочной земли.
Известь присаживают до содержания
в шлаке не более 6—8 % СаО.
Раскисление кислой стали проводят,
как правило, присадкой кускового
ферросилиция. Частично сталь раскисляется
кремнием, который восстанавливается
из шлака или из футеровки
по реакциям: (SiO2) +2Fe=2(FeO) +[Si]; (SiO2) +2[C]=2CO+[Si].
В отличие от основного процесса
при кислом ферромарганец присаживают
в конце плавки в раздробленном виде в
ковш. При таком способе усваивается до
90 % марганца. Конечное раскисление проводят
алюминием.