Производство стали

Под кислой печи. Под печи наваривают чистым высококремнистым песком, молотым кварцитом или кварцитом с примесью конечного кислого шлака. Под кислой печи принимает активное участие в протекающих в ванне процессах, и высокое качество кислой стали определяется реакциями материала кислого пода с металлической ванной, поэтому состоянию пода уделяют особое внимание. Общая продолжительность заправки кислой печи значительно больше, чем основной, и занимает в зависимости от состояния пода 1,5 - 2,5 часа.

Ход плавки при кислом процессе. Так же, как в основном мартеновском скрап-процессе, соотношение между загружаемыми в печь чугуном и скрапом зависит от заданного содержания углерода в металле, при котором обеспечивалось бы проведение периода кипения. В отличие от основного мартеновского процесса, при котором в печь заваливают значительное количество известняка или извести, а при скрап-рудном - также железную руду, в кислом процессе источников для образования шлака меньше. Металл может оказаться покрытым недостаточным слоем шлака, в результате он интенсивно окисляется и насыщается газами. Для предотвращения этого на подину до завалки шихты загружают конечный кислый шлак (от предыдущих плавок), шамотный бой и кварцевый песок.

При работе дуплекс-процессом для  ускорения начала кипения ванны  в печь вводят некоторое количество железной руды. В шлак переходит некоторое количество футеровки пода. Образующиеся во время плавления основные оксиды железа и марганца вступают во взаимодействие с кремнеземом, образовавшимся в результате окисления кремния шихты. В результате получаются сравнительно легкоплавкие силикаты железа и марганца.

В кислой печи непрерывно идут два  процесса:

а) окисление кремния кислородом оксидов железа шлака, в результате чего содержание кремния в металле  уменьшается;

б) восстановление кремния из шлака  и пода, в результате чего содержание кремния в металле повышается. Содержание кремния в ванне определяется соотношением скоростей этих процессов. Скорость восстановления кремния из пода примерно постоянна, скорость его окисления в большей степени зависит от состава шлака и его жидкотекучести. Интенсифицировать процессы окисления примесей в кислой печи можно введением железной или марганцевой руд, извести или мелкораздробленного известняка, а также продувкой ванны воздухом или кислородом.

Если после расплавления в печь не вводят никаких добавок, то по мере повышения температуры металла шлак постепенно насыщается кремнеземом, становится все более вязким, скорость перехода кислорода из атмосферы печи через шлак в металл уменьшается. В результате через некоторое время после расплавления скорость восстановления кремния оказывается выше скорости его окисления и концентрация кремния в металле растет. Такой метод ведения плавки называют пассивным, а процесс - кремневосстановительным. Если походу плавки вводят руду, известь или известняк, в результате чего повышается жидкоподвижность шлака, растет его окислительная способность и металл интенсивно кипит, то содержание кремния выше определенных пределов не возрастает. Такой метод ведения плавки называют активным, а процесс - с ограничением восстановления кремния. При активном процессе после расплавления и при достаточно высокой температуре металла в печь присаживают небольшими порциями железную руду. Начинается интенсивное кипение. За 30 - 40 минут до раскисления подачу в печь добавок прекращают, однако к этому моменту уже сформировался шлак такого состава, который способствует продолжению кипения металла.

Кремневосстановительный процесс  начинается так же, как и активный, присадкой руды и кипением ванны. После того как металл нагрелся, а шлак начал заметно густеть, обогащаясь кремнеземом, ход кремневосстановительного процесса отличается от хода активного процесса. Руду или известь больше не присаживают, окислительную роль факела сводят к минимуму, в металле заметно возрастает содержание кремния, кипение металла практически прекращается. Этот период «мертвого» состояния ванны, когда кипение практически прекратилось и происходит постепенное восстановление кремния, называют периодом стабилизации. Продолжительность этого периода составляет 1 - 2 ч. Промежуточное положение между активным и пассивным методами ведения плавки занимает полуактивный метод.

ВЫПЛАВКА СТАЛИ В  ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

В настоящее время для массовой выплавки стали применяют дуговые  электропечи, питаемые переменным током, индукционные печи и получающие распространение в последние годы дуговые печи постоянного тока.

В дуговых печах переменного  тока в течение многих десятилетий  выплавляли основную часть высококачественных легированных и высоколегированных сталей, которые было затруднительно либо невозможно выплавлять в конвертерах и мартеновских печах.

В последние годы сооружают высокомощные печи с водоохлаждаемыми сводом и  стенками. Технология плавки в таких печах включает расплавление и короткий окислительный период, в течение которых происходит окисление углерода до заданного содержания, дефосфорация и нагрев металла, а затем металл выпускают в ковш, где методами внепечной обработки ведут процессы рафинирования, раскисления и легирования, обеспечивая получение стали заданных состава и свойств.

Доля электростали в общей  выплавке стали в мире непрерывно растет.

Электрический режим

Электрическая дуга является основным источником тепла в дуговой сталеплавильной печи. Электрическая дуга - это поток электронов и ионов между анодом и катодом. При приложении к ним напряжения достаточной величины происходит эмиссия электронов в катода которые, соударяясь с молекулами газа в межэлектродном пространстве, вызывают их ионизацию; при этом положительно заряженные частицы движутся к катоду, а электроны к аноду, создавая дугу. Движущиеся к аноду электроны бомбардируют его, в результате чего кинетическая энергия электронов превращается в тепловую и световую, аналогичный процесс идет на катоде; температура бомбардируемого пятна анода составляет 3600 - 4000 ^оС, катода 3200 - 3600 ^оС, а температура столба дуги достигает 6000 ^оС.

В дуговой сталеплавильной печи дуга горит между электродами  и металлом (жидкая ванна, нерасплавившаяся шихта) и представляет собой поток  электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака. Поскольку дуговые печи питаются переменным током, в течение каждого полупериода меняются катод и анод, а напряжение и сила тока дуги достигают максимума и проходят через ноль. Эмиссия электронов с катода существенно облегчается при повышении температуры катода, поэтому в дуговой печи после расплавления шихты дуга горит более устойчиво, чем в начале плавки при холодной шихте. Длина дуги на больших высокомощных печах может достигать 150 - 200 мм, сила тока 60 - 100 кА.

Выплавка стали в  основных дуговых электропечах

Технология плавки с окислительным и восстановительным периодами или традиционная технология применяются в течение десятилетий на печах вместимостью ? 40 т для выплавки высококачественных легированных сталей. Эту технологию называют также двухшлаковой, а процесс плавки - двухшлаковым, поскольку по ходу плавки вначале (периоды плавления и окислительный) в печи наводят окислительный шлак, то есть содержащий много оксидов железа, а затем его сливают и в восстановительном периоде наводят новый (второй) шлак, не содержащий оксидов железа. До недавнего времени (до широкого внедрения процессов внепечной обработки) плавка в электродуговых печах по этой технологии была единственным способом получения легированных высококачественных сталей и такие стали назывались сталями “электропечного сортамента”. Высокое качество металла обеспечивалось за счет того, что в окислительном периоде создавались условия для удаления до очень низких содержаний фосфора и для дегазации металла (удаления растворенных водорода и азота за счет кипения ванны), а в восстановительном периоде - условия для получения низких содержаний кислорода и серы и соответственно оксидных и сульфидных неметаллических включений, а также для ввода в металл легирующих добавок без их значительного угара.

Плавка состоит из периодов: 1) заправка печи; 2) загрузка шихты; 3) плавление; 4) окислительный период; 5) восстановительный период; 6) выпуск стали.

Выплавка стали в  кислых дуговых электропечах

Электрические печи с кислой футеровкой обычно используют в литейных цехах  при выплавке стали для фасонного литья. Емкость их колеблется от 0,5 до 6-10 т.

Широкое распространение кислых электропечей в литейных цехах связано с  тем, что кислая футеровка более  термостойка, чем основная, что позволяет эксплуатировать печь с перерывами, требуемыми по условиям работы многих литейных цехов (работа в одну или две смены).

Преимуществом кислых печей по сравнению  с основными является более высокая  стойкость футеровки; наряду с этим стоимость кислых огнеупоров примерно в 2,5 раза ниже стоимости основных. Поскольку при плавке стали для фасонного литья восстановительный период обычно отсутствует, длительность плавки в кислой печи меньше, чем в основной печи той же емкости; по этой причине, а также в связи с меньшей теплопроводностью кислой футеровки, более низким является и расход электроэнергии.

Основным недостатком кислых печей  является то, что во время плавки из металла не удаляются сера и  фосфор.

Выплавка стали в индукционных печах

В индукционной бессердечниковой печи металл расплавляют в тигле, расположенном внутри индуктора, который представляет собой спираль с несколькими витками из токопроводящего материала. Через индуктор пропускают переменный ток; создаваемый при этом внутри индуктора переменный магнитный поток наводит в металле вихревые токи, которые обеспечивают его нагрев и плавление.

Важная особенность индукционных печей - интенсивная циркуляция жидкого  металла, вызываемая взаимодействием  электромагнитных полей, возбуждаемых, с одной стороны, токами, проходящими по индуктору и, с другой, вихревыми токами в металле. Положительная сторона этого явления в том, что благодаря перемешиванию ускоряются плавление и выравнивание состава и температуры металла, отрицательная - в том, что поверхность металла получается выпуклой и может оголяться, так как шлак стекает к стенкам тигля. Еще одной особенностью индукционных печей является то, что плотность индуктируемых токов достигаем максимума на поверхности металла у стенок тигля и снижается по направлению к оси тигля (“поверхностный эффект”). В этом поверхностном слое выделяется наибольшее количество тепла, за счет которого плавится шихта. Толщина слоя металла с большей плотностью индуктируемых токов обратно пропорциональна корню квадратному из частоты.

Индукционные печи делят на два  типа: а) питаемые током повышенной частоты; б) питаемые током промышленной частоты (50 Гц). В печах первого типа частота питающего тока обычно снижается по мере роста емкости и диаметра тигля; малые (несколько килограмм и менее) печи питаются током с частотой от 50 до 1000 кГц, средние и крупные (емкостью до десяти тонн) токами с частотой 0,5-10 кГц.