Производство стали в электрических печах. В электоропечи можно получать легированную сталь с низким содержанием серы и фосфора, неметаллических включений, при этом потери легирующих элементов значительно меньше. В процессе электроплавки можно точно регулировать температуру металла и его состав, выплавлять сплавы почти любого состава. Электрические печи обладают существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами, поэтому высоколегированные инструментальные сплавы, нержавеющие
шарикоподшипниковые, жаростойкие и жаропрочные, а также многие конструкционные стали выплавляют только в этих печах. Мощные электропечи успешно применяют для получения низколегированных и высокоуглеродистых сталей мартеновского сортамента. Кроме того, в электропечах получают различные ферросплавы, представляющие собой сплавы железа с элементами, которые необходимо выводить в сталь для легирования и раскисления. Устройство дуговых электропечей. Первая дуговая электропечь в
России была установлена в 1910 г. на Обуховском заводе. За годы пятилеток были построены сотни различных печей. Вместимость наиболее крупной печи в СССР 200 т. Печь состоит из железного кожуха цилиндрической формы со сферическим днищем. Внутри кожух имеет огнеупорную футеровку. Плавильное пространство печи закрывается съемным сводом.
Печь имеет рабочее окно и выпускное отверстие со сливным желобом. Питание печи осуществляется трехфазным переменным током. Нагрев и плавление металла осуществляются электрическими мощными дугами, горящими между концами трех электродов и металлом, находящимся в печи. Печь опирается на два опорных сектора, перекатывающихся по станине. Наклон печи в сторону выпуска и рабочего окна осуществляется при помощи реечного механизма. Перед загрузклй печи свод, подвешенный на цепях, поднимают к порталу, затем портал со сводом и электродами отворачивается в сторону сливного желоба и печь загружают бадьей. Механическое оборудование дуговой печи. Кожух печи должен выдерживать нагрузку от массы огнеупоров и металла. Его делают сварным из листового железа толщиной 16–50 мм в зависимости от размеров печи. Форма кожуха определяет профиль рабочего пространства дуговой электропечи.
Наиболее распространенным в настоящее время является кожух конической формы. Нижняя часть кожуха име¬ет форму цилиндра, верхняя часть—конусообразная с расширением кверху. Такая форма кожуха облегчает за¬правку печи огнеупорным материалом, наклонные стены увеличивают стойкость кладки, так как она дальше расположена от электрических дуг. Используют также ко¬жухи цилиндрической формы с водоохлаждаемыми па¬нелями.
Для сохранения правильной цилиндрической формы кожух усиливается ребрами и кольцами жестко¬сти. Днище кожуха обычно выполняется сферическим, что обеспечивает наибольшую прочность кожуха и мини¬мальную массу кладки. Дни¬ще выполняют из немагнит¬ной стали для установки под печью электромагнитного пе¬ремешивающего устройства. Сверху печь закры¬та сводом. Свод набирают из огнеупорного кирпича в металлическом водоохлаждаемом сводовом кольце, ко¬торое выдерживает распираю¬щие усилия арочного сферического свода
В нижней части кольца имеется выступ – нож, который входит в песчаный затвор кожуха печи. В кирпичной кладке свода оставляют три отверстия для электродов. Диаметр от¬верстий больше диаметра электрода, поэтому во время плавки в зазор устремляются горячие газы, которые раз¬рушают электрод и выносят тепло из печи. Для предотвращения этого на своде устанавливают холодильники или экономайзеры, служащие для уплотнения электрод¬ных отверстий и для охлаждения кладки свода. Газодинамические экономайзеры обеспечивают уплотнение с помощью воздушной завесы вокруг электрода. В своде имеется также отверстие для отсоса запыленных газов и отверстие для кислородной фурмы. Для загрузки шихты в печи небольшой емкости и подгрузки легирующих и флюсов в крупные, печи скачивания шлака, осмотра, заправки и ремонта печи имеется загрузочное окно, обрамленное литой ра¬мой.
К раме крепятся направляющие, по которым сколь¬зит заслонка. Заслонку футеруют огнеупорным кирпи¬чом. Для подъема заслонки используют пневматический, гидравлический или электромеханический привод. С противоположной стороны кожух имеет окно для выпуска стали из печи. К окну приварен сливной желоб. Отверстие для выпуска стали может быть круглым диа¬метром 120—150 мм или квадратным 150 на 250 мм. Слив¬ной желоб имеет корытообразное сечение и приварен к кожуху под углом 10—12°
к горизонтали. Изнутри же¬лоб футеруют шамотным кирпичом, длина его составля¬ет 1—2 м. Электрододержатели служат для подвода тока к элек¬тродам и для зажима электродов. Головки электрододер-жателей делают из бронзы или стали и охлаждают во¬дой, так как они сильно нагреваются как теплом из пе¬чи, так и контактными токами. Электрододержатель должен плотно зажимать электрод и иметь небольшое контактное сопротивление. Наиболее распространенным в настоящее время является пружинно-
пневматический электрододержатель. Зажим электрода осуще¬ствляется при помощи неподвижного кольца и зажимной плиты, которая прижимается к электроду пружиной. Ог-жатие плиты от электрода и сжатие пружины происхо¬дят при помощи сжатого воздуха. Электрододержатель крепится на металлическом рукаве – консоли, который скрепляется с Г-образной подвижной стойкой в одну же¬сткую конструкцию. Стойка может перемещаться вверх или вниз внутри неподвижной коробчатой стойки. Три неподвижные стойки жестко связаны в одну общую кон¬струкцию, которая покоится на платформе опорной люль¬ки печи. Перемещение подвижных телескопических стоек происходит или с помощью системы тросов и противо¬весов, приводимых в движение электродвигателями, или с помощью гидравлических устройств. Механизмы пере¬мещения электродов должны обеспечить быстрый подъ¬ем электродов в случае обвала шихты
в процессе плав¬ления, а также плавное опускание электродов во избе¬жание их погружения в металл или ударов о нераспла¬вившиеся куски шихты. Скорость подъема электродов составляет 2,5—6,0 м/мин, скорость опускания 1,0— 2,0 м/мин. Механизм наклона печи должен плавно наклонять печь в сторону выпускного отверстия на угол 40—45° для выпуска стали и на угол 10—15 градусов в сторону рабочего окна для спуска шлака. Станина печи, или люлька, на кото¬рой установлен корпус, опирается на два – четыре опор¬ных сектора,
которые перекатываются по горизонталь¬ным направляющим. В секторах имеются отверстия, а в направляющих – зубцы, при помощи которых предот¬вращается проскальзывание секторов при наклоне печи. Наклон печи осуществляется при помощи рейки и зубча¬того механизма или гидравлическим приводом. Два цилиндра укреплены на неподвижных опорах фундамента, а штоки шарнирно связаны с опорными секторами люль¬ки печи. Система загрузки печи бывает двух видов: через за¬валочное окно мульдозавалочной
машиной и через верх при помощи бадьи. Загрузку через окно применяют только на небольших печах. При загрузке печи сверху в один-два приема в тече¬ние 5 мин меньше охлаждается футеровка, сокраща¬ется время плавки; уменьшается расход электроэнергии; эффективнее используется объем печи. Для загрузки пе¬чи свод приподнимают на 150—200 мм над кожухом печи и поворачивают в сторону вместе с электродами, полностью открывая рабочее пространство печи для введения бадьи с шихтой. Свод печи подвешен к раме. Она соеди¬нена с неподвижными стойками электрододержателей в одну жесткую конструкцию, покоящуюся на поворотной консоли, которая укреплена на опорном подшипнике. Крупные печи имеют поворотную башню, в которой со¬средоточены все механизмы отворота свода. Башня вра¬щается вокруг шарнира на катках по дугообразному рельсу. Бадья представляет собой стальной цилиндр, диаметр которого меньше диаметра рабочего простран¬ства
печи. Снизу цилиндра имеются подвижные гибкие сектора, концы которых стягиваются через кольца тро¬сом. Взвешивание и загрузка шихты производятся на шихтовом дворе электросталеплавильного цеха. Бадья на тележке подается в цех, поднимается краном и опус¬кается в печь. При помощи вспомогательного подъема крана трос выдергивают из проушин секторов и при подъеме бадьи сектора раскрываются и шихта вывали¬вается в печь в том порядке, в каком она была уложе¬на в бадье.
При использовании в качестве шихты металлизован-ных окатышей загрузка может производиться непрерыв¬но по трубопроводу, который проходит в отверстие в сво¬де печи. Во время плавления электроды прорезают в шихте три колодца, на дне которых накапливается жидкий ме¬талл. Для ускорения расплавления печи оборудуются поворотным устройством, которое поворачивает корпус в одну и другую сторону на угол в 80°. При этом элек¬троды прорезают в шихте уже девять колодцев.
Для по¬ворота корпуса приподнимают свод, поднимают электро¬ды выше уровня шихты и поворачивают корпус при по¬мощи зубчатого венца, прикрепленного к корпусу, и шестерен. Корпус печи опирается на ролики. Очистка отходящих газов. Современные крупные сталеплавильные дуговые печи во время работы выделяют в атмосферу большое коли¬чество запыленных газов. Применение кислорода и по¬рошкообразных материалов еще более способствует это¬му. Содержание пыли в газах электродуговых печей достигает 10 г/м^3 и значительно превышает норму. Для улавливания пыли производят отсос газов из рабочего пространства печей мощным вентилятором. Для этого в своде печи делают четвертое отверстие с патрубком для газоотсоса. Патрубок через зазор, позволяющий накло¬нять или вращать печь, подходит к стационарному тру¬бопроводу. По пути газы разбавляются воздухом, необ¬ходимым для дожигания
СО. Затем газы охлаждаются водяными форсунками в теплообменнике и направляют¬ся в систему труб Вентури, в которых пыль задержива¬ется в результате увлажнения. Применяют также тка¬невые фильтры, дезинтеграторы и электрофильтры. Ис¬пользуют системы газоочистки, включающие полностью весь электросталеплавильный цех, с установкой зонтов дымоотсоса под крышей цеха над электропечами.
Футеровка печей. Большинство дуговых печей имеет основную футеров¬ку, состоящую из материалов на основе MgO. Футеров¬ка печи создает ванну для металла и играет роль теп-лоизолирующего слоя, уменьшающего потери тепла. Основные части футеровки – подина печи, стены, свод. Температура в зоне электрических дуг достигает несколь¬ких тысяч градусов. Хотя футеровка электропечи отде¬лена от дуг, она все же должна выдерживать нагрев до температуры 1700°С.
В связи с этим применяемые для футеровки материалы должны обладать высокой огне¬упорностью, механической прочностью, термо- и химиче¬ской устойчивостью. Подину сталеплавильной печи на¬бирают в следующем порядке. На стальной кожух укла¬дывают листовой асбест, на асбест—слой шамотного порошка, два слоя шамотного кирпича и основной слой из магнезитового кирпича. На магнезитовой кирпичной подине набивают рабочий слой из магнезитового порош¬ка со смолой и пеком — продуктом нефтепереработки. Толщина набивного слоя составляет 200 мм. Общая толщина подины равна примерно глубине ванны и мо¬жет достигать 1 м для крупных печей. Стены печи выкладывают после соответствующей прокладки асбеста и шамотного кирпича из крупноразмерного безобжигового магнезитохромитового кирпича длиной до 430 мм. Кладка стен может выполняться из кирпичей в же¬лезных кассетах, которые обеспечивают сваривание кир¬пичей в один монолитный блок. Стойкость стен достига¬ет 100—150 плавок.
Стойкость подины составляет один-два года. В трудных условиях работает футеровка сво¬да печи. Она выдерживает большие тепловые нагрузки от горящих дуг и тепла, отражаемого шлаком. Своды крупных печей набирают из магнезитохромитового кир¬пича. При наборе свода используют нормальный и фа¬сонный кирпич. В поперечном сечении свод имеет форму арки, что обеспечивает плотное сцепление кирпичей ме¬жду собой.
Стойкость свода составляет 50 – 100 плавок. Она зависит от электрического режима плавки, от дли¬тельности пребывания в печи жидкого металла, состава выплавляемых стали, шлака. В настоящее время широ¬кое распространение получают водоохлаждаемые своды и стеновые панели. Эти элементы облегчают службу фу¬теровки. Ток в плавильное пространство печи подается через электроды, собранные из секций, каждая из которых представляет собой круглую заготовку диаметром от 100 до 610
мм и длиной до 1500 мм. В малых электропе¬чах используют угольные электроды, в крупных – графитированные. Графитированные электроды изготавливают из малозольных углеродистых материалов: нефтяного кокса, смолы, пека. Электродную массу смешивают и прессуют, после чего сырая заготовка обжигается в га¬зовых печах при 1300 градусах и подвергается дополнительно¬му графитирующему обжигу при температуре 2600 – 2800 градусах в электрических печах сопротивления. В процес¬се эксплуатации в результате окисления печными газами и распыления при горении дуги электроды сгорают. По мере укорачивания электрод опускают в печь. При этом электрододержатель приближается к своду. Наступает момент, когда электрод становится настолько коротким, что не может поддерживать дугу, и его необходимо на¬ращивать. Для наращивания электродов в концах сек¬ций сделаны отверстия с резьбой, куда ввинчивается переходник-ниппель, при помощи которого соединяются отдельные секции.
Расход электродов составляет 5—9 кг на тонну выплавляемой стали. Электрическая дуга—один из видов электрического разряда, при котором ток проходит через ионизирован¬ные газы, пары металлов. При кратковременном сбли¬жении электродов с шихтой или друг с другом возника¬ет короткое замыкание. Идет ток большой силы. Концы электродов раскаляются добела. При раздвигании элек¬тродов между ними возникает электрическая дуга.
С рас¬каленного катода происходит термоэлектронная эмиссия электронов, которые, направляясь к аноду, сталкивают¬ся с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. Отрицательные ионы направляются к аноду, положи¬тельные к катоду. Пространство между анодом и като¬дом становится ионизированным, токопроводящим. Бом¬бардировка анода электронами и ионами вызывает сильный его разогрев.
Температура анода может дости¬гать 4000 градусов. Дуга может гореть на постоянном и на пе¬ременном токе. Электродуговые печи работают на пере¬менном токе. В последнее время в ФРГ построена элек¬тродуговая печь на постоянном токе. В первую половину периода, когда катодом является электрод, дуга горит.
При перемене полярности, когда катодом становится шихта — металл, дуга гаснет, так как в начальный период плавки металл еще не нагрет и его температура недостаточна для эмиссии электронов. Поэтому в начальный период плавки дуга горит неспо¬койно, прерывисто. После того как ванна покрывается слоем шлака, дуга стабилизируется и горит более ровно. Электрооборудование. Рабочее напряжение электродуговых печей составля¬ет 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 на¬пряжением питаются первичные обмотки печных транс¬форматоров. На показана упрощенная схема электрического питания печи. В электрическое оборудо¬вание дуговой печи входят производства ремонтных ра¬бот на печи. следующие
приборы: 1. Воздушный разъединитель, предназначен для от¬ключения всей электропечной установки от линии высо¬кого напряжения во время 2. Главный автоматический выключатель, служит для отключения под нагрузкой электрической цепи, по кото¬рой 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 трансформа¬тор 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. Ох¬лаждение создается принудительным перекачива¬нием 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 об¬разом ступенчато регулировать подаваемое в печь на¬пряжение. Так, например, трансформатор для 200-т оте¬чественной 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 помо¬щи гибких, водоохлаждаемых кабелей подают напряже¬ние на электрододержатель. Длина гибкого участка дол¬жна позволять производить нужный наклон печи и отворачивать свод для загрузки. Гибкие кабели соединя¬ются с медными водоохлаждаемыми шинами,
установ¬ленными на рукавах электрододержателей. Трубошины непосредственно присоединены к головке электрододер-жателя, зажимающей электрод. Помимо указанных основных узлов электрической сети в нее входит различ¬ная измерительная аппаратура, подсоединяемая к ли¬ниям тока через трансформаторы тока или напряжения, а также приборы автоматического регулирования процес¬са плавки. Автоматическое регулирование. По ходу плавки в электродуговую печь требуется по¬давать различное количество
энергии. Менять подачу мощности можно изменением напряжения или силы то¬ка дуги. Регулирование напряжения производится пере¬ключением обмоток трансформатора. Регулирование силы тока осуществляется изменением расстояния меж¬ду электродом и шихтой путем подъема или опускания электродов. При этом напряжение дуги не изменяется. Опускание или подъем электродов производятся автома¬тически при помощи автоматических регуляторов,
уста¬новленных 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 пе¬чах, для ускорения и облегчения проведения технологи¬ческих операций скачивания шлака под днищем печи в коробке устанавливается электрическая обмотка, кото¬рая охлаждается водой или сжатым воздухом. Обмотки статора питаются от двухфазного генератора током низ¬кой частоты, что создает бегущее магнитное поле, кото¬рое захватывает ванну жидкого металла и вызывает дви¬жение нижних слоев металла вдоль подины печи в на¬правлении движения поля. Верхние слои металла вместе с прилегающим к нему шлаком движутся в обратную сторону. Таким образом можно направить движение ли¬бо 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 ме¬талла 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 водо¬рода. В зависимости от химического состава лом необходимо рассор¬тировать на соответствующие группы. Основное количество лома, предназначенное для плавки в электропечах, должно быть компакт¬ным 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, электротехниче¬ских, шарикоподшипниковых сталей. Легированные отходы образуются в электросталеплавильном це¬хе в виде недолитых слитков, литников; в обдирочном отделении в виде стружки, в прокатных цехах в виде обрези и брака и т, д.; кро¬ме того много легированного лома поступает от машиностроитель¬ных заводов. Использование легированных металлоотходов позволя¬ет экономить ценные легирующие, повышает экономическую эффек¬тивность 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 коли¬чество легированных сталей, то для их производства используют раз¬личные легирующие добавки; электролитический никель или МЮ, феррохром, ферросилиций, ферромарганец, ферромолибден, ферро¬вольфрам 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, ша¬мотный бой, доломит и MgO в виде магнезита. Подготовка материалов к плавке. Все присадки в дуговые печи необходимо прокаливать для уда¬ления 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 эстака¬де при помощи конвейеров происходит взвешивание и раздача мате¬риалов по мульдам, которые загружаются в печь мульдовыми маши¬нами. Сыпучие для наводки шлака вводят в электропечи бросатель¬ными машинами. Технология плавки. Плавка в дуговой печи начинается с заправки печи. Жидкоподвижные нагретые шлаки сильно разъедают футеровку, которая может быть повреждена и при загруз¬ке. Если подина печи во время не будет закрыта слоем жидкого металла и шлака, то она может быть повреж¬дена дугами. Поэтому перед началом плавки производят ремонт – заправку подины. Перед заправкой с поверх¬ности подины удаляют остатки шлака и металла. На по¬врежденные места подины и откосов – места перехода подины в стены печи – забрасывают сухой магнезито¬вый 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 вращающего¬ся диска, который опускается в открытую печь сверху. Загрузка печи. Для наиболее полного использования рабочего пространства печи в центральную ее часть бли¬же к электродам загружают крупные куски (40 %), ближе к откосам средний лом (45%), на подину и на верх загрузки мелкий лом (15%).
Мелкие куски долж¬ны заполнять промежутки между крупными кусками. Период плавления. Расплавление шихты в печи зани¬мает 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 сте¬кает вниз, собираясь в центральной части подины. Элек¬троды прорезают в шихте колодцы, в которых скрыва¬ются электрические дуги. Под электроды забрасыва¬ют известь для наведения шлака, который закрывает обнаженный металл, предохраняя его от окисления. По¬степенно озеро металла под электродами становится все больше. Оно подплавляет куски шихты, которые пада¬ют в жидкий металл и расплавляются в нем. Уровень металла в печи повышается, а электроды под действием автоматического регулятора поднимаются вверх. Про¬должительность периода расплавления металла равна 1—3 ч в зависимости от размера печи и мощности уста¬новленного трансформатора. В период расплавлени» трансформатор работает с полной нагрузкой и даже с 15 % перегрузкой, допускаемой паспортом, на самой вы¬сокой ступени напряжения. В этот период мощные дуги не опасны для футеровки свода и стен, так как они за¬крыты шихтой.
Остывшая во время загрузки футеровка может принять большое количество тепла без опасности ее перегрева. Для ускорения расплавления шихты ис¬пользуют различные методы. Наиболее эффективным яв¬ляется применение мощных трансформаторов. Так, на печах вместимостью 100 т будут установлены трансфор¬маторы мощностью 75,0 МВ-А, на 150-т печах трансфор¬маторы 90—125 МВ*А и выше.
Продолжительность плавления при использовании мощных трансформаторов уменьшается до 1–1,5 ч. Кроме того, для ускорения рас¬плавления применяют топливные мазутные или газовые горелки, которые вводят в печь либо через рабочее ок¬но, либо через специальное устройство в стенах. Приме¬нение горелок ускоряет нагрев и расплавление шихты, особенно в холодных зонах печи. Продолжительность плавления сокращается на 15—20 мин.
Эффективным методом является применение газооб¬разного кислорода. Кислород подают в печь как через стальные футерованные трубки в окно печи, так и при помощи фурмы, опускаемой в печь сверху через отвер¬стие в своде. Благодаря экзотермическим реакциям окис¬ления примесей и железа выделяется дополнительно большое количество тепла, которое нагревает шихту, ускоряет ее полное расплавление.
Использование кисло¬рода уменьшает длительность нагрева ванны. Период расплавления сокращается на 20—30 мин, а расход элек¬троэнергии на 60—70 кВт-ч на 1 т стали. Традиционная технология электроплавки стали пре¬дусматривает 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 от¬ходов и легирующие добавляют только для некоторой корректировки состава. Окисления углерода не произ¬водят.
Плавка с окислением. Рассмотрим ход плавки с окис¬лением. После окончания периода расплавления начи¬нается окислительный период, задачи которого заклю¬чаются в следующем: окисление избыточного углерода, окисление и удаление фосфора; дегазация металла; уда¬ление неметаллических включений, нагрев стали. Окислительный период плавки начинают присадкой железной руды, которую дают в печь порциями. В ре¬зультате присадки руды происходит насыщение шлака
FeO и окисление металла по реакции: (FeO)=Fe+[O]. Растворенный кислород взаимодействует с рас¬творенным в ванне углеродом по реакции [C] +[O]=CO. Происходит бурное выделение пузырей CO, ко¬торые вспенивают поверхность ванны, покрытой шлаком. Поскольку в окислительный период на металле наводят известковый шлак с хорошей жидкоподвижностью, то шлак вспенивается выделяющимися пузырями газа. Уро¬вень шлака становится выше порога рабочего окна и
шлак вытекает из печи. Выход шлака усиливают, накло¬няя печь в сторону рабочего окна на небольшой угол. Шлак стекает в шлаковик), стоящую под рабочей пло¬щадкой цеха. За время окислительного периода окисля¬ют 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 плави¬кового шпата для обеспечения жидкоподвижности шлака. Непрерывное окисление ванны и скачивание окисли¬тельного 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 выпол¬няются. Выполнение последнего условия обеспечивают наводкой свежего шлака и постоянным обновлением шлака, так
как шлак, насыщенный (СаО)4*P2O5 скачи¬вается из печи. По ходу окислительного периода проис¬ходит дегазация стали—удаление из нее водорода и азо¬та, которые выделяются в пузыри СО, проходящие через металл. Выделение пузырьков СО сопровождается также и удалением из металла неметаллических включений, ко¬торые выносятся на поверхность потоками металла или поднимаются наверх вместе с пузырьками газа.
Хоро¬шее кипение ванны обеспечивает перемешивание метал¬ла, выравнивание температуры и состава. Общая продолжительность окислительного периода составляет от 1 до 1,5 ч. Для интенсификации окисли¬тельного периода плавки, а также для получения стали с низким содержанием углерода, например хромоникелевой нержавеющей с содержанием углерода <=0,1 %, ме¬талл продувают кислородом. При продувке кислородом окислительные процессы резко ускоряются, а темпера¬тура металла повышается
со скоростью примерно 8— 10 С/мин. Чтобы металл не перегрелся, вводят охлаж¬дающие добавки в виде стальных отходов. Применение кислорода является единственным способом получения низкоуглеродистой нержавеющей стали без значитель¬ных потерь ценного легирующего хрома при переплаве. Окислительный период заканчивается, когда содер¬жание углерода становится ниже заданного предела, со¬держание фосфора 0,010%, температура металла не¬сколько выше температуры выпуска стали из печи. В кон¬це окислительного периода шлак стараются полностью убирать из печи, скачивая его с поверхности металла. Восстановительный период плавки. После скачивания окислительного шлака начинается восстановительный пе¬риод плавки. Задачами восстановительного периода плав¬ки являются: раскисление металла, удаление серы.коррек-тирование химического состава стали, регулирование температуры ванны, подготовка жидкоподвижного хоро¬шо раскисленного шлака для обработки металла во вре¬мя выпуска из печи в ковш.
Раскисление ванны, т. е. уда¬ление растворенного в ней кислорода, осуществляют при¬садкой 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 раскисли¬телей обычно используют ферромарганец, ферросили¬ций, 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 удаля¬ется из ванны в виде нерастворимых в металле неметал¬лических включений. Процесс этот протекает достаточно быстро и продолжительность восстановительного периода в основном определяется временем, необходимым для образования подвижного шлака. В малых и средних пе¬чах при выплавке ответственных марок сталей продолжа¬ют 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 ме¬талла переходит в шлак. Метод этот, хотя и не оставля¬ет в металле оксидных неметаллических включений, тре¬бует значительно большей затраты времени. В восстано¬вительный 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 ста¬ли и шлака, высокое содержание извести в шлаке и вы¬сокая температура. В ходе восстановительного периода вводят легирующие – ферротитан, феррохром и др а некоторые, например никель, присаживают вместе с ших¬той. Никель не окисляется и не теряется при плавке. Добавки тугоплавких ферровольфрама, феррониобия производят в начале рафинирования, так как нужно зна¬чительное
время для их расплавления. В настоящее вре¬мя большинство операций восстановительного периода переносят из печи в ковш. Например, в кош вводят пор¬ции легирующих или дают их на струю стали, вытекаю¬щей из печи при ее наклоне. Присаживают по ходу вы¬пуска раскислители. Целью восстановительного периода является обеспечение нагрева стали до заданной темпе¬ратуры и создание шлака, десульфурирующая способ¬ность которого используется при совместном выпуске из печи вместе со
сталью. Одношлаковый процесс. В связи с интенсификацией процесса электроплавки в последние годы получил боль¬шое распространение метод плавки в дуговой печи под одним шлаком. Сущность этого метода заключается в следующем: дефосфорация металла совмещается с пе¬риодом расплавления. Во время расплавления из печи скачивают шлак и производят добавки извести. В окис¬лительный 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 раскисле-нием металла кусковыми раскислителями. Окончатель¬ное раскисление производят в ковше ферросилицием и алюминием. В некоторых случаях вообще не проводят раскисления шлака в печи порошкообразными раскисли¬телями. Переплав отходов. На заводах специальных сталей количество образую¬щихся 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 да¬ет большую экономию легирующих, электроэнергии, по¬вышает производительность электропечей. В СССР ле¬гированные отходы разделяют на 82 группы.
При расчете шихты стремятся использовать максимальное количе¬ство отходов данной марки стали или наиболее близких марок Шихту составляют с таким расчетом, чтобы содержа¬ние углерода в ванне по расплавлении было на 0,05— 0,10 % ниже заданного маркой стали. Необходимые ле¬гирующие, неокисляющиеся добавки Ni Cu, Mo, W за¬гружают вместе с шихтой, а прочие – V, Тi, Cr, Mn, Al, Si, Nb – стремятся вводить как можно позднее на раз¬ных 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 вы-сокоосновной, жидкоподвижный шлак, который частично скачивают из печи. Это позволяет удалить до 30 % фос¬фора. Если состав металла близок к расчетному, то, не скачивая шлака, приступают к раскислению шлака мо¬лотым коксом, ферросилицием и алюминием. При этом легирующие элементы восстанавливаются из шлака и пе¬реходят в металл, например так восстанавливается
оксид хрома: 2(Cr2O3)+3 (Si)=3(SiO2)+4 [Cr]. Продолжи¬тельность 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 производи¬тельность 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 периодрасплавления позволяет значительно интенсифицировать процессы расплавления и окисления углерода. Применение синтетического шлака. Этот метод пре¬дусматривает перенесение рафинирования металла из электропечи в разливочный ковш. Для рафинирования металла выплавляют синтетический шлак на основе из¬вести (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 основ¬ной сталеразливочный ковш. Ковш подают к печи и в него выпускают сталь. Струя стали, падая с большой вы¬соты, ударяется о поверхность жидкого шлака, разбива¬ется на мелкие капли и вспенивает шлак. Происходит перемешивание стали со шлаком. Это способствует ак¬тивному протеканию обменных процессов между метал¬лом и синтетическим шлаком.
В первую очередь проте¬кают процессы удаления серы благодаря низкому содер¬жанию 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 вклю¬чений 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, зафутеро-ванные в днище, либо через швы кладки подины ковша. Продувка стали в ковше аргоном позволяет выровнять температуру и химический состав стали, понизить содер¬жание водорода, удалить неметаллические включения, что в конечном итоге позволяет повысить механические и эксплуатационные свойства стали. Применение порошкообразных материалов. Продув¬ка стали в дуговой электропечи порошкообразными ма¬териалами 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 по¬рошки на основе извести, плавикового шпата. Для рас-кисления металла используют порошкообразный ферро¬силиций. Для окисления ванны и для ускорения удаленияуглерода и фосфора добавляют оксиды железа.
Мел-кораспыленные твердые материалы, попадая в ванну ме¬талла, имеют большую поверхность контакта с метал¬лом, во много раз превышающую площадь контакта ван¬ны со шлаковым слоем. При этом происходитинтенсивное перемешивание металла с твердыми частицами. Все это способствует ускорению реакций рафинирования стали. Кроме того, порошкообразные флюсы могут ис¬пользоваться для более быстрого наведения шлака.
Плавка в кислой электропечи. Кислые электропечи футеруют огнеупорными материалами на ос¬нове 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 зна¬чительно выше, чем у основной. Это объясняется малой продолжи¬тельностью 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 основ¬ные. В кислых печах быстрее разогревают металл до высокой тем¬пературы, что необходимо для литья. Недостатки кислых печей свя¬заны прежде всего с характером шлака. В этих печах шлак кис¬лый, 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 под¬бирать специальные шихтовые материалы, чистые по фосфору и по сере. Кроме того, кислая сталь обладает пониженными пластически¬ми свойствами по сравнению с основной сталью вследствие присут¬ствия в металле высококремнистых неметаллических
включений.Технология плавки в кислой электропечи имеет следующие осо¬бенности. 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 угле¬рода снижается. Кислый шлак более вязкий, он затрудняет кипение. Шлак наводят присадками песка, использованной формовочной зем¬ли. Известь присаживают до содержания в шлаке не более 6—8 %
СаО. Раскисление кислой стали проводят, как правило, присадкой кускового ферросилиция. Частично сталь раскисляется кремнием, ко¬торый 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 усваивает¬ся до 90 % марганца. Конечное раскисление проводят алюминием.
Получение низкоуглеродистой коррозионностойкой стали (процессы AOD и VOD). Широкое распространение получают методы производства низко¬углеродистой коррозионностойкой стали вне электропечи. Метод AOD. В электропечи выплавляют основу нержавеющей стали, содержащей заданное количество хрома и никеля, с использо¬ванием недорогих, высокоуглеродистых ферросплавов. Затем сталь вместе с печным шлаком заливают в конвертер, профиль которого представлен на рис. 81. Футеровка конвертера изготовлена из магнезитохромитового кирпича. Стойкость футеровки до 200 плавок. В нижней зоне футеровки, в третьем ряду кирпичной кладки от днища конвертера. Фурмы представляют собой конструкцию из медной внут¬ренней трубы и наружной тру¬бы из нержавеющей стали, внутренний диаметр фурмы 12—15 мм. Начальное содер¬жание углерода в стали может быть для ферритных хромистых сталей 2,0—2,5 %, а для аустенитных сталей 1,3—1,7 %.
В первые 35 мин сталь проду¬вают смесью кислорода и арго¬на в соотношении 3 : 1. Во из¬бежание перегрева металла в о, конвертер присаживают лом — данной марки стали, ферро¬хром и т. п. Затем в течение 9 мин сталь продувают смесью кислорода и аргона в соотно¬шении 1:1. В это время кон¬центрация углерода снижается до 0,18%. В третьем периоде в продувочном газе еще более уменьшают отношение кисло¬рода к аргону до 1:2, продувку
продолжают еще 15 мин. За это время содержание углерода снижается до 0,035%. Температура по¬вышается до 1720°С. В конце продувки присаживают известь и фер¬росилиций для восстановления хрома из шлака. После восстановле¬ния шлак, содержащий 1 % Cr2O3, скачивается и после наведения но¬вого шлака проводят окончательную продувку аргоном. При этом в шлак переходит сера, ее содержание в металле снижается до 0,010 %.
В результате процесса AOD получают высококачественную не¬ржавеющую сталь с низким содержанием углерода, серы, азота, кис¬лорода, сульфидных и оксидных неметаллических включений, с вы¬сокими механическими свойствами. Для повышения экономичности процесса аргон частично заменяют азотом. Средняя продолжитель¬ность продувки составляет 60—120 мин, расход аргона составляет 10—23 м^3/т, кислорода 23 м^3/т. На рис. 82 представлено изменение температуры и состава металла. Степень извлечения хрома состав¬ляет 98%. Метод VOD. Этот метод вакуумно-кислородного обезуглерожи¬вания с продувкой аргоном. В основе метода лежит осуществление реакции [C]+[O]=CO, равновесие которой в вакууме сдвигается в правую сторону. Чем ниже парциальное давление СО, тем ниже должна быть остаточная концентрация углерода в стали. При этом создаются благоприятные условия для восстановления оксида хрома углеродом, что позволяет проводить
процесс обезуглероживания без заметных потерь хрома со шлаком. Коррозионностойкую сталь вы¬плавляют в электропечи с достаточно высоким содержанием угле¬рода (0,3—0,5 % ); сталь выпускают в специальный ковш с хромомагнезитовой футеровкой, имеющим в днище фурму для подачи аргона. Ковш устанавливают в вакуумную камеру, откачивают воздух и на¬чинают продувку кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму, которую вводят в камеру через крышку.
Одновременно производится продувка аргоном через дно ковша. После окончания продувки про¬водят присадку раскислителей и легирующих для корректировки со¬става. Расход аргона в этом способе значительно ниже чем в AOD (всего 0,2 м^3/т). Получаемая сталь содержит очень низкие концен¬трации углерода (0,01 %) при низком содержании азота. Окисле¬ние хрома незначительное.
Для удаления серы в ковш загружают известь, что позволяет после раскисления и кратковременного пе¬ремешивания аргоном снизить концентрацию серы в металле до не¬обходимых пределов. По сравнению с процессом AOD этот метод более сложен и применяется для производства сталей ответственно¬го назначения с низким содержанием углерода. К достоинствам того и другого процесса следует отнести экономию дорогого низкоуглеро¬дистого феррохрома, обычно использовавшегося при получении не¬ржавеющей стали в дуговых печах, а также достижение низких со¬держаний углерода без значительных потерь хрома. Индукционные печи и плавка в них. В настоящее время индукционные печи находят ши¬рокое применение в металлургии и машиностроении. В лабораториях используют высокочастотные печи ем¬костью от нескольких грамм до 100 кг, в литейных цехах низко- и среднечастотные печи до 2—6 т; наиболее круп¬ные печи имеют емкость до 60 т. По сравнению с дуго¬выми электропечами в индукционных печах отсутствие электродов и
электрических дуг дает возможность полу¬чать стали и сплавы с низким содержанием углерода и газов. Плавка характеризуется небольшим угаром ле¬гирующих элементов, высоким электрическим к. п. д„ точным регулированием температуры металла. Недостатком печей является холодный, плохо пере¬мешиваемый шлак, что не позволяет так же интенсивно, как в дуговых печах, проводить процессы рафинирования. Стойкость футеровки в печах невысокая. Основной тип современных высокочастотных или ин¬дукционных печей
— это печи без сердечника. Такая печь состоит из индуктора-катушки, навитой из медной труб¬ки с водяным охлаждением. Внутрь индуктора вставля¬ется либо готовый огнеупорный тигель, либо тигель наби¬вается порошкообразным огнеупорным материалом. При наложении на индуктор переменного электрического то¬ка частотой от 50 до 400 кГц образуется переменное маг¬нитное силовое поле, пронизывающее пространство вну¬три индуктора. Это магнитное поле наводит в металличе¬ской садке вихревые токи.
Устройство индукционных печей В центре печи помещен индуктор. Он имеет вид соленоида и изготовлен из профилированной медной трубы. По трубе идет вода для ее охлаждения. Внутри индуктора набит огнеупорный тигель. Ток подается по гибким кабе¬лям. Печь заключена в металлический кожух. Сверху тигель закрывается сводом. Поворот печи для слива ме¬талла осуществляется вокруг оси, расположенной у слив¬ного носка. Поворотные цапфы печи покоятся на опор¬ных подшипниках станин. Наклон печи проводится при помощи реечного механизма через подвижные шарниры-цапфы или гидроприводом. Небольшие печи накло¬няют при помощи тали. Футеровка печей может быть кислой или основной, набивной или кирпичной. Для набивки используют ог¬неупорные материалы различной крупности от долей миллиметра до 2—4 мм. Для основной футеровки применяют порошок магнезита с добавками хромомагнезита и борной кислоты
для связки. Кислые смеси готовят на основе молотого кварцита. Набивку тигля ведут послой¬но вокруг металлического шаблона, форма которого со¬ответствует профилю тигля. После окончания набивки футеровку спекают и об¬жигают. В железный шаблон загружают чугун, вклю¬чают ток, металл постепенно разогревается и нагревает футеровку. Затем металл доводят до плавления. В пер¬вой плавке расплавляют мягкое железо, что позволяет достичь
высокой температуры для обжига футеровки. Крупные печи футеруют фасонным огнеупорным кирпи¬чом. Электрическое оборудование Индукционные печи питаются током высокой частоты от ламповых генераторов или током средней частоты (2500 Гц) от машинных преобразователей. Крупные пе¬чи работают на токе промышленной низкой частоты (50Гц от сети). Эти печи часто служат в качестве миксеров жидкого металла в литейных цехах.
В схему входят машинный генератор, батарея конденсаторов и автоматический ре¬гулятор, плавильный контур. Преобразовательный агре¬гат состоит из асинхронного электродвигателя, вращаю¬щего генератор и динамомашину, которая дает ток в обмотки возбуждения генератора. Для компенсации реактивной мощности и создания электрического резонанса устанавливают батарею кон¬денсаторов. Часть конденсаторов может быть отключе¬на для изменения емкостной составляющей. Резонанс бывает при условии ωL=1/ωC (L–коэффициент само¬индукции печи, C – емкость конденсатора, ω – угловая частота). Подбирая переменную емкость, можно рабо¬тать в условиях, близких к резонансу, т.е. поддерживать cosφ близкий к единице. Автоматический регуля¬тор электрического режима поддерживает оптимальную электрическую мощность взаимосвязанным регулированием cosφ, напряжения и силы тока.
Технология плавки ста¬ли в индукционной пе¬чи. Плавку проводят на высококачественном ломе с пониженным содержа¬нием фосфора и серы. Крупные и мелкие куски так укладывают в тигель или бадью, с помощью которой загружают крупные печи, чтобы они плот¬но заполняли объем тигля. Тугоплавкие ферроспла¬вы укладывают на дно тигля. После загрузки включают ток на полную мощность. По мере проплавления и осе¬дания скрапа подгружают шихту,
не вошедшую сразу в тигель. Когда последние куски шихты погрузятся в жид¬кий металл, на поверхность металла забрасывают шлакообразующие материалы: известь, магнезитовый поро¬шок, плавиковый шпат. Шлак защищает металл от кон¬такта с атмосферой, предотвращает тепловые потери. По ходу плавки шлак раскисляют добавками порошка кок¬са, молотого ферросилиция. Металл раскисляют куско¬выми ферросплавами и в конце алюминием.
По ходу плавки дают добавки легирующих. Поскольку угара ле¬гирующих практически не происходит, то в индукцион¬ных печах можно выплавлять сплавы сложного состава. Список использованной литературы. Металлургия черных металлов; Б.В. Линчевский, А.Л. Соболевский, А.А.Кальменев