Технологические особенности процесса

Шихтовые материалы.

Собственные отходы сильно загрязнены землей от литейных форм и не всегда правильно рассортированы. Поэтому необходимо тщательно следить за содержанием фосфора и серы.

Завалка, как правило, производится без подвалок, то есть одной корзиной. Но при этом попадаются крупные куски массой до 1 тонны, что приводит к поломке электродов и затягиванию периода плавления. На машиностроительных заводах не всегда имеются печи для подогрева извести и ферросплавов, поэтому рекомендуется применять известняк, что увеличивает расход электроэнергии.

Окисление на печах малой вместимости, как правило, ведут рудой. При этом скорость окисления не высока, вспенивание шлака не проводится. Применение кислорода, как правило, ограничено, так как преимущественно используется кислород из баллонов, который дороже чем магистральный. Тем не менее, если есть возможность, то следует использовать кислород.

Восстановительный период используют для раскисления металла, удаления серы до минимально возможного уровня 0,010%, легирования ванны, доведения химического состава до заданного, снижения НВ и получения жидкоподвижного основного безжелезистого шлака.

После удаления окислительного шлака наводят новый шлак – восстановительный: CaO + CaF₂ + шамот (отработанные огнеупоры) в соотношении 5:1:1 в количестве 2-3% от массы металла.

До ужесточения требований по газоочистке требовалось иметь “белый” шлак (FeO менее 0,70%, CaO = 50 – 55%, CaF₂ = 10%, SiO₂ = 20%, MgO = 5 – 7%). Для получения такого шлака в начале восстановительного периода его обрабатывают порошком кокса, а затем смесью порошков кокса и 75% ферросилиция. После 20-40 минутной выдержки шлак светлеет за счет уменьшения в нем оксидов железа, марганца и хрома. После кристаллизации такой шлак рассыпается и образует белый порошок.

При выплавке стали с содержанием углерода более 0,70 % требуется полукарбидный или карбидный шлак (CaC₂ – 0,50 – 1,50 % - полукарбидный; 2 -5 % - карбидный шлак), который наводят за счет увеличения количества углеродсодержащих компонентов. Может быть следующий неблагоприятный эффект:

CaC₂ + H₂O → CaO + C₂H₂ ↑ чесночный запах

Длительное время при выплавке легированных марок сталей применяли технологию, основанную на диффузионном раскислении металла через шлак, когда раскисляющие вещества ферросилиций, алюминиевую крупку и коксиком в виде порошков присаживают на шлак. Углерод, кремний, алюминий восстанавливают оксиды железа в шлаке и в объеме печи образуется восстановительная атмосфера. Понижение содержания оксидов железа в шлаке вызывает переход кислорода из металла в шлак.

При таких условиях содержание серы в стали всегда больше 0,020%, поэтому для удаления серы в виде включений благоприятной морфологии необходимо производить модифицирование металла в ковше путем добавки силикокальция (1,5 кг на тонну стали).

В настоящее время подавляющее число дуговых печей оборудованы системами дымоотсоса. Это приводит к прокачиванию воздуха через рабочее пространство дуговой печи, что приводит к повышению FeO в шлаке.

(FeO) = 2.5 – 4.0% (в восстановительный период).

Но и при таких концентрациях FeO удается добиться высокого коэффициента распределения серы: L_S = (S)/[S] = 40 – 50

Против 6 – 8 при одношлаковом процессе.

В период окисления окисляется примерно 0,25 – 0,35% [C], что достаточно, для того чтобы нагреть металл, так как глубина ванны невелика. Шлак окисления самотеком уходит через порог, но остатки шлака надо удалять, чтобы избежать рефосфорации. Шлак удаляется примерно на 80%. Фиксацию углерода производят по аналогии с крупными печами.

Выплавка стали в кислых ЭДП.

Практикуется в основном на машиностроительных заводах при плавке стали для фасонного литья. При таком характере использования печей между плавками возможны большие перерывы. Основная футеровка при больших перерывах между плавками трещит, а кислая (динас - кремнезем) не боится резких теплосмен. Другие преимущества кислых ЭДП:

1.) Нагрев металла осуществляется легче, чем в основных печах. Это связано с тем, что кислые шлаки менее электропроводны, чем основные, (большое электросопротивление) поэтому часть мощности дуги выделяется в шлаке. Электрическая дуга короче, что способствует лучшей передаче тепла металлу.

2.) Благодаря низкой теплопроводности огнеупорных материалов уменьшаются тепловые потери через кладку.

3.) Кислые шлаки более вязкие, чем основные, поэтому меньше происходит газонасыщение стали (на 30 – 40%), что очень важно для литых заготовок.

4.) Стоимость кислых огнеупоров значительно ниже основных.

5.) Отсутствие операций по удалению фосфора и серы значительно сокращает цикл плавки, отсюда мы видим экономию электроэнергии.

6.) Хорошо усваиваются такие элементы как вольфрам и ванадий.

Но есть существенный недостаток – в кислой печи нельзя удалить фосфор и серу из стали. Поэтому при плавке стали в кислых печах необходимо применять низкофосфористую и низкосернистую шихту.

Шлаки кислой плавки: FeO (50%), MnO + SiO₂ (50%).

В кислой печи нельзя выплавлять стали с высоким содержанием марганца, алюминия и титана, так как эти элементы восстанавливают кремний из кислой футеровки и содержание кремния в стали может превысить допустимые пределы.

В процессе плавки в кислой печи содержание серы и фосфора в стали немного повышается, и в готовой стали содержание этих элементов несколько выше, чем в шихте. Исходя из этого, помимо отходов собственного производства (не более 50%) в завалку необходимо давать скрап основной углеродистой стали (мартен или электросталь), в которых содержание серы и фосфора меньше, чем в отходах.

Главной реакцией окислительного периода является окисление углерода, которое может произойти не только за счет FeO, но и:

(FeO, MnO, SiO₂) + [C] → [Fe, Mn, Si] + {CO}

При необходимости в ванну добавляют железную руду, но не настолько много, чтобы значительно увеличить содержание FeO в шлаке (более 50%), что приведет к тому, что шлак будет растворять кремнезем из футеровки, разъедая и разрушая ее.

В отличие от кислого мартеновского процесса, где стремятся восстановить кремний до марочного состава, в ЭДП восстановительный период обычно отсутствует. Частичное раскисление достигается путем восстановления кремния в окислительный период плавки. Алюминий дается для окончательного раскисления и предотвращения образования пористости в слитке. При этом отмечено, что при содержании алюминия 0,010 – 0,025 % получают наиболее низкие механические свойства (низкие значения относительного сужения и ударной вязкости).

Исследования показали, что такое влияние алюминия связано с характером распределения сульфидных включений в стали. Если алюминия в стали менее 0,010% (практически не применяют для раскисления), то сера выделяется в виде оксисульфидов. Эти включения представляют собой жидкие капли, состоящие из оксидной (FeO – MnO – SiO₂) и сульфидной (FeS - MnS) фаз. Они выделяются в маточном растворе при затвердевании. Ввиду низкой температуры плавления эти включения могут коагулировать, располагаясь внутри зерна и достигать значительных размеров, что отрицательным образом сказывается на свойствах.

Если алюминия в стали более 0,025%, то кислород выделяется в виде корунда, а сера виде эвтектики (Fe - FeS - MnS) по границам зерен. Такие включения также отрицательно сказываются на пластических характеристиках металла.

Рис. 5.2. Зависимость пластических характеристик от содержания алюминия. Лекции 2002.

Полное исключение алюминия как раскислителя приводит к появлению в отливках пористости, поэтому применяют 0,8 – 1,2 кг алюминия на 1 т стали.

Технология простого переплава.

Такая технология характерна для индукционных печей, где не проводят никакого периода окисления. В дуговых печах этот процесс проводят в том случае, если полученный материал будет использоваться для малонагруженных конструкций в виде литых изделий.

Применяется, как правило, при наличии отходов, содержащих большое количество таких легирующих элементов как (Cr, Mn, V). С целью максимального использования легирующих элементов, содержащихся в отходах, плавку ведут без периода окисления. Простой переплав имеет ряд серьезных недостатков:

1. Из-за отсутствия окислительного периода и, соответственно, отсутствия кипения металлической ванны не происходит удаления газов и НВ, в этой связи содержание газа и НВ вырастает в 2 – 5 раз. Для ослабления этого негативного явления в завалку вместо извести дают известняк: CaCO₃ → (СaO) + {CO₂}↑. С CO₂ происходит удаление включений.

2. Не удаляются фосфор и сера. Поэтому в шихте не должно быть эмалевых покрытий и окрашенных кусков металла (названия кораблей и т.д.) –источник фосфора. Необходимо по возможности избегать завалки ржавых изделий:

Ориентировочный угар элементов в период плавления составляет:

Al – 100%, Ti – 80 – 90%, Si – 40 - 60%, V – 15 – 25%, Mn – 15 – 25%, Cr – 10 – 15%, W – 5 – 15%, Со, Ni, Mo, Cu – 0%

Простой переплав чаще всего применяют при переработке быстрорежущих сталей - Р6М5, Р9, Р18. В этих сталях:

Углерода должно быть более 0,60%, что необходимо для карбидообразования.

Хрома – примерно 4 – 5%, для того чтобы обеспечить закалку на воздухе при разогреве инструмента.

Вольфрама – 6 – 18%, а молибдена – 2 – 6 % для обеспечения устойчивости мартенсита после отпуска и снижения скорости коагуляции карбидных включений.

Ванадий – 1-2% - обеспечивает мелкозернистую структуру, повышает вязкость металла

Сера и фосфор не более 0,020%

Для уменьшения развития карбидной ликвации быстрорежущие стали разливают в слитки мелкого развеса (до 1-ой тонны) при температуре разливки 1500 °С. Переплав быстрорежущих марок сталей в слитки осуществляется в Ижевске, Златоусте, Челябинске.

Укладка шихты в завалочную корзину должна обеспечить небольшой угар легирующих и быстрое расплавление тугоплавких добавок. Низколегированные отходы и углеродистую металлозавалку располагают под электродами. Тугоплавкие FeW и FeMo располагают между электродами по центру для избежания угара от дуг и обеспечения наибольшего нагрева.

Рис. 5.1. Схема расположения отходов. Лекции 2006.

Наиболее дорогие компоненты – вольфрам и ванадий. Их оксиды имеют кислотный характер и при высокой основности они будут переходить в шлак, поэтому необходимо иметь основность шлака около единицы.

Уменьшает угар легирующих и способствует быстрому нагреву металла добавки кокса.

Перед выпуском металла необходимо иметь жидкоподвижный шлак за счет добавки CaF₂. Потери с корольками металла в шлаке составляют

0,60 – 1,20 кг хрома

1,10 – 1,70 кг молибдена

0,20 – 0,80 кг вольфрама на тонну стали.

В последние годы освоена технология получения стали с высокими содержаниями W, Cr, Mo в плазменно-дуговых печах. В этих агрегатах после завалки металлошихты включается 2 ТКГ и металл подплавляется при температуре 1100 – 1200 °С. Затем ТКГ выключается и плавление ведут на плазмотроне. В итоге получают довольно-таки низкий угар легирующих и состав металла близкий по составу к марочному.