Производство стали в электропечах

Электросталеплавильный процесс более совершенный, чем кислородно-конвертерный и мартеновский, поэтому он находит все большее применение. Это определяется возможностью получения качественной и высоколегиро­ванной стали; практически неограниченным сортаментом выплавляемой стали; использованием для нагрева металла электрической энергии.

Корпус дуговой электрической печи (рис. 2.5, а) со­стоит из кожуха 5 (части корпуса выше порога рабочего окна 3), днища 2 и сливного носка 10. Корпус состоит из наружной стальной обечайки с внутренней футеров­кой (основной или кислой). В корпусе печи имеются два отверстия: рабочее окно 3 — для управления ходом плав­ки, загрузки ферросплавов, взятия проб и скачивания шлака, а также летка для слива готовой стали и шлака. Рабочее окно закрывается заслонкой 4. Наклоны печи в сторону рабочего окна (10...15°) или сливного желоба (40...45°) осуществляются с помощью специального ме­ханизма 11 с гидравлическим приводом 1.

Съемный свод 6 характеризуется наименьшей долго­вечностью футеровки. В последние годы создаются ду­говые электропечи с поворотным сводом (серии ДСП). В своде имеются отверстия, через которые пропускаются три графитизированных электрода 7 диаметрами 300......610мм. В электропечах ДСП электрический ток (на­пряжением 115...600 В и силой 10...50 кА) подводится к электродам электрододержателями 8 и гибкими кабе­лями 9. Емкость печей составляет 0,5.„200 т.

В дуговых электропечах (рис. 2.5,а) прямого на­грева дуга горит между электродами и расплавляе­мым металлом. Часть энергии дуги выделяется непо­средственно на металле. Большая часть лучистой энер­гии дуги также попадает на поверхность металла. Таким образом, в малых объемах концентрируются большие мощности, что приводит к нагреву металла до высоких температур. При этом легко контролируются и регули­руются расход теплоты и изменения температуры.

Электродуговые печи прямого нагрева характеризу­ются значительным испарением легкоплавкого металла в зоне дуги, поэтому они наиболее пригодны для плав­ления стали.

К дуговым также относятся печи косвенного на­грева (рис. 2.5,б), где часть энергии дуги между дву­мя электродами передается металлу излучением. Срав­нительно низкие температуры металла препятствуют применению этих печей для переплава черных металлов, они используются в основном в цветной металлургии.

При производстве стали в электропечах используют­ся следующие шихтовые материалы: металлическая часть, шлакообразующие, окислители, добавочные мате­риалы (раскислители и легирующие) и науглероживаю­щие компоненты. Основную часть металлошихты состав­ляет металлический лом. В последние годы в состав ме­таллической части шихты все шире включают металлизированные окатыши и губчатое железо, что позволяет получать более высококачественную сталь.

В производстве реализуются две основные технологии плавки в электродуговых печах: на углеродистой или свежей шихте (с окислением примесей); на шихте из от­ходов легированных сталей (метод переплава).

В состав углеродистой шихты входят стальной лом (~90%); передельный чугун в чушках (<10%); же­лезная руда, агломерат или окалина (1,0...1,5 %); элек­тродный бой или кокс для науглероживания металла и известь (2...3%). После загрузки шихты электроды опускают вниз, включают ток и шихта плавится.

На металл уже в периоды завалки и плавления ших­ты воздействует окислительная печная атмосфера. Затем примеси металла окисляются оксидами шлака и железной руды по реакциям.

Образовавшиеся оксиды примесей металла совместно с СаО из извести формируют высокоосновный шлак, обе­спечивающий дефосфорацию стали. Уже при плавлении окисляется более 50 % фосфора.

Шлак играет важную роль в окислительных процес­сах. Он обеспечивает передачу кислорода металлу из печной атмосферы и оксида железа FеО. Растворяющий­ся в металле кислород участвует в реакциях окисления.

Интенсивное окисление железа, а также кремния, марганца, углерода и других примесей происходит в результате продувки ванны кислородом. При этом выделяется значительное коли­чество теплоты, быстрее завершается процесс плавления шихты.

После полного расплавления шихты и перемешива­ния содержимого ванны берут пробу на полный химиче­ский анализ, затем скачивают шлак с фосфором, наво­дят новый шлак и начинается окислительный период плавки..

Для дальнейшего окисления углерода и фосфора про­водят неоднократную загрузку руды и извести. Кислород руды через шлак окисляет углерод. Окисление интенсифицируется продувкой кислородом. Выделяющиеся пу­зырьки оксида углерода СО заставляют кипеть металл, что ускоряет прогрев ванны и удаление из металла га­зов и неметаллических включений, а также фосфор. Шлак скачивают 2...3 раза и содержание фосфора доводится до 0,01 %. Когда содержание углерода в стали становится равным нижнему пределу его содержания в выплавляемой марке стали (%), кипение, а вместе с ним и окисление заканчиваются.

Затем проводят раскисление стали двумя методами: глубинным раскислением без восстановительного периода; раскислением в восстановительный период.

Первый метод применяют при выплавке углеродистой и низколегированной конструкционной стали, а также стали с последующим внепечным рафинированием. Сталь выплавляют под одним шлаком, без наведения последующего восстановительного шлака. В металл вво­дят ферросилиций, ферромарганец, феррохром. После 10...20 мин раскисления в печи сталь выпускают в ковш, где проводится окон­чательное раскисление ферросилицием и алюминием.

Второй метод, когда раскисление проводят под вос­становительным шлаком, наводимым после скачивания окислительного шлака, применяется при получении ста­лей с заданными свойствами, пониженным содержанием примесей или легируемых легкоокисляемыми элемента­ми. Восстановительный период плавки направлен на рас­кисление металла, удаление серы, доведение стали до заданного химического состава, регулирование темпера­туры металла. Сначала в печь подают кокс или элект­родный бой. В результате присадки металл науглеро­живается. После этого в печи наводится известковый восстановительный шлак из смеси извести, плавикового шпата и шамота в количестве 2,0...3,5 % от массы метал­ла. Затем проводят диффузионное раскисление под бе­лым шлаком. С этой целью на шлак подают порошок кокса и ферросилиция; шлак светлеет за счет уменьше­ния содержания в нем оксидов. Содержание оксида железа в шлаке снижается, и ок­сид из металла начинает переходить в шлак.

Во время восстановительного периода сера удаляется из металла.

Когда достигнуты заданные состав металла и темпе­ратура, выполняют конечное раскисление стали. После этого выпускают металл из печи в ковш.

Вторая разновидность плавки (метод переплава) в электропечах основывается на рациональном исполь­зовании содержащихся в шихте легирующих элементов,поэтому она проводится без окисления или с частичным окислением. Шихта для такой плавки кроме понижен­ного содержания фосфора должна иметь меньшее, чем в выплавляемой стали, количество марганца, кремния и углерода. Кроме того, с целью наведения шлака для защиты металла от окисления кислородом атмосферы и науглероживания электродами вместе с шихтой во время завалки вводят шлакообразующие вещества. Во время плавки удаляются фосфор и сера. И все-таки часть элементов окисляется в период плавки, поэтому необходимо проводить раскисление. Оксиды легирую­щих элементов восстанавливаются ферросилицием, алю­минием, молотым коксом.

Чтобы интенсифицировать процесс переплава, при­меняют частичное окисление газообразным кислородом.

Общая продолжительность выплавки стали в дуго­вых электропечах вместимостью 5...100 т составляет 3,5...6,5 ч.

Сравнение отдельных способов производства стали показывает, что выход годного металла в электропечах составляет 92...93%, в конвертерах с комбинированной продувкой — 91...92%, в обычных конвертерах с продув­кой сверху и мартеновских печах — 90%, в двухванных печах и мартеновских печах с продувкой кислородом — 87...88 %.