Технология выплавки стали в дуговых печах с основной футеровкой

 

Появление дуговых печей с трансформаторами высокой (0,4-0,5 МВА/т) а затем и сверхвысокой (1 МВА/т и более) мощности, применение в их стенах и сводах водоохлаждаемых панелей обусловило развитие концепции сверхмощной дуговой печи. Проведение технологических периодов в таких печах становится нецелесообразным, так как во время этих периодов мощность трансформатора используется лишь частично, для более полного использования мощности трансформатора и эффективной работы сверхмощной печи ее целесообразно использовать лишь для расплавления шихты и нагрева металла до необходимой температуры. Операции рафинирования от вредных примесей, получения особо низкого содержания углерода, раскисления и легирования необходимо проводить в агрегатах внепечной обработки стали, сводя к минимуму продолжительность и других вспомогательных операций − заправки печи, загрузки шихты, выпуска металла и т.д. Современная мощная ДСП используется как агрегат для расплавления шихты и получения жидкого полупродукта, превращение которого в сталь заданного состава и качества осуществляется методами внепечной металлургии.

Таким методом производят углеродистую и легированную конструкционную сталь, а также сталь специального назначения: подшипниковую, коррозионностойкую, электротехническую и другую. Однако сталь некоторых марок, например жаропрочную, быстрорежущую инструментальную и т.п., и в настоящее время выплавляют в печах малой и средней вместимости по классической технологии электроплавки.

Классическая технология имеет несколько вариантов, выбор которых определяется составом выплавляемой стали и предъявляемыми к ней требованиями, а также качеством шихты. В зависимости от этих факторов технология плавки даже в одной печи может существенно различаться. Существуют две основные разновидности классической плавки легированной стали:

1) на углеродистой («свежей») шихте;

2) переплав легированных отходов.

Углеродистая шихта характеризуется повышенным содержанием углерода фосфора, серы и отсутствием или незначительным количеством легирующих элементов. Для передела такой шихты в качественную сталь требуется специальный окислительный период, в течение которого окисляются углерод, фосфор и некоторые сопутствующие элементы: кремний, хром, марганец, ванадий и др. Наличие окислительного периода − характерная особенность технологии плавки на «свежей» шихте, поэтому она называется еще плавкой с полным окислением. Плавка высококачественной стали на «свежей» шихте включает следующие этапы:

1) подготовку шихтовых материалов;

2) подготовку печи к плавке;

3) загрузку шихты;

4) период плавления;

5) окислительный период;

6) восстановительный период.

Выплавка рядовой стали, а также высококачественной с внепечной обработкой металла, производится по упрощенной технологии под одним шлаком с интенсивным использованием кислорода и характеризуется отсутствием восстановительного периода. Проведение всех периодов плавки позволяет очистить металл от вредных примесей − фосфора и серы. Окисление углерода в окислительный период вызывает кипение ванны и способствует дегазации металла − удалению растворенных в нем водорода и азота. Поэтому плавка с полным окислением позволяет получить из рядовой шихты качественную сталь. Недостаток этого метода плавки заключается в потере некоторых содержащихся в шихте легирующих элементов (хрома, ванадия и др.) и большой продолжительности плавки.

При плавке методом переплава легированных отходов окислительный период исключают из суммарного процесса плавки, в результате чего некоторые из содержащихся в шихте легирующих элементов не окисляются и остаются. Это позволяет полнее использовать легирующие элементы, содержащиеся в отходах, и уменьшить расход ферросплавов. Однако отсутствие окислительного периода затрудняет удаление фосфора, поэтому для плавки методом переплава требуется чистая по фосфору шихта. Кроме того, отсутствие кипения ванны не позволяет удалять в течение плавки растворенные газы, что требует принятия дополнительных мер их удаления. На плавках методом переплава для ускорения нагрева металла, понижения в нем содержания углерода и растворенных газов ванну часто продувают газообразным кислородом. В результате экзотермических реакций с железом, кремнием и угле- родом температура ванны быстро повышается, хром и другие легирующие элементы при этом окисляются незначительно, а выделяющаяся СО оказывает дегазирующее действие. Такую разновидность технологии переплава называют плавкой с частичным окислением.

 

Шихтовые материалы

 

Для получения стали в электропечах необходимы следующие шихтовые материалы: металлическая часть, шлакообразующие, окислители, добавочные материалы (раскислители и легирующие) и науглероживатели.

Металлическая часть. Основу шихты для электропечей составляет металлический лом: на 1 т выплавляемой в электропечи стали в среднем расходуется 950 кг лома. Примерно треть этого количества составляет брак, литейные отходы, обрезь слитков, отходы при прокатке и ковке, а также стружка от обдирки слитков, то есть собственные отходы металлургических заводов. Остальная часть складывается из отходов, возвращаемых заводами − потребителями. Кроме того, в ограниченных количествах используется специально выплавляемая шихтовая заготовка – мягкое железо, а также передельный чугун и губчатое железо в виде металлизированных окатышей. Металлический лом делится на две группы: нелегированные и легированные отходы. Нелегированный (углеродистый) лом не должен быть загрязнен цветными металлами (свинцом, цинком, оловом и др.), особенно никелем, медью и мышьяком, которые практически полностью переходят из шихты в металл и могут существенно влиять на его свойства. Нежелательно также, чтобы в углеродистых отходах содержалось >0,05% Р, так как удаление таких количеств фосфора требует продолжительного окислительного периода. Поэтому металлический лом должен быть освобожден от лома цветных металлов и рассортирован по происхождению.

На заводах качественных сталей в электросталеплавильных цехах выплавляют стали сотен марок. Часть из них содержит элементы, не поддающиеся окислению и трудно удаляемые при использовании обычных процессов. Отходы, содержащие такие элементы, могут быть использованы. Отходы легированных сталей должны быть рассортированы в группы марок, близкие по составу, и храниться отдельно от других отходов. Отходы некоторых наиболее сложнолегированных марок следует хранить помарочно.

Металлический лом должен иметь определенные габариты. Металлический лом, как правило, более окислен, замусорен и загрязнен маслом. Значительная окисленность лома не позволяет точно оценить долю угара металла, что чревато непопаданием в заданный химический состав готовой стали. Разложение в зоне дуг ржавчины (гидрооксида железа) и масла приводит к появлению в атмосфере печи атомарного водорода. Малая насыпная масса мелкого лома не позволяет завалить в печь всю шихту в один прием, вследствие чего после расплавления первой порции шихты приходится производить подвалку. Это снижает производительность ДСП и увеличивает потери тепла.

Особые трудности представляет переплав стружки. Длинная витая стружка затрудняет загрузку; как правило, она сильно загрязнена маслом и уже на месте получения смешивается с отходами стали других марок, а часто и со стружкой цветных металлов. По этим причинам стружку следует переплавлять на заводах Вторчермета и в ЭСПЦ поставлять изготовленные из нее болванки известного химического состава. стружка, поставляемая непосредственно в электросталеплавильные цехи, должна быть спрессована и обожжена. Нежелательно чтобы в шихте были чрезмерно крупные куски (бракованные слитки, недоливки и т.п.). В ДСП можно расплавлять крупногабаритный лом, но продолжительность плавления при этом увеличивается длительное время приходится работать на высокой мощности, что отрицательно сказывается на стойкости футеровки.

Для производства стали некоторых марок в состав шихты вводят предварительно выплавленную заготовку. Чаще всего она по своему составу представляет собой низкоуглеродистую сталь с ограниченным содержанием углерода, фосфора и серы, те. мягкое железо, полученное методом плавки на «свежей» шихте Мягкое железо намного дороже углеродистого лома, и его использование отрицательно сказывается на себестоимости стали. Использование в шихте мягкого железа может быть оправдано только серьезными технологическими затруднениями выплавки стали нужной марки.

В связи с дефицитом качественного лома для электроплавки давно изыскивают материалы, которые могли бы заменить лом. В частности, неоднократно предпринимались попытки заменить часть лома передельным чугуном. Однако все эти попытки были безуспешны. При переделе чугуна в сталь необходимо окислить значительное количество углерода, кремния, фосфора, а электропечи плохо приспособлены для проведения окислительных процессов. Для плавки стали в ДСП все более часто применяют губчатое железо в виде металлизованных окатышей (90−95% Fe_общ, 85−90% Fe_мет). Преимущества применения губчатого железа вместо скрапа и лома: однородность и надежность контроля химического состава, низкое содержание цветных металлов, возможность непрерывной автоматической загрузки в печь, повышение производительности печи, уменьшение уровня шума во время плавления. Эти преимущества компенсируют недостатки использования губчатого железа – повышение расхода электроэнергии, увеличение расхода извести для нейтрализации пустой породы губчатого железа и, как следствие, увеличение количества шлака в печи.

Шлакообразующие. При выплавке стали в основных ДСП для образования основного шлака используют известь. известняк, плавиковый шпат, шамотный бой и песок. Наиболее важной составляющей шлаковых смесей является известь, которую получают обжигом известняка в шахтных печах при 1100-1З00 °С. Для выплавки высококачественной стали используют только свежеобожженную известь. При хранении известь интенсивно поглощает влагу из воздуха с образованием гидрооксида кальция Са(ОН)₂, который рассыпается в порошок. Влага, внесенная известью в печь, вызывает обогащение стали водородом. Поэтому применение пылеватой извести (так называемой пушонки) в электропечах совершенно недопустимо.

Вместо извести в окислительный период можно использовать необожженный известняк. Известняк не гигроскопичен, его можно длительно хранить. Разложение СаСО3 в печи вызывает выделение пузырьков, которые обеспечивают перемешивание металла и шлака и способствуют дегазации металла. Отрицательной стороной применения известняка вместо извести является дополнительная затрата электроэнергии на разложение карбоната кальция.

Для разжижения высокоосновных шлаков применяют плавиковый шпат, песок и шамотный бой. Песок (SiO₂) понижает температуру плавления основных шлаков, но при этом понижается и основность шлака. Поэтому в основных печах песок применяется ограниченно, тогда как в кислых печах он – главный шлакообразующий материал. Основное требование, предъявляемое к песку – высокое (до 95%) содержание SiО₂.

Окислители. Для интенсификации окислительных процессов в металл необходимо вводить кислород. Источниками кислорода служат железная руда, окалина и агломерат. Широкое распространение получила также продувка металла газообразным кислородом. Железную руду применяют при выплавке стали методом полного окисления. Присадка руды небольшими порциями обеспечивает длительное равномерное кипение металла без повышения температуры металла, так как присаживаемая руда постоянно охлаждает металл. Это имеет особое значение для эффективного удаления фосфора. Руду вводят во время завалки и в окислительный период. Руда, присаживаемая в окислительный период через шлак, должна быть в кусках определенного размера. Мелкая руда растворяется в шлаке, а крупные куски вызывают бурное вспенивание металла в шлаке. Руда должна удовлетворять и требованиям по химическому составу: минимальное содержание кремнезема, серы и фосфора.

Иногда вместо руды используют заменители − агломерат и окалину от проката. Окалина от проката углеродистых сталей является наиболее чистым окислителем, но вследствие малой плотности она задерживается в шлаке и плохо усваивается металлом. Для интенсификации окисления углерода во время окислительного периода плавки на «свежей» шихте, а также для быстрого повышения температуры металла, окисления избыточного углерода и сопутствующих примесей при переплаве легированных отходов широко применяют продувку металла кислородом. Газообразный кислород чистотой около 99,5% попадает в ванну под давлением 1-1,2 МПа.

Раскислители и легирующие. Для раскисления стали и ее легирования раскислители и легирующие элементы применяют в чистом виде или в виде сплавов с железом или друг с другом Сплавы, применяемые в качестве раскислителей и легирующих, должны удовлетворять ряду требований:

1) содержание основного легирующего элемента в сплаве должно быть максимальным. При низком содержании легирующих элементов увеличивается масса присадки, что увеличивает время ее проплавления и ведет к повышению расхода электроэнергии и снижению производительности печи. Исключение составляют ферросплавы тугоплавких металлов – ферровольфрама и ферромолибдена, для более быстрого растворения которых желательно иметь более низкое их содержание в сплаве;

2) сплавы должны быть чистыми от вредных для стали примесей, шлаковых включений и газов. Это особенно важно, потому что значительную часть их присаживают в печь лишь к концу плавки или в ковш, когда рафинирование металла уже закончено

3) куски сплавов должны быть определенного габарита. Наличие крупных кусков удлиняет время их растворения.

Науглероживатели. К числу науглероживателей относят материалы, содержащие углерод и используемые для увеличения содержания углерода в металле. Они входят либо в состав шихты, либо их вводят в жидкий металл. для науглероживания в электроплавильных цехах используют главным образом чугун, кокс и электронный бой, в редких случаях (вследствие дефицита) – древесный уголь и сажу. Основным требованием к науглероживателям является низкое содержание вредных примесей (главным образом серы) и небольшая зольность.