Выплавка стали в кислых дуговых печах

Дуговые печи с кислой футеровкой подины, стен и свода применяют чаще всего при производстве отливок из ковкого чугуна и выплавке стали с повышенным содержанием серы и фосфора для фасонного литья. Возможность быстрого нагрева металла в кислой печи используют для получения мелких и тонкостенных отливок.

Из-за повышенного электрического сопротивления кислых шлаков дуги в кислых печах короче, что обеспечивает более быстрый нагрев металла до заданной температуры при меньшем (на 10-15%) расходе электроэнергии. Материалы для футеровки кислых печей менее дефицитны, в 2 раза дешевле, чем основные огнеупоры, и обеспечивают достаточно высокую стойкость подины, стен и свода при периодической выплавке стали. Существенным недостатком кислых печей является невозможность осуществления в них процессов дефосфорации и десульфурации металла и потребность в чистых шихтовых материалах по сере и фосфору.

Металл, выплавленный кремневосстановительным или активным процессами, обладает пониженными пластическим и свойствами, что, очевидно, обусловливается присутствием в металле хрупких кремниевых включений, выделяющихся по границам зерен. Из-за активного взаимодействия металла с футеровкой в кислых печах весьма затруднительна выплавка сталей и сплавов с повышенным содержанием марганца, алюминия, титана и других элементов.

Использование внепечных процессов рафинирования металла от серы, фосфора, газов и неметаллических включений, а также легирование расплава в ковшах открывают новые перспективы для применения кислых дуговых печей при получении жидкого полупродукта минимальным расходом электроэнергии.

Продолжительность плавки в кислых дуговых печах определяется, в основном, периодами загрузки шихты и ее расплавления. Выдержка жидкого металла в печах с кислой футеровкой значительно короче, чем в печах с основной. Сокращение длительности плавления шихты достигается за счет повышения удельной мощности трансформатора, применения подогрева металлической шихты, сокращения времени на завалку при строгом соблюдении шихтовки по габаритности. Загрузка негабаритной шихты приводит к зависанию отдельных кусков и образованию мостов, что, в свою очередь, затягивает плавку. При загрузке в печь легковеского лома электроды быстро доходят до подины; это приводит к перегреву под дугами небольшого количества металла и разрушению футеровки в этих зонах, о чем свидетельствует образование вместо красно-бурого светлого дыма за счет густых белых хлопьев оксидов кремния (печь «снежит»). При появлении хлопьев в печь загружают дополнительное количество шихты.

Количество используемых в шихте собственных отходов не превышает 50%. Остальную часть шихты составляют из отходов углеродистых сталей с низким содержанием серы и фосфора. Плавление шихты ведут на повышенной мощности трансформатора. Шлак образуется из задаваемого в печь шамотного боя или оборотного шлака (1-2% от массы шихты), кремнистых материалов футеровки и оксидов шихты.

Во время расплавления шихты в кислой печи происходит окисление марганца, кремния, фосфора и углерода оксидами железа, растворенном в металле. Как и при основном процессе выплавки стали, железо окисляется при достаточной температуре до FеО под воздействием кислорода воздуха или оксидов железа по реакциям:

Fе + 0,5O₂ = FеО_ж; Fе_т + Fe₂О_3(ж) = 3FeО_ж.

Образовавшийся монооксид FеО взаимодействует с кремнием и марганцем по реакциям:

[Si] + 2(FеО) = (SiO₂) + 2[Ее];        [Мn] + (FeO) = (МnО) + [Fе].

Оксиды марганца с кремнеземом образуют прочные соединения – силикаты марганца. Оксиды фосфора (фосфорный андигрид Р₂O₅) образуют с FеО неустойчивое соединение – (FеО)₃∙Р₂O₅, которое при избытке кремнезема и отсутствии свободного СаО в шлаке легко восстанавливается до Fе₃Р, поэтому фосфор при кислом процессе не может быть удален из металла.

Монооксид железа легко вступает во взаимодействие с кремнеземом шлака и футеровки, образуя силикат – 3FеOSiO₂, и в силу этого недостаточно активно реагирует с углеродом металла. Из-за недостатка свободного FеО в шлаке уменьшается примерно в два раза скорость окисления углерода (0,003-0,004%/мин). Отсутствие свободной извести в кислом шлаке делает невозможным удаление серы из металла.

для лучшего обезуглероживания и кипения ванны в шлак добавляют известь, которая связывает кремнезем в силикат кальция и тем самым увеличивает содержание в шлаке свободного FеО. В период окисления общее содержание FеО в шлаке кислой печи достигает 25-30%. Интенсивное кипение металла в течение 30-40 мин способствует перемешиванию ванны и удалению из металла силикатных неметаллических включений и газов. Излом шлака окислительного периода имеет темно-коричневый или темный цвет. Кислые шлаки, содержащие 45% SiO₂, связывают почти все количество FеO и МnО в силикаты. В шлаке восстановительного периода (восстановление кремния) содержание кремнезема выше 45%, для уменьшения восстановления кремния содержание SiО₂ в шлаке не должно превышать 55%.

Кремний восстанавливается углеродом металла из кремнезема шлака и футеровки печи по реакции: SiО₂ + 2[С] = [Si] + 2СO.

При повышенных температурах реакция восстановления кремния из кремнезема железом ванны металла сопровождается повышением содержания FеО в шлаке и металле: (SiО₂) + 2[Fе] = [Si]+ 2(FеО).

Для предупреждения высокой восстанавливаемости кремния и получения заданного химического состава стали по кремнию снижают в процессе плавки температуру металла и уменьшают присадкой извести концентрацию свободного кремнезема в шлаке. Для доводки содержания марганца в стали ферромарганец вводят либо в печь перед выпуском плавки, либо в ковш. Недостаток кремния в металле ряда плавок компенсируют присадкой соответствующего количества ферросилиция.

Кремневосстановительный процесс наиболее приемлем при выплавке среднеуглеродистых сталей. Низкоуглеродистые стали (0,25% С) выплавляют активным процессом, в котором предусматривается содержание углерода в ванне по расплавлении на 0,1-0,3% выше заданного его содержания в готовом металле. При 1540-1580 °С на шлак присаживают порции железной руды (агломерата) и поддерживают нормальное кипение ванны. Требуемый состав шлака получают присадками песка, шамотного боя, формовочной земли и извести в соотношении 2:6:1:2.

Общий расход шлакообразующей смеси для освежения шлака составляет 0,5-0,6% массы шихты, а при наведении нового шлака 1,5-2%.

Для ускорения раскисления ванны на шлак присаживают до 0,2% от массы садки молотые ферросилиций и кокс. Конечный кислый шлак активного процесса обычно содержит, %: SiO₂ 40-50, FeO 10-13, МnО 14-18, СаО 3-6, Сr₂O₃ 1,0-1,5, Fе₂О₃ 3-4, А1₂O₃ 5-7, МgO 0,5-1,1, Р₂О₅  0,01%. Содержание углерода в металле корректируют ферросплавами, чугуном и карбюризаторами в ковше при выпуске плавки.

Наряду с диффузионным раскислением стали, при кислом процессе применяют осадочное (глубинное) раскисление комплексными раскислителями – силикомарганцем, силикокальцием (2-3 кг/т), силикобарием. Конечное раскисление стали ведут алюминием (до 1 кг/т). Продолжительность плавки углеродистой стали в 10-т дуговой кислой печи составляет ≈3 ч. Время каждой операции составляет, мин: очистка, заправка 15; загрузка шихты 10; плавление 30; окисление 30; доводка и выпуск 30.