Расчет шихты и шлака для выплавки чугуна марки КЧ 65-3 в дуговой электропечи

 

Устройство для электромагнитного перемешивания металла.

Для перемешивания металла в крупных дуговых печах, для ускорения и облегчения проведения технологических операций скачивания шлака под днищем печи в коробке устанавливается электрическая обмотка, которая охлаждается водой или сжатым воздухом. Обмотки статора питаются от двухфазного генератора током низкой частоты, что создает бегущее магнитное поле, которое захватывает ванну жидкого металла и вызывает движение нижних слоев металла вдоль подины печи в направлении движения поля. Верхние слои металла вместе с прилегающим к нему шлаком движутся в обратную сторону. Таким образом можно направить движение либо 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 металла и его температуры.

 

2 Конструктивная схема дуговой печи, основы плавки

 

Трехфазный ток подводится к электродам от понижающего трансформатора при помощи гибких кабелей и медных шин. Рабочее напряжение составляет в малых печах 100—200 В, в больших 400—600 В; сила тока до десятков тысяч ампер. Угольные или графитизированные электроды в процессе плавки постепенно сгорают; длина дуги регулируется автоматически. Обгоревшие электроды наращивают, свинчивая с новыми электродами. Быстрое опускание и подъем электродов осуществляют подъемными механизмами. Печи емкостью более 25 т имеют устройство, индуктирующее в металле токи для его перемешивания с целью выравнивания состава, температуры.

Плавка методом окисления имеет много общего с основным мартеновским скрап-процессом. Основную массу шихты (до 90% и более) составляет стальной скрап. Передельный чугун (до 10%) добавляют в таком количестве, чтобы после расплавления углерода было больше на 0,4—0,6%, чем в готовой стали, что необходимо для обеспечения нормального кипения. В качестве флюса применяют известь. При плавке используют также железную руду, ферросплавы и другие материалы. Все используемые материалы должны быть чистыми по сере и фосфору, так как удаление этих примесей увеличивает время плавки и расход электроэнергии.

В старые печи небольшой емкости шихту загружают через рабочее окно при помощи завалочных машин и других устройств. В современные более крупные печи (со съемным сводом) шихта загружается сверху из бадьи с откидным дном. Для этого свод поднимают и отводят в сторону; в некоторых печах выдвигают корпус печи.

После загрузки печи электроды опускают к поверхности шихты, подкладывают под них куски кокса (для более легкого зажигания дуг) и включают ток. При постепенном опускании электроды проплавляют в шихте “колодцы”, а на подине печи накапливаются жидкие металл и шлак. На некотором расстоянии от поверхности жидкой ванны электроды останавливают и затем по мере повышения уровня металла, начинают поднимать; постоянство длины электрических дуг поддерживается автоматически.

При плавлении кремний, марганец и другие элементы окисляются, и образуется шлак (как и при мартеновском процессе). В дальнейшем различают два периода плавки: окислительный и восстановительный.

Окислительный период характеризуется наличием окислительного шлака, содержащего до 15—20% FеО и до 50% СаО. Одна из основных задач периода — возможно более полное удаление фосфора путем перевода его в шлак в виде Р2О5 (СаО)4. Дефосфорацию начинают сразу же после расплавления шихты, сливая первичный шлак путем наклона печи в сторону рабочего окна. Затем наводят новый известковый шлак и периодическими добавками руды и извести при непрерывном сливе шлака обеспечивают очень хорошее удаление фосфора (до 0,01—0,015%).

Второй важнейший процесс окислительного периода — окисление углерода, вызывающее кипение ванны. Его скорость при достаточно прогретом металле регулируется добавками железной руды. Очень часто для интенсификации окислительного периода применяют продувку кислородом.

Применение кислорода позволяет значительно интенсифицировать процессы плавления, ускорить окисление углерода и других примесей, сократить продолжительность окислительного периода. При этом улучшается и качество стали, так как при окислении железной рудой в металл вносятся загрязнения, вредные примеси и газы. При использовании кислорода общая продолжительность плавки сокращается на 30—40%, расход электроэнергии — на 10—15%.

Как и в мартеновском процессе, кипение обеспечивает очистку металла от взвешенных неметаллических включений, удаление из него растворенных газов, выравнивание состава и температуры. При этом наиболее важное значение имеет чистое кипение после прекращения добавок руды. На кипение постепенно расходуется углерод. По достижении заданного содержания углерода окислительный период заканчивают, окислительный шлак полностью удаляют и переходят к восстановительному периоду.

Задачами восстановительного периода являются: раскисление металла, удаление серы, доведение состава металла до заданного.

Раскисление электростали в отличие от мартеновской и конверторной стали производят комбинированным — глубинным (осаждающим) и диффузионным способами. Для глубинного раскисления в печь загружают некоторое количество ферромарганца, ферросилиция, алюминия или других раскислителей и шлакообразующие: известь, плавиковый шпат, шамотный бой. Затем металл раскисляют диффузионным способом.

Его сущность состоит в том, что раскисляют непосредственно не металл, а шлак, восстанавливая в нем закись железа FеО. В соответствии с законом распределения уменьшение содержания FеО в шлаке вызывает ее интенсивный диффузионный переход из металла в шлак, чем и обеспечивается раскисление металла.

Этот метод обеспечивает практически полное раскисление стали. Реакции протекают в шлаке и на границе шлак — металл. При этом металл не загрязняется неметаллическими включениями. На шлак порциями загружают раскислительную смесь, состоящую из молотого кокса, ферросилиция, извести и др. Раскисление шлака идет по реакциям (FеО)+С=Fе+СО. Этот способ, называют раскислением под белым шлаком. Продолжительность раскисления 0,5—1 ч. За это время за счет углерода шлака может происходить незначительное науглероживание металла на 0,03—0,04% С.

Удаление серы в виде СаS обеспечивается значительно лучше, чем в мартеновских печах – до 0,01% S в готовой стали; это объясняется высокой основностью шлака, его хорошей раскисленностью, нагревом метала и шлака до высокой температуры. Кроме ошлакования известью, при наличии карбида кальция сера удаляется по реакции 3(FеS)+(СаС2)+2(CaO)=3(CaS)+3Fe+2CO.

Легирование проводят аналогично легированию мартеновской стали. Никель, вольфрам и другие элементы, не окисляющиеся при плавке, вводят с шихтой или в процессе ее плавления; легкоокисляющийся хром и ванадий (в виде феррохрома и феррованадия) - после раскисления; титан (ферротитан) – перед самым выпуском плавки. Готовую сталь выпускают в сталеразливочный ковш.

Основная плавка без окисления примесей также находит довольно широкое применение. При производстве и последующей обработке высококачественных легированных сталей отходы производства обычно составляют 30—50% (бракованные слитки, обрезь при прокатке, стружка и т. п.). Плавку без окисления по существу проводят методом переплава отходов соответствующих или близких по составу сталей. Окислительный период отсутствует; иногда производят непродолжительную продувку кислородом для удаления излишков углерода, а также N2, H2 (при кипении).

При составлении шихты и после расплавления металл доводят присадкой ферросплавов до нужного состава. Во время плавки удаляются фосфор и сера, в конце плавки сталь раскисляют.

Этот способ дает возможность наиболее рационально использовать отходы легированных сталей, что значительно уменьшает расход ферросплавов.

Кислый процесс в электродуговых печах имеет те же особенности, что и кислый мартеновский процесс. Для выплавки используют чистые по сере и фосфору шихтовые материалы, нередко применяя метод переплава отходов собственного производства. В качестве флюса используют шлак предыдущих плавок, песок и другие материалы. Окислительный период сокращают присадками небольших порций чистой по сере и фосфору железной руды или продувкой кислородом. При этом выгорает лишь 0,1—0,3% С. Особенностью кислого процесса является возможность “самораскисления” стали кремнием.

Окончательное раскисление обеспечивается присадками на шлак порошкообразного ферросилиция, кокса или древесного угля и других материалов.

Кислая футеровка обладает значительно большей стойкостью и дешевле основной. Кислые печи применяют главным образом в литейных цехах. Нагрев металла в электропечи до высокой температуры повышает его жидкотекучесть, что имеет важное значение в литейном производстве.

Выплавка в дуговых электрических печах — главный способ производства высококачественных конструкционных, нержавеющих и других сталей и сплавов. Более высокое по сравнению с мартеновской и конверторной качество электростали объясняется ее более высокой чистотой по сере и фосфору и неметаллическим включениям, хорошей раскисляемостью. На рисунке 1 изображена дуговая электропечь.

 

Рисунок 1 – Дуговая электропечь

 

 

3 Расчет шихты 

 

Прежде всего, при расчете шихты необходимо отметить марку чугуна, которую требуется получить, а также выбрать футеровку плавильного агрегата. В таблице 1 приведен химический состав чугуна марки КЧ 65-3 (ГОСТ 1215-79). Плавка будет производиться в дуговой печи с основной футеровкой. В таблице 2 приведен угар химических элементов при выплавке чугуна в основной дуговой печи.

 

Таблица 1 – Химический состав чугуна марки КЧ 65-3 (ГОСТ 1215-79)

 

Углерод С,%	Кремний Si, %	Марганец Mn, %	Сера S, %	Фосфор P, %
2,4-2,7	1,2-1,4	0,3-1,0	0,1-0,18	0,06-0,2

 

Таблица 2 – Угар химических элементов при выплавке чугуна в дуговой печи с основной футеровкой

Угар элементов
Углерод С,%	Кремний Si, %	Марганец Mn, %	Сера S, %	Фосфор P, %
25-30	5-10	10-15	20-50	До 20

 

Расчет шихты будем производить аналитическим методом, так как он является наиболее точным методом расчета. Результаты расчета будем заносить в соответствующие ячейки таблицы 4.

 

 

Аналитический метод расчета шихты

 

Чтобы рассчитать шихту необходимо составить систему уравнений, в которых неизвестным являются компоненты шихты. В качестве шихты для получения заданного чугуна будем использовать материалы, представленные в таблице 3.

Таблица 3 – Химический состав компонентов шихты

 

Название	Углерод С,%	Кремний Si, %	Марганец Mn, %	Сера S, %	Фосфор P, %
Чугун литейный Л3	3,6-4,1	2,41-2,8	0,3-1,5	0,02-0,05	0,08-0,12
Стальной лом 35Л	0,32-0,4	0,2-0,52	0,4-0,9	0,05	0,05
Возврат	2,4-2,7	1,2-1,4	0,3-1,0	0,06-0,2	0,1-0,18
Передельный чугун ПЛ1	4,0-4,5	0,8-1,2	0,3-1,5	0,08-0,3	0,01-0,05

 

С учетом угара определим химический состав шихты при помощи формулы

      (1)

где  [Е]ШИХ – содержание элемента в шихте, %;

[Е]ЧУГ – содержание элемента в жидком чугуне, %;

UE – относительная величина изменения содержания элемента в процессе плавки, %.

%;

%;

%.

Найдем количество каждого элемента, вносимого в шихту по формуле

,       (2)

где  gЕ – количество элемента, вносимого в шихту, кг;

[Е] – содержание элемента в  компоненте шихты, %;

q – содержание компонента в шихте, %.

Рассчитаем при помощи формулы (2) количество элементов, вносимых в шихту при помощи возврата:

 кг;

 кг;

 кг;

 кг;