Производство стали в дуговых электрических печах

      Плавка  с окислением. Рассмотрим ход плавки с окислением. После окончания периода расплавления начинается окислительный отрезок времени, задачи которого заключаются в следующем: окисление избыточного углерода, окисление и удаление фосфора; дегазация металла; удаление неметаллических включений, нагрев стали. Окислительный отрезок времени плавки начинают присадкой железной руды, которую дают в печь порциями. В результате присадки руды происходит насыщение шлака FeO и окисление металла по реакции: (FeO) =Fe+[O]. Растворенный кислород взаимодействует с растворенным в ванне углеродом по реакции [C] +[O]=CO. Происходит бурное выделение пузырей CO, которые вспенивают поверхность ванны, покрытой шлаком. Поскольку в окислительный отрезок времени на металле наводят известковый шлак с отличной жидкоподвижностью, то шлак вспенивается выделяющимися пузырями газа. Уровень шлака становится выше порога рабочего окна и шлак вытекает из печи. Выход шлака усиливают, наклоняя печь в сторону рабочего окна на маленький уголок. Шлак стекает в шлаковик) , стоящую под рабочей площадкой цеха. За пора окислительного периода окисляют 0,3—0,6 % C со средней скоростью 0,3—0,5 % С/ч. Для обновления состава шлака вместе с тем с рудой в печь добавляют известь и маленькие количества плавикового шпата для обеспечения жидкоподвижности шлака. Непрерывное окисление ванны и скачивание окислительного известкового шлака являются непременными условиями удаления из стали фосфора. Для протекания реакции окисления фосфора 2[P]+5[O]=(P2O5) ; (Р2O5) +4(СаО) ==(СаО) 4*P2O5 нужны высокое содержание кислорода в металле и шлаке, повышенное содержание CaO в шлаке и пониженная температура. В электропечи первые 2 условия целиком выполняются. Выполнение последнего условия обеспечивают наводкой свежего шлака и постоянным обновлением шлака, так как шлак, насыщенный (СаО) 4*P2O5 скачивается из печи. По ходу окислительного периода происходит дегазация стали—удаление из нее водорода и азота, которые выделяются в пузыри СО, проходящие посредством металл. Выделение пузырьков СО сопровождается кроме того и удалением из металла неметаллических включений, которые выносятся на поверхность потоками металла либо поднимаются ввысь совместно с пузырьками газа. Хорошее кипение ванны обеспечивает перемешивание металла, выравнивание температуры и состава. Общая продолжительность окислительного периода составляет от 1 до 1,5 ч. Для интенсификации окислительного периода плавки, а кроме того для получения стали с низким содержанием углерода, в частности хромоникелевой нержавеющей с содержанием углерода <=0,1 %, металл продувают кислородом. При продувке кислородом окислительные процессы грубо ускоряются, а температура металла повышается со скоростью эдак 8— 10 С/мин. Чтобы металл не перегрелся, вводят охлаждающие добавки в виде стальных отходов. Применение кислорода является единственным способом получения низкоуглеродистой нержавеющей стали без значительных потерь ценного легирующего хрома при переплаве. Окислительный отрезок времени заканчивается, когда содержание углерода становится ниже заданного предела, содержание фосфора 0,010%, температура металла немного выше температуры выпуска стали из печи. В конце окислительного периода шлак стараются всецело прибирать из печи, скачивая его с поверхности металла.  

      Восстановительный отрезок времени  плавки. После скачивания окислительного шлака начинается восстановительный отрезок времени плавки. Задачами восстановительного периода плавки являются: раскисление металла, удаление серы, корректирование химического состава стали, регулирование температуры ванны, подготовка жидкоподвижного неплохо раскисленного шлака для обработки металла во пора выпуска из печи в ковш. Раскисление ванны, т.е. удаление растворенного в ней кислорода, осуществляют присадкой раскислителей в металл и на шлак. В начале восстановительного периода металл покрывается слоем шлака. Для данного в печь присаживают шлакообразующие смеси на основе извести с добавками плавикового шпата, шамотного боя, кварцита. В качестве раскислителей как правило используют ферромарганец, ферросилиций, алюминий. При введении раскислителей происходят следующие реакции: [Mn]+[O]=(MnO) ; [Si]+2 [О] = (SiO2) ; 2[Al]+ 3[O]-(Al2O3) . В результате процессов раскисления немаленькая доля растворенного кислорода связывается в оксиды и удаляется из ванны в виде нерастворимых в металле неметаллических включений. Процесс тот самый протекает довольно одним духом и продолжительность восстановительного периода в основном определяется временем, необходимым для образования подвижного шлака. В малых и средних печах при выплавке ответственных марок сталей продолжают употреблять приём диффузионного раскисления стали сквозь шлак, когда раскислители в виде молотого электродного боя, порошка ферросилиция присаживают на шлак. Содержание кислорода в шлаке понижается и в соответствии с законом распределения кислород из металла переходит в шлак. Метод тот самый, вообще и не оставляет в металле оксидных неметаллических включений, требует немаловажно большей затраты времени. В восстановительный отрезок времени плавки, а кроме того при выпуске стали под слоем шлака, когда происходит отличное перемешивание металла со шлаком, бойко происходит десульфурация металла. Этому способствует отличное раскисление стали и шлака, высокое содержание извести в шлаке и высокая температура. В ходе восстановительного периода вводят легирующие – ферротитан, феррохром и др., а кое-какие, к примеру никель, присаживают сообща с шихтой. Никель не окисляется и не теряется при плавке. Добавки тугоплавких ферровольфрама, феррониобия производят в начале рафинирования, так как необходимо значительное пора для их расплавления. В подлинное период большинство операций восстановительного периода переносят из печи в ковш. Например, в кош вводят порции легирующих либо дают их на струю стали, вытекающей из печи при ее наклоне. Присаживают по ходу выпуска раскислители. Целью восстановительного периода является обеспечение нагрева стали до заданной температуры и создание шлака, десульфурирующая способность которого употребляется при совместном выпуске из печи вкупе со сталью. 

        Одношлаковый ход. В связи с интенсификацией процесса электроплавки в последние годы получил немаленькое распространение способ плавки в дуговой печи под одним шлаком. Сущность данного способа содержится в следующем: дефосфорация металла совмещается с периодом расплавления. Во время расплавления из печи скачивают шлак и производят добавки извести. В окислительный отрезок времени выжигают углерод. По достижении в металле << 0,035 % Р производят раскисление стали без скачивания шлака ферросилицием и ферромарганцем. Затем присаживают феррохром и проводят сокращенный (50—70 мин) восстановительный отрезок времени с раскислени-ем шлака порошками ферросилиция и кокса и раскислением металла кусковыми раскислителями. Окончательное раскисление производят в ковше ферросилицием и алюминием. В некоторых случаях совсем не проводят раскисления шлака в печи порошкообразными раскислителями. 

      Переплав  отходов. На заводах специальных сталей число образующихся отходов достигает 25—40 % от выплавляемой стали. Часть отходов поступает с машиностроительных заводов, потому в электросталеплавильных цехах 50 % легированных сталей выплавляют из шихты, состоящей только из них. Рациональное употребление отходов дает немаленькую экономию легирующих, электроэнергии, повышает производительность электропечей. В СССР легированные отходы разделяют на 82 группы. При расчете шихты стремятся применять максимальное число отходов этой марки стали либо максимально близких марок Шихту составляют с таким расчетом, чтобы содержание углерода в ванне по расплавлении было на 0,05— 0,10 % ниже заданного маркой стали. Необходимые легирующие, неокисляющиеся добавки Ni Cu, Mo, W загружают сообща с шихтой, а другие – V, Тi, Cr, Mn, Al, Si, Nb – стремятся вводить как разрешается позднее на разных стадиях плавки, в том числе и во момент выпуска в ковш. Металл заданного состава получают в процессе рафинировки либо в ковше. Во пора плавки наводят высокоосновной, жидкоподвижный шлак, что частично скачивают из печи. Это позволяет удалить до 30 % фосфора. Если состав металла близок к расчетному, то, не скачивая шлака, приступают к раскислению шлака молотым коксом, ферросилицием и алюминием. При данном легирующие элементы восстанавливаются из шлака и переходят в металл, в частности, так восстанавливается оксид хрома: 2(Cr2O3) +3 (Si) =3(SiO2) +4 [Cr]. Продолжительность восстановительного периода в данном варианте технологии такая же, как и в плавках с окислением. Плавка на отходах существенно короче (примерно на 1 ч) по сравнению с плавкой на свежей шихте за счет окислительного периода. Это увеличивает производительность электропечей на 15—20 % и сокращает расход электроэнергии на 15 %.  

      Методы  интенсификации электросталеплавильного  процесса. 

      Применение  кислорода. Использование газообразного кислорода в окислительный отрезок времени плавки и в отрезок времени расплавления позволяет существенно интенсифицировать процессы расплавления и окисления углерода.  

      Применение  синтетического шлака. Этот алгоритм предусматривает перенесение рафинирования металла из электропечи в разливочный ковш. Для рафинирования металла выплавляют синтетический шлак на основе извести (52–55%) и глинозема (40%) в специальной электродуговой печи с угольной футеровкой. Порцию, жидкого, горячего, активного шлака (4–5 % от массы стали, выплавленной в электропечи) наливают в первостепенный сталеразливочный ковш. Ковш подают к печи и в него выпускают сталь. Струя стали, падая с большущий высоты, ударяется о поверхность жидкого шлака, разбивается на мелкие капли и вспенивает шлак. Происходит перемешивание стали со шлаком. Это способствует активному протеканию обменных процессов между металлом и синтетическим шлаком. В первую очередность протекают процессы удаления серы благодаря низкому содержанию FeO в шлаке и кислорода в металле; повышенной концентрации извести в шлаке, высокой температуре и перемешиванию стали со шлаком. Концентрация серы может быть снижена до 0,001 %. При данном происходит значительное удаление оксидных неметаллических включений из стали благодаря ассимиляции, поглощению данных включений синтетическим шлаком и перераспределению кислорода между металлом и шлаком.  

       Обработка металла аргоном. После выпуска стали из печи посредством объем металла в ковше продувают аргон, что подают или посредством пористые пробки, зафутерованные в днище, или посредством швы кладки подины ковша. Продувка стали в ковше аргоном позволяет выровнять температуру и химический состав стали, понизить содержание водорода, удалить неметаллические включения, что в конечном итоге позволяет повысить механические и эксплуатационные свойства стали.  

       Применение  порошкообразных материалов. Продувка стали в дуговой электропечи порошкообразными материалами в токе газаносителя (аргона либо кислорода) позволяет ускорить важнейшие процессы рафинирования стали: обезуглероживание, дефосфорацию, десульфурацию, раскисление металла. В струе аргона либо кислорода в ванну вдуваются порошки на основе извести, плавикового шпата. Для раскисления металла используют порошкообразный ферросилиций. Для окисления ванны и для ускорения удаления углерода и фосфора добавляют оксиды железа. Мелкораспыленные твердые материалы, попадая в ванну металла, имеют немаленькую поверхность контакта с металлом, во хоть отбавляй раз превышающую площадь контакта ванны со шлаковым слоем. При данном происходит интенсивное перемешивание металла с твердыми частицами. Все это способствует ускорению реакций рафинирования стали. Кроме того, порошкообразные флюсы могут употребляться для больше быстрого наведения шлака.  

       Плавка  в кислой электропечи. Кислые электропечи футеруют огнеупорными материалами на основе кремнезема. Эти печи имеют больше глубокие ванны и в связи с данным меньший диаметр кожуха, меньшие тепловые потери и расход электроэнергии. Стойкость футеровки свода и стен кислой печи немаловажно выше, чем у центровой. Это объясняется малой продолжительностью плавки. Печи с кислой футеровкой вместимостью 1—3 т применяются в литейных цехах для производства стального литья и отливок из ковкого чугуна. Они допускают периодичность в работе, т.е. работу с перерывами. Известно, что основная футеровка резво изнашивается при частом охлаждении. Расход огнеупоров на 1 т стали в кислой печи ниже. Кислые огнеупоры дешевле, чем основные. В кислых печах быстрее разогревают металл до высокой температуры, что нужно для литья. Недостатки кислых печей связаны раньше всего с характером шлака. В данных печах шлак кислый, состоящий в основном из кремнезема. Поэтому эдакий шлак не позволяет удалять из стали фосфор и серу. Для того чтобы располагать содержание данных примесей в допустимых пределах, нужно подбирать специальные шихтовые материалы, чистые по фосфору и по сере. Кроме того, кислая сталь обладает пониженными пластическими свойствами по сравнению с главный сталью вследствие присутствия в металле высококремнистых неметаллических включений. Технология плавки в кислой электропечи имеет следующие особенности. Окислительный отрезок времени плавки непродолжителен, кипение металла идет слабо, так как кремнезем связывает РеО в шлаке и тем самым прыть перехода кислорода в металл для окисления углерода снижается. Кислый шлак больше вязкий, он затрудняет кипение. Шлак наводят присадками песка, использованной формовочной земли. Известь присаживают до содержания в шлаке не больше 6—8 % СаО. Раскисление кислой стали проводят, как правило, присадкой кускового ферросилиция. Частично сталь раскисляется кремнием, что восстанавливается из шлака либо из футеровки по реакциям: (SiO2) +2Fe=2(FeO) +[Si]; (SiO2) +2[C]=2CO+[Si]. В различие от основного процесса при кислом ферромарганец присаживают в конце плавки в раздробленном виде в ковш. При таком способе усваивается до 90 % марганца. Конечное раскисление проводят алюминием.  

       Получение низкоуглеродистой  коррозионностойкой стали (процессы AOD и VOD) 

       Широкое распространение получают методы производства низкоуглеродистой коррозионностойкой стали за пределами электропечи. Метод AOD. В электропечи выплавляют основу нержавеющей стали, содержащей заданное число хрома и никеля, с использованием недорогих, высокоуглеродистых ферросплавов. Затем сталь совместно с печным шлаком заливают в конвертер. Футеровка конвертера изготовлена из магнезитохромитового кирпича. Стойкость футеровки до 200 плавок. В нижней зоне футеровки, в третьем ряду кирпичной кладки от днища конвертера. Фурмы представляют собой конструкцию из медной внутренней трубы и наружной трубы из нержавеющей стали, внутренний диаметр фурмы 12—15 мм. Начальное содержание углерода в стали может быть для ферритных хромистых сталей 2,0—2,5 %, а для аустенитных сталей 1,3—1,7 %. В первые 35 мин сталь продувают смесью кислорода и аргона в соотношении 3: 1. Во избежание перегрева металла в о, конвертер присаживают лом — этой марки стали, феррохром и т.п. Затем в течение 9 мин сталь продувают смесью кислорода и аргона в соотношении 1: 1. В это час концентрация углерода снижается до 0,18%. В третьем периоде в продувочном газе ещё больше уменьшают касательство кислорода к аргону до 1: 2, продувку продолжают ещё 15 мин. За это момент содержание углерода снижается до 0,035%. Температура повышается до 1720°С. В конце продувки присаживают известь и ферросилиций для восстановления хрома из шлака. После восстановления шлак, содержащий 1 % Cr2O3, скачивается и после этого наведения нового шлака проводят окончательную продувку аргоном. При данном в шлак переходит сера, ее содержание в металле снижается до 0,010 %. В результате процесса AOD получают высококачественную нержавеющую сталь с низким содержанием углерода, серы, азота, кислорода, сульфидных и оксидных неметаллических включений, с высокими механическими свойствами. Для повышения экономичности процесса аргон частично заменяют азотом. Средняя продолжительность продувки составляет 60—120 мин, расход аргона составляет 10—23 м^3/т, кислорода 23 м^3/т. На рис. 82 представлено трансформирование температуры и состава металла. Степень извлечения хрома составляет 98%.