Современные способы выплавки стали в дуговых печах рябов а в и др

Обновлено: 02.07.2024

Современные способы выплавки стали в дуговых печах

Это издание охраняется авторским правом. Доступ к нему может быть предоставлен в помещении библиотек — участников НЭБ, имеющих электронный читальный зал НЭБ (ЭЧЗ).

В связи с тем что сейчас посещение читальных залов библиотек ограничено, документ доступен онлайн. Для чтения необходима авторизация через «Госуслуги».

Для получения доступа нажмите кнопку «Читать (ЕСИА)».

Если вы являетесь правообладателем этого документа, сообщите нам об этом. Заполните форму.

Современные способы выплавки стали в дуговых печах рябов а в и др

Металлургия благородных металлов

И.Н. Масленицкий, Л.В. Чугаев, В.Ф. Борбат. Под ред. Л.В. Чугаева

Издательство:

Металлургия

Во втором издании (первое – в 1972 г.) рассмотрены теория и практика металлургии благородных металлов. Описаны физико-химические основы процессов извлечения золота и серебра из коренных руд. Изложены термодинамика и кинетика процессов цианирования, осаждения и аффииажа золота и серебра. Приведены наиболее распространенные и перспективные методы извлечения золота из упорных руд и концентратов, получения металлов платиновой группы и их свойства. Рассмотрена переработка вторичных благородных металлов.

Современные способы выплавки стали в дуговых печах рябов а в и др

В книге обобщается экспериментальный материал по теории и практике легирования стали.

Приводятся сведения о строении и свойствах легированных сталей, о влиянии элементов на процессы, происходящие в сталях. Рассматриваются принципы легирования сталей различного назначения, а также возможности воздействия на их свойства.

Книга предназначается для инженерно-технических и научных работников металлургической, машиностроительной, приборостроительной и смежных отраслей промышленности и может быть использована в качестве пособия студентами металлургических и машиностроительных вузов.

Современные способы выплавки стали в дуговых печах

Плавка в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) с непрерывной загрузкой металлошихты в расплавленный металл по типу процесса Consteel, когда дуга в течение всей плавки горит на «плоском» зеркале жидкой ванн, имеет значительные энергетические преимущества перед традиционной плавкой с бадьевой загрузкой, когда плавится холодный скрап. Эти преимущества связаны со стабилизацией работы печи и особенностями физических процессов горения дуги на холодном скрапе и на жидком металле и проявляются в более высокой доле активной мощности, отбираемой печью от питающего трансформатора, снижении уровня шума во время плавки, меньшем воздействии работающей ДСП на других потребителей питающей электросети (например, устраняется фликер-эффект «мерцания» электроосвещения).

Теоретическое обоснование этих преимуществ следующее.

Электрическая дуга имеет двойной характер теплообмена: внешний, с турбулентными струями газа, обдувающими дугу, и внутренний, по длине столба дуги между различными частями термической плазмы. Первая двухслойная теплообменная структура отражает процесс обмена ламинарной плазмы с турбулентным газом на поверхности дуги и характеризуется переходом кондуктивных потоков тепла в объеме ламинарной плазмы в конвективные тепловые потоки в турбулентном газе, окружающем плазму дуги. Вторая двухслойная структура теплообмена электрической дуги делит объем термической плазмы на две части с различными механизмами переноса тепла: турбулентным в прикатодной области столба и ламинарным в удалении от катода. В прикатодной части столба дуги происходит интенсивная турбулизация плазмы вблизи эмиссионной поверхности катода, что обусловливает преобладание конвективного процесса теплообмена между дугой и окружающей средой, в удалении от катода плазма остается ламинарной, и в этой части столба сильноточной дуги с током в десятки килоампер преобладает излучение плазмы.

Процесс интенсивной турбулизации плазмы вблизи катода дуги является причиной неустойчивости электрических и тепловых процессов в плазме и источником значительных возмущений в режиме горения дуги. В свою очередь, эти возмущения являются основным источником генерируемых дугой высокочастотных гармоник в токе, вызывающих потерю потребляемой печью активной мощности и возмущение в питающей электросети.

Во время горения электрической дуги в ДСП переменного тока периодически изменяются ее электрические, геометрические и тепловые параметры; при этом аккумулирование теплоты плазмой дуги в прикатодной области столба вносит инерционность в процесс изменения параметров. Чем выше температура в зоне горения дуги и ионизация дугового промежутка, тем стабильнее движение плазмы от электрода под отрицательным электрическим потенциалом (катода) к электроду, который в данный период тока является анодом. Такие условия создаются при горении дуги на зеркале жидкой ванны, когда меняющие полярность металл и графитированный электрод находятся в горячем состоянии. При плавке холодного скрапа, когда дуговой промежуток недостаточно прогрет, дуга часто обрывается, при обвале кусков скрапа возникают короткие замыкания между металлом и электродами и броски рабочего тока. Эти возмущения - обрыв и зажигание дуги -вызывают резкое увеличение и «схлопывание» объема газовой фазы вокруг дуги и появление колебаний звуковой частоты с амплитудой до 100 дБ, что существенно превышает санитарно допустимый уровень шума.

Именно стремление защитить персонал от вредного воздействия шума ДСП привело изобретателя технологии ConsteelДж. Валломи (JohnVallomy) к решению вести всю электроплавку в режиме стабильного и малонгумного горения дуг на жидкий металл и загружать конвейером скрап в расплавленную ванну, где он растворяется и плавится, оставляя поверхность ванны жидкой.

Периодическое изменение в пространстве положения катода и анода в дуге переменного тока с частотой 50 Гц влияет на процесс образования дуговых пятен на катоде и аноде. Когда катодом является графитированный электрод, превалирующим видом эмиссии электронов является термоэмиссия, когда катодом является расплавленный металл, возрастает роль автоэлектронной эмиссии. Эта несимметрия в динамическом процессе горения дуги приводит к появлению постоянной составляющей тока и высокочастотных гармоник в токе, повышающих значение эксплуатационной реактивности электропечного контура (Х_экс) против значения реактивности в режиме короткого замыкания (Х_кз). При нестабильной дуге это превышение может составлять 20% и более, и его уменьшение является основным резервом для роста активной мощности, отбираемой печью от печного трансформатора. Такой рост может происходить за счет снижения Х_экс при стабилизации дуги в режиме горения на жидкую ванну.

В зависимости от стадии плавки и выбранного энерготехнологического режима ввода мощности меняются параметры дуги: продольный градиент напряжения; температура плазмы дуги; радиус столба дуги. От ламинарной части столба сильноточной дуги, в котором преобладает излучение плазмы, в значительной мере зависят скорость плавления металла, устойчивость горения дуги, устойчивость и качество регулирования мощности дуги. Каждая стадия плавки характеризуется плазмообразующей средой и ее температурой. Энергетические условия горения дуги в ДСП рассматривали для следующих стадий плавки:

FS1 - плавление холодного скрапа после загрузки в печь. Дуги нестабильно горят в проплавленных в шихте «колодцах» в условиях частых обрывов дуги и коротких замыканий электродов на холодный скрап, дуговой промежуток не прогрет, эмиссия электронов затруднена.

FS2 - плавление шихты после очередной подвалки в печь холодного скрапа. Горение дуг стабилизируется, дуговой промежуток прогрет, однако обрывы дуги и короткие замыкания продолжаются.

FS3 - конец плавления. Дуги горят на зеркало жидкой ванны, поведение дуги стабильное, дуговой промежуток прогрет, процесс эмиссии электронов развит, обрывы дуги и короткие замыкания не происходят. Такой режим отвечает условиям технологии с непрерывной загрузкой скрапа в жидкий металл.

Производство стали в электропечах (электрометаллургия)

Плавка в электропечах имеет ряд преимуществ перед плавкой в конверторах и мартеновских печах. Высокая температура позволяет применять сильноосновные шлаки, вводить большое количество флюсов и достигать максимального удаления из стали серы и фосфора. Для плавки в электропечи не требуется воздуха; окисляющая способность печи невысока, поэтому количество FeO в ванне незначительно, сталь получается достаточно раскисленная и плотная.

Исходными материалами для плавки в электропечах являются стальной лом, железная руда, окалина. Передельный мартеновский чугун применяют только для сталей с высоким содержаниемуглерода, но чаще заменяют электродным боем или малосернистым коксом.

В качестве флюсов в основных печах применяют известь, а в кислых печах — кварцевый песок. Для разжижения основных шлаков применяют плавиковый шпат, боксит и шамотный бой, а для кислых шлаков — известь и шамотный бой. Для раскисления стали, кроме обычных ферросплавов, применяют комплексные раскислители (АМС, содержащий по 10% кремния, марганца и алюминия, силикомарганец, силикокальций).

Все материалы, загружаемые в электрические печи, должны быть сухими, чтобы не произошло насыщения стали водородом от разложения влаги.

Рис. 1. Схема дуговых электропечей с разными способами нагрева

Электрические печи для плавки металла делятся на три вида: печи сопротивления, дуговые и индукционные.

Для плавки стали применяют в основном дуговые и индукционные печи, а в печах сопротивления плавят сплавы цветных металллов.

Дуговые печи наиболее распространены в промышленности, так как устройство и эксплуатация их несложны, коэффициент полезного действия высок и, кроме того, в них можно выплавлять самые разнообразные сорта стали и сплавов цветных металлов. В дуговых печах электроэнергия превращается в тепловую энергию дуги, которая передается плавящейся шихте посредством излучения.

На рис. 6 показаны схемы трех основных типов дуговых электропечей, различающихся по способу нагрева: печи прямого действия (рис. 1, а), печи косвенного действия (рис. 1, б) и печи с закрытой дугой (рис. 1,в).

Печи прямого действия с вертикальным расположением электродов в настоящее время применяются только для выплавки стали и имеют емкость от 0,5 до 180 т .

Дуговая электропечь одета стальным кожухом и выложена огнеупорным кирпичом. Рабочее пространство печи сверху ограничено-сводом 1, снизу — подом. Свод печи съемный. Через него пропущены электроды 6. Современные электропечи работают на трехфазном переменном токе и потому имеют три электрода.

Применяют угольные или графитовые электроды диаметром 200—500 мм. В передней стенке печи находится завалочное окно 2, которое служит для завалки шихты и наблюдения за ходом плавки. Для выпуска металла в задней стенке имеется отверстие 5 с желобом 4. В некоторых печах жидкий металл выпускается через желоб 4, вставляемый в завалочное окно 2. Для наклона печи служит механизм 3.

Кладку электросталеплавильных печей делают либо основной— при выплавке главным образом высококачественных и легированных сталей для поизводства слитков, либо кислой — при выплавке углеродистых и низколегированных сталей для фасонного литья.

В зависимости от емкости и конструкции печи загружаются различно: через завалочное окно вручную, лотками и завалочной машиной или сверху бадьей или корзиной после подъема и отвода в сторону свода или выкатывания печи.

После загрузки печи к электродам подводят ток. Благодаря высокой температуре горения дуги (около 3500° С) происходит бурное плавление шихты.

В первом периоде плавки примеси окисляются кислородом, находящимся в печи (главным образом кислородом железной руды). Образующаяся закись железа растворяется в металле и вступает в соединение с кремнием, марганцем, фосфором и углеродом. Образующиеся SiO ₂ , MnO , FeO и создают шлак.

Во втором периоде электроплавки происходит науглероживание металла, если количество углерода окажется ниже заданной нормы, затем раскисление и удаление серы. Раскислителем служит карбид кальция СаС₂.

В третьем периоде плавки производят доводку с целью получения легированных сталей: вводят феррохром, ферротитан, феррованадий и другие ферросплавы.

Индукционные печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов с низким содержанием углерода, а также для производства тонкостенного фасонного литья специальными методами (по выплавляемым моделям, под давлением и т. п.). Принцип действия индукционной печи заключается в том, что под действием переменного тока, подводимого к первичной катушке (индуктору) 2 (рис. 2), во вторичном кольце (расплавляемый металл 1, находящийся в тигле 3 индуктируется ток, энергия которого создает высокую температуру. Благодаря этому шихта расплавляется быстро и процесс плавки ускоряется.Эти печи существуют двух видов: с железным сердечником и без сердечника (высокочастотные печи). Печи с железным сердечником применяют в литейных цехах для получения сплавов цветных металлов. Большое распространение в производстве стали получили индукционные высокочастотные печи без железного сердечника. Они применяются для плавки стали и специальных высоколегированных сплавов. емкость высокочастотных печей от 10 кг до 10 т .

Тигель высокочастотной печи изготовляют либо из кислых, либо (реже) из основных материалов.

Рис 2. Индукционная электропечь

Электрошлаковый переплав стали представляет собой совершенно новый метод получения высококачественных легированных сталей, в том числе и быстрорежущих. Он разработан Институтом электросварки им. Е. О. Патона Академии наук УССР.

Сущность его состоит в том, что слитки из стали, полученной в обычных печах, перерабатываются на электроды для последующей переплавки их в электрошлаковой печи. плавление электродов происходит не за счет тепла электрической дуги, а за счет тепла, выделяющегося в слое расплавленного шлака, служащего сопротивлением при прохождении через него электрического тока. Принцип электрошлакового переплава очень прост. Электрод-слиток 1 (рис. 3) диаметром до 150 мм и длиной от 2 до б м вводят в медный водоохлаждаемый кристаллизатор 2, который представляет собой полый цилиндр. К дну кристаллизатора прикреплен поддон 5 с затравкой 4 — это шайба из переплавляемой стали. На затравку насыпают электропроводный флюс из порошка алюминия с магнием. В зазор между слитком-электродом и стенкой кристаллизатора засыпают рабочий флюс 3, состоящий из Аl₂ O ₃ , CaFe ₂ и СаО. Плавка происходит следующим образом.

Электрод опускают до соприкосновения с флюсом, находящимся на затравке, и включают ток. В процессе плавления рабочий флюс превращается в шлак с температурой 2500° С. Под действием тепла электрод расплавляется, каждая капля его проходит через слой расплавленного шлака и очищается от вредных примесей и газов. Из этих капель формируется новый слиток. Содержание серы в слитке уменьшается в полтора-два раза. В стали почти нет неметаллических включений, что объясняется тем, что в печи нет огнеупорной кладки, соприкасающейся с металлом. Особенно ценным свойством этой стали является почти равномерное распределение в слитке остающихся после переплава включений, крупные скопления которых являются основной причиной разрушения изделий. Слитки не имеют пористости, усадочной рыхлости, мельчайших внутренних трещин, что очень важно при работе деталей в условиях ударных нагрузок. Электрошлаковый переплав с успехом применяют для получения шарикоподшипниковой, быстрорежущей, нержавеющей и некоторых других сталей.

Плавка стали в дуговых печах

Этот метод плавки применяют при использовании стального лома с повышенным содержанием фосфора и серы, а также для выплавки малоуглеродистой стали.

Плавка состоит из шести периодов, в числе которых периоды заправки печи, загрузки шихты, плавления, окислительный период, восстановительный период и период выпуска готовой стали.

Шихта состоит из собственного возврата около 50%, чушкового чугуна до 10 % для создания избытка углерода, необходимого для кипения, и стального лома. Чтобы совместить удаление фосфора с расплавлением шихты, в завалку добавляют 2. 3% извести и около 2 % руды.

Заправка проводится немедленно после выпуска предыдущей плавки. Подина, откосы и все углубления очищают от оставшихся металла и шлака, и на поврежденные места забрасывают магнезитовый порошок.

Загрузку ведут с помощью корзины (бадьи) с раскрывающимся дном, которую вводят в открытую печь сверху. При заполнении корзины на дно укладывают часть мелкой шихты, чтобы защитить подину от ударов крупных кусков лома. Затем в центре укладывают крупный лом, а по периферии сверху оставшийся мелкий лом и возврат.

Плавление ведут путем проплавления колодцев при максимальной мощности трансформатора. В период плавления полностью окисляется кремний, 40. 60% марганца, происходит частичное окисление фосфора, углерода и железа. Формируется шлак, в составе которого содержится 0,5. 1,5 % Р₂O₅.

В период окисления необходимо обеспечить следующие процессы:

• уменьшить содержание фосфора в металле до 0,01 . 0,015 %;

• довести содержание углерода до заданного;

• дегазировать расплав и обеспечить всплытие твердых неметаллических включений;

• перегреть металл до температуры, близкой к температуре выпуска.

Если необходимая скорость окисления не обеспечивается оксидами железа, содержавшимися в шихте, и притоком кислорода в печь за счет газоотсоса, то в печь добавляют железную руду либо вводят газообразный кислород.

Окислительный период начинается со скачивания шлака, образовавшегося в период расплавления, для удаления из печи фосфора. Скачивание фосфористого шлака облегчено возможностью наклона печи в сторону рабочего окна на 10. 15°. После наведения нового шлака добавкой свежеобожженной извести и руды продолжается окисление фосфора и начинается интенсивное окисление углерода (кипение стали). Связанное с этим выделение пузырьков СО вспенивает шлак, в результате чего фосфористый шлак стекает через порог рабочего окна. Таким образом, содержание фосфора в металле удается снизить до 0,01 %.

Кипение стали сопровождается удалением азота и водорода, растворившихся в ней в предыдущих периодах плавки, а также флотацией «неметаллической мути». Для успешного протекания этих процессов количество углерода, окисленного в процессе кипения, должно быть не менее 0,35 % при плавке углеродистых сталей и не менее 0,45 % при плавке легированных сталей. Продолжительность окислительного периода составляет 35. 50 мин. Применение кислорода в окислительном периоде уменьшает продолжительность этого периода и сокращает расход электроэнергии и руды.

Когда содержание углерода в стали достигнет заданного, окислительный период завершают. Для этого полностью скачивают шлак окислительного периода во избежание возврата остатков фосфора в металл.

Восстановительный период. Задачами этого периода являются:

• доведение химического состава до заданного;

• перегрев металла до заданной температуры.

Эти задачи решаются практически параллельно под белым шлаком. Для его наведения вводят шлаковую смесь, состоящую из извести, плавикового шпата и шамотного боя. После расплавления смеси образуется жидкоподвижный шлак, с помощью которого успешно протекает диффузионное раскисление стали. Для раскисления шлака в него вводят смесь размолотого ферросилиция и кокса при их расходе по 5 кг/т металла каждого. В соответствии с законом распределения концентрация моноксида железа в металле уменьшается пропорционально ее концентрации в шлаке. Преимуществом диффузионного раскисления является то, что реакции раскисления протекают в шлаке, поэтому продукты раскисления образуются и остаются в шлаке, и не «замутняют» металл. О степени завершенности диффузионного раскисления судят по цвету затвердевшей пробы шлака. По мере уменьшения в нем содержания FeO застывшая проба шлака светлеет. Белый цвет рассыпающегося в порошок шлака свидетельствует об окончании процесса диффузионного раскисления.

Десулъфурация металла в основных дуговых печах характеризуется максимальной эффективностью по сравнению с ранее рассмотренными процессами. Это объясняется максимально полной реализацией трех условий ее протекания.

• высокая основность шлака;

• высокая температура шлака, нагреваемого электрической дугой, обеспечивающая хорошую активность, несмотря на высокую основность;

• низкая окисленность шлака и металла.

В результате коэффициент распределения серы между шлаком и металлом составляет 20. 60 (для сравнения напомним, что в основной мартеновской печи его значения не превышают 10).

В конце восстановительного периода проводят легирование металла элементами, имеющими высокое сродство к кислороду. В некоторых случаях восстановительный период проводят не под белым, а под карбидным шлаком. Для этого после скачивания шлака окислительного периода в печь вводят шлаковую смесь, содержащую, кроме извести и плавикового шпата 6. 8 кг молотого кокса на 1 т металла. Печь герметизируют, выключают газоотсос, при этом в зоне горения дуги образуется карбид кальция по реакции

СаО + ЗС = СаС₂ + СО.

Образующийся карбид кальция обладает исключительно высокой раскислительной и десульфурирующей способностью:

3FeO + СаС₂= 3Fe + СаО + 2СО;

3МnО + СаС₂ = 3Мn + СаО + 2СО;

3FeS + СаС₂ + 2СаО = 3CaS + 3Fe + 2СО,

3MnS + СаС₂ + 2СаО = 3CaS + ЗМn + 2СО.

Выдержка под карбидным ишаком, содержащим 1,5. 2 % СаС₂, составляет 30. 40 мин, тем не менее, при выпуске металла частицы карбидного шлака смешиваются с ним, образуя загрязнения металла. Поэтому за 20. 30 мин до выпуска карбидный шлак переводят в белый. Для этого открывают рабочее окно печи и включают газоотсос. Кислород воздуха окисляет карбид кальция до СаО и СО, превращая карбидный шлак в белый.

Обработка карбидным шлаком приводит к увеличению содержания в металле углерода, что делает процесс непригодным для выплавки низкоуглеродистых сталей. Наибольшее применение процесс получил для выплавки высокоуглеродистых и легированных инструментальных сталей.

Легирование.

Порядок ввода легирующих определяется их сродством к кислороду. Чем выше сродство элемента к кислороду, тем позже следует его вводить в металл. Никель, молибден, медь во время плавки не окисляются, поэтому их вводят в начальные периоды плавки. Хром, марганец и вольфрам обладают большим сродством к кислороду, чем железо, поэтому легирование этими элементами проводят только после раскисления ванны. В связи с высокой температурой плавления ферровольфрама (около 2000 °С) он медленно растворяется в металле, поэтому его присаживают в ванну не позднее, чем за 30 мин до выпуска. Кремний, ванадий, титан и алюминий особенно легко окисляются, поэтому феррованадий вводят за 15. 35 мин до выпуска, ферросилиций — за 10. 20 и алюминий — за 2. 3 мин до выпуска. Ферротитан вводят в ковш, либо в печь за 5. 10 мин до выпуска металла.

Плавка стали в основной дуговой печи без окисления примесей. Этот метод наиболее рационален при выплавке легированных сталей с использованием в шихте легированного лома и отходов. Отсутствие окислительного периода позволяет в максимальной степени сохранить легирующие элементы, содержащиеся в шихте. Для получения заданного состава требуются минимальные присадки легирующих добавок, компенсирующие угар при расплавлении. Ориентировочно величины угара при расплавлении составляют:

Элемент. Al Ti Si V Μn Cr W

Угар, %. 100 80. 90 40. 100 15. 20 15. 25 10. 15 5. 15

После расплавления шлак, как правило, не скачивают, имея в виду возможность частичного восстановления оксидов легирующих элементов, содержащихся в нем.

Раскисление, десульфурацию и легирование проводят так же, как при плавке с окислением примесей.

Особенности кислого процесса.

Кислая футеровка обладает большей термостойкостью по сравнению основной, что является важным ее преимуществом в условиях литейных цехов, работающих с перерывами в одну или две смены. Кроме того, пониженная отражательная способность кислого шлака уменьшает тепловую нагрузку на футеровку.

По этим причинам стойкость футеровки кислых дуговых печей выше, чем основных. Стоимость кислых огнеупоров в 2 —2,5 раза ниже, чем основных.

Теплопроводность кислых огнеупоров ниже, чем основных, что способствует уменьшению тепловых потерь. Влияние шлака на металл в кислых печах менее существенно, чем в основных. Поэтому глубина ванны в кислых печах больше, чем в основных при том же диаметре ванны. В результате этого тепловой КПД кислых печей выше, чем основных. Этим объясняется широкое использование кислых дуговых печей в сталелитейных цехах.

Шихта. Для плавки в кислых дуговых печах содержание серы и фосфора в шихте должно быть ниже допустимого предела в готовой стали, так как удалить их в процессе плавки не удается.

Для эффективного рафинирования металла в процессе кипения содержание углерода в шихте должно быть большим, чем в готовом металле, на 0,15. 0,20 %. Для этого в шихту наряду с возвратом и отборным стальным ломом добавляют передельный чугун, кокс или электродный бой. Порядок загрузки шихты в печь такой же, как при основном процессе.

Период расплавления сопровождается окислением кремния, марганца, железа и углерода. Доля образующегося при этом шлака невелика, поэтому для улучшения защиты расплавляемого металла от окисления и растворения газов объем шлака увеличивают добавкой сухого песка, шлака предыдущей плавки или формовочной смеси. В конце периода расплавления шлак имеет следующий состав, %: SiO₂ 40. 50; FeO 15. 30; MnO 10. 30; Аl₂O₃ 2. 6; прочие оксиды 5. 15.

Окислительный период имеет целью дегазацию металла в процессе кипения. Окисление углерода происходит оксидами железа и марганца, содержащимися в шлаке. При этом содержание Si0₂ в шлаке растет, и к концу кипения оно достигает 60 %, способствуя процессу восстановления кремния.

При активном процессе восстановление кремния сдерживают присадкой руды и извести, кипение продолжают до достижения заданного содержания углерода. Раскисление проводят в два этапа — введением ферросилиция и ферромарганца в печь, а при выпуске металла — присадкой алюминия в ковш.

При кремневосстановительном процессе содержание восстановленного кремния доводят до 0,2 %. При этом требуется только раскисление в ковше алюминием.

Особенности плавки стали в дуговых печах постоянного тока.

Дуговые сталеплавильные печи постоянного тока получили распространение с начала 1980-х гг., после того, как было освоено производство мощных, экономичных и надежных выпрямителей на базе тиристоров. К 1993 г. в мире эксплуатировалось около 80 печей постоянного тока емкостью до 150 т.

Большая часть печей постоянного тока — это вновь создаваемые печи, но в ряде случаев они представляют собой результат реконструкции печей, работавших на переменном токе.

Дуговые печи постоянного тока обычно имеют только один графитовый электрод, диаметр которого может достигать 700 мм. По сравнению с электродами печей переменного тока, в которых наблюдается поверхностный эффект, плотность постоянного тока равномерна по сечению электрода. Важнейшее конструктивное отличие дуговой печи постоянного тока состоит в наличии подового электрода. Подовый электрод располагается не соосно с верхним электродом, а на расстоянии 500. 600 мм от оси печи. Это обеспечивает интенсивное электромагнитное перемешивание металла в ванне. Кроме того, к преимуществам таких печей относятся:

• уменьшение, примерно, в 5 —9 раз удельного расхода графитовых электродов;

• связанное с этим уменьшение вредных выбросов из печи;

• уменьшение шума и вибрации при работе печи;

• некоторое снижение расхода электроэнергии и угара металла при плавке.

В то же время следует отметить усложнение конструкции и эксплуатации пода печи в связи с расположением в нем подового электрода. Технология плавки в дуговых печах постоянного тока может не иметь существенных отличий от плавки в печах переменного тока. Но часто технологией предусматривается загрузка шихты на металл и шлак, частично оставленные в печи от предыдущей плавки. Используются также топливно-кислородные горелки в начале плавления и вдувание кислорода в ванну металла.

Источник:
Трухов А.П., Маляров А.И. Литейные сплавы и плавка М.: Академия, 2004.

Технологии производства стали в дуговых печах

Дуговая сталеплавильная печь состоит из металлического корпуса в виде кожуха, как правило, цилиндрической формы со сферическим днищем (рис. 7).

Дуговые печи строят различной емкости (до 250 т) и с трансформаторами мощностью до 125000 кВА.

Источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, возникающая между электродами и жидким металлом или шихтой при приложении к электродам электрического тока необходимой силы. Дуга представляет собой поток электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака. Температура электрической дуги превышает 3000 °С. Дуговые печи работают на переменном токе.

Технология плавки в основной дуговой электропечи

Шихта при плавке с полным окислением состоит, главным образом, из стального лома и чугуна, а также шлакообразующих (известь, известняк, плавиковый шпат, шамотный бой).

Завалка шихты начинается сразу после окончания заправки. Завалку шихты осуществляют сверху с помощью загрузочной корзины (бадьи).

Плавление. После окончания завалки свод с электродами устанавливают на печь, электроды опускают и включают ток. Под действием высокой температуры электрической дуги шихта плавится сначала под электродами, жидкий металл стекает вниз и накапливается в центральной части подины. Постепенно происходит полное расплавление шихты. Для ускорения плавления куски переплавившейся шихты с откосов печи сталкивают в зону электрических дуг. Характерной особенностью первого периода плавления является проплавление «колодцев» в шихте, в которые опускают электроды (или одного «колодца» в сверхмощных печах). В период плавления происходит образование шлака как за счет присадок извести, так и за счет окисления элементов, входящих в состав шихты. За время плавления полностью окисляется кремний, 50-60 % марганца, частично окисляются углерод и железо, окисляется фосфор.

Восстановительный период плавки имеет целью раскисление металла, удаление серы, доведение химического состава стали до заданного, регулирование температуры. Все эти задачи решаются параллельно в течение всего восстановительного периода. После полного удаления окислительного шлака в печь присаживают шлакообразующие смеси вместе с раскислителями, т. е. наводится новый шлак (карбидный или белый). В качестве раскислителей обычно используют ферромарганец, ферросилиций, алюминий. В печь присаживают также легирующие добавки для введения в металл необходимых легирующих элементов.

После этого металл выпускают из печи в установленный под желобом сталеразливочный ковш, для чего печь наклоняют в сторону сталевыпускного отверстия. При необходимости в ковше можно проводить дополнительное раскисление и легирование стали. Так осуществляется двушлаковый процесс выплавки.

Плавка на шихте из легированных отходов основана на переплаве без окисления. Прежде всего в таком процессе нет необходимости окислять углерод и фосфор, и железную руду в ванну не вводят. В связи с этим в шихте содержание фосфора не должно быть выше допустимого предела по этому элементу в готовой стали. Учитывая, что в процессе переплава в металле растворяется часть углерода электродов, начальное содержание углерода в ванне должно быть ниже, чем в готовой стали примерно на 0,1 %. Для дегазирующего барботирования ванны в качестве шлакообразующего компонента используют не известь, а известняк, разложение которого сопровождается выделением пузырей диоксида углерода. Шихта составляется только из отходов легированных сталей. При составлении шихты стремятся использовать максимальное количество отходов данной марки стали или близких к ней других марок. Такое рациональное использование отходов дает большую экономию легирующих элементов, электроэнергии и повышает производительность электропечей. На плавках методом переплава отсутствует окислительный период. При правильном расчете шихты после расплавления сразу начинается восстановительный период, металл раскисляют, добавляют некоторые легирующие и выпускают. Плавка методом переплава легированных отходов значительно короче по сравнению с обычной плавкой.

Технология плавки в кислой дуговой электропечи

Электродуговые печи с кислой футеровкой обычно используются при выплавке стали для фасонного литья. Емкость их составляет от 0,5 до 6,0-10 т. Кислая футеровка более термостойкая и позволяет эксплуатировать печь с учетом условий прерывной работы многих литейных цехов машиностроительных заводов. Основным недостатком печей с кислой футеровкой является то, что во время плавки из металла не удаляются сера и фосфор. Отсюда, очень высокие требования к качеству применяемой шихты по содержанию этих примесей.

Процесс плавления шихты проводят так же как в основных печах. Для снижения угара легирующих элементов, а также железа, в ванну вводят шлак от предыдущей плавки, а также кварцевый песок и известь. К концу периода плавления в кислом железистом шлаке содержится 40 % FеО, >45 % SiO₂.

В окислительном периоде при кислом процессе, в отличие от основного, отсутствует окисление фосфора. При высокой степени окисленности шлака удаление кислорода из ванны и ее кипение могут проходить без присадок железной руды. Однако для ускорения процесса обезуглероживания используют также введение твердых окислителей или продувку ванны кислородом. К концу окислительного периода содержание диоксида кремния в шлаке повышается до 60 %, значительная часть его поступает из футеровки подины. В условиях насыщения шлака диоксидом кремния возможно восстановление кремния углеродом, марганцем и железом еще до наступления восстановительного периода. Восстановительный период в печи с кислой футеровкой часто сводится к процессу раскисления металла, так как удаление серы из металла в присутствии кислого шлака невозможно. Раскисление углеродистой стали проводят введением в ванну ферросилиция, а при выпуске металла в ковш проводят дополнительное раскисление ферромарганцем или алюминием.

Выплавка стали в электродуговых печах – описание и особенности данного процесса

Плавильные электропечи, по сравнению с другими типами печей для плавки металлов, имеют множество преимуществ. Особенности конструкции печей данного типа позволяют получать высокую температуру плавки металла, создавать вакуум, атмосферу различного типа в рабочей камере. Всё это позволяет работать с широким спектром различных металлов, получать сплавы высокого качества с минимальным содержанием неметаллических включений. Электропечи бывают индукционными и дуговыми.

Особенности применения дуговых печей для плавки сталей

Электродуговые печи используются для получения следующих типов сталей:

Высоколегированных;
Инструментальных;
Конструкционных;
Специальных оружейных и прочих сплавов.

Благодаря возможности поддерживать высокую температуру плавки, дуговые печи способны плавить практически любые стали и сплавы. Главной особенностью дуговых электропечей является их способ преобразования электрической энергии в тепловую. Он осуществляется за счёт электрической дуги. Именно за счёт дуги появляется возможность достигать таких высоких температурных режимов.

Именно дуговые электропечи постоянного тока являются наиболее популярным оборудованием на современных сталелитейных предприятиях. Особенности конструкции дуговых электропечей позволяет получать однородные сплавы с минимальным количеством неметаллических вкраплений. Кроме сталелитейных предприятий, электродуговые печи используются в специализированных лабораториях. Лабораторные модели отличаются компактными размерами, но по своей конструкции – это полноценные дуговые печи. Они применяются для различного рода физико-химических исследований.

Производство стали в электродуговых печах

Особенности работы дуговой печи для производства стали заключаются в следующем:

В качестве источника питания дуговая электропечь использует трёхфазный переменный ток;
Стандартная печь имеет три электрода из специальной графитизированной массы;
Электрический ток проводится от трансформатора к электрододержателям за счёт специального кабеля. Через электрододержатель ток подводится к электродам и ванне металла;
Между электрической шихтой и электродами при запуске печи возникает электрическая дуга. За счёт электродуги электрическая энергия превращается в тепловую, которая и передаётся металлу, который при этом плавится.

Рабочее напряжение в дуговых печах при выплавке стали может колебаться в пределах 160-600 В. Длина дуги автоматически регулируется за счёт перемещения электродов. Для того чтобы следить и управлять процессом плавки, предусмотрено специальное рабочее окно. В зависимости от потребностей конкретного металлургического производства, вместимость дуговых печей для производства стали может составлять от 0,5 до 400 тонн. Лабораторные модели значительно меньше.

С помощью дуговых электропечей можно производить два типа плавки. Первый тип заключается в переплавке шихты из легированных отходов. Для второго типа плавки используется углеродистая шихта.

Особенности процесса плавки в дуговых печах

Плавка металлов или сплавов с использованием шихты из легированных отходов проводят без окисления примесей. При этом шихта, которая используется в процессе, не должна иметь больше примесей фосфора, марганца и кремния, чем выплавляемая в процессе сталь. В процессе плавки большинство примесей окисляются, да и сама шихта может содержать большое количество оксидов. Обязательной процедурой, которую следует проводить после того, как шихта расплавится, является удаление серы. Для этого нужно навести основной шлак. При необходимости, получаемый сплав нужно науглероживать, доводя его тем самым до нужного химического состава.

После науглевоживания получаемого сплава нужно провести диффузионное раскисление. Для этой процедуры на шлак нужно подавать молотый кокс, алюминий и ферросилиций. Именно таким образом происходит выплавка высококачественных легированных сталей из различных отходов машиностроительных предприятий.

Для того чтобы выплавить конструкционную сталь, нельзя применять шихту из легированных отходов. Для этого используют только углеродистую шихту. Состав шихты, которая используется для производства конструкционной стали в электродуговых печах, должен быть следующим:

90% стального лома;
До 10% передельного чушкового чугуна;
Кокс или электродный бой, который понадобится для науглероживания металла;
Известь в количестве 2-3% от общего состава шихты.

После того, как шихта будет загружена, нужно опустить электроды и включить ток. Под воздействием электрической дуги шихта начнёт плавиться. Расплавленный металл начнёт собираться на подине печи. Во время плавления железо, кремний, фосфор, марганец и часть углерода начнёт окисляться. Начнёт образовываться шлак железистый, за счёт которого из сплава будет удаляться фосфор.

После того, как сплав будет нагрет до температуры 1500-1540 градусов Цельсия, в него загружают руду и известь, после чего металл доводят до так называемого периода «кипения». За счёт этого будет производиться дальнейшее окисление углерода. После этого происходит процедура удаления серы и раскисления металла. Железистый шлак удаляется, после чего в расплав подаётся силикомарганец и силикокальций. Они нужны в качестве раскислителей. После этого в расплав добавляется раскислительная смесь. Она состоит из плавикового шпата, извести, молотого кокса и ферросилиция. В процессе раскисления шлак приобретает белый цвет. Данный процесс раскисления под белым шлаком должен продолжаться от 30 до 60 минут.

Достоинства электрических дуговых печей

Дуговые печи пользуются огромной популярностью на крупных сталелитейных предприятиях. Выплавка сталей в дуговых печах популярна из-за следующих преимуществ:

Имеется возможность получать ряд тугоплавких и высококачественных сталей, которые имеют минимальное количество различных примесей неметаллического происхождения;
Можно работать в различных режимах, используя как жидкую, так и твёрдую завалку;
В процессе производства получается минимальный угар металла;
Дуговые печи имеют простую конструкцию, относительно компактны, их обслуживание не отнимает много времени.

Кроме ряда достоинств, у дуговых печей имеется один существенный недостаток – нет возможности выплавлять металлы и сплавы с очень низким содержанием углерода. Больше существенных недостатков у дуговых печей нет.

Современные способы выплавки стали в дуговых печах

Портал НЭБ предлагает вам читать онлайн книгу «Современные способы выплавки стали в дуговых печах», автора Рябов Андрей Валерьевич. Книга была издана в 2007 году.

Выражаем благодарность библиотеке «Российская государственная библиотека (РГБ)» за предоставленный материал.

Пожалуйста, авторизуйтесь

Вы можете добавить книгу в избранное после того, как авторизуетесь на портале. Если у вас еще нет учетной записи, то зарегистрируйтесь.

Ссылка скопирована в буфер обмена

Вы так же можете поделиться напрямую в социальных сетях

Вы запросили доступ к охраняемому произведению.

Для получения доступа нажмите кнопку «Читать (ЕСИА)».

Если вы являетесь правообладателем этого документа, сообщите нам об этом. Заполните форму.

Читайте также: