Плавка стали в электропечах

Основную массу стали в литейных цехах выплавляют в дуговых электропечах, являющихся агрегатами периодического действия (рисунки 25,26). В литейных цехах крупносерийного конвейерного произ­водстве устанавливают большое количество печей небольшой емкос­ти, т.е. 3-4 печи обеспечивают металлом один конвейер. По спо­собу загрузки дуговые печи делятся на два типа: с выкатной ван­ной и с поворотным сводом. Ванну печи освобождают от свода и сверху при помощи специальной бадьи в неё загружают шихту.

Шихта содержит: 55-65 % стального лома, 37-40% возврата и 2-3% передельного чугуна.

Различают кислый и основной процессы. Основной позволяет удалять из металла серу и фосфор и производить диффузионное рас­кисление под белым шлаком, т.е. хорошо раскисленным, не содержа­щим оксидов железа.

Плавку стали при основном процессе ведут либо с окислени­ем примесей, либо методом переплава, т.е. без окисления.

Технологический процесс плавки в дуговой электропечи состоит из следующих операций: заправка, завалка, расплавление, рафинирование и выпуск стали.

Заправка. После выпуска очередной плавки образовавшиеся углубления и ямы подины освобождают от жидкого металла и зап­равляют в основной печи магнезитовым порошком, а в кислой — кварцевым песком. Для заправки глубоких ям в печи с основной футеровкой применяют смесь, состоящую из магнезитового порош­ка и каменноугольного пека; в печах с кислой футеровкой исполь­зуют кварцевый песок с жидким стеклом. Заправку производят следующим образом: ямы заполняют массой слоями по 100 мм, затем насыпают слой дробленой извести в основной печи или песка в кислой. Первую плавку после ремонта глубоких ям желательно вес­ти без окисления.

Печь заправляют при выключенном напряжении и поднятых электродах.

Завалка. На подину печи забрасывают небольшое количество мелочи, далее под электроды заваливают крупные куски, затем средние, чушки чугуна и поверх всей шихты - оставшуюся часть мелочи. Завалке должна проводиться плотно и горкой с вершиной под электродами. Для лучшего горения дуги в начале плавки под электроды подкладывают куски кокса.

Расплавление шихты. После окончания завалки шихты опуска­ют электроды и включают ток. Куски кокса под электродом обес­печивают спокойное горение дуги в течение 8-10 мин. Шихта под электродами начинает расплавляться и образуются колодцы. Жидкий металл стекает вниз и скапливается на подине. Постепенно электроды достигают самого низкого положения и остаются над уровнем жидкого металла. При образовании глубоких "колодцев" электроды необходимо поднять вверх и куски металла сталкивать вниз, т.к. при падении они могут сломать электрод.

При наличии шихтовых материалов малой плотности необходи­мое количество шихты загружают в два-три приема. При добавке шихты ток также выключают и электроды поднимают.

Рафинирование. Во время кипения ванны снижается содержание углерода, газов, неметаллических включений и фосфора. В конце окислительного периода большая часть шлака удаляется.

Восстановительный период заключается в раскислении метал­ла, доводки его по химическому составу и температуре.

При плавке с окислением примесей шихту составляют таким образом, чтобы после расплавления содержание углерода было на 0,2-0,3% выше верхнего предела для данной марки стали. В за­валку дают 3% извести и 2%железной руды, которые сразу же пос­ле расплавления образуют дефосфорирующий шлак, т.к. для проте­кания реакций (8.15-8.17 ) требуется избыток FeO в шлаке и невысокая температура. После этого содержание фосфора в шлаке резко увеличивается (1,5% в пересчете на Р₂ O₅), Этот шлак удаляют и в печь снова дают известь и руду. Начинается окисле­ние по реакциям (8.12-8.14). Пузырьки СО вспенивают шлак, кото­рый желательно непрерывно удалять. Так как в начальный период окисления дефосфорация продолжается, шлак вновь скачивают. Шлак окислительного периода обычно имеет следующий состав, % : СаО = 40-50; SiO₂ =10-25; FeO= 12-15; MgO = 4-10;

MnO = 5-10; Al₂O₃ = 2-4; P₂O₅ = 0,5-2.

Для интенсификации окисления иногда жидкий металл проду­вают кислородом под давлением 1МПа. Скорость выгорания угле­рода увеличивается с 0,3 до 0,6% в час при рудном процессе и до 1,5%при продувке кислородом.

Восстановительный период включает десульфурацию, доведение температуры и состава стали до заданных значений и раскисление. В период десульфурации в печь вновь вводят известь, протекают реакции (8.18-8.19), Шлакообразующая смесь для десульфурации, кроме извести, содержит плавиковый шпат и песок (или бой шамота).

Общее количество шлака составляет 3-5%от массы металла. После расплавления шлака его раскисляют молотым ферросилицием в смеси с коксиком в пропорции 1:1 в количестве 10 кг/т металла. После раскисления шлак приобретает белый цвет и после охлаждения рассыпается в белый по­рошок. В шлаке резко снижается содержание оксидов железа, т.к. они восстанавливаются углеродом и кремнием (таблица 8.1):

(8.26) (8.27)

При этом равновесие нарушается и закись железа переходит из металла в шлак, раскисление которого периоди­чески повторяется. Восстанавливаются также и оксиды марганца:

(8.28) (8.29)

Таблица 8.1 – Химический состав белого и карбидного шлака

В восстановительном периоде сталь доводят до заданного хими­ческого состава, затем её выпускают из печи и раскисляют алюмини­ем. Металл можно выпускать в ковш вместе со шлаком, при этом за счет пе­ремешивания происходит дополнительная десульфурация. Таким обра­зом можно снизить содержание серы на 50%.

Одной из разновидностей белого шлака является карбидный шлак, который образуется при избытке кокса. Для его создания после ска­чивания окислительного шлака наводят известковый в количестве 3-4% от массы металла. Кокс равномерно рассыпа­ют по всей поверхности, печь герметизируют и включают дуговые раз­ряды, в зоне действия которых при высокой температуре протекает реакция образования карбида кальция:

(8.30)

При этом раскисление идет двумя путями: под белым шлаком по реакциям (8.1-8.4) и за счет карбида кальция:

(8.31) (8.32)

удаление серы происходит по реакциям:

(8.33) (8.34)

Плавка под карбидным шлаком производится только для получения высокоуглеродистой легированной инструментальной стали.

Плавка стали без окисления примесей. Этот метод приме­няется для плавки средне - и высоколегированных сталей. Плавка в этом случае производится без добавки руды. Отсутствие окис­ления позволяет экономнее использовать легирующие элементы, т.к. они не угорают, но создается опасность накопления вред­ных примесей. Но качество стали, полученной этим методом, не уступает качеству стали, полученной при плавке с окислением примесей. Опыт показывает, что накопление вредных примесей при этом не происходит. Исключение составляют высокомарганцевые стали, которые интенсивно поглощают азот из воздуха, но для этих сталей азот является полезным компонентом. Технология плавки стали в дуговой печи без окисления примесей такая же, как и с окислением. Она включает все основные операции, толь­ко окислительные шлаки не наводят, а шлак плавки удаляют и производят раскисление либо под белым шлаком, либо при помощи ферросплавов. Иногда для интенсификации процесса производят продувку ванны кислородом. Но этот процесс является уже сме­шанным.

Особенности кислого процессе. Этот процесс получил наиболь­шее распространение при выплавке углеродистых и низколегиро­ванных сталей.

Кислый шлак имеет меньшую электропроводность, чем основ­ной: дуги разрывают шлаковый покров и контактируют непосред­ственно с металлом, что интенсифицирует перегрев. В то же время шлак имеет более низкую температуру и отражательную способность, чем при основном процессе. Все это способствует увеличению КПД и срока службы футеровки печи. Для образования кислого шлака в печь вводят кварцевый песок, небольшое количество железной руды и извести в соотно­шении:

Под таким шлаком ванна хорошо кипит, причем кипение длится недолго. После прекращения кипения шлак сгущают присадкой пес­ка и начинают воостановительный период.

Процесс плавки, как и в кислой мартеновской печи, может быть активным и кремнийвосстановительным. При активном про­цессе в металл вводят до 1% железной руды. При кремнийвосстановительном процессе окисление заканчивается раньше и начинается восстановление кремния по реакции:

Раскисление металла производят после удаления окислитель­ного шлака. Шлак можно и не удалять, а изменить его состав. Но­вый шлак наводят при выплавке высококачественных сталей вве­дением в печь боя шамота, пеcка и извести. Раскисление произво­дят в две стадии: в процессе плавки - силикомарганцем или фер­росилицием, а при выпуске - алюминием.

Состав металлической шихты для стали 25Л: 58% стального лома, 40% возврата и 2%передельного чугуна.

После выпуска стали очищают подину печи и откосы от остат­ков жидкого металла. Если на футеровке обнаруживаются выбоины, не­ровности, местные углубления, печь заправляют смесью песка с жидким стеклом.

При загрузке печи бадью опускают как можно ниже, чтобы не повредить футеровку. Мелкую шихту и стружку загружают вниз на подину.

Печь включают и дают максимальную силу тока. По мере образования под электродами озерков расплавленного металла для наведения шлака и более спокойного горения дуги дают 6-8 ло­пат песка и 2-3 лопаты известняка. Плавление шихты можно форсировать подрезкой кислородом и сталкиванием её с откосов в центр ванны. При выделении белого дыма с серыми хлопьями (печь "снежит"), происходящем на близком положении электро­дуги к подине, печь надо немедленно выключить, поднять электроды и в образовавшиеся колодцы под электродами столкнуть шихту.

При полном расплавлении берут пробу для экспресс-анализа. Оптимальное содержание углерода перед началом окис­лительного периода 0,45-0,7 %. Для окисления в хорошо наг­ретый металл присаживают железную руду. Кипение металла должно происходить по всей поверхности. При бурном кипении ванны печь выключают и на шлак дают несколько лопат песка. Окислительный период должен длиться не более 40 мин.

При достижении среднего содержания углерода по заданному анализу шлак должен обладать нормальной жидкоподвижностью, плотностью, тянуться в нить и в изломе иметь зеленый цвет. При достижении требуемого содержания углерода для раскисле­ния присаживают ферросилиций ФС45 или ФС75, ванну при этом тщательно перемешивают. Через 10-15 мин ванну перемешивают вторично и берут пробу на раскисленность и замеряют температуру. Залитая в стакан­чик проба хорошо раскисленного кремнием металла не должна ис­крить. При затвердевании металл должен давать усадку. Перед выпуском металла ванну перемешивают, берут еще раз пробу на раскисленность, замеряют температуру и выпускают сталь в предваритель­но подогретый до 800-900°С ковш. Выпускной желоб следует тща­тельно очистить и просушить. Перед выпуском на желоб дают силикокальций. При нормальной температуре и раскисленности крем­нием за 5 мин до выпуска в ковш добавляют необходимое коли­чество ферромарганца.

Окончательное раскисление стали производят алюминием на дно ковша (1,0-1,2 кг на 1 т жидкой стали). Температура металла на желобе должна быть 1520-1580°С. Металл в ковше должен быть пок­рыт слоем шлака толщиной 100 - 150 мм.