Экономические основы технологии производства стали в электропечах

     При подаче под давлением (0,9 МПа) газообразного кислорода 
в расплав на глубину 150-200 мм скорость обезуглероживания возрастает в 3-5 раз по сравнению с эффективностью раскисления железной рудой. Дополнительное вдувание в расплав в струе кислорода порошкообразных смесей (молотых извести, железной руды и плавикового шпата в соотношении соответственно 7:2:1) в течение 5-8 мин приводит к снижению в 1,5-2 раза содержания фосфора. За периоды плавления и окисления из шихты в шлак удаляется до 40% серы. По достижению нижнего предела содержания углерода в выплавляемой марке стали, а также уменьшению количества фосфора до 0,010—0,015% завершается окислительный период. Он заканчивается сливом окислительного шлака. Длительность окислительного периода составляет от 30 до 90 минут. Восстановительный период. В этом периоде проводится раскисление металла; из него удаляется сера; химический состав стали доводится до заданного и корректируется температура. При раскислении металла используются одновременно осаждающий и диффузионный методы. После удаления окислительного шлака в печь присаживают ферромарганец, ферросилиций и алюминий. Эти добавки необходимы для реализации осаждающего раскисления металла.

Затем для наведения шлака, в печь вводят в соотношении 5:1:1 
известь, плавиковый шпат и шамотный бои (добавки составляют 3% 
от массы металла). После расплавления шлаковой смеси и образования жидкоподвижного шлака начинается диффузионное раскисление ванны. Суть последнего заключается в том, что в печь вводятся раскисляющие порошкообразные вещества (молотые кокс, ферросилиций и другие), обладающие небольшой плотностью. Они медленно 
опускаются через слой шлака, восстанавливая при этом FeO: 
                          FeO + С = Fe + СО; 2FeO + Si = 2Fe + Si02 и т. п.

Снижение содержания FeO в шлаке инициирует ускорение диффузии кислорода из металла в шлак (так называемое диффузионное раскисление ванны). Поскольку реакции раскисления идут в шлаке, то выплавляемая сталь не загрязняется продуктами раскисления — оксидами.

В процессе восстановительного периода происходит хорошая 
десульфурация стали. Длительность этого периода колеблется от 40 до 100 минут. Перед выпуском стали корректируют содержание кремния в металле, вводя в него, если требуется, кусковой ферросилиций. Затем проводят окончательное раскисление, вводя в расплав алюминий в количестве 0,7 кг на тонну стали.

Сталь из печи в ковш выпускают вместе со шлаком. При хорошем перемешивании металла со шлаком в ковше происходит дополнительное рафинирование стали, поскольку при этом из расплава в белый шлак продолжают переходить сера и неметаллические включения. Весь процесс плавки в зависимости от вместимости печи (от 10 до 400 тонн) длится от 2,5 до 8 ч.

Условия и последовательность легирования металла при плавке в существенной степени зависят от сродства легирующих элементов к кислороду. Никель и молибден вводятся в начальные периоды плавки - никель непосредственно в завалку, а молибденом легируют расплав в конце периода плавления либо в начале следующего окислительного периода.

Легирование металла хромом и марганцем осуществляется в начале восстановительного периода вслед за сливом окислительного шлака. Вольфрам вводится в расплав в начале восстановительного периода. Однако, ферровольфрам, имеющий высокую температуру плавления (2000°С), растворяется медленно. Поэтому в случае корректировки состава стали его вводят в ванну более чем за 0,5 часа до выпуска. Известно, что ванадий, кремний, титан и алюминий легко окисляются. Поэтому легирование стали феррованадием, ферросилицием, ферротитаном и алюминием осуществляют соответственно (в среднем) за 20, 15, 10 и 2,5 минут до ее выпуска.

Выплавка стали методом переплава. Метод без окисления или с 
непродолжительной продувкой кислородом на металлургических заводах применяют для выплавки стали из имеющихся отходов легированной стали (25-40%). При этом существенная часть дорогих легирующих элементов, находящихся в отходах, сохраняется. Количество фосфора в шихте при плавке без окисления не должно превышать его допустимого содержания в готовой стали. Содержание же углерода в шихте должно быть на 0,05-0,1% меньше, чем в готовой стали. Это обусловлено дополнительным науглероживанием расплава электродами.

В шихту также вводится мягкое железо с малым количеством углерода и фосфора. Известь или известняк (1—1,5%) загружают в период плавления. Образующийся при расплавлении шлак обычно не 
скачивается. Сразу за плавлением следует восстановительный период. При этом раскисление, десульфурация и легирование металла 
осуществляются обычными методами.

     При плавке стали с продувкой кислородом расплавленного металла достигается снижение содержания водорода и азота в стали, но 
угар легирующих элементов больше. Шихта содержит избыточный 
углерод (0,25%), который окисляется при продувке. Перед скачиванием шлака проводится его раскисление для восстановления легирующих элементов (хрома, вольфрама и ванадия). После наведения нового шлака следует (так же, как и при обычной плавке) восстановительный период. Технология выплавки стали методом переплава по сравнению с традиционной характеризуется большей (на 20%) производительностью и экономичностью (сокращением расхода ферросплавов, электродов и на 15% электроэнергии).                                                                        

    Выплавка стали в индукционных электропечах. В индукционных печах сталь производится значительно реже, чем в дуговых. Они чаще всего используются для переплавки отходов легированной стали.

Рис. 2.2 Индукционная печь

1 - индуктор; 2- тигель; 3 – вихревые токи; 4 – желоб; 5 – металл; 6 – ковш;

     Возможность достижения высокой температуры в печи, отсутствие науглероживающего металла - всё это создает условия для выплавки в индукционных печах стали с малым содержанием углерода.

     В индукционной бессердечниковой печи (имеются также печи с 
железным сердечником, используемые в цветной металлургии) плавка 
осуществляется в тигле 2, изготовленном из огнеупорных материалов. Тигель окружен спиральным многовитковым индуктором (изготовленным из медной трубки), охлаждаемым циркулирующей водой. Через него пропускается переменный ток.

При работе печи находящийся в тигле металл нагревается и плавится индуктирующимися в нем мощными вихревыми токами. Взаимодействие электромагнитных полей, возбуждаемых как токами, проходящими по индуктору, так и вихревыми токами в металле, вызывает интенсивную циркуляцию расплава. Это способствует не только ускорению процесса плавления, но и выравниванию как химического состава, так и температуры расплава по объему тигля. Различают два основных тина индукционных печей: работающих на токах повышенной (от 0,5 кГц до 1000 кГц) и промышленной частоты (50 Гц).

     Печи повышенной частоты имеют тенденцию роста частоты питающего тока (от 0,5 до 1000 кГц) по мере снижения емкости (от десятков тонн до граммов) и соответственно диаметра тигля. Так, например, малые печи (емкостью от граммов до нескольких килограмм) питаются током с частотой от 50 до 1000 кГц, а средние и крупные (емкостью до десятков тонн) — токами с частотой от 0,5 до 10 кГц. Печи промышленной частоты имеют емкость до 60 тонн и более.

Технология плавки. В индукционных печах выплавка сталей и 
сплавов осуществляется методом переплава из легированных отходов или методом сплавления с использованием чистого шихтового железа, лома и добавок ферросплавов. Обычно плавка ведется без окисления примесей, поскольку не ставится задача удаления фосфора и серы. При выплавке стали в зависимости от ее химического состава могут быть использованы печи как с основной, так и с кислой футеровкой. Так, например, стали, содержащие значительное количество марганца, алюминия, титана, циркония, нельзя выплавлять в печах с кислой футеровкой, поскольку эти элементы взаимодействуют с кремнеземом футеровки, разрушая ее. В то же время печи с основной футеровкой (существенно менее стойкой, чем кислая) имеют меньший ресурс.

Плавка в печах с основной футеровкой характеризуется малой продолжительностью и невозможностью в связи с этим многократного экспериментального анализа химического состава металла. Поэтому весьма важным является точный предварительный расчет и контроль шихты. Ее состав должен обеспечить заданную концентрацию углерода, серы и фосфора в готовой стали. Для обеспечения плотной укладки шихты се формируют из мелких и крупных кусков. Это уменьшает продолжительность процесса плавления. В нижней части тигля размещают тугоплавкие ферросплавы.

После появления расплава на его поверхности наводят шлак, 
вводя в тигель смесь, содержащую известь, плавиковый шпат и магнезит в пропорции 4:1:1. Шлак защищает металл от насыщения атмосферными газами, а легирующие элементы — от окисления. Продолжительность плавления колеблется в зависимости от емкости печи от 30 мин до 2 ч. По завершению периода плавления и отбора на анализ пробы металла производится слив плавильного шлака (с целью исключения возможности восстановления из него фосфора) и наведение нового шлака того же состава, что и при плавлении. С учетом результатов химического анализа расплава корректируют его состав, осуществляют легирование, раскисление соответствующими ферросплавами и сливают из тигля в ковш. Введение ферросплавов осуществляется либо в завалку (феррохром, ферровольфрам, ферромолибден), либо в расплав за 7-10 мин до выпуска (ферромарганец, ферросилиций, феррованадий) или непосредственно перед ним (алюминий). При этом усредненная величина угара вольфрама составляет 2%, хрома, марганца и ванадия - 7,5%, кремния – 12,5%, титана – 30%.

Плавка в печи с кислой футеровкой. Процессы загрузки шихты и ее плавления, а также последовательность введения ферросплавов осуществляются так же, как и в печах с основной футеровкой. В процессе плавления шихты шлак наводится посредством добавления боя стекла, шамота и извести. Количество серы, фосфора и углерода в расплаве не должно превышать их регламентируемого содержания в готовой стали.

Преимущества индукционных печей перед дуговыми заключаются: 
в меньшем поглощении водорода и азота металлом, а также более 
низким его угаром в связи с отсутствием воздействия высокотемпературных дуг при плавлении; в получении более однородного по составу металла, обусловленного активным электродинамическим перемешиванием; в большей возможности размещения малогабаритных печей в герметичных камерах и, как следствие, проведения технологического процесса плавки и разливки металла в среде инертного газа или в вакууме.

     Основные недостатки индукционных печей: низкая стойкость основной футеровки; сложность удаления фосфора и серы в процессе плавки из-за низкой температуры шлаков, нагреваемых от металла.

    Разливка стали. После завершения плавки металл из плавильной печи выпускают в разливочный ковш, который транспортируют к месту разливки.

Рис. 2.3 Сталеразливочный ковш

1 – стопор; 2 – стакан  с отверстием; 3 – рычажный механизм  перемещения стопора

     Ковш представляет собой стальной сварной кожух, футерованный внутри шамотным кирпичом. В днище ковша размещен стакан с отверстием, которое закрывается пробкой и предназначается для заливки стали в изложницы. Стакан и пробка также изготовлены из огнеупорного материала (магнезита или шамота). Пробка, навинченная на стальной стержень стопора, поднимается или опускается посредством дистанционно управляемого или рычажного механизма. Вместимость ковшей до 400 т, а их диаметр и высота достигают 5,5 м и 6 м соответственно. 

     Для выравнивания химического состава металла и очистки его от газов и неметаллических включений сталь определенное время выдерживают в ковше.

     Разливка стали в изложницы. Изложницы это толстостенные, в основном чугунные формы, используемые при литье стальных слитков. Поперечное сечение изложницы должно соответствовать таковому у слитка, поскольку в зависимости от вида его последующей обработки давлением оптимальным сечением может являться квадрат, прямоугольник, круг или многогранник. Обычно масса слитков колеблется от 1 до 12 тонн, однако их масса может достигать и 300 тонн.

     Разливку стали в изложницы осуществляют двумя способами: сверху и снизу (разливка сифоном).

    В первом случае заполнение каждой изложницы производится раздельно. При этом отверстие стакана располагают по центру изложницы. При разливке сифоном сталь из ковша, проходя через центровой литник и каналы, снизу попадает в установленные на поддоне изложницы. В данном случае можно сразу отливать десятки слитков.

     Преимуществами способа разливки сверху является использование более простого оборудования, нет необходимости расходовать металл на литники, а недостатками – более низкое качество поверхности слитков и значительная продолжительность процесса по сравнению с сифонной разливкой. Преимуществами способа разливки сифоном является получение более чистой поверхности слитка и достижение большей производительности процесса. Недостатки способа кроются в более сложной технологии сборки поддонов

 и центровых литников, в дополнительном расходе металла на литники, а также в имеющейся вероятности загрязнения стали неметаллическими включениями в процессе перемещения расплава по литниковым каналам.