Производство стали в электропечах

Электроплавильные печи. Эти печи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами. В электропечах можно получить высокую температуру, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу или вакуум. В этих печах можно выплав­лять сталь и сплавы любого состава, более полно раскислить металл с образованием минимального количества неметаллических включений—продуктов раскисления. Поэтому электропечи исполь­зуют для выплавки конструкционных сталей ответственного наз­начения, высоколегированных, инструментальных, коррозионно-стойких (нержавеющих) и других специальных сталей и сплавов.

Для плавки стали используются дуговыми и индукционные электропечи.

Дуговая электросталеплавильная печь. В этих печах в качестве источника теплоты используют электри­ческую дугу, возникающую между электродами и металлической шихтой. Дуговая электросталеплавильная печь (рис. 1. 10) пита­ется трехфазным переменным током и имеет три цилиндрических электрода 9, изготовленных из графитированной массы.

Электри­ческий ток от трансформатора гибкими кабелями 7 и медными шинами подводится к электрододержателям 8, а через них к элек­тродам 9. Между электродами и металлической шихтой 4 возни­кает электрическая дуга, электроэнергия превращается в теплоту, которая передается металлу и шлаку излучением. Рабочее напря­жение 180…600 В, сила тока 1…10 кА. Во время работы печи длина дуги регулируется автоматически путем вертикаль­ного перемещения электродов. Печь имеет стальной сварной кожух 3. Кожух печи изнутри футерован теплоизоляционным и огнеупорным кирпичом 7, который может быть основным (магне­зитовый, магнезитохромитовый) или кислым (динасовый). По­дина 12 печи набивается огнеупорной массой. Плавильное про­странство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6, изготов­ляемым также из огнеупорного кирпича и имеющим отверстия для прохода электродов. В стенках печи имеются рабочее окно 10 для управления ходом плавки и летка для выпуска готовой стали по желобу 2 в ковш.

Рис. 1.10. Схема дуговой электрической плавильной печи

Печь загружают при снятом своде. Механизмом 11 печь может наклоняться в сторону загрузочного окна и летки. Емкость дуговых электропечей 0,5—400 т. В металлургических цехах обычно используют дуговые электропечи с основной футеровкой, а в ли­тейных цехах — с кислой.

Основная дуговая печь. Применяют два вида технологии плавки в дуговой основной печи: на шихте из легиро­ванных отходов (методом переплава) и на углеродистой шихте (с окислением примесей).

Плавку на шихте из легированных отходовс низким содержа­нием фосфора проводят без окисления примесей. Шихта для такой плавки, кроме пониженного содержания фосфора, должна иметь меньшее, чем в выплавляемой стали, количество марганца и крем­ния. По сути это переплав. Однако в процессе плавки за счет кислорода некоторые примеси (алюминия, титана, кремния, мар­ганца, хрома) окисляются. Кроме того, шихта может содержать окислы. Поэтому после расплавления шихты металл раскисляют, удаляют серу, наводят основный шлак, при необходимости на­углероживают и доводят металл до заданного химического состава. Раскисляют ферросилицием, алюминием, молотым коксом. При этом окислы легирующих элементов восстанавливаются и пере­ходят из шлака в металл. Таким способом плавки получают леги­рованные стали из отходов машиностроительных заводов.

Плавку на углеродистой шихтечаще применяют для произ­водства конструкционных углеродистых сталей. Эту плавку про­водят за два периода: окислительный и восстановительный. После заправки печи, удаления остатков металла и шлака предыдущей плавки, исправления поврежденных мест футеровки в печь загру­жают шихту: стальной лом (до 90 %), чушковый передельный чу­гун (до 10 %), электродный бой или кокс для науглероживания металла и 2…3 % извести. По окончании завалки шихты электроды опускают вниз и включают ток; шихта под электродами плавится, металл накапливается на подине печи. Во время плавления шихты начинается окислительный период плавки: за счет кисло­рода воздуха, окислов шихты и окалины окисляется кремний, марганец, углерод, железо. Вместе с окисью кальция, содер­жащейся в извести, окислы этих элементов образуют основный железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла.

После нагрева металла и шлака до 1500…1540 °С в печь загру­жают руду и известь. Содержащийся в руде кислород интенсивно окисляет углерод и вызывает кипение ванны жидкого металла за счет выделяющихся пузырьков окиси углерода. Шлак вспени­вается, уровень его повышается; для выпуска шлака печь накло­няют в сторону рабочего окна и он стекает в шлаковую чашу. Кипение металла ускоряет нагрев ванны, удаление из металла газов, неметаллических включений, способствует удалению фос­фора. Шлак удаляют, руду и известь добавляют 2…3 раза. В ре­зультате содержание фосфора в металле снижается до 0,01 % и од­новременно за счет образования окиси углерода при кипении уменьшается и содержание углерода. Когда содержание углерода становится меньше заданного на 0,1 %, кипение прекращают и полностью удаляют из печи шлак. Этим заканчивается окисли­тельный период плавки.

Восстановительный период плавкивключает раскисление ме­талла, удаление серы и доведение химического состава до задан­ного. После удаления окислительного шлака в печь подают фер­ромарганец в количестве, обеспечивающем заданное содержание марганца в стали, а также производят науглероживание, если выплавляют высокоуглеродистые стали (до 1,5 % С). Затем в печь загружают флюс, состоящий из извести, плавикового шпата и шамотного боя. После расплавления флюсов и образования шлака в печь вводят раскислительную смесь, состоящую из из­вести, плавикового шпата, молотого кокса и ферросилиция. Молотый кокс и ферросилиций вводят в порошкообразном виде. Они очень медленно проникают через слой шлака. В шлаке восстанавливается закись железа:

FeO+C=Fe+CO;

2FeO+Si=Fe+SiO₂

При этом содержание закиси железа в шлаке снижается и она из металла согласно закону распределения начинает переходить в шлак. Этот процесс называют диффузионным раскислением стали. Раскислительную смесь вводят в печь несколько раз. По мере раскисления и понижения содержания FеО цвет шлака из­меняется и он становится почти белым. Раскисление под белым шлаком длится 30…60 мин.

Во время восстановительного периода сера удаляется из ме­талла, что объясняется высоким (до 55…60 %) содержанием СаО в белом шлаке и низким (менее 0,5 %) содержанием FеО. Это спо­собствует интенсивному удалению серы из металла:

FeS+CaO=CaS+FeO.

По ходу восстановительного периода берут пробы для опре­деления химического состава металла. При необходимости в печь вводят ферросплавы для достижения заданного химического со­става металла. Когда достигнуты заданные состав металла и тем­пература, выполняют конечное раскисление стали алюминием и силикокальцием. После этого следует выпуск металла из печи в ковш.

При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов. Порядок ввода определяется сродством легирующих элементов к кислороду. Никель, молибден обладают меньшим сродством к кислороду, чем железо, и их вводят в период плавления или в окислительный период. Хром легко окисляется и его вводят в восстановительный период; кремний, ванадий, титан — перед выпуском металла из печи в ковш, так как они легко окисляются.

Технико-экономические показатели. Эти показатели плавки в дуговых печах зависят от емкости печи и технологии плавки. Расход электроэнергии на 1 т стали зависит от емкости печи. С увеличением емкости печи расход электроэнергии на 1 т выплав­ленной стали уменьшается. Например, для печи емкостью 25 т он составляет 750 кВт -ч, а для печи емкостью 100 т —575 кВт-ч. Расход графитированных электродов составляет 6—9 кг/т выплав­ленной стали.

Технико-экономические показатели работы дуговых печей и качество металла повышаются за счет интенсификации плавки, увеличения емкости печи, мощности трансформаторов, механизации загрузки шихты, применения электромагнитного перемешивания металла. Значительной эффективности можно достигнуть при выплавке легированных сталей, применяя дуплекс-процесс: выплавка стали в основном кислородном конвертере, а рафинирова­ние и доводка по химическому составу в электропечи. Эффективным является применение кислорода для продувки ванны стали в окислительный период, что интенсифицирует процесс плавки, увеличивает на 15…20 % производитель­ность печи, снижает расход электроэнергии и экономит легирующие добавки.

Электроиндукционные печи.Индукционная тигельная стале­плавильная печь (рис. 1.11) состоит из водоохлаждаемого индук­тора 5, внутри которого находится тигель 4с металлической шихтой.

Через индуктор проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500…1000 кГц). Ток создает переменный магнитный поток, пронизывая куски металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи (Фуко), нагревающие металл 1 до расплавления и необходимых температур перегрева.

Тигель может быть изготовлен из кислых (кварцит) или основных (магнезитовый порошок) огнеупорных материалов. Емкость тигля от 60 до 25 т. Ток к индуктору подводится от генератора высокой частоты -лампового (лабораторные печи) или машинного. Для уменьшения потерь теплоты при плавке можно применить съемный свод 2. Индукционные печи имеют преимущества перед дуговыми: 1) в них отсутствует электрическая дуга, что позволяет выплавлять металлы с низким содержанием углерода, газов и малым угаром элементов, это особенно важно при выплавке высококачествен­ных сталей и сплавов;

Рис. 1.11. Схема индукционной тигельной электрической плавильной печи

2) при плавке в металле возникают электро­динамические силы, которые перемешивают металл в печи и спо­собствуют выравниванию химического состава, всплыванию неме­таллических включений;

3) индукционные печи имеют небольшие габаритные размеры, что позволяет помещать их в закрытые ка­меры, в которых можно создавать любую атмосферу, а также вакуум. Однако эти печи имеют малую стойкость футеровки, шлак в них нагревается теплотой металла и температура его не­достаточна для интенсивного протекания металлургических про­цессов между металлом и шлаком.

Обычно в индукционных печах выплавляют сталь и сплавы или из легированных отходов методом переплава, или из чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов методом сплавления. В большинстве случаев печи имеют кислую футеровку. Основную футеровку используют для выплавки сталей и спла­вов с высоким содержанием марганца, никеля, титана и алюми­ния.

При загрузке тщательно подбирают химический состав шихты в соответствии с заданным, так как плавка протекает быстро, и пол­ного анализа металла по ходу плавки не делают. Поэтому необ­ходимое количество ферросплавов (ферровольфрам, ферромо­либден, феррохром, никель) для получения заданного химического состава металла загружают на дно тигля вместе с остальной ших­той. После расплавления шихты на поверхность металла загру­жают шлаковую смесь. Основное назначение шлака при индук­ционной плавке — уменьшить тепловые потери металла, защи­тить его от насыщения газами, уменьшить угар легирующих элементов. При плавке в кислой печи после расплавления и удале­ния плавильного шлака наводят шлак из боя стекла (SiO₂). Металл раскисляют ферросилицием, ферромарганцем и алюминием перед выпуском его из печи.

Продолжительность плавки в индукционной печи емкостью 1 т около 45 мин. Расход электроэнергии на 1 т стали составляет 600…700 кВт.ч.

Вакуумная плавка в индукционных пе­чах позволяет получать сталь и сплавы с очень малым содержа­нием газов, неметаллических включений, легировать сталь и сплавы любыми элементами. При вакуумной индукционной плавке индуктор с тиглем, дозатор шихты и изложницы помещают в ва­куумные камеры. Здесь плавят металл, вводят легирующие до­бавки, раскислители с помощью специальных механизмов без нарушения вакуума в камере. Металл в изложницы разливают в вакууме или инертных газах под избыточным давлением. Заливку под давлением инертного газа производят для повышения плот­ности слитков.