ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВКИ СТАЛИ В ОСНОВНОЙ ДСП

Организация технологических про­цессов в ДСП малой и средней емкос­ти основывалась на следующих мо­ментах:

1) возможность сравнительно быс­тро и без больших потерь нагреть и расплавить необходимое количество (иногда весьма значительное) легиру­ющих добавок и раскислителей;

2) возможность провести восстано­вительный период плавки, добиться получения металла с очень малым со­держанием кислорода, успешно про­вести операцию десульфурации под высокоосновным малоокисленным шлаком;

3) возможность получения стали и сплавов нужного (даже весьма слож­ного) состава (включая операции, свя­занные с отбором проб, их анализом, вводом корректирующих добавок и т. п.) и нужной (иногда весьма высо­кой) температуры непосредственно в самой печи.

В СССР существовала практика, при которой техническое управление министерства, в подчинении у которо­го находилось данное предприятие, утверждало типовые инструкции, на основе которых составлялись уже за­водские инструкции. Типовая техноло­гия выплавки стали в основных дуго­вых печах предусматривала возмож­ность ведения плавки двумя способа­ми: 1) с полным окислением и применением свежих легирующих; 2) методом переплава легированных отходов (как без окисления, так и с окислением технически чистым кис­лородом).

По первому варианту шихту рекомендовалось составлять с таким расчетом, чтобы содержание углерода в ванне по расплавлении обеспечило выгорание в процессе окисления не менее 0,3 % С при выплавке высокоуг­леродистых сталей и не менее 0,4 % С при выплавке средне- и низкоуглеро­дистых сталей. После полного рас­плавления шихты скачивают 75—80 % шлака, дают в печь известь и плавико­вый шпат и начинают окислительный период с целью дегазации металла, уда­ления фосфора, очищения от неметал­лических включений и повышения до требуемого уровня температуры ме­талла. Окисление ведется посредством подсадок железной руды или продув­ки ванны кислородом и заканчивается при достижении в ванне содержания углерода, несколько меньшего, чем нижний предел марочного состава стали (с учетом содержания углерода в ферросплавах, которые будут вводить­ся на последующих этапах). Окисли­тельный шлак скачивается «начисто» (очень тщательно). При введении окислителей в ванну окисляются кремний (в основных печах до сле­дов), марганец и фосфор (в зависимо­сти от содержания этих элементов в шихте), углерод (до пределов, опреде­ляемых маркой стали).

После полного скачивания окисли­тельного шлака начинается наиболее ответственный период электроплав­ки — раскисление металла и доведе­ние его химического состава до задан­ного для данной марки стали — вос­становительный период (рафинировка). Присадками извести, плавикового шпата и шамотного боя (в соотноше­нии приблизительно 5 : 1 : 1) в количе­стве 2,5—3,5 % от массы металла в печи наводят шлак, который затем раскисляют присадками смеси из из­вести, плавикового шпата и раскислителя. В качестве раскислителей ис­пользуют молотый кокс, ферросили­ций, алюминий. Начинается диффу­зионное раскисление стали, в процессе которого содержание окси­дов железа в шлаке снижается до зна­чений 1 % (FeO).

В печах малой емкости сравнитель­но легко можно герметизировать ра­бочее пространство печи. При нали­чии высокоосновного шлака и повы­шенном расходе кокса (2—3 кг/т ста­ли) в зоне высоких температур идет реакция с образованием карбида каль­ция:

(СаО) + ЗС = (СаС₂) + СО.

Такой шлак называют карбидным. Наличие карбидного шлака — показа­тель нормального протекания восста­новительных процессов. Выдержка металла под восстановительным шла­ком обеспечивает получение глубоко­раскисленного металла и благоприят­ствует протеканию реакции десульфурации

[S] + (СаО) + Ре_ж = (CaS) + (FeO);

константа реакции

К = а_{(CaS) ∙}а _(FeO)/[S] _∙ а_(СаО) , т.е.

[S] = (l/K)а ₍ca_{S)а (FeO)}/а _(CaO).

Таким образом, при малых значе­ниях а_(FeO) и больших а_(СаО) обеспечивается высокая степень десульфурации.

Карбидный шлак хорошо смачива­ет металл (и плохо от него отделяется). Во избежание возможных загрязнений металла шлаковыми включениями в процессе выпуска и разливки обычно перед выпуском открывают рабочее окно печи и за счет подсоса воздуха в печь происходит окисление CaQ, но шлак остается высокоосновным и ма­лоокисленным. При охлаждении та­кой шлак (до 60 % СаО и менее 1 % оксидов железа и марганца) рассыпается в порошок белого цвета, образу­ется так называемый «белый шлак» -{карбидный шлак серого цвета). Во многих случаях плавку вообще ведут под белым шлаком (без стадии образо­вания карбидного шлака).

В восстановительный период со­держание азота в стали возрастает (нет реакции окисления углерода). Это не­достаток технологии. Необходимо также иметь в виду повышенную ра­створимость азота в восстановитель­ных шлаках (в белых 0,03-0,06 %, а в карбидных —до 0,2%). Содержание азота в электростали выше, чем в кон­вертерной.

По второму варианту при ве­дении плавки методом переплава окис­лительный период сводят к миниму­му, проводя лишь короткую продувку кислородом для некоторого обезугле­роживания, дегазации и нагрева ме­талла. Рафинировку металла в восста­новительный период проводят так же, как при плавке с полным окислением.

Учитывая, что при такой техноло­гии трудно удалить из металла фос­фор, особое внимание уделяется чис­тоте шихты. Обычно она составляется из прокатной обрези легированных сталей и некоторого количества отхо­дов низкоуглеродистых (мягких) ста­лей, содержащих мало фосфора¹.

¹ В настоящее время в связи с переходом на непрерывную разливку масса прокатных отходов легированных сталей существенно сократилась.

Помимо отмеченных выше суще­ствует ряд вариантов технологии веде­ния плавки в ДСП, например: 1) ис­пользуют продувку ванны смесью 65 % извести, 25 % железной руды и 10 % плавикового шпата (несущий газ — кислород), которая обеспечивает сни­жение содержания фосфора в металле до следов (расход смеси 2,5-3,0 % от массы садки); 2) на крупных печах, где затруднено проведение восстанови­тельного периода, принимают меры для ускорения шлакообразования (загрузка в печь железной руды или агломерата и извести, продувка кисло­родом, обновление шлака и присадки извести и др.), добиваясь получения низких содержаний фосфора и требуе­мых содержаний углерода, а окончательное раскисление и легирование проводят в ковше. Такую технологию называют одношлаковой', 3) оставляют часть (10—15 %) жидкой стали в печи. Эта мера позволяет эффективно ис­пользовать конечный высокооснов­ной шлак, сократить расход шлакооб-разующих, ускорить процесс плавле­ния, снизить расход энергии. Несмот­ря на снижение массы порции выпускаемого металла, производи­тельность печи не снижается. Такой метод работы металлурги называют работа на болоте.

В технологии работы на современ­ных высокопроизводительных («высо­комощных») печах предусмотрено проведение доводки металла вне са­мой печи. Однако как в нашей стране, так и во многих странах мира работа­ют сотни ДСП малой и средней емко­сти, в которых выплавляются каче­ственные легированные и высоколе­гированные стали с использованием традиционных технологий получения готовой стали непосредственно в са­мом агрегате.

Для высокомощных ДСП совре­менная технология выплавки стали включает следующие основные эле­менты.

1. Работа на болоте (или жидкий старт) — начало плавки основано на использовании остатка расплава пре­дыдущей плавки. При этом: а) остаток металла закрывает подину, т. е. защи­щает ее от опасности прожога мощны­ми дугами; б) остаток шлака способ­ствует более легкому шлакообразова­нию в последующей плавке; в) обеспе­чивается возможность эффективной подачи кислорода с самого начала плавки; г) обеспечивается возмож­ность увеличить среднюю потребляе­мую мощность путем устранения огра­ничений начального периода плавле­ния; д) улучшаются условия более на­дежной отсечки шлака; е) создаются самые благоприятные условия веде­ния плавки при использовании в каче­стве шихты непрерывно загружаемых металлизованных материалов (окаты­шей и др.).

2. Интенсивное перемешивание путем организации продувки ванны снизу, через подину (см. рис. 17.8, ж).

3. Организация вспенивания шлака, чему способствуют получение шлака оптимального состава, вдува­ние угольного порошка и продувка кислородом (или использование ме-таллизованных окатышей, содержа­щих и углерод, и кислород). Вспени­вание обеспечивается протеканием реакции обезуглероживания с образо­ванием пузырьков СО.

4. Применение топливно-кисло-родных горелок — в основном в зонах межэлектродных пространств со срав­нительно меньшим тепловым потен­циалом («холодные» зоны).

Перечисленные технологические моменты являются составной частью общей технологии высокого уровня (ТВУ) работы ДСП. Основными при­знаками ТВУ являются: а) ДСП пред­назначена только для расплавления шихты и выплавки полупродукта, а ра­финировочные операции, легирова­ние, доводка по составу и т. д. осуще­ствляются вне печи методами внепеч-ной обработки (см. гл. 19); б) к ТВУ от­носятся и подготовка шихты, и организация выпуска металла, и воп­росы контроля и автоматизации про­цесса. Особый вопрос — об использо­вании в шихте чугуна. Чугун (как ших­товый материал) имеет ряд досто­инств: во-первых, содержит мало примесей цветных металлов, что очень важно при производстве ряда высоко­качественных сталей; во-вторых, хи­мический состав используемого чугу­на известен, что важно при шихтовке плавки; в-третьих, он имеет высокую «насыпную» (твердый чушковый чу­гун) или «наливную» массу (т/м³), что облегчает организацию загрузки печи; в-четвертых, жидкий чугун приносит значительное количество тепла, что позволяет сократить продолжитель­ность плавки, уменьшить расход элек­троэнергии и т. д.

При всем этом необходимо учиты­вать, что содержание углерода в чугу­не (- 4,5 %) существенно выше, чем при использовании обычного метал­лолома. Кроме того, чугун дороже амортизационного и бытового лома.

Решение об использовании чугуна принимается с учетом требований к качеству стали, баланса металла на заводе, соотношения стоимостей чу­гуна, металлолома, электроэнергии и т. п. Вполне возможно, что практика использования чугуна в качестве ших­тового материала будет расширяться. Так, например, в 1996г. на заводе фирмы Cockerill-Sambre в Марчинел-ло (Бельгия) была введена в эксплуа­тацию 165-т шахтная ДСП постоянно­го тока с удерживающими лом пальца­ми, оборудованная системой непре­рывной заливки передельного чугуна. Планировалось, что использование жидкого чугуна при плавке стали по­зволит: использовать избыточные мощности трех доменных печей; по­высить качество выплавляемой стали в результате снижения в ней содержа­ния азота и примесей цветных метал­лов; уменьшить удельный расход элек­троэнергии; сократить продолжитель­ность плавки и повысить производи­тельность печи.

Заливку чугуна в печь из 120-т чу-гуновозного ковша проводили через желоб, вмонтированный в стену печи.

По стандартной технологии плавки стали 35-40 т жидкого чугуна должно быть залито в период плавления лома со скоростью 2 т/мин. При таком ре­жиме заливки исключаются выбросы металла и обеспечивается равномер­ное обезуглероживание расплава. За­ливку чугуна из ковша проводят с те­лежки с помощью механизма подъема и наклона ковша; при этом высвобож­дается крановое оборудование и обес­печивается безопасность работы.

При использовании жидкого чугу­на можно включать в шихту низкока­чественный лом без изменения содер­жания меди в выплавляемой стали — менее 0,15%. Концентрация¹ азота в стали может быть снижена до менее 40 млн^-1 при технологии плавки, включающей вспенивание шлака

. ¹ Исчисляется в миллионных долях (1 млн~' = 1 ррт).

Единственной дополнительной опера­цией при работе на шихте с жидким чугуном является удаление настылей из желоба и небольшой ремонт его футеровки.

В технологии с использованием чу­гуна при плавке стали в ДСП достига­ется увеличение производительности печи (+20 %), снижение расхода элект­роэнергии на 70 кВт • ч/т (310 кВт • ч/т) и электродов на 0,3 кг/т (1 кг/т). Эко­номическая эффективность определяется соотношением цен на жидкий чу­гун и лом и наличием жидкого чугуна.