Технологии плавки стали в ДСП

Технология плавки стали в ДСП зависит от используемых шихтовых материалов, емкости печи, необходимого качества стали. Ниже рассмотрены некоторые технологии.

1. Плавка в основной печи на углеродистой шихте. Данная технология применяется на печах малой и средней (≤ 40 т) емкости при выплавке качественных легированных сталей. Плавка состоит из следующих периодов: заправка печи; загрузка шихты; плавление; окислительный период; восстановительный период; выпуск стали.

Заправка печи. Заправка – это исправление изношенных и поврежденных участков футеровки пода. После выпуска очередной плавки с подины удаляют остатки металла и шлака. На поврежденные подины и откосы забрасывают магнезитовый порошок. Длительность заправки 10-15 мин.

Загрузка шихты.

При выплавке стали в печах малой и средней емкости шихта на 90-100 % состоит из стального лома. Для повышения содержания углерода в шихту вводят чугун (< 10 %), а также электродный бой или кокс. Чтобы совместить удаление части фосфора при плавлении шихты, в завалку рекомендуется давать 2–3 % извести. Загрузку ведут бадьями или корзинами. Необходима плотная укладка шихты, это улучшает ее проводимость, обеспечивает устойчивое горение дуги, ускоряет плавление. Для уменьшения угара кокс и электродный бой кладут под слой крупного лома.

Плавление. После окончания завалки электроды опускают почти до касания с шихтой и включают ток. Под действием высокой температуры дуги шихта под электродами плавится, жидкий металл стекает вниз, накапливаясь в центральной части подины. Электроды постепенно опускаются, проплавляя в шихте «колодцы» и достигая крайнего нижнего положения. По мере увеличения количества жидкого металла электроды поднимаются. Это достигается при помощи автоматических регуляторов для поддержания определенной длины дуги. Плавление ведут при максимальной мощности трансформатора.

Во время плавления происходит окисление составляющих шихты, формируется шлак, происходит частичное удаление в шлак фосфора и серы. Окисление примесей осуществляется за счет кислорода воздуха, окалины и ржавчины, внесенных металлической шихтой.

Для ускорения плавления иногда применяют газокислородные горелки, вводимые в рабочее пространство через стенки печи, позволяющие вводить в жидкий металл кислород. При расходе кислорода 4-6 м²/т длительность плавления сокращается на 10-20 мин.

Продолжительность периода плавки определяется мощностью трансформатора и составляет от 1,1 до 3,0 ч. Расход электроэнергии за время плавления составляет 400-480 кВт·ч/т.

Окислительный период. Задачи окислительного периода: уменьшить содержание в металле фосфора до 0,01-0,015 %; водорода и азота; нагреть металл до температуры, близкой к температуре выпуска.

Кроме того, за время периода окисляют углерод до нижнего предела его содержания в выплавляемой стали. За счет кипения (выделения пузырьков СО при окислении углерода) происходит дегазация металла и его перемешивание, что ускоряет процессы дефосфорации и нагрева. Окисление примесей ведут, используя либо железную руду (окалину, агломерат), либо газообразный кислород. За все время плавления и окислительного периода в шлак удаляется до 30-40 % серы, содержащейся в шихте. При ки-пении вместе с пузырьками СО из металла удаляются водород и азот. Этот процесс имеет большое значение для повышения качества стали, поскольку в электропечи в зоне электрических дуг идет интенсивное насыщение металла азотом и водородом. В связи с этим сталь обычно содержит азота больше, чем мартеновская и кислородно-конвертерная сталь.

Окислительный период заканчивается тогда, когда углерод окисляется до нижнего предела его содержания в выплавляемой марке стали, а содержание фосфора снижено до 0,01-0,015 %. Период заканчивают сливом окислительного шлака. Полное скачивание окислительного шлака необходимо, чтобы содержащийся в нем фосфор не перешел обратно в металл во время восстановительного периода.

Восстановительный период. Задачи восстановительного периода: раскисление металла и удаление серы; доведение химического состава стали до заданного; корректировка температуры; введение в металл нужных легирующих компонентов. Раскисление металла проводится с целью получения необходимых свойств стали, уменьшения содержания окислов железа в шлаке, получения стали с пониженным содержанием неметаллических включений. В восстановительный период в печь вводят в определенной последовательности ферромарганец, ферросилиций, известь, плавиковый шпат и шамотный бой и др.

Для улучшения перемешивания шлака и металла и интенсификации медленно идущих процессов перехода в шлак серы, кислорода и неметаллических включений в восстановительный период рекомендуется применять электромагнитное перемешивание, особенно на большегрузных печах, где удельная поверхность контакта металла со шлаком значительно меньше, чем в печах малой емкости.

Длительность восстановительного периода составляет 40-100 мин. За 10-20 мин до выпуска проводят корректировку содержания кремния в металле, вводя в печь кусковой ферросилиций. Для конечного раскисления за 2-3 мин до выпуска в металл присаживают 0,4-1,0 кг алюминия на 1 т стали. Выпуск стали из печи в ковш производят совместно со шлаком. Интенсивное перемешивание металла со шлаком в ковше обеспечивает дополни-тельное рафинирование – из металла в белый шлак переходят сера и неметаллические включения.

При выплавке легированных сталей в дуговых печах в конце периода расплавления в сталь вводят легирующие добавки. Хром и марганец вводят в металл после слива окислительного шлака в начале восстановительного периода, никель в завалку, а молибден в конце плавления или в начале окислительного периода. Вольфрам обычного вводят в начале восстановительного периода, не позднее чем за 30 минут до выпуска. Легирование стали феррованадием производят за 15-35 минут до выпуска, ферро-силицием – за 10-20 минут до выпуска. Ферротитан вводят в печь за 5-15 минут до выпуска, либо в ковш. Алюминий вводят за 2-3 мин до выпуска в ковш. После легирования металл выливается в ковш для разливки стали.

Длительность плавки. Плавка в крупных печах длится 4-6 ч: из них 1,5-2,5 ч длится расплавление и 2-4 ч – окисление и рафинирование металла. Режимы работы печи и стадии технологического процесса могут быть различными в зависимости от вида скрапа, шихты, состава футеровки, применения легирующих компонентов.

2. Выплавка стали методом переплава. На металлургическом заводе отходы легированной стали, разливаемой в изложницы, достигают 25-40 %. По мере накопления отходов выплавляют сталь методом переплава. Плавку ведут без окисления или с непродолжительной продувкой кислородом, что позволяет сохранить значительную часть содержащихся в отходах ценных легирующих элементов. При плавке без окисления углерод и фосфор не окисляются, поэтому содержание фосфора в шихте не должно быть выше его допустимых пределов в готовой стали, а содержание углерода на 0,05÷0,1 % ниже, чем в готовой стали. В шихту помимо легированных отходов вводят мягкое железо – шихтовую заготовку с низким содержанием углерода и фосфора и, при необходимости, феррохром и ферровольфрам.

Загрузку и плавление шихты производят как при обычной плавке; в период плавления загружают 1÷1,5 % извести или известняка. После расплавления шлак, как правило, не скачивают, сразу приступая к проведению восстановительного периода. При этом раскисление, десульфурацию и легирование металла производят обычным способом. При диффузионном раскислении из шлака восстанавливается хром, вольфрам и ванадий. Если после расплавления шлак получился густым из-за высокого содержания окиси магния, его скачивают и наводят новый.

При выплавке стали методом переплава сокращается расход ферросплавов, на 10÷30 % возрастает производительность печи, на 10÷20 % сокращается расход электроэнергии и электродов.

3. Выплавка высококачественных сталей по упрощенной технологии с последующим внепечным рафинированием стали. Используются следующие технологии:

– плавка с рафинированием металла в ковше печным шлаком;

– плавка с рафинированием в ковше синтетическим шлаком;

– технология с продувкой в ковше порошкообразными реагентами;

– плавка с рафинированием и доводкой металла вне печи.

Общим для всех разновидностей второго направления технологии является стремление использовать крупные печи в основном для расплавления шихты, нагрева металла и проведения окислительных процессов – дефосфорации и обезуглероживания; иногда в печи проводят также легирование и формирование требуемого перед выпуском состава шлака.

4. Плавка с использованием металлизованных окатышей. Основу окатышей (губки) составляет железо с содержанием углерода от 0,2÷0,5 до 2 %, они содержат также некоторое количество невосстановленных окислов железа и пустую породу (в основном SiO2 и Al2O3), количество которой должно быть не более 3÷7 % от массы окатышей. Отличительная особенность этого сырья – малое содержание серы, фосфора, меди, никеля, хрома и других примесей, обычно содержащихся в стальном ломе. Это облегчает и упрощает процесс выплавки и получение стали высокого качества и степени чистоты (суммарное содержание примесей в стали получается в несколько раз меньше, чем при выплавке из стального лома).

Если содержание металлизованных окатышей в шихте не превышает 25÷30 % от её массы, то технология электроплавки существенно не отличается от обычной. Переработка шихты, основу которой составляют металлизованные окатыши, требует применения специфической технологии. Особенностями этой технологии являются:

– непрерывная загрузка окатышей со скоростью, пропорциональной подводимой в печь электрической мощности, причем загрузка должна начинаться после сформирования в печи ванны жидкого металла;

– совмещение периода плавления с окислительным (обезуглероживанием);

– упрощение технологии плавки в связи с малым содержанием в шихте вредных примесей – серы и фосфора.

Степень металлизации окатышей должна находиться в определенных пределах, обеспечивающих кипение ванны в процессе их загрузки и плавления. Оптимальное содержание окатышей в шихте составляет 60÷70 % от её массы, при большем их содержании возрастает длительность расплавления и плавки в целом.

Плавку начинают с загрузки стального лома, который в количестве 30÷40 % от массы металлической шихты заваливают в печь одной порцией. Далее подают напряжение и после расплавления лома в сформировавшуюся жидкую ванну начинают непрерывную загрузку окатышей; обычно их загружают в зону электрических дуг с помощью автоматизированной системы через отверстие в своде печи. Скорость подачи окатышей согласуют с подводимой в печь электрической мощностью так, чтобы температура ванны была на 30÷40 °С выше температуры плавления металла.

Период загрузки и расплавления совмещают с окислительным, т. е. проводят его так, чтобы обеспечить непрерывное окисление углерода (кипение ванны). При этом благодаря перемешиванию ускоряется плавление окатышей, обеспечиваются дегазация ванны и получение в конце периода заданного содержания углерода в металле.

По ходу плавления в печь загружают известь для ошлакования кислой пустой породы окатышей. Основность шлака в связи с низким содержанием в окатышах серы и фосфора может быть меньшей, чем при плавке на шихте из стального лома, и составлять 1,5÷2,0. В конце периода плавления необходимо получить требуемое в выплавляемой стали содержание углерода; при недостатке углерода прибегают к вдуванию в ванну карбюризаторов, избыточный углерод окисляют путем кратковременной продувки кислородом.

После окончания плавления применяют различные варианты ведения заключительной части плавки. Один из них – нагрев металла до требуемой температуры и выпуск в ковш, где производят внепечную доводку стали и рафинирование; другой – проведение в печи кратковременной доводки, в течение которой проводят нагрев, раскисление и легирование.

5. Выплавка стали в кислых дуговых печах. Электрические печи с кислой футеровкой обычно используют в литейных цехах при выплавке стали для фасонного литья. Преимуществом кислых печей по сравнению с основными является более высокая стойкость футеровки, наряду с этим стоимость кислых огнеупоров примерно в 2,5 раза ниже стоимости основных. При плавке стали для фасонного литья восстановительный период обычно отсутствует, длительность плавки меньше, чем в основной той же емкости. По этой причине, а также в связи с меньшей теплопроводностью кислой футеровки, более низким является и расход электроэнергии. Основным недостатком кислых печей является то, что во время плавки из металла не удаляется сера и фосфор.

Удаление газов. Во время плавки из электропечи выделяется большое количество запыленных газов. Температура газов составляет 900-1400 °С, содержание пыли в период продувки ванны кислородом доходит до 100 г/м³ газа. Количество газов, выделяющихся, например, из печи емкостью 100 т в период продувки кислородом, достигает 9-10 тыс. м³/ч. Для создания нормальных условий работы в сталеплавильном цехе необходимы улавливание и очистка отходящих газов.

В старых цехах с печами малой емкости применяются отсасывающие зонты, установленные над сводом. Однако они громоздки, не обеспечивают полное сгорание газов. В настоящее время газы отводят через отверстие в своде с последующей очисткой от пыли. Наибольшее распространение получила мокрая газоочистка с использованием труб Вентури.

Технические характеристики ДСП переменного тока прямого действия приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Характеристики ДСП переменного тока прямого действия

Примечание: нд – нет данных