§ 11. Производство стали в электропечах

Электропечи для плавления металла наиболее совершенны и дают большие возможности для выплавки стали. В электропечи можно вести плавку стали при более высокой температуре, чем при мартеновской, и получать стали наиболее высокого качества, в том числе и легированные.

Используют печи двух типов:

1. дуговые;

2. индукционные (высокочастотные).

Наиболее широкое применение нашли дуговые электропечи. Емкость их от 5 до 180 т.

§ 12. Устройство и работа дуговых электропечей

В дуговой сталеплавильной печи для расплавления и нагревания металла используется электрическая дуга, образующаяся между 3 вертикально расположенными электродами (графитизированными или угольными). Электрический ток (переменный трехфазный) от трансформатора посредством гибких кабелей и медных шин подводится к электрододержателям и течет от электрода через дугу и металл к другому электроду и далее возвращается в сеть.

Дуговая печь имеет следующие части: сварной или клепанный кожух цилиндрической формы со сфероидальным днищем; подины и стенок; съемный арочный свод с отверстием для электродов; механизм для закрепления и вертикального перемещения электродов; две опорные станины ; механизм наклона печи, позволяющий поворачивать печь при выпуске стали по желобу и в сторону загрузочного окна для скачивания шлака.

Рис.

1. кожух;

2. подина;

3. съемный арочный свод с отверстиями для электродов;

4. электроды;

5. загрузочное окно;

6. желоб для выпуска стали;

7. механизм наклона печи;

8. опорная станина;

9. металлическая шихта.

Свод печи выкладывают из динасовых кирпичей, подину чаще делают основной.

Шихта для плавки состоит из скрапа углеродистой или легированной стали.

Диаметр электродов определяется мощностью потребляемого тока и составляют 350 – 550 мм. В процессе плавки нижние концы электродов сгорают, поэтому их постепенно опускают и при необходимости наращивают сверху. Мощность печного трансформатора зависит от емкости печи, технологического процесса и составляет 25 000 – 40 000 кВт. Расход электроэнергии в дуговых печах при работе на твердой шихте 600 – 900 кВт/т стали, расход электродов 6 – 9 кг/т стали.

§ 13. Технология выплавки стали в дуговых печах

В зависимости от чистоты шихтовых материалов применяют две разновидности процесса плавки:

• с окислением примесей;

• без окисления примесей.

Плавка с окислением примесей

Технология такой плавки в основной дуговой печи подобна технологии плавки в мартеновских печах (скрап - процессом).

Используется шихта с содержанием углерода на 0,5 – 0,6 % выше, чем в готовой стали. На подину печи загружают мелкий стальной лом, затем более крупный. Скрап укладывается как можно плотнее для устойчивого горения дуги. В дуговые печи малой и средней емкости загружают мульдами или лотками через завалочное окно, а в печи большей емкости (30 – 80т) через свод, который отводят в сторону вместе с электродами. После загрузки шихты электроды опускают до легкого соприкосновения с шихтой. Подложив под нижние концы электродов кусочки кокса (для более плавного зажигания дуги) включают ток и начинают плавку стали.

При выплавке стали в дуговых печах различают окислительный и восстановительный периоды.

Во время окислительного периода расплавляется шихта, окисляется Si, Mn, P, избыточный С, частично Fe и др. элементы, например, Cr, Ti и образуется первичный шлак. Реакции окисления такие же, как в мартеновском процессе. Фосфор из металла удаляется в течение І половины окислительного периода, пока металл в ванне сильно еще не прогрелся. Образовавшийся при этом первичный фосфористый шлак в количестве 60 – 70 % удаляют из печи.

Для получения нового шлака в печь подают обожженную известь, железную руду, бокситы, плавиковый шпат, битый шамотный кирпич. После удаления фосфора и скачивания первичного шлака металл хорошо прогревается и начинается горение углерода (кипение ванны). Во время кипения ванны в течение 45 – 60 мин избыточный углерод сгорает, растворенные газы и неметаллические включения удаляются. После удаления углерода скачивают весь шлак. Если в металле в период окисления углерода содержится меньше, чем требуется по химическому составу, то в печь вводят куски графитовых электродов или кокс.

Восстановительный период плавки. В этот период раскисляют металл, переводят максимально возможное количество серы в шлак, доводят химический состав металла до заданного и подготавливают его к выпуску из печи.

Восстановительный период при выплавке сталей с низким содержанием углерода проводится под белым (известковым) шлаком, а при выплавке высокоуглеродистых сталей (более 1 % С) – под карбидным шлаком.

Выплавка металла под белым шлаком.

Для получения белого шлака в печь загружают шлаковую смесь (4 % массы металла), состоящую из 80 % извести и 20 % плавикового шпата. Через некоторое время на поверхности металла образуется слой шлака с достаточно высокой концентрацией FeO и MnO. Пробы металла имеют темный цвет. Этот шлак не может раскислять металл.

Перед раскислением металла в печь забрасывают 2 – 3 порциями вторую шлаковую смесь, состоящую из 4 – 5 частей кусковой извести, 1 части плавикового шпата, 2 – 3 частей молотого древесного угля и кокса.

Через некоторое время содержание FeO и MnO в шлаке снижается, закись железа FeO начинает переходить в шлак.

Для усиления раскисляющего действия белого шлака на металл к концу периода в печь забрасывают порошок ферросилиция, под влиянием которого содержание FeO в шлаке снижается до 1 – 1,5 %. В белом шлаке содержится 50 – 60 % СаО, а на поверхности его плавает древесный уголь, что позволяет эффективно из металла удалять серу.

В этот период в металл вводят необходимые добавки, в том числе и легирующие. Окончательно металл раскисляют в печи алюминием.

Выплавка металла под карбидным шлаком.

На І стадии восстановительный период происходит так же, как и под белым шлаком. Затем на поверхность шлака загружают карбидообразующую смесь, состоящую из 1 части кокса, 3 частей извести и 1 части плавикового шпата. При высоких температурах происходит реакция, в результате которой образуется карбид кальция СаС₂, который увеличивает раскислительную и обссеривающую способность карбидного шлака. Карбидный шлак содержит 55 – 65 % СаО и 0,3 – 0,5 % FeO, он обладает науглероживающей способностью.

Выплавка стали без окисления примесей

Этот метод называется методом переплава. В печь не загружают железную руду, условия для кипения ванны отсутствуют. Шихта состоит из легированных отходов с низким содержанием фосфора, поскольку его нельзя будет удалить в шлак. В печь загружают отходы стали близкие по химическому составу к готовой стали. Для понижения содержания углерода в шихту добавляют 10 – 15 % мягкого железа (0,1 % С). Образующийся при расплавлении шихты первичный железистый шлак из печи не удаляют. Это сохраняет легирующие элементы (Cr, Ni, V), которые переходят из шлака в металл. В восстановительный период плавки может быть белый или карбидный шлак.