Производство стали в электропечах

В настоящее время для выплавки стали широко применяют электропечи.

Основными достоинствами электропечей являются:

- возможность быстрого нагрева металла, что позволяет вводить в печь

большое количество легирующих добавок;

- возможность создать окислительную, восстановительную, нейтральную

или вакуумную атмосферу, что позволяет выплавлять сталь любого

состава, раскислять металл с образованием минимального количества

неметаллических включений;

- возможность плавно и точно регулировать температуру металла.

Поэтому электропечи используют для выплавки высоколегированных,

конструкционных, специальных сталей и сплавов.

Плавильные печи бывают:

- дуговыми;

- индукционными.

Основное количество электростали выплавляют в дуговых печах. Доля

стали, выплавляемой в индукционных печах, в общем объеме выплавки невелика.

Дуговая плавильная печь. Дуговая электропечь состоит из рабочего

пространства с электродами и токоподводами и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение электродов и загрузку шихты. Плавку стали ведут в рабочем пространстве печи, ограниченным куполообразным сводом, снизу сферическим подом и с боков стенками. Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух. Она может быть основной (магнезитовой, магнезитохромитовой) или кислой (динасовой). В съемном своде расположены три цилиндрических электрода из графитизированной массы, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх или вниз, автоматически регулируя длину дуги. Печь питается трехфазным переменным током. Шихтовые материалы загружают на под печи сверху в открываемое рабочее пространство. После их расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Плавление и нагрев шихты осуществляется за счет тепла электрических дуг, возникающих между электродами и жидким металлом или металлической шихтой.

Для управления ходом плавки в печи имеются рабочее окно и отверстие для

выпуска по желобу готовой стали (летка). С помощью поворотного механизмапечь может наклоняться в сторону сталевыпускного отверстия или рабочего окна.

Вместимость дуговых печей может составлять 0,5 – 400 т.

В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой,

а в литейных – с кислой.

В основной дуговой печи можно осуществить плавку двух видов:

- без окисления примесей методом переплава шихты из легированных

отходов;

- с окислением примесей на углеродистой шихте.

Плавка без окисления примесей. Шихта для такой плавки должна иметь

низкое содержание фосфора и меньше, чем в выплавляемой стали, марганца и кремния. Производят нагрев и расплавление шихты. По сути это переплав.

Однако в процессе плавки часть примесей окисляются (алюминий, титан,

кремний, марганец). После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак. При необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Затем проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак мелкораздробленный ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Плавкой без окисления примесей выплавляют стали из отходов машиностроительных заводов.

Плавка с окислением примесей. Плавку применяют для производства

конструкционных сталей и ведут на углеродистой шихте. В печь загружают

шихту, состоящую из стального лома (~90%), чушкового передельного чугуна (до 10%), электродного боя или кокса для науглероживания металла и известь (2-3%) . Затем опускают электроды, включают ток и начинают плавку. Шихта под действием тепла дуги плавится, металл накапливается на подине печи. Во время плавления шихты кислородом воздуха, оксидами шихты окисляются железо, кремний, фосфор, марганец и частично углерод. Оксид кальция и оксиды железа образуют основной железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла. После прогрева металла и шлака до температуры 1500 – 1550 °С в печь загружают руду и известь и проводят период кипения. Когда содержание углерода будет меньше заданного на 0,1%, кипение прекращают и удаляют из печи шлак.

Затем проводят удаление серы и раскисление металла, доведение химического состава до заданного. Раскисление проводят осаждением и диффузионным методом. После удаления железистого шлака в печь подают раскислители (силикокальций, силикомарганец) для осаждающего раскисления. Затем в печь загружают известь, плавиковый шпат, шамотный бой для получения высокоосновного шлака. После расплавления флюсов и образования высокоосновного шлака на его поверхность вводят раскислительную смесь для диффузионного раскисления (известь, ферросилиций, плавиковый шпат, молотый кокс). Углерод кокса и кремний ферросилиция восстанавливают оксид железа в шлаке и содержание его в шлаке снижается.

В этот период создаются условия для удаления из металла серы, что

объясняется высоким содержанием СаО в шлаке (около 60%), низким содержанием FeO (менее 0,5 %) и высокой температурой металла.

Для определения химического состава металла берут пробы и при необхо-

димости в печь вводят ферросплавы для получения заданного химическогосостава металла. Затем выполняют конечное раскисление стали и выпускают из печи в ковш.

В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали.

Это конструкционные, инструментальные, жаропрочные и жаростойкие стали.

Индукционная плавильная печь. Печь состоит из водоохлаждаемого

индуктора, внутри которого находится тигель с металлической шихтой

Через индуктор от генератора высокой частоты проходит переменный ток

повышенной частоты. Ток создает переменный магнитный поток, пронизывая куски металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи, нагревающие металл до расплавления и необходимых температур перегрева. Тигель может быть изготовлен из кислых и основных огнеупоров. Емкость тигля составляет до 25 т.

В соответствии с заданным химическим составом металла при загрузке

тщательно подбирают состав шихты. Необходимое для этого количество ферросплавов загружают на дно тигля вместе с шихтой. После расплавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, а также для защиты его от насыщения газами.

При плавке в кислой печи после расплавления и удаления шлака наводят

новый шлак с высоким содержанием SiO2. Металл раскисляют ферросилицием, ферромарганцем и алюминием перед выпуском его из печи. В печах с кислой футеровкой выплавляют конструкционные стали, легированные другими элементами.

В печах с основной футеровкой выплавляют высококачественные легиро-

ванные стали с высоким содержанием марганца, никеля, титана, алюминия.

Индукционные печи имеют ряд преимуществ перед дуговыми. Основными

их них являются:

- отсутствие электрической дуги, что позволяет выплавлять сталь с низким

содержанием углерода, газов и малым угаром элементов;

- наличие электродинамических сил, которые перемешивают металл в печи

способствуют выравниванию химического состава, всплыванию

неметаллических включений;

- небольшие размеры печей позволяют помещать их в камеры, где можно

создать любую атмосферу или вакуум.

К недостаткам этих печей можно отнести:

- недостаточная температура шлака для протекания металлургических

процессов между металлом и шлаком;

- малая стойкость футеровки, что приводит к частым ремонтам и оста-

новкам.

Поэтому в индукционных печах выплавляют сталь из легированных отхо-

дов методом переплава или методом сплавления чистого шихтового железа и

скрапа с добавкой ферросплавов.