5.1.4.6. Производство стали в электрических печах

Если жидкий чугун наиболее эффективно перерабатывать в сталь в кислородных конвертерах, то наилучшим способом переработки стального лома является электроплавка. Электрометаллургия хорошо вписывается в перспективную схему бездоменного получения желаза - путем проплавки в электрических печах железной губки. В наиболее развитых промышленных странах доля стали, полученной в электрических печах достигает 30-40%.

Все более широкое применение электроплавки в металлургии обусловливается рядом существенных преимуществ перед конвертерным и мартеновским способами:

- возможность создания в печи любой газовой атмосферы: окислительной, восстановительной, нейтральной; при необходимости плавку можно вести в вакууме;

- возможность концентрировать высокую тепловую мощность в сравнительно небольшом объеме печи, благодаря чему а) повышается степень использования тепла; б) удается достичь высоких температур в реакционной зоне - 2000- 3000°С (необходимых для плавления тугоплавких металлов и сплавов);

-значительно проще и удобнее осуществлять регулирование теплового режима плавки;

- строительство электрических печей требует значительно меньших капи-тальных затрат по сравнению с мартеновскими.

Наиболее распространенными для получения сталей являются трехфазные, трехэлектродные основные печи с непроводящей подиной емкостью от 0,5 до 200 т.

Устройство дуговой электрической печи (рис. 5.29).

П лавильная установка включает корпус печи 1 со съемным сводом 2, установленный на люльке 3, цилиндрическая поверхность которой позволяет осуществлять наклон печи в одну и другую сторону; механизм наклона печи 4, подъема и поворота свода: вращения корпуса печи в горизонтальной плоскости (на 40° в одну и другую сторону); электроды 5; электродержатели 6; устройство для электромагнитного перемешивания жидкого металла; трансформатор.

Мощная 200-тонная печь имеет диаметр и высоту плавильного пространства соответственно 7 и 6 м; диаметр электродов 610 мм; мощность трансформатора 125 MB.А.

Экономическая эффективность работы электрической печи в значительной степени определяется стойкостью огнеупорной футеровки. Различные участки печи работают в различных условиях, поэтому для их футеровки применяРис. 5.29. Схема трехфазной ются различные типы огнеупорных материалов.

сталеплавильной Под и откосы футеруются периклазовыми (MgO) ма-

электрической печи териалами: кирпичом 11 и порошком (с добавкой в качестве

связки 10% каменноугольной смолы) 10. Стены выкладываются хромитопериклазовыми кирпичами, а в шлаковом поясе - периклазоуглеродистыми. Свод печи изготавливают из периклазохромитовых. муллитовых огнеупоров, а отверстия для электродов выкладывают иногда из высокоглиноземистых кирпичей, обладающих высоким электрическим сопротивлением. В качестве теплоизоляционных материалов применяют шамотные легковесные кирпичи, порошок или асбест 12.

Особенности технологии электроплавки стали. Выплавка стали в электрических печах производится по двум вариантам: а) с полным окислением и применением свежей шихты; б) переплавом легированных отходов без окисления (или с частичным окислением).

Технология плавки по первому варианту во многом аналогична мартеновскому скрап-процессу. Загрузку печи шихтой осуществляют сверху при отведенном в сторону своде. Затем свод устанавливают на печь и включают трансформатор на максимальную мощность. Герметичность печи обеспечивается песчаным затвором 7. В этот период электроды медленно опускаются, проплавляя в шихте колодцы диаметром на 30-40% больше диаметра электродов. По мере плавления шихты уровень жидкого металла поднимается. Синхронно поднимаются и электроды, автоматически сохраняя необходимую длину дуг. Для ускорения плавления корпус печи медленно поворачивают вокруг вертикальной оси сначала в одну сторону на 40°, а затем в другую - тоже на 40°. Благодаря этому значительно увеличиваются зоны действия электрических дуг. После полного расплавления шихты, наклоняя печь в сторону загрузочного окна 8, скачивают большую часть шлака (содержащего повышенное количество фосфора).

В последующий, окислительный, период продолжается выгорание С; Р; Mn; Si. Наводят новый высокоосновной шлак. К концу окислительного периода содержание фосфора уменьшается до 0,010-0,015%.

В это время температура металла должна быть 1600-1640°С в зависимости от марки стали. Продолжительность окислительного периода для больших печей 40-90 мин. Заканчивается окислительный период скачиванием шлака.

Задачей второго, восстановительного, периода являются раскисление стали, окончательная корректировка химического состава стали (добавкой кокса, легирующих компонентов).

В этот период резко снижается содержание в шлаке FeO – до 0,5%.

Для улучшения хода процесса и получения высококачественной стали используют электромагнитное перемешивание металла в печи. Общая длительность плавки с окислением составляет 4-6 часов. Ее продолжительность может быть сокращена путем вдувания кислорода в металлическую ванну в окислительный период. Готовую сталь выпускают через сливной желоб 9, наклоняя печь.

Выплавку стали методом переплава (металлических отходов) используют обычно для получения легированных сталей. Поскольку по этой технологии либо значительно сокращается окислительный период, либо его вообще нет, существенно уменьшается продолжительность плавки с соответствующим повышением производительности печи и снижением себестоимости стали.

Себестоимость электростали также, как и мартеновской или конверторной, в основном определяется стоимостью шихтовых материалов. В расходах по переделу главные затраты - на электроэнергию и электроды, соответственно 400-700 кВт^●ч/т и 5-9 кг/т стали.

Индукционные печи применяют для выплавки высококачественных сталей и сплавов с особыми свойствами. Одной из положительных сторон плавки в индукционных печах является непрерывное перемешивание металла в тигле. Другим достоинством является возможность получать безуглеродистые сплавы, поскольку в печи отсутствуют угольные электроды. Индукционную вакуумную плавку широко применяют для производства высоколегированных жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов с повышенным содержанием химически активных металлов (алюминия, титана, циркония), которые невозможно получить в открытых печах.

Небольшие размеры индукционных печей дают возможность их размещения в герметичных камерах относительно небольшого объема, в которых можно осуществлять плавление металла при разрежении. Для этой цели разработаны разнообразные конструкции установок периодического или непрерывного действия. На рисунке 5.30 приведена схема двух вариантов установок вакуумной индукционной плавки периодического действия.

Рис. 5.30. Схема вакуумных индукционных печей:

А - с наклоняющимся тиглем; Б - поворотная с закреплённой изложницей

Емкость печей периодических установок не превышает нескольких сот килограммов. Установки полунепрерывного типа значительно сложнее, но они позволяют производить плавку в печах емкостью в несколько десятков тонн металла.