Производство стали в электрических печах

Выделение пузырьков  СО сопровождается также и удалением  из металла неметаллических включений, которые выносятся на поверхность  потоками металла или поднимаются  наверх вместе с пузырьками газа. Хорошее  кипение ванны обеспечивает перемешивание  металла, выравнивание температуры  и состава.

Общая продолжительность  окислительного периода составляет от 1 до 1,5 ч. Для интенсификации окислительного периода плавки, а также для  получения стали с низким содержанием  углерода, например хромоникелевой нержавеющей  с содержанием углерода <=0,1 %, металл продувают кислородом. При продувке кислородом окислительные процессы резко ускоряются, а температура  металла повышается со скоростью  примерно 8- 10 С/мин. Чтобы металл не перегрелся, вводят охлаждающие добавки  в виде стальных отходов. Применение кислорода является единственным способом получения низкоуглеродистой нержавеющей  стали без значительных потерь ценного  легирующего хрома при переплаве.

Окислительный период заканчивается, когда содержание углерода становится ниже заданного предела, содержание фосфора 0,010%, температура  металла не­сколько выше температуры  выпуска стали из печи. В конце  окислительного периода шлак стараются  полностью убирать из печи, скачивая его с поверхности металла.

Восстановительный период плавки.

После скачивания окислительного шлака начинается восстановительный  период плавки. Задачами восстановительного периода плавки являются: раскисление  металла, удаление серы.коррек-тирование  химического состава стали, регулирование  температуры ванны, подготовка жидкоподвижного  хорошо раскисленного шлака для  обработки металла во время выпуска  из печи в ковш. Раскисление ванны, т. е. удаление растворенного в ней  кислорода, осуществляют присадкой  раскислителей в металл и на шлак. В начале восстановительного периода  металл покрывается слоем шлака. Для этого в печь присаживают  шлакообразующие смеси на основе извести с добавками плавикового  шпата, шамотного боя, кварцита. В  качестве раскислителей обычно используют ферромарганец, ферросили­ций, алюминий. При введении раскислителей происходят следующие реакции:

[Mn]+[O]=(MnO); [Si]+2 [О] = (SiO2); 2[Al]+ 3[O]-(Al2O3).

В результате процессов  раскисления большая часть растворенного  кислорода связывается в оксиды и удаляется из ванны в виде нерастворимых в металле неметаллических  включений. Процесс этот протекает достаточно быстро и продолжительность восстановительного периода в основном определяется временем, необходимым для образования подвижного шлака. В малых и средних печах при выплавке ответственных марок сталей продолжают применять метод диффузионного раскисления стали через шлак, когда раскислители в виде молотого электродного боя, порошка ферросилиция присаживают на шлак. Содержание кислорода в шлаке понижается и в соответствии с законом распределения кислород из металла переходит в шлак. Метод этот, хотя и не оставляет в металле оксидных неметаллических включений, требует значительно большей затраты времени. В восстановительный период плавки, а также при выпуске стали под слоем шлака, когда происходит хорошее перемешивание металла со шлаком, активно происходит десульфурация металла. Этому способствует хорошее раскисление стали и шлака, высокое содержание извести в шлаке и высокая температура. В ходе восстановительного периода вводят легирующие - ферротитан, феррохром и др., а некоторые, например никель, присаживают вместе с шихтой. Никель не окисляется и не теряется при плавке. Добавки тугоплавких ферровольфрама, феррониобия производят в начале рафинирования, так как нужно значительное время для их расплавления. В настоящее время большинство операций восстановительного периода переносят из печи в ковш. Например, в кош вводят порции легирующих или дают их на струю стали, вытекающей из печи при ее наклоне. Присаживают по ходу выпуска раскислители. Целью восстановительного периода является обеспечение нагрева стали до заданной температуры и создание шлака, десульфурирующая способность которого используется при совместном выпуске из печи вместе со сталью.

Одношлаковый процесс.

В связи с интенсификацией  процесса электроплавки в последние  годы получил большое распространение  метод плавки в дуговой печи под  одним шлаком. Сущность этого метода заключается в следующем: дефосфорация металла совмещается с периодом расплавления. Во время расплавления из печи скачивают шлак и производят добавки извести. В окислительный  период выжигают углерод. По достижении в металле << 0,035 % Р производят раскисление стали без скачивания шлака ферросилицием и ферромарганцем. Затем присаживают феррохром  и проводят сокращенный (50-70 мин) восстановительный  период с раскислени-ем шлака порошками  ферросилиция и кокса и раскисле-нием металла кусковыми раскислителями. Окончательное раскисление производят в ковше ферросилицием и алюминием. В некоторых случаях вообще не проводят раскисления шлака в  печи порошкообразными раскислителями.

Переплав отходов.

На заводах специальных  сталей количество образующихся отходов  достигает 25-40 % от выплавляемой стали. Часть отходов поступает с  машиностроительных заводов, поэтому  в электросталеплавильных цехах 50 % легированных сталей выплавляют из шихты, состоящей только из них. Рациональное использование отходов дает большую  экономию легирующих, электроэнергии, повышает производительность электропечей. В СССР легированные отходы разделяют  на 82 группы. При расчете шихты  стремятся использовать максимальное количество отходов данной марки  стали или наиболее близких марок

Шихту составляют с  таким расчетом, чтобы содержание углерода в ванне по расплавлении было на 0,05- 0,10 % ниже заданного маркой стали. Необходимые ле­гирующие, неокисляющиеся добавки Ni Cu, Mo, W загружают вместе с  шихтой, а прочие - V, Тi, Cr, Mn, Al, Si, Nb - стремятся  вводить как можно позднее  на разных стадиях плавки, в том  числе и во время выпуска в  ковш. Металл заданного состава получают в процессе рафинировки или в  ковше. Во время плавки наводят вы-сокоосновной, жидкоподвижный шлак, который частично скачивают из печи. Это позволяет удалить до 30 % фосфора. Если состав металла близок к расчетному, то, не скачивая шлака, приступают к раскислению шлака молотым коксом, ферросилицием и алюминием. При этом легирующие элементы восстанавливаются из шлака и переходят в металл, например так восстанавливается оксид хрома: 2(Cr2O3)+3 (Si)=3(SiO2)+4 [Cr]. Продолжительность восстановительного периода в этом варианте технологии такая же, как и в плавках с окислением. Плавка на отходах значительно короче (примерно на 1 ч) по сравнению с плавкой на свежей шихте за счет окислительного периода. Это увеличивает производительность электропечей на 15-20 % и сокращает расход электроэнергии на 15 %.

Методы интенсификации электросталеплавильного процесса.

Применение кислорода. Использование газообразного кислорода  в окислительный период плавки и  в периодрасплавления позволяет  значительно интенсифицировать  процессы расплавления и окисления  углерода.

Применение синтетического шлака.

Этот метод предусматривает  перенесение рафинирования металла  из электропечи в разливочный  ковш. Для рафинирования металла  выплавляют синтетический шлак на основе извести (52-55%) и глинозема (40%) в специальной  электродуговой печи с угольной футеровкой. Порцию, жидкого, горячего, активного  шлака (4-5 % от массы стали, выплавленной в электропечи) наливают в основной сталеразливочный ковш. Ковш подают к  печи и в него выпускают сталь. Струя стали, падая с большой  высоты, ударяется о поверхность  жидкого шлака, разбивается на мелкие капли и вспенивает шлак. Происходит перемешивание стали со шлаком. Это  способствует активному протеканию обменных процессов между металлом и синтетическим шлаком. В первую очередь протекают процессы удаления серы благодаря низкому содержанию FeO в шлаке и кислорода в  металле; повышенной концентрации извести  в шлаке, высокой температуре  и перемешиванию стали со шлаком. Концентрация серы может быть снижена  до 0,001 %. При этом происходит значительное удаление оксидных неметаллических  включений из стали благодаря  ассимиляции, поглощению этих включений  синтетическим шлаком и перераспределению  кислорода между металлом и шлаком.

Обработка металла  аргоном.

После выпуска стали  из печи через объем металла в  ковше продувают аргон, который  подают либо через пористые пробки, зафутеро-ванные в днище, либо через  швы кладки подины ковша. Продувка стали  в ковше аргоном позволяет  выровнять температуру и химический состав стали, понизить содержание водорода, удалить неметаллические включения, что в конечном итоге позволяет  повысить механические и эксплуатационные свойства стали.

Применение порошкообразных  материалов.

Продувка стали  в дуговой электропечи порошкообразными материалами в токе газаносителя (аргона или кислорода) позволяет  ускорить важнейшие процессы рафинирования  стали: обезуглероживание, дефосфорацию, десульфурацию, раскисление металла.

В струе аргона или  кислорода в ванну вдуваются  порошки на основе извести, плавикового  шпата. Для рас-кисления металла  используют порошкообразный ферро­силиций. Для окисления ванны и для  ускорения удаленияуглерода и фосфора  добавляют оксиды железа. Мел-кораспыленные  твердые материалы, попадая в ванну металла, имеют большую поверхность контакта с металлом, во много раз превышающую площадь контакта ванны со шлаковым слоем. При этом происходитинтенсивное перемешивание металла с твердыми частицами. Все это способствует ускорению реакций рафинирования стали. Кроме того, порошкообразные флюсы могут использоваться для более быстрого наведения шлака.

Плавка в кислой электропечи.

Кислые электропечи  футеруют огнеупорными материалами  на основе кремнезема. Эти печи имеют  более глубокие ванны и в связи  с этим меньший диаметр кожуха, меньшие тепловые потери и расход электроэнергии. Стойкость футеровки  свода и стен кислой печи значительно  выше, чем у основной. Это объясняется  малой продолжительностью плавки. Печи с кислой футеровкой вместимостью 1-3 т применяются в литейных цехах  для производства стального литья  и отливок из ковкого чугуна. Они  допускают периодичность в работе, т. е. работу с перерывами. Известно, что основная футеровка быстро изнашивается при частом охлаждении. Расход огнеупоров на 1 т стали в кислой печи ниже. Кислые огнеупоры дешевле, чем основные. В кислых печах быстрее разогревают  металл до высокой температуры, что  необходимо для литья. Недостатки кислых печей связаны прежде всего с  характером шлака. В этих печах шлак кислый, состоящий в основном из кремнезема. Поэтому такой шлак не позволяет удалять из стали фосфор и серу. Для того чтобы иметь  содержание этих примесей в допустимых пределах, необходимо подбирать специальные  шихтовые материалы, чистые по фосфору  и по сере. Кроме того, кислая сталь  обладает пониженными пластическими  свойствами по сравнению с основной сталью вследствие присутствия в  металле высококремнистых неметаллических  включений.Технология плавки в кислой электропечи имеет следующие  особенности. Окислительный период плавки непродолжителен, кипение металла  идет слабо, так как кремнезем  связывает РеО в шлаке и  тем самым скорость перехода кислорода  в металл для окисления углерода снижается. Кислый шлак более вязкий, он затрудняет кипение. Шлак наводят  присадками песка, использованной формовочной  земли. Известь присаживают до содержания в шлаке не более 6-8 % СаО. Раскисление  кислой стали проводят, как правило, присадкой кускового ферросилиция. Частично сталь раскисляется кремнием, который восстанавливается из шлака  или из футеровки по реакциям: (SiO2)+2Fe=2(FeO)+[Si]; (SiO2)+2[C]=2CO+[Si]. В отличие от основного  процесса при кислом ферромарганец  присаживают в конце плавки в  раздробленном виде в ковш. При  таком способе усваивается до 90 % марганца. Конечное раскисление  проводят алюминием.

Получение низкоуглеродистой  коррозионностойкой стали (процессы AOD и VOD).

Широкое распространение  получают методы производства низкоуглеродистой  коррозионностойкой стали вне электропечи.

Метод AOD. В электропечи  выплавляют основу нержавеющей стали, содержащей заданное количество хрома  и никеля, с использованием недорогих, высокоуглеродистых ферросплавов. Затем  сталь вместе с печным шлаком заливают в конвертер, профиль которого представлен  на рис. 81. Футеровка конвертера изготовлена  из магнезитохромитового кирпича. Стойкость  футеровки до 200 плавок. В нижней зоне футеровки, в третьем ряду кирпичной  кладки от днища конвертера. Фурмы  представляют собой конструкцию  из медной внутренней трубы и наружной трубы из нержавеющей стали, внутренний диаметр фурмы 12-15 мм. Начальное содержание углерода в стали может быть для  ферритных хромистых сталей 2,0-2,5 %, а для аустенитных сталей 1,3-1,7 %. В первые 35 мин сталь продувают  смесью кислорода и аргона в соотношении 3 : 1. Во избежание перегрева металла  в о, конвертер присаживают лом - данной марки стали, феррохром и т. п. Затем в течение 9 мин сталь продувают смесью кислорода и аргона в соотношении 1:1. В это время концентрация углерода снижается до 0,18%. В третьем периоде в продувочном газе еще более уменьшают отношение кислорода к аргону до 1:2, продувку продолжают еще 15 мин. За это время содержание углерода снижается до 0,035%. Температура повышается до 1720°С. В конце продувки присаживают известь и ферросилиций для восстановления хрома из шлака. После восстановления шлак, содержащий 1 % Cr2O3, скачивается и после наведения нового шлака проводят окончательную продувку аргоном. При этом в шлак переходит сера, ее содержание в металле снижается до 0,010 %.

В результате процесса AOD получают высококачественную нержавеющую  сталь с низким содержанием углерода, серы, азота, кислорода, сульфидных и  оксидных неметаллических включений, с высокими механическими свойствами. Для повышения экономичности  процесса аргон частично заменяют азотом. Средняя продолжительность продувки составляет 60-120 мин, расход аргона составляет 10-23 м^3/т, кислорода 23 м^3/т. На рис. 82 представлено изменение температуры и состава  металла. Степень извлечения хрома  составляет 98%.

Метод VOD. Этот метод  вакуумно-кислородного обезуглероживания  с продувкой аргоном. В основе метода лежит осуществление реакции [C]+[O]=CO, равновесие которой в вакууме  сдвигается в правую сторону. Чем  ниже парциальное давление СО, тем  ниже должна быть остаточная концентрация углерода в стали. При этом создаются  благоприятные условия для восстановления оксида хрома углеродом, что позволяет  проводить процесс обезуглероживания  без заметных потерь хрома со шлаком. Коррозионностойкую сталь выплавляют в электропечи с достаточно высоким  содержанием углерода (0,3-0,5 % ); сталь  выпускают в специальный ковш с хромомагнезитовой футеровкой, имеющим в днище фурму для  подачи аргона. Ковш устанавливают  в вакуумную камеру, откачивают воздух и начинают продувку кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму, которую  вводят в камеру через крышку. Одновременно производится продувка аргоном через  дно ковша. После окончания продувки проводят присадку раскислителей и  легирующих для корректировки состава. Расход аргона в этом способе значительно  ниже чем в AOD (всего 0,2 м^3/т). Получаемая сталь содержит очень низкие концентрации углерода (0,01 %) при низком содержании азота. Окисление хрома незначительное. Для удаления серы в ковш загружают  известь, что позволяет после  раскисления и кратковременного перемешивания аргоном снизить  концентрацию серы в металле до необходимых  пределов. По сравнению с процессом AOD этот метод более сложен и применяется  для производства сталей ответственного назначения с низким содержанием  углерода. К достоинствам того и  другого процесса следует отнести  экономию дорогого низкоуглеродистого феррохрома, обычно использовавшегося  при получении нержавеющей стали  в дуговых печах, а также достижение низких содержаний углерода без значительных потерь хрома.

Индукционные печи и плавка в них.

В настоящее время  индукционные печи находят широкое  применение в металлургии и машиностроении. В лабораториях используют высокочастотные  печи ем­костью от нескольких грамм  до 100 кг, в литейных цехах низко- и среднечастотные печи до 2-6 т; наиболее крупные печи имеют емкость до 60 т. По сравнению с дуговыми электропечами  в индукционных печах отсутствие электродов и электрических дуг  дает возможность получать стали  и сплавы с низким содержанием  углерода и газов. Плавка характеризуется  небольшим угаром легирующих элементов, высоким электрическим к. п. д„ точным регулированием температуры металла.