Восстановительный период плавки

Плавка в дуговой печи начинается с заправки печи. Жидкоподвижные нагретые шлаки сильно разъедают футеровку, которая может быть повреждена и при загрузке. Если подина печи во время не будет закрыта слоем жидкого металла и шлака, то она может быть повреждена дугами. Поэтому перед началом плавки производят ремонт – заправку подины. Перед заправкой с поверхности подины удаляют остатки шлака и металла. На поврежденные места подины и откосов – места перехода подины в стены печи – забрасывают сухой магнезитовый порошок, а в случае больших повреждений – порошок с добавкой пека или смолы.

Заправку производят заправочной машиной, выбрасывающей через насадку при помощи сжатого воздуха заправочные материалы, или, разбрасывающей материалы по окружности с быстро вращающегося диска, который опускается в открытую печь сверху.

 

Для наиболее полного использования рабочего пространства печи в центральную ее часть ближе к электродам загружают крупные куски (40 %), ближе к откосам средний лом (45 %), на подину и на верх загрузки мелкий лом (15 %). Мелкие куски должны заполнять промежутки между крупными кусками.

Выплавка сталей включает следующие операции: расплавление металла, удаление содержащихся в нем вредных примесей и газов, раскисление металла, и выливание его из печи в ковш для разливки в машине непрерывного литья заготовок. Значение этих операций и требования, которые они предъявляют к дуговой печи, могут быть весьма различными.

Расплавление скрапа необходимо вести по возможности скорее и с минимальным расходом энергии. Зачастую длительность его превосходит половину продолжительности всей плавки и при этом расходуется 60-80% всей электроэнергии. Характерной особенностью периода является неспокойный электрический режим печи. Горящая между концом электрода и холодным металлом дуга нестабильна, ее длина невелика и сравнительно небольшие изменения в положении электрода или металла (обвал, сдвиг подплавленного куска скрапа) вызывают либо обрыв дуги, либо, наоборот, короткое замыкание. Ход плавления шихты в дуговой печи иллюстрируется рис. 1.1. Дуга загорается сначала между концом электрода и поверхностью шихты, причем для повышения ее устойчивости в первые минуты под электроды обычно подкладывают куски кокса или электродного боя. После сгорания последних начинает подплавляться металл и каплями стекать на подину. В шихте образуются колодцы, в которые углубляются опускающиеся электроды до тех пор, пока они не достигнут подины, на которой во избежание перегрева ее к этому моменту должна быть образована лужа расплавленного металла. Это самый беспокойный, неустойчивый период горения дуги; подплавляемые куски шихты падают на электрод, закорачивая дугу при опускании куска шихты под торцом электрода может, наоборот, наступить обрыв тока. Горящая между электродом и расплавленным металлом дуга перегревает металл: начинается размыв и расплавление шихты, окружающей колодцы. Колодцы расширяются, уровень жидкого металла в ванне начинает повышаться, а электроды – подниматься. В конце этого периода почти весь металл оказывается расплавленным; остаются лишь отдельные куски шихты на откосах – "настыли", расплавляющиеся последними. Чтобы не затягивать период расплавления, обычно эти "настыли" сбрасывают ломом в глубь ванны. Период расплавления считают законченным, когда весь металл в печи перешел в жидкое состояние. К этому моменту режим горения дуги становится более спокойным, так как температура в печи выше, поверхность металла покрыта слоем шлака, образованным заброшенными в печь в период расплавления кусками извести и всплывающими окислами; длина дуги по сравнению с началом расплавления увеличивается в несколько раз дуга горит устойчивее, количество толчков тока и обрывов уменьшается.

 

1.2 Окислительный период плавки

После окончания периода расплавления начинается окислительный период, задачи которого заключаются в следующем: окисление избыточного углерода, окисление и удаление фосфора; дегазация металла; удаление неметаллических включений, нагрев стали. Окислительный период плавки начинают присадкой железной руды, которую дают в печь порциями. В результате присадки руды происходит насыщение шлака FeO и окисление металла по реакции: (FeO)=[Fe] + [O]. Растворенный кислород взаимодействует с растворенным в ванне углеродом по реакции [C] +[O]=CO. Происходит бурное выделение пузырей CO, которые вспенивают поверхность ванны, покрытой шлаком. Поскольку в окислительный период на металле наводят известковый шлак с хорошей жидкоподвижностью, то шлак вспенивается выделяющимися пузырями газа. Уровень шлака становится выше порога рабочего окна и шлак вытекает из печи. Выход шлака усиливают, наклоняя печь в сторону рабочего окна на небольшой угол. Шлак стекает в шлаковик, стоящий под рабочей площадкой цеха. За время окислительного периода окисляют 0,3—0,6 % углерода со средней скоростью 0,3—0,5 % в час. Для обновления состава шлака одновременно с рудой в печь добавляют известь и небольшие количества плавикового шпата для обеспечения жидкоподвижности шлака. Непрерывное окисление ванны и скачивание окислительного известкового шлака являются непременными условиями удаления из стали фосфора.

Для протекания реакции окисления фосфора 2[P] + 5[O]=(P₂О₅);

(P₂О₅) + 4(СаО) = 4(СаО) × (P₂О₅) необходимы высокое содержание кислорода в металле и шлаке, повышенное содержание окиси кальция в шлаке и пониженная температура. В электропечи первые два условия полностью выполняются. Выполнение последнего условия обеспечивают наводкой свежего шлака и постоянным обновлением шлака, так как шлак, насыщенный 4(СаО) × (P₂О₅) скачивается из печи. По ходу окислительного периода происходит дегазация стали – удаление из нее водорода и азота, которые выделяются в пузыри СО, проходящие через металл. 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 часов. Для интенсификации окислительного периода плавки, а также для получения стали с низким содержанием углерода 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, корректирование 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]=(Al₂О₃).

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 по уравнению FeS + CaO = FeO + CaS. 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. 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.

 

1.4 Особенности плавки конструкционной стали

Проектируемая печь предназначена для выплавки конструкционной стали, которая применяется для изготовления различных деталей машин, механизмов и сооружений. К конструкционной стали предъявляются высокие требования прежде всего в отношении механических свойств; в ней должны отсутствовать пороки, могущие понизить прочность сооружения или детали машины. Механические свойства этой стали зависят главным образом от химического состава и условий ее термической обработки. В некоторых случаях обыкновенная углеродистая сталь удовлетворяет требованиям, предъявляемым к конструкционной стали. В других случаях этим требованиям может удовлетворить только легированная сталь после соответствующей термической обработки.

В состав нелегированной углеродистой стали входят следующие элементы: железо, углерод, кремний, марганец, фосфор и сера. Повышение содержания углерода увеличивает твердость стали и в соответствии с этим предел прочности. В закаленной стали влияние углерода значительно сильнее, чем в отожженной стали. В зависимости от требований, предъявляемых к твердости и прочности конструкционной стали, содержание углерода в ней может находиться в пределах 0,08 – 0,5 %.

Кремний вводят в сталь для предотвращения образования в ней пузырей, Для этого необходим, чтобы сталь содержала не менее 0,17 % Si. При более низком его содержании в процессе кристаллизации стального слитка возможно взаимодействие углерода с кислородом в стали, что может привести к возникновению пузырей в слитке.

Марганец также раскисляет сталь. Однако раскисление металла может быть осуществлено и без введения марганца. Между тем этот элемент входит в состав почти всех углеродистых и легированных сталей, Главное назначение марганца заключается в уменьшении вредного влияния серы.

Фосфор и сера являются вредными примесями в стали. Фосфор понижает ударную вязкость, сера придает стали красноломкость. Поэтому содержание этих элементов в стали должно быть, возможно более низким. Учитывая технологические трудности, связанные с удаление фосфора и серы при плавке конструкционной стали, допускают содержание каждого из этих элементов до 0,025 – 0,04 %.

Главным недостатком углеродистой стали является слабая ее прокаливаемость. В связи с этим высокие механические свойства после термической обработки могут быть получены только в тонких изделиях. При закалке толстых изделий из углеродистой стали прокалится лишь небольшой слой, близко расположенный к поверхности, а внутренние слои детали не прокалятся. В соответствии с этим высокие механические свойства после термической обработки обыкновенной углеродистой стали будут достигнуты только для поверхностного слоя обрабатываемой детали.

Существенным недостатком углеродистой стали является также низкая ударная вязкость. В особенности резко снижается ударная вязкость стали при пониженных температурах.

Для устранения указанных недостатков в сталь вводят различные легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, ванадий, кремний и др.); эти элементы увеличивают прочность феррита. Однако наиболее важное влияние эти легирующие элементы оказывают на распад аустенита.

Для уменьшения чувствительности стали к отпускной хрупкости в нее вводят молибден или вольфрам. Эти элементы не только понижают чувствительность стали к отпускной хрупкости, но и увеличивают прокаливаемость стали.

 

1.5 Разливка стали

Разливка осуществляется с помощью машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Конструкция машины – двухручьевая, вертикальная, подземного расположения, со сборными водоохлаждаемыми неподвижными кристаллизаторами (рис. 1.2). Основные механизмы установки расположены в подземном колодце глубиной 13 м и сечением 5´10 м. Разливочная площадка находится на высоте 3,8 м над уровнем пола цеха и вынесена в разливочный пролет, что позволяет нормально обслуживать установку существующими в цехе кранами. Под кристаллизаторами расположены системы вторичного охлаждения, водосброса и тянущих роликов, под ними тележки газорезок и пульты управления газорезками (на площадке – 7,5 м). Кантователи слитков расположены на площадке – 11,5 м. Наклонные конвейеры поднимают слитки с этой площадки на уровень пола цеха. Установка рассчитана на разливку стали из 50-т ковша для получения унифицированной заготовки 175´420 мм длиной 1920 мм, предназначенной для прокатки на листовом и крупносортном стане. Металл из 50-т стопорного ковша поступает в промежуточное разливочное устройство емкостью 3,5 т, их которого через два стопора одновременно разливается в два неподвижных кристаллизатора высотой 1500 мм [6].

Промежуточное разливочное устройство имеет графито-шамотные стаканчики с электрообогревом и перегородки для предохранения от попадания шлака в кристаллизаторы, а также прибор радиоактивным излучением для контроля уровня металла. Каждая машины имеет независимые друг от друга механизмы вытягивания, автогенной резки, транспортные устройства для выдачи заготовок на склад. Достигнутая в настоящее время линейная скорость разливки составляет 0,9 м/мин, а производительность установки
45 – 55 т/час.

Схема технологического процесса производства стали с использованием МНЛЗ приведена ниже.

 

Схема технологического процесса
производства стали

 

Технологический процесс состоит из пяти основных этапов:

I этап – плавка стали в дуговой сталеплавильной печи постоянного тока;

II этап – разливка стали;

III этап – нагрев стали;

IV этап – зачистка стали;

V этап – прокатка.

 

 

Рис. 2 Машина для непрерывной разливки

 

РАСПОЛОЖЕНИЕ ДУГОВОЙ ПЕЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рисунок 3 Схема расположения печи

1 – стойка; 2 – шахта; 3 – трансформатор; 4 – выпрямитель; 5 – электрододержатель; 6 – графитированный электрод; 7 – механизм для подъема свода; 8 – портал; 9 – центральная часть свода; 10 – водоохлаждаемый свод; 11 – водоохлаждаемые стены; 12 подовые электроды; 13 – водоохлаждаемые кабеля.

 

2. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЮ

2.1 Футеровка подины

Рисунок 4 Температурные швы в кладке свода печи.

а) теплоизоляционный слой; б) огнеупорный слой.

Подина играет существенную роль при плавке стали. Она работает в тяжелых тепловых и механических условиях. На раскаленную подину укладывается при загрузке холодная шихта; подина испытывает резкие температурные колебания, удары и давление, поэтому она должна иметь механическую прочность при температуре 800 –100 °С. При перемешивании жидкой ванны подина подвергается размывающему действию жидкой стали. Тепло в печи выделяется в дугах, у поверхности металла, и тепловой поток направлен от поверхности к подине. При установившемся тепловом режиме ванны значение этого теплового потока определяется тепловыми потерями через подину, которые обусловливают температурный перепад по высоте металла. В виду этого подину выполняем из трех слоев: внутреннего набивного, необходимого для того, чтобы образовать ванну со стенками, непроницаемыми для жидкого металла; среднего, состоящего из кирпичной огнеупорной кладки и воспринимающего механическую нагрузку от набивного слоя; наружного теплоизоляционного слоя, работающего в более легких тепловых условиях и обеспечивающего необходимое тепловое сопротивление подины. Внутренняя и средняя часть подины выполняются их магнезита. Наружная часть кладки (теплоизоляция) выполняется из шамотного порошка и асбеста [4]. Подину готовят следующим образом: на металлический каркас дна печи укладывают слой 20 мм листового асбеста. На этот подготовительный слой, скрывающий все неровности кожуха (например, сварочные швы), укладывают "на плашку" три слоя шамотные кирпичи (рис. 5.1, а), а на них на них "на ребро" четыре слоя огнеупорного кирпича (рис. 5.1, б). Магнезитовые кирпичи укладывают без раствора, тщательно притирая их друг к другу. Швы и ряды кирпичей пересыпают мелким магнезитовым порошком для лучшего заполнения швов кладка каждого ряда простукивается деревянными молотками. Ряды кирпичей должны взаимно перекрываться, т. е. швы соседних рядов не должны совпадать. Через каждые пять – восемь кирпичей в обоих направлениях необходимо делать температурные швы шириной 3 –4 мм. Набивной слой подины представляет собой массу, состоящую из магнезитового порошка. Толщина набивного слоя 90 мм.

 

2.2 Футеровка стен

Стены выкладывают их магнезитохромитового кирпича всухую с пересыпкой швов магнезитовым порошком. Так как ванна печи имеет круглую форму, то, кроме нормальных кирпичей применяют фасонные. Они более стойки по сравнению с тесаными, поэтому теску кирпичей желательно свести к минимуму. Через каждые 1200 – 1500 мм в стенах оставляют вертикальные температурные швы шириной 10 – 15 мм радиального направления, заполненные толем.

Рабочие окна печи обрамляют столбиками и перекрывают аркой из одного или двух рядов кирпича "в перевязку". Срок службы арок должен соответствовать сроку службы стен.

 

2.3 Футеровка свода

Свод печи выкладывается из хромомагнезита. Свод из такого кирпича служит в 1,5 –2 раза дольше динасовых [4]. Недостатками хромомагнезита является его высокая теплопроводность и большая плотность по сравнению с динасом, что приводит к утяжелению свода.