Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Технология плавления стали в дуговых печах




 

 

Основное назначение дуговой сталеплавильной печи (ДСП) пря­мого действия — выплавка стали из металлического лома (скрапа). Та­кой процесс весьма энергоемок: на 1 т выплавленной стали в зависи­мости от емкости печи и характера процесса расходуется от 500 до 1000 кВт∙ч электроэнергии. Поэто­му основную часть сталей — обычно углеродистые, конструкционные и часть легированных — выплавляют в конверторах или мартеновских пе­чах, где ее выплавка более дешева. В ДСП получают, как правило, вы­соколегированные сорта стали, для которых требуются тщательная очистка металла от вредных приме­сей (особенно серы), удаление не­металлических включений и обезгаживание. Такие стали было за­труднительно выплавлять в марте­новских печах, а повышенная стои­мость передела в электропечах компенсировалась улучшением ка­чества получаемого металла и уменьшением угара ценных легиру­ющих. Существенные преимущества имеет ДСП по сравнению с марте­новской печью и как агрегат для получения стального литья.

В трехфазных дуговых сталеплавильных печах (ДСП), работаю­щих на переменном токе промышленной частоты, электрические дуги горят между тремя вертикально расположенными графитированными электродами и расплавляемой металлошихтой или жид­ким металлом, выполняющими роль нулевой точки электрическо­го соединения трех дуг в «звезду» (рис. 1.1, а, б);в дуговых ста­леплавильных печах, работающих на постоянном токе (ДСП ПТ) электрическая дуга горит между одним графитированным электро­дом-катодом и металлом, являющимся анодом (рис. 1.1, в) [17].

 

Футерованный кожух дуговой печи образует сфероконическую ванну и рабочее пространство, перекрытое сверху купольным кир­пичным сводом (рис. 1.1, а, в) или комбинированным сводом с водоохлаждаемыми элементами-панелями, что характерно для конструкции современных сверхмощных печей, работающих по одношлаковой технологии (рис. 1.1, б).Корпус печи опирается на опорную платформу с круговыми сегментами, что позволяет наклонять печь для слива металла по сливному желобу (рис. 1.1.1, а, в)или через донное выпускное отверстие (рис. 1.1.1, б) и для скачивания окислительного шлака через порог рабочего окна посредством соответствующего гидравлического (или электроме­ханического) механизма наклона.

  Рис. 1.1. Схемы дуговых печей переменного тока: а – обычной, б – сверхвысокой мощности; в – по­стоянного тока:   1 — графитированные электроды; 2 — свод; 3 — рабочее окно; 4 — ванна; 5 — механизм наклона; 6 — сливной желоб; 7 — корпус; 8 — выступ («эркер»); 9 — донное выпускное отверстие; 10 — подо­вый электрод-анод  

Печи имеют механизмы подъема и поворота свода для загруз­ки шихты через верх печи, передвижения электродов для изме­нения длины дуги и регулирования мощности, вводимой в печь. Крупные печи оборудованы устройствами для электромагнитного перемешивания жидкого металла в ванне, системами удаления и очистки печных газов.

 

Выплавка легированных сталей включает в себя следующие опера­ции: расплавление металла, удаление содержащихся в нем вредных примесей и газов, раскисление ме­талла, введение в него нужных ле­гирующих и слив в разливочную машину или ковш. В период межплавочного простоя осуществляются заправка подины печи и загрузка новой порции скрапа. Расплавление скрапа необходимо вести по воз­можности быстро и с минимальным расходом энергии, поэтому в этот период печь включается на полную мощность, а печной трансформа­тор — на максимальное напряжение. Зачастую длительность расплавле­ния 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 на рис. 1.2. Дуга загорается сначала между концом электрода и поверхностью шихты (рис. 1.2, а),причем для по­вышения ее устойчивости в первые минуты под электроды обычно подкладывают куски кокса или элект­родного боя. После их сгорания ме­талл начинает подплавляться и каплями стекать на подину. В ших­те образуются колодцы, в которые углубляются опускающиеся элект­роды (рис. 1.2, б) до тех пор, пока они не достигнут дна ванны, на ко­торой к этому моменту образуется лужа расплавленного металла (рис. 1.2, в).

 

МЕТАЛЛ
ШЛАК

а б в г
  Рис. 1.2. Этапы плавления шихты:   а — начало плавления; б — опускание электрода, образование колодца; в — начало подъема элек­трода; г — окончание плавления  

Это самый беспокойный, неустойчивый период горения дуги; подплавляемые куски шихты падают на электрод, закорачивая дугу, если же они опускаются под торцом электрода, может наступить обрыв тока.

Горящая между электродом и расплавленным металлом дуга перегревает металл, начинаются раз­мыв и расплавление окружающей колодцы шихты. Колодцы расширяются, уровень жидкого металла в ванне начинает повышаться, а электроды — подниматься (рис. 1.2, в). В конце этого периода почти весь металл оказывается расплав­ленным, остаются лишь отдельные куски шихты на откосах ванны («настыли» — рис. 1.2, г), расплав­ляющиеся последними. Чтобы не за­тягивать период расплавления, обычно эти «настыли» в малых пе­чах стаскивают 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 печи повышается: поверхность металла покрывается слоем шлака, длина дуги по сравне­нию с началом расплавления уве­личивается в несколько раз, дуга горит устойчивее, количество толчков тока и обрывов уменьшается.

Удаление примесей из металла начинается в конце периода рас­плавления и продолжается в перио­ды окисления и восстановления.

Вследствие сравнительно низкой температуры ванны в ней вначале интенсивно идут экзотермические реакции — окисление железа, крем­ния, марганца и фосфора (период окисления). Получающиеся окислы всплывают и образуют вместе с забрасываемой известью на поверх­ности металла шлак. В шлаке окис­лы кремния соединяются с закисью железа и марганца в силикаты же­леза и марганца, а окислы фосфора образуют с закисью железа соедине­ния, из которых закись железа вы­тесняется известью с образованием прочных фосфорно-кальциевых сое­динений. Так как для интенсивного проведения этих реакций окислов железа обычно не хватает, то во время расплавления металла или по окончании его в ванну добавляют железную руду или вдувают кисло­род. При этом углерод металла вос­станавливает руду, а образующаяся окись углерода всплывает пузырь­ками — происходит «кипение» или «кип» ванны. Пузырьки окиси угле­рода интенсивно перемешивают ме­талл, способствуя удалению из него газов. В этот период, кроме удале­ния из металла фосфора, происхо­дит, следовательно, и выжигание лишнего углерода. Если в шихте углерода недостаточно для проведе­ния кипа, то его добавляют в шихту забрасыванием чугуна, кокса, боя электродов.

Насыщенный окислами и силика­тами железа и марганца, а также соединениями фосфора шлак час­тично спускают самотеком в период кипа через порог загрузочного окна в шлаковницу. Оставшийся к окон­чанию окисления шлак «скачивают» из печи полностью, так как иначе в последующие периоды при подъеме температуры в ванне реакции могут пойти в обратную сторону, и фосфор из шлака начнет переходить в металл. На период скачивания шла­ка печь отключают, а электроды поднимают во избежание их по­ломки.

После скачивания шлака начи­нается восстановительный период, в течение которого металл освобож­дается от большей части серы. Ме­талл раскисляют, например, ферро­силицием и ферромарганцем и на его поверхность вновь заводят шлак; в печь забрасывают известь с до­бавками флюса — плавикового шпа­та и шамота, а также восстанови­тели — молотый кокс и ферросили­ций.

Веществом, связывающим серу, служит известь, но для того, чтобы реакция шла удовлетворительно, не­обходимо:

 

1) высокая температура метал­ла, так как эта реакция эндотермична. Кроме того, высокая темпе­ратура нужна для уменьшения вязкости металла и шлака, что повышает скорость диффузии сернистого железа в шлак, где оно связывает­ся известью.

 

2) наличие в шлаке достаточно­го количества извести, обеспечиваю­щего удаление серы из металла по уравнению FeS + CaO = FeO + CaS, и восстановителей, например угле­рода, восстанавливающего железо по уравнению FeO + C = Fe + CO.

Обе эти реакции дают суммарную FeS + CaO + C = CaS + Fe + CO, яв­ляющуюся необратимой, так как СО в виде газа удаляется из шлака.

 

3) наличие в печи восстанови­тельной атмосферы, так как в оки­слительной атмосфере невозможно добиться удовлетворительного рас­кисления металла и шлака.

 

В конце плавки в металл вводят легирующие добавки, чтобы довести его состав до требуемого, оконча­тельно раскисляют его, например, алюминием и приступают к разлив­ке. Такой процесс получения в ду­говой печи высококачественных ле­гированных сталей носит название основного процесса с полным окис­лением, так как он основан на использовании основных известковых шлаков. Основные шлаки при вы­соких температурах в печи интен­сивно размывают любую футеровку, кроме основной. Поэтому печи, ра­ботающие на основном процессе, должны иметь магнезитовую или доломитовую футеровку ванны.

Из рассмотрения основного про­цесса выплавки стали вытекают и требования к дуговой печи.

Первое требование — гибкость управления мощностью печи. В на­чальный период расплавления ме­талла в печь требуется вводить мак­симальную мощность, чтобы уско­рить процесс расплавления; в перио­ды окисления и восстановления нужно иметь возможность в любой момент изменять эту мощность, с тем чтобы управлять температурами металла и шлака, являющимися мощными факторами воздействия на протекающие реакции. Это тре­бование легко выполнить в дуговой печи, мощность которой регулирует­ся изменением длины дуг, т. е. подъемом или опусканием электро­дов.

Второе требование — регулиро­вание длины дуги, изменение ее в различные периоды плавки незави­симо от выделяемой мощности. Это необходимо, так как градиент стол­ба дуги сильно меняется на протя­жении плавки; в период окисления и рафинирования длина дуги стано­вится во много раз большей и интенсивно излучает тепло на футе­ровку стен и свода как раз тогда, когда из-за высокой температуры они находятся в наиболее тяжелых условиях. Достигается это измене­нием напряжения на дугах путем переключения ступеней напряжения печного трансформатора.

На рис. 1.3 представлен пример­ный график изменения мощности и напряжения при основном процессе выплавки стали с полным окислени­ем (для печи средней емкости). Как видно, и мощность печи, и ее напря­жение могут изменяться от 100 до 40 % и менее.

Третье требование — поддержание в печи восстановительной атмосферы. В дуговой печи это также легко осуществимо, так как в ней, благодаря сгоранию электродов, свободный кислород отсутствует, а закрыть доступ внешнему кислородувоздуха в восстановительный период нетрудно, если дверцы печи и электродные отверстия поддерживаются в нормальном состоянии, именно легкость выполнения первого и третьего из перечисленных требований выгодно отличает дуговую печь от мартеновской.

Рис. 1.3. Примерный график мощности и напряжения ДСП за плавку при выплавке основ­ным процессом с полным окислением  

Мартеновская печь значительно более инерционна в тепловом отношении, в ней труднее регулировать выделяющееся в печи тепло и достичь восстановительной атмосферы, так как в мартеновской печи во избежание полного сгорания топлива нужен избыток кислорода.

Так как в дуговой печи имеют место частые толчки тока, особенно период расплавления, то в ней токи «эксплуатационного» короткого замыкания должны быть ограничены до безопасного для электрооборудования и токоподводов значения, а система автоматического регулирования должна быстро реагировать на эти толчки и ликвидировать их.

Наконец, для того чтобы в дуговой сталеплавильной печи можно было проводить описанный процесс плавки стали, она должна быть снабжена рядом механизмов. В печь необходимо загружать шихту, и современные печи имеют механизмы загрузки шихты.

Готовый металл нужно слить из печи, а в процессе плавки надо из печи скачать шлак, поэтому печь должна наклоняться как в сторону летки, так и в сторону загрузочного окна с помощью механизма на­клона.

На откосах ванны печи между электродами шихта плохо расплавляется; чтобы ускорить этот процесс, в современных крупных печах, где сбрасывать «настыли» вручную невозможно, осуществляют поворот ванны печи на некоторый угол вокруг ее вертикальной оси с помощью механизма поворота ванны (в сверхмощных печах благодаря ма­лому диаметру распада электродов образуется общий колодец и надобность в механизме поворота ванны отпадает).

В дуговых печах жидкий металл ванны неоднороден по составу и температуре. Особенно велика такая неоднородность в крупных печах, в которых физически невозможно перемешать металл механичес­ким способом. Такие печи снабжа­ют устройством электромагнитного перемешивания. Эти устройства об­легчают также скачивание шлака.

Наконец, каждая дуговая печь имеет механизмы перемещения электродов. Так как управление электрическим режимом дуговой печи осуществляют в основном пу­тем перемещения электродов, а колебания тока, короткие замыка­ния и обрывы дуги происходят, как правило, раздельно по фазам, каж­дый электрод печи должен быть ос­нащен своим механизмом подъема и опускания с автоматическим регу­лятором, позволяющим быстро и точно управлять его положением.

С помощью основного процесса с полным окислением в дуговых пе­чах получают слитки легированных сталей, а также ответственные сталь­ные отливки. Иногда при получении мелкого фасонного литья можно от­казаться от удаления фосфора и серы, когда требования по ним сни­жены или когда налицо шихта с пониженным их содержанием. В этом случае плавку ведут так назы­ваемым кислым процессом, при ко­тором шлаки состоят из кремнекислоты и окислов металла, а футеров­ку печи во избежание ее разъеда­ния также выполняют кислой (из динаса). Таким образом, рафинировка металла при кислом процессе сведена лишь к его раскислению и некоторому выжиганию углерода, однако при фасонном литье высту­пают другие преимущества дуговых печей. Так как отливки малы, раз­ливка длится долго и нужен очень жидкотекучий металл, легко запол­няющий полости литейных форм, фасонное литье требует значитель­ного перегрева металла. Такой перегрев легко получить в дуговой печи и трудно — в мартеновской. Кроме того, мартеновская печь является для фасонного литья слишком крупным и негибким агрегатом, дающим сразу большую массу металла, тогда как процесс литья требует непрерывной подачи хорошо нагретого металла сравнительно не­большими порциями. Поэтому дуго­вая печь более удобна для стально­го фасонного литья, и большинство отечественных машиностроительных заводов имеет сталелитейные цехи с такого рода печами.

Длительность плавки в дуговой печи, работающей на кислом про­цессе, значительно меньше, чем при основном. В последнем случае рас­плавление длится обычно 1,5—2 ч, а рафинирование и окисление — от 2 до 3 ч, так что вся длительность плавки может доходить для круп­ных печей до 4—5 ч, тогда как при кислом процессе она не превосходит 2,5—3 ч. Так как длительность плавки сокращается в основном за счет периода рафинирования, когда температура в печи достигает ма­ксимума, то футеровка и механизмы печи при кислом процессе находят­ся в более легких температурных условиях работы, и срок службы их увеличивается. С другой стороны, период расплавления в кислых пе­чах также можно сократить, увели­чив мощность печного трансформа­тора.

Тем не менее требования, предъ­являемые к печам для стального литья и, в частности, работающим на кислом процессе, те же, что и для печей, работающих на слиток в основном процессе. Одни и те же печи могут работать как на том, так и на другом процессе, как с основ­ной, так и с кислой футеровкой.

 


Начиная примерно с I960 г., в произ­водстве слитковой стали произошли сущест­венные изменения. В связи с появлением кислородного конвертора, дающего сталь достаточно высокого качества и в то же время 'более дешевую по сравнению с мар­теновской, выплавка ее резко уменьшилась, а строительство новых цехов с мартенов­скими печами вообще прекратилось. Это в свою очередь вызвало необходимость в резком увеличении выплавки электростали для того, чтобы использовать металличе­ский лом, который раньше переплавлялся в мартеновских печах, так как кислородные конверторы работают на жидком чугуне, и в них можно добавлять лишь неболь­шую (15—20 %) долю твердого скрапа.

Этому способствовало и то обстоятельство, что стоимость переплава стали в ДСП и мартеновской лечи практически сравнялась. Естественно, что задачу резкого увеличе­ния количества выплавляемой электростали можно было решить в сравнительно корот­кое время лишь путем строительства круп­ных печей емкостью в 100, 200, 400 т и более. В таких мощных агрегатах необхо­димо было, однако, выплавлять не только качественные стали (которые не нужны в таких количествах; к тому же самые круп­ные ДСП менее приспособлены для выплав­ки таких сталей), но и обычные углероди­стые или малолегированные стали с уко­роченным периодом рафинирования.

Кроме того, за последние годы начал развиваться процесс внепечного рафиниро­вания стали, при котором в дуговой печи осуществлялось лишь расплавление и окис­ление металла, тогда как рафинирова­ние производилось в ковше либо с помощью специальных синтетических шлаков, либо, что нашло преимущественное применение, с использованием вакуума и продувкой ме­талла в ковше аргоном. В обоих случаях увеличивается средняя за плавку мощность печи и становится выгодным поднять мощ­ность печного трансформатора, так как его использование повышается. Отсюда появи­лись так называемые печи сверхвысокой мощности с удельной мощностью в 400—600 кВ·А/т против обычной ранее удельной мощности в 200—250 кВ·А/т для крупных печей (100 т и более). В результате мощ­ность печей в 200 т достигла 80—120 мВ·А, а печей в 400 т — 180—200 мВ·А.

В такого рода сверхмощных печах, од­нако, резко увеличивается тепловая на­грузка футеровки, а срок ее службы со­кращается. Поэтому следует уменьшить из­лучение тепла от дуг в сторону стен, перей­дя на работу с короткими дугами, т. е. снижая их напряжение и достигая увели­ченной мощности в основном за счет уве­личения тока. Исключением является на­чальный период расплавления, когда дуга находится в колодцах и необходимо силь­ное излучение дуг в горизонтальной плоско­сти, с тем чтобы обеспечить больший диа­метр колодцев. В этот период, следователь­но, нужно работать на повышенном напряжении, т.е. на длинных дугах.

В последние годы появился еще один способ получения стали непосредственно из руды путем ее прямого восстановления, ми­нуя доменный процесс. Для этой цели руда пропускается через шахтную печь, или ре­торту, или через вращающуюся барабанную печь, отапливаемые топливом; в них руда восстанавливается окисью углерода, водо­родом или твердым восстановителем и вы­дается в виде округлых кусков, так назы­ваемых металлизированных окатышей. В окатышах содержится 80—90 % восста­новленного железа (остальное — окислы железа, в основном FeO, и окислы кремния и алюминия). Окатыши загружаются в дуговую печь и переплавляются в ней на сталь, причем примеси и оставшаяся часть окиси железа уходят в шлак. В дуговых печах вся переплавляемая шихта может со­стоять из окатышей, или последние могут переплавляться совместно со скрапом в лю­бой пропорции. В СССР запроектирован электросталеплавильный комбинат с вер­тикальными печами для восстановления железной руды, дуговыми печами в 150 и 200 т для переплава окатышей. При этом печи будут загружаться вначале на 35 % своей емкости скрапом, а остальные 65 % — окатышами, которые будут непрерывно за­гружаться в печь после расплавления скрапа. Такой процесс оказывается более дешевым по сравнению с обычным процес­сом выплавки стали на заводе с доменны­ми и коксовыми печами и кислородными конверторами. Оборудование для такого процесса обходится намного дешевле, и построить его можно в 2—2,5 раза быст­рее, что позволит наращивать производство стали.

Использование окатышей приводит кизменению как конструкции ДСП (изменя­ется механизм загрузки), так и электриче­ского режима печи. Тем не менее, основные требования к ДСП и к их электрооборудо­ванию при переходе на сверхмощные печи и на плавку окатышей остаются без изме­нения.







Дата добавления: 2015-10-19; просмотров: 1715. Нарушение авторских прав


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2019 год . (0.006 сек.) русская версия | украинская версия