Технологические особенности электроплавки стали в ДСП

 

Плавка в ДСП делится на следующие основные периоды: заправка печи (межплавочный простой); загрузка (завалка) шихты; плавление; окислительный период; восстановительный период; выпуск стали.

Заправка состоит в исправлении изношенных и поврежденных участков пода. После выпуска предыдущей плавки, удаления с пода остатков металла и шлака на поврежденные участки подины и откосов забрасывают специальными заправочными машинами магнезитовый порошок или его смесь с каменноугольным песком (связующим).

Загрузка шихты производится с помощью бадьи или корзины, опускаемой краном в рабочее пространство печи при отодвинутом своде. Шихта на 90...100 % состоит из стального лома. Для повышения содержания углерода в шихту вводят чушковый чугун (< 10 %), бой электродов или кокс. Для наведения шлака к концу периода плавления вводится известь (2...3 %). Металлическая часть шихты включает в себя стальной лом различной крупности и стружку. Обычно задают определенное соотношение в шихте лома различной крупности (например, 15 % мелочи, 45 % среднего и 40 % крупного лома).

Период плавления составляет обычно более половины продолжительности всей плавки, при этом расходуется до 80 % всей электроэнергии, потребляемой за плавку. Задача периода в основном теплотехническая – нагреть холодные шихтовые материалы, расплавить их и обеспечить определенный нагрев жидкой ванны.

После окончания завалки и установки свода в рабочее положение электроды опускают почти до касания с шихтой и включают печь. Между электродами и шихтой загораются электрические дуги, под воздействием излучения которых шихта начинает плавиться под электродами и жидкий металл стекает вниз. В результате в шихте образуются «колодцы», диаметр которых на 30...40 % больше диаметра электродов. Период плавления можно подразделить на пять стадий.

Рис. 3. Стадии плавления шихты в ДСП:
1 – электрод; 2 – твердая шихта; 3 – жидкий металл

 

Первая стадия – заглубление электродов в шихту (рис. 3,а)длится недолго – дуга сравнительно быстро экранируется шихтой. Для уменьшения облучения футеровки свода и верхней части стен в эту стадию работают на сравнительно коротких дугах.

Вторая стадия – проплавление колодцев (рис. 3, б). Максимальные электрические параметры задавать нельзя, поскольку при больших токах проплавляются узкие колодцы и образуется мало жидкого металла, а электроды опускаются быстро и дуги могут повредить футеровку подины. На этой стадии работают на длинных дугах. К концу стадии электроды опускаются в самое низкое положение, ограничиваемое конечными выключателями. В этой стадии электроды могут не дойти до жидкого металла из-за малого его количества. Поэтому на крупных печах для ускорения плавления применяется вращение ванны на 40° в обе стороны от нейтрального положения. Когда один из электродов достигнет конечного выключателя, все электроды и свод приподнимаются и печь поворачивается на 40°, колодцы проплавляются в новых местах. Затем печь поворачивают в другую сторону на 80° и проплавляются еще три колодца.

Третья стадия – основная стадия или стадия закрытых дуг (рис. 3,в). Дуги горят между электродами и жидким металлом, футеровка стен и в значительной степени свода экранирована шихтой от их излучения. На этой стадии создаются условия для введения в печь максимальной мощности. Шихта интенсивно расплавляется как за счет непосредственного излучения дуг, так и за счет воздействия поднимающейся жидкой ванны.

Четвертая стадия – окончательное расплавление (рис. 3,г). В печи еще много нерасплавившейся шихты, особенно на откосах, но шихта уже не экранирует дуги, поэтому в эту стадию длину дуг уменьшают.

Пятая стадия – нагрев жидкого металла до заданной температуры (рис. 3, д). На этой стадии дуги становятся еще более короткими.

Для ускорения плавления шихты иногда применяют дополнительное отопление газо-кислородными горелками, вводимыми в рабочее пространство через свод или стенки печи. За счет тепла, выделяющегося от сжигания газа, сокращаются длительность периода плавления и расход электроэнергии.

Во время плавления происходят некоторые технологические процессы: окисление составляющих шихты, формирование шлака, частичное удаление фосфора и серы. За время плавления полностью окисляется кремний, 40...60 % марганца, частично окисляется углерод и железо. К концу плавления формируется железистый шлак (до 20 % FeO). Низкая температура металла и наличие основного железистого шлака благоприятствуют дефосфорации.

Для ускорения нагрева ванны и уменьшения продолжительности плавления применяют продувку ванны кислородом, вводимым в жидкий металл после расплавления 3/4 шихты с помощью водоохлаждаемых фурм или футерованных стальных трубок. При расходе кислорода 4...6 м³/т длительность плавления сокращается на 10...20 мин.

Окислительный период. Задачи периода: уменьшить содержание фосфора в металле до минимальных значений (0,01...0,15 %); уменьшить содержание в металле водорода и азота; уменьшить содержание углерода в металле до нижнего предела требуемого содержания его в выплавляемой стали; нагреть металл до температуры, близкой к температуре выпуска (на 120...130° выше температуры ликвидуса).

Окислительный период начинается со слива 65...75 % шлака, образовавшегося в период плавления. Шлак сливают, не выключая ток, наклонив печь в сторону рабочего окна на 10...12°. После удаления шлака в печь присаживают шлакообразующие материалы: известь, плавиковый шпат, шамотный бой, боксит.

Окисление примесей, в основном углерода, ведут, используя либо железную руду (окалину, агломерат), либо газообразный кислород. Могут применяться и оба окислителя.

Присадка руды вызывает интенсивное кипение ванны – оксиды железа руды окисляют углерод с выделением большого количества пузырьков СО. Кипение ванны способствует удалению из металла газов. Скорость обезуглероживания газообразным кислородом в 3...5 раз больше, чем железной рудой, что позволяет сократить продолжительность окислительного периода на 20...30 мин. Общая длительность продувки ванны составляет 10...20 мин, расход кислорода 3...15 м³/т стали.

В течение всего окислительного периода идет дефосфорация металла, для успешного протекания которой необходимы высокие основность шлака и концентрация оксидов железа в нем, а также пониженная температура металла. Именно такие условия создаются при введении в печь извести и железной руды. Эти же условия неблагоприятны для протекания реакции десульфурации и поэтому сера в окислительный период практически не удаляется. Эффективным способом ускорения дефосфорации, увеличения ее полноты и сокращения длительности окислительного периода, является вдувание непосредственно в ванну порошкообразных дефосфорирующих смесей (например, молотые известь, железная руда и плавиковый шпат в соотношении 7:2:1) в струе кислорода.

Подводимая электрическая мощность должна в этот период обеспечить нагрев металла до температуры выпуска и компенсацию тепловых потерь, поэтому работают на средней мощности и средних ступенях напряжения трансформатора.

Восстановительный период. Задача периода: раскисление металла; удаление серы до допустимой концентрации; доведение химического состава стали до заданного; корректировка температуры металла. Все эти задачи решаются параллельно в течение всего восстановительного периода. После удаления окислительного шлака в печь присаживают ферромарганец и ферросилиций для так называемого осаждающего раскисления металла.

Далее наводят шлак из извести, плавикового шпата и шамотного боя в соотношении 5:1:1 и приступают к диффузионному (через шлак) раскислению металла. В качестве раскислителей используют молотый кокс и ферросилиций, которые вводятся в печь на поверхность шлака в смеси с известью и плавиковым шпатом.

При диффузионном раскислении уменьшается содержание FeO в шлаке и кислород в виде FeO начинает путем диффузии переходить из металла в шлак. Преимущество диффузионного раскисления заключается в том, что реакции раскисления идут в шлаке и поэтому металл не загрязняется неметаллическими включениями.

Во время восстановительного периода успешно протекает десульфурация, поскольку этому способствует высокая основность шлака и низкое содержание в нем FeO. Возможно удаление серы до тысячных долей процента.

При выплавке легированных сталей в восстановительный период производят легирование металла (никель и молибден, не окисляющиеся в процессе плавки, вводят в начальные периоды). Хром, марганец и вольфрам вводят в металл в начале восстановительного периода после слива окислительного шлака. Кремний, ванадий, титан и алюминий обладают большим сродством к кислороду и легко окисляются, поэтому их вводят в печь за несколько минут до выпуска стали. Часть процесса легирования может проводиться в ковше.

Потребление тепла в восстановительный период невелико (нагрев и плавление шлакообразующих и легирующих материалов и компенсация тепловых потерь) и поэтому работают на малой мощности на низких ступенях напряжения. Целесообразно работать на коротких дугах, так как при этом меньше тепла передается излучением стенкам и своду.

Для улучшения перемешивания шлака и металла и интенсификации медленно идущих процессов перехода в шлак серы, кислорода и неметаллических включений в восстановительный период применяется электромагнитное перемешивание ванны, особенно на большегрузных печах.

Выпуск стали. Заключительный короткий период плавки, во время которого сталь выливается в сталеразливочный ковш через сталевыпускное отверстие и примыкающий к нему желоб при наклоне печи в сторону выпускного отверстия на угол до 45°.

Описанная технология электроплавки стали является традиционной, но может изменяться в зависимости от сортамента стали и вместимости печи.

В большегрузных печах по ряду причин эффективность восстановительного периода существенно ниже. Это связано с медленно протекающими процессами диффузионного раскисления, десульфурации и удаления неметаллических включений. Поэтому, как правило, в большегрузных печах (более 80 т) осуществляют выплавку углеродистых или низколегированных сталей без восстановительного периода. После расплавления шихты из печи удаляют максимальное количество шлака и начинают продувку ванны кислородом до получения заданного содержания углерода в металле. После прекращения продувки в печь загружают силикомарганец, ферромарганец, феррохром, в количествах, обеспечивающих заданное содержание в стали марганца и хрома. Затем сталь выпускают в ковш и производят окончательное раскисление ферросилицием и алюминием.

В современных условиях все чаще применяется рафинирование и доводка металла вне печи в агрегатах различной конструкции. При этом в электропечи плавят стальной лом с добавками чугуна и проводят окислительный период с продувкой ванны кислородом, обеспечивая дефосфорацию, обезуглероживание и нагрев металла до требуемой температуры. Все остальные операции рафинирования и легирования проводят вне печи.