книги / Металлургия черных и цветных металлов
..pdfв сталь для раскисления и получения металла заданного со става. Их применяют в основном в виде соответствующих фер росплавов. Науглероживающие материалы применяют при не обходимости повышения содержания углерода в металле (элект родный^ бой, кокс) и раскисления шлака (молотый кокс, генераторная сажа, древесный уголь).
Большое значение для хода плавки и качества получаемого металла заданного состава имеет подготовка шихтовых мате риалов к плавке. Во избежание повышенного содержания водо рода в стали, которое может вызвать появление флокенов и во лосовин, железную руду, плавиковый шпат, раскислители под вергают прокаливанию, кокс и древесный уголь — сушке. Особое внимание должно быть обращено на дозировку шихтовых ма териалов, их точное взвешивание. Эти требования обеспечивают точное попадание в анализ и высокий выход годных слитков.
§ 2. Технология плавки в основной дуговой печи
Выплавка стали в основных дуговых печах производится двумя способами: 1) с полным окислением и применением свежей шихты и легирующих; 2) методом переплава легированных от ходов как без окисления, так и с частичным окислением газо образным кислородом.
При плавке с окислением, получившей наибольшее распрост ранение, используют свежую шихту и в окислительный период в печь задают железную руду или вводят газообразный кисло род, при этом происходит окисление кремния, марганца, фос фора и углерода. Для полноты удаления фосфора прибегают к промежуточному скачиванию шлака. Этим способом выплав ляются углеродистые и легированные стали с малым содержа нием фосфора при повышенном содержании его в шихте. При плавке методом переплава шихта состоит преимущественно из легированных отходов с низким содержанием фосфора. Окисли тельный период в ряде случаев отсутствует, но иногда плавку ведут с непродолжительной продувкой металла газообразным кислородом.
Выплавка стали методом полного окисления. Процесс плавки складывается из следующих последовательных стадий: за правки печи, загрузки шихты, плавления шихтовых материалов, окислительного периода, восстановительного периода и выпуска
плавки.
Заправка печи— это подготовка печи к очередной плавке. Она заключается в частичном обновлении и устранении дефек тов футеровки подины и откосов. Заправка производится сразу же после выпуска металла, пока еще в печи сохраняется высо кая температура. Перед заправкой тщательно удаляют из печи остатки металла и шлака, затем на поврежденные места подины
и откосов забрасывают мелкозернистый, сухой магнезитовый порошок. При значительных повреждениях заправку произво дят магнезитовым порошком с добавкой в качестве связующего каменноугольной смолы или пека или же жидкого стекла. Для заправки применяют пневматические заправочные машины; на малых печах ее производят! вручную. Длительность этой опера ции 10—15 мин.
Загрузка шихты. Состав шихты определяется химическим со ставом выплавляемой стали. При плавке с окислением шихту составляют из расчета получения содержания углерода в ме талле по расплавлении выше на 0,3 % заданного при выплавке
высокоуглеродистых сталей (с содержанием |
0,6 % С и более), |
и выше на 0,4 % при выплавке средне- и |
низкоуглеродистых |
сталей. Шихту составляют из стального лома, отходов низколе
гированных |
сталей |
и чугуна (<; 10 %). |
Содержание хрома |
в шихте не |
должно |
превышать 0,40 %. |
При необходимости |
в шихту вводят никель, медь и ферровольфрам. Отходы легиро ванных сталей в шихту не вводят, так как их экономически выгодно использовать при выплавке стали методом переплава. Завалку шихты производят сразу же по окончании заправки.
Для плотной укладки шихты и быстрейшего ее расплавления применяют лом различных габаритов. Оптимальным соотноше нием считается 35—40 % крупного лома, 40—45 % среднего и 15—20 % мелочи. При загрузке сверху на дно бадьи загружают часть легковесного скрапа, затем крупный, а по периферии сред ний лом и поверх остальную часть мелочи. Предварительно перед опусканием бадьи в печь с целью ослабления ударов шихты на подину задают некоторое количество мелочи. Для уменьшения угара науглероживающие материалы (кокс и элект родный бой) кладут под слой крупного лома. Для ускорения шлакообразования и дефосфорации металла в период плавления рекомендуется давать в завалку 2—3 % извести.
С целью повышения производительности электропечей на не которых заводах предварительно подогревают скрап до 850— 870 °С в специальной футерованной шамотным кирпичом бадье. При загрузке шихты завалочной машиной (в небольших печах) сохраняется та же последовательность завалки легковесного крупного и среднего лома. В высокомощных печах для предо хранения подины от воздействия мощных дуг достаточным ко личеством жидкого металла рекомендуется применять шихту оптимального состава и насыпной массы, и оставлять на подине
после выпуска |
плавки некоторое количество жидкого металла. |
' Плавление. |
По окончании загрузки опускают электроды и |
включают ток. Плавление шихты проводят форсированно при максимальной мощности печного трансформатора. Постепенно электроды опускаются вниз, проплавляя в шихте колодцы диа метром на 30—40 % больше диаметров электродов. По мере
Рис. VI.8. |
Последовательные |
этапы плавления шихты |
в дуговой |
||
печи: |
|
|
|
|
|
а — начало |
плавления; б — опускание |
электрода |
вниз; |
в — подъем |
|
электрода |
вверх; г — конец |
плавления; |
/ — шлак; |
2 —металл; 3 — |
|
дуга |
|
|
|
|
|
плавления шихты вокруг электродов уровень жидкого металла повышается; одновременно происходит подъем электродов (рис. VI.8). Автоматические регуляторы поддерживают необходимую постоянную длину дуг. Постепенно плавление охватывает шихту между электродами, а затем и расположенную у откосов.
В конце периода плавления, когда электрические дуги не закрыты шихтой, снижают мощность, переключая печь на более низкую ступень напряжения.
Для ускорения плавления шихты некоторые печи оборудо ваны устройством для вращения корпуса на ±40°. Последова тельно поворачивая корпус печи на 40° от нормального положе ния, возвращая в нормальное .положение и снова поворачивая на 40° в другую сторону, добиваются значительного расширения зоны непосредственного действия электрических дуг, а следо вательно, улучшения условий расплавления шихты.
Длительность периода плавления может быть сокращена путем использования топливно-кислородных горелок или приме нения кислорода подаваемого через водоохлаждаемые фурмы или футерованные стальные трубки. Печь ДСП-100И6 оборудо вана двумя кислородно-топливными горелками, установленными в водоохлаждаемой части свода. Обычно кислород применяют после появления жидкого металла, т. е. после 2/з времени рас плавления шихты. В отдельных случаях, его используют для подрезки шихты.
При применении кислорода длительность периода плавления сокращается на 10—20 %• Расход кислорода составляет 4— 6 м3/т стали. Продолжительность периода плавления зависит от вместимости печи и определяется мощностью трансформатора. Она составляет от 1,1 до 3,0 ч. В процессе плавления в печь присаживают известь или известняк, а за 20—25 мин до окон чания расплавления — железйую руду (если не используется кислород).
При плавлении шихты протекает ряд физико-химических про цессов. Практически полностью окисляются кремний, алюминий и титан, около половины окисляется марганца. Происходит также и окисление углерода и фосфора. Шлак в конце периода расплавления содержит: 35—45 % СаО, 15—25% Si02, 8— 15% MgO, 7—10 % MnO, 10—15 % FeO, 0,5—1,0 % P20 5. По рас плавлении всей шихты отбирают первую пробу металла для определения в нем содержания углерода, марганца, фосфора и по необходимости хрома, никеля, меди, молибдена и вольфрама. После отбора пробы металла, не выключая тока, наклоняют печь в сторону загрузочного окна и удаляют (скачивают) из печи большую часть шлака (65—75 %). Со скачиваемым шла^ ком удаляется основная часть фосфора, содержащегося в шихте и окислившегося в период плавления. С этого момента присту пают к проведению окислительного периода плавки.
Окислительный период. Его задачами являются: 1) макси мальное снижение содержания фосфора; 2) окисление углерода до уровня нижнего предела или несколько ниже для стали
данной |
марки; 3) возможно полное удаление газов (водорода |
и азота) |
и оксидных неметаллических включений; 4) повышение |
температуры металла до требуемого уровня и выравнивание ее по всему объему металлической ванны. В этот же период про исходит* дальнейшее окисление марганца, хрома и других леги рующих элементов, обладающих высоким химическим сродст вом к кислороду.
После скачивания первичного шлака в печь присаживают известь и в случае необходимости для поддержания необходи мой жидкоподвижности шлака плавиковый шпат или шамотный бой; Общее количество вводимых в печь шлакообразующих со ставляет 1,5—2,0 % от массы садки. После образования жидко подвижного шлака и нагрева металла до требуемой темпера туры в ванну периодически небольшими порциями вводят руду
иизвесть. Это вызывает повышение содержания оксидов железа
иоксида кальция в шлаке, а следовательно, создает благоприят
ные условия для дальнейшего перехода фосфора из металла в шлак и протекания других окислительных реакций.
Удаление фосфора в этот период происходит по реакции 2 (Р) + 5 (FeO) + 4 (СаО) = (4СаО • РА ) + 5 [Fe]
или в ионной форме
[Р] + 6U(Fe2+) + 4 (О2") - (POJ-) + 6U [Fe],
протекающей преимущественно на границе раздела шлак — металл. Полнота дефосфорации металла обеспечивается высо кой основностью шлака, повышенным содержанием в нем окси дов железа и его непрерывным обновлением, которое необхо димо для поддержания в шлаке невысоких концентраций
P20 5(P 043-). Обновление (скачивание) шлака происходит вскоре после присадки железной руды. Добавка руды приводит к интенсивному кипению ванны, которое вызывает вспенивание шлака, повышение его уровня. Вследствие этого шлак самоте ком стекает из несколько наклоненной печи через порог зава лочного окна в шлаковню.
Образующийся в этот период плавки шлак содержит 35— 50% СаО, 10—20% Si02, 10—20 % FeO, 4—12% MnO, 5— 12 % MgO, 2—3 % А120 з. О сновность шлака 2,6—3,0. Указанный шлаковый режим обеспечивает получение до 0,010—0,02 % Р к концу окислительного периода в зависимости от марки вы плавляемой стали. Одновременно с удалением фосфора проис ходит дальнейшее окисление углерода по суммарной реакции:
lC] + (FeO)={CO) + [Fe],
Этот процесс, сопровождающийся выделением монооксида углерода, вызывает кипение ванны, что способствует перемеши ванию металла и шлака, ускорению нагрева и выравниванию температуры по всему объему металла. Кроме того, выделение пузырьков монооксида углерода благоприятствует удалению водорода, азота и оксидных включений из расплавленного металла.
Необходимая скорость окисления углерода в этот период поддерживается периодическими добавками руды (или приме нением кислорода) и высоким температурным режимом. В те чение окислительного периода должно выгорать 0,3—0,5 % С. В этот же период происходит некоторое окисление марганца, основное количество которого выгорает в период плавления.
Реакция окисления марганца [Мп] + (FeO) = (MnO) + [Fe] или
[Мп] + (О2") + (Fe2+) = (Мп2+) + (О2") + [Fe]
по мере повышения температуры постепенно приближается к со стоянию равновесия и нередко происходит изменение ее на правления в сторону восстановления марганца из шлака. Под держание концентрации марганца в конце периода на уровне 0,15—0,20 % является признаком нормального хода кипения ванны и нагрева металла до необходимой температуры К концу периода металл должен быть нагрет до температуры, на 120— 130 °С превышающей температуру плавления. Необходимые температурные условия обеспечиваются рациональным электри ческим режимом, который поддерживается несколько меньшим, чем в период расплавления, и составляет 50—70 % от макси мальной мощности Окислительный период заканчивается по достижении концентрации углерода примерно на 0,1 % меньше нижнего предела заданного содержания в готовом металле при
выплавке высоко- и среднеуглеродистых сталей и на 0,02— 0,07 % меньше при выплавке низкоуглеродистых сталей (не ниже 0,08—0,09 % С во избежание сильного переокисления ме талла). Содержание фосфора должно быть 0,01—0,02 %. За вершается окислительный период скачиванием шлака, которое вначале производят без выключения печи, а затем при выклю ченной печи и поднятых электродах. Продолжительность окис лительного периода для крупных печей составляет 40—60 мин. Эффективным средством сокращения длительности периода окисления является продувка ванны газообразным кислородом. Наиболее простым способом (для малых печей) является вве дение кислорода одной или двумя железными трубками (диа-. метром 20—25 мм) через рабочее окно непосредственно в жид кий металл на глубину 150—200 мм. Для повышения стойкости трубки снаружи футеруют смесью шамотного порошка и глины на жидком стекле или магнезитом с огнеупорной глиной также на жидком стекле.
Более совершенным способом является подача кислорода через специальную водоохлаждаемую фурму с несколькими выходными отверстиями. Фурма вводится в печь вертикально через свод и устанавливается при продувке на расстояние 150— 200 мм над поверхностью шлака. Кислород подается под дав лением 0,6—1,2 МПа. Расход кислорода на продувку составляет 5—7 м3/т. Продолжительность продувки 10—20 мин, что позво ляет сократить длительность окислительного периода до 30— 50 мин и соответственно повысить производительность на 10— 15%, и сократить расход электроэнергии на 5—10%.
Восстановительный период. Задачами восстановительного пе риода являются: 1) раскисление металла; 2) удаление серы; 3) окончательное корректирование химического состава и тем пературы металла перед выпуском его из печи. Все эти задачи практически решаются одновременно, причем порядок проведе ния восстановительного периода определяется способом раскис ления металла.
Раскисление необходимо для устранения вредного влияния кислорода на свойства и качество стали. Содержание раство ренного кислорода повышается по мере протекания реакций окисления примесей и достигает наибольших значений в конце окислительного периода. При этом концентрация растворенного кислорода определяется содержанием углерода в металле. При раскислении добиваются максимально возможного снижения содержания кислорода и перевода его в неактивную, связанную в прочные оксиды форму, в значительно меньшей степени оказы вающую влияние на свойства стали. Процесс раскисления может осуществляться либо путем добавки элементов-раскислителей непосредственно в металл (глубинное раскисление), либо при садкой их на шлак (диффузионное раскисление). Диффузионное
раскисление, основанное на законе распределения кислорода между металлом и шлаком, ранее широко использовалось в практике проведения восстановительного периода. Однако его основной недостаток — большая продолжительность — являлся тормозом повышения производительности электропечей. По этому в последнее время без восстановительного периода, применяя глубинное (осаждающее) раскисление, выплавляют главным образом углеродистую и низколегированную конструк ционную сталь в сверхмощных печах. Подобная технология используется и при выплавке стали, которая затем подверга ется внепечному рафинированию. Применяют также комбини рованный способ раскисления, сочетая осаждающее раскисле ние с диффузионным, что сокращает продолжительность вос становительного периода без ущерба качеству металла.
Комбинированное осадочно-диффузионное раскисление про водят следующим образом. После удаления окислительного шлака и в случае необходимости науглероживания металла (дробленым коксом или электродным боем) непосредственно в металлическую ванну вводят раскислители — марганец, крем ний и алюминий. Эти элементы вводят в виде простых или ком плексных ферросплавов — ферромарганца, ферросилиция, силикомарганца, сплава АМС (алюминий—марганец—кремний) идр. Раскислители добавляют из расчета получения в металле 0,10-— 0,15 % Si. Одновременно, если выплавляется хромосодержащая сталь, металл легируют хромом путем присадки феррохрома в ванну. Добавка раскислителей в металл резко снижает содер жание кислорода. Дальнейшее уменьшение концентрации кисло рода достигается диффузионным раскислением. С этой целью после осадочного раскисления в печь вводят шлакообразующую смесь, состоящую из извести (35—60 %), плавикового шпата (15%) и шамотного боя (10—25% ). Количество шлакообра зующих при плавке в крупных печах составляет ~ 3 % массы металла. После образования сильно основного шлака присту пают к диффузионному раскислению, которое проводится или под белым шлаком, или под карбидным. Под белым шлаком вы плавляют конструкционные, низкоуглеродистые (до 0,35 % Q стали, под карбидным — средне- и высокоуглеродистые. При плавке под белым шлаком на шлаковый покров задают раскислительные смеси, состоящие из молотых и порошкообразных кокса, 7 5 % - н о г о ферросилиция, силикокальция, алюминия. Элементы-раскислители восстанавливают FeO и МпО шлака: при этом нарушается равновесное распределение кислорода
между |
металлом и шлаком, что вызывает переход кислорода |
из металла в шлак: |
|
шлак |
(FeO) + C = [Fel-f (СО) |
металл |
[FeO] |
х |
Уменьшение содержания монооксидов железа и марганца сопровождается посветлением шлака. Обычно концентрацию (FeO) в шлаке доводят до 0,5, одновременно снижается содер жание кислорода в металле до 0,004 — 0,010 % в зависимости от содержания углерода и кремния в стали. Конечный шлак восстановительного периода имеет следующий состав: 55—60 % (СаО—CaF2), 18—23% Si02, 9—14 % MgO, 5—10% А120 3, <0,5 % FeO, <0,5 % MnO.
При плавке под карбидным шлаком на шлаковый покров присаживают раскислительные смеси с увеличенным количест вом кокса. Затем плотно закрывают рабочие окна печи, доби ваясь ее герметичности. Под электродами в зоне наиболее вы соких температур образуется карбид кальция:
(СаО) -f-3QT) = (СаС2) (СО).
Образовавшийся карбид кальция, наряду с углеродом, рас кисляет шлак, что и вызывает переход кислорода из металла в шлак:
3 (FeO) + (СаС2) = 3 [Fe] + (СаО) + 2 (СО).
[FSD
Содержание карбида кальция в слабокарбидных шлаках со ставляет 1,0—1,5%, в сильнокарбидных — до 2—3 %. Перед выпуском плавки карбидный шлак переводят в белый. С этой целью содержание карбида кальция в шлаке уменьшают добав ками извести, плавикового шпата, шамотного боя. "Если этого недостаточно, то приоткрывают заслонки печи и карбид каль ция окисляется поступающим в печь воздухом.
Недостатком карбидного шлака является повышенное науг лероживание металла, что и исключает его применение при вы плавке низкоуглеродистых сталей Раскисление металла может быть осуществлено также диффузионным способом —под белым или карбидным шлаком, однако такой метод раскисления при водит к затягиванию восстановительного периода. Технология проведения диффузионного раскисления подобна рассмотрен ной выше и отличается только отсутствием осаждающего рас кисления, осуществляемого в начале восстановительного пе риода. Взамен его в металл после скачивания окислительного шлака добавляют только ферромарганец, а затем наводят вос становительный шлак в том же порядке, как указывалось выше. В восстановительный период создаются благоприятные условия для протекания реакции удаления серы из металла
(СаО) + [FeS] ч=ь (CaS) + (FeO) или
[S] + (02-)**(Ss-) + [0].
Высокая основность шлака, повышенная его жидкоподвижность, раскисленность шлака к металла позволяют довести по казатель распределения серы между шлаком и металлом (S)/IS] до 15—40, а в некоторых случаях — до 60—70. Содержа ние серы можно снизить до 0,020—0,025 % и даже менее 0,01 %. Тепловой режим восстановительного периода характеризуется небольшим и постепенным понижением температуры металла по сравнению с концом окислительного периода, когда металл нагревается несколько выше температуры выпуска. В этот пе риод в печь вводится меньшая мощность, чем в окислительный период, и она составляет 25—45 % максимальной мощности.
Восстановительный период заканчивается легированием ме талла и окончательным раскислением, после чего металл вы пускают в ковш. Для конечного раскисления стали чаще всего используют алюминий. Продолжительность восстановительного периода составляет 40 мин до 1 ч 30 мин, и она зависит от вместимости печи, марки выплавляемой стали, режима раскис ления, наличия электромагнитного перемешивания. Применение электромагнитного перемешивания ускоряет раскисление ме талла, улучшает условия десульфурации металла. Кроме того, oi'o способствует выравниванию температуры в объеме ванны, равномерному распределению и более быстрому усвоению леги рующих добавок и облегчает скачивание шлака.
Выплавка стали методом переплава. Переплав легирован ных отходов, количество которых на заводах высококачествен ных сталей нередко составляет 25—40 % от массы слитка, а также отходов металлообрабатывающей промышленности поз воляет в наибольшей степени использовать легирующие эле менты, содержащиеся в шихте и снизить расход дорогих фер росплавов. В связи с этим выплавка стали методом переплава отходов непрерывно возрастает и расширяется. Этим методом выплавляют преимущественно легированные стали — конструк ционные, инструментальные, коррозионностойкие. Плавку про водят без окислительного периода или же с частичным окисле нием путем непродолжительной продувки ванны газообразным кислородом.
Шихтой служат в основном легированные отходы нескольких марок стали; иногда с целью снижения содержания углерода и фосфора в шихту вводят низкоуглеродистую заготовку. Содер жание углерода в шихте должно быть на 0,03—0,06 % ниже, чем в готовой стали, так как в процессе плавки происходит не большое науглероживание металла. Содержание фосфора, если плавка проводится без окисления, ограничивается 0,015— 0,020%.. При работе с продувкой ванны кислородом содержа ние углерода в шихте должно быть на 0,25—0,30 % выше задан ного. Загрузка шихты производится обычным образом, но не обходимо во избежание излишнего науглероживания хромистые
отходы располагать ближе к откосам, подальше от электродов. Наоборот, в середину ванны под электродами дают тугоплавкие отходы и ферровольфрам. Плавление шихты проводится так же, как и при плавке с окислением. В процессе плавления проис ходит окисление примесей шихты, степень которого зависит от химического сродства элементов к кислороду и их концентра ции в шихте. Ориентировочно угар составляет, %: Si 40—60, Мп 20—30, Сг 10—15, W 5—15 %, и почти нацело окисляются титан и алюминий.
Для ошлакования оксидов и во избежание излишнего окис ления металла при плавлении в печь вводят некоторое количе ство извести. Плавку ведут-или со скачиванием шлака, или без его удаления. При плавкр стали с применением кислорода по следний вводят в ванну после расплавления шихты; продувку кислородом ведут до заданного содержания углерода, причем при выплавке низкоуглеродистой стали во избежание переокисления металла содержание углерода не должно опускаться <0,08—0,09 %. По окончании продувки перед скачиванием шлака его раскисляют для восстановления окислившихся во время продувки легирующих элементов: Cr, W, V. Для этой цели используют порошкообразные силикохром, силикокальций или ферросилиций. Восстановительный период проводится так же, как в плавке с окислением, т. е. под белым или карбидным шлаком. Плавка методом переплава отходов по сравнению с плавкой с окислением позволяет значительно уменьшить стои мость шихты, расход легирующих добавок и электроэнергии на 12—15%, повысить производительность печи на 10—20%.
§ 3. Выплавка стали в кислых дуговых электропечах
Дуговые электропечи с кислой футеровкой используют при вы плавке стали для фасонных отливок или при производстве от ливок из ковкого чугуна. Вместимость кислых печей обычно невелика и не превышает 10 т. Наиболее распространены печи вместимостью 0,5; 1,5; 3 и 5 т. Кладку подины стен и свода выполняют из динасового кирпича. Рабочий слой подины наби вают из смеси кварцевого песка (70 %), молотого динаса (20 %) и огнеупорной глины (10 %). В качестве связующих в смесь добавляют патоку (5% ) и сухой декстрин (0,7%). Стойкость подины кислой печи составляет несколько тысяч плавок. Стой кость стен и свода также значительно выше, чем у основных печей, и составляет сотни плавок. Кислые печи имеют более глубокую ванну, чем основные, что обусловливает меньшие теп ловые потери, более низкий расход электроэнергии и сокраще ние продолжительности плавки.
Основное требование к шихтовым материалам кислого про цесса — чистота по сере и фосфору, так как они при плавке не