Электрометаллургия

Производство стали в электрических печах.

В электоропечи можно получать легированную сталь с низким содержанием серы и фосфора, неметаллических включений, при этом потери легирующих элементов значительно меньше.

В процессе электроплавки можно точно регулировать температуру металла и его состав, выплавлять сплавы почти любого состава.

Электрические печи обладают существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами, поэтому высоколегированные инструментальные сплавы, нержавеющие шарикоподшипниковые, жаростойкие и жаропрочные, а также многие конструкционные стали выплавляют только в этих печах.

Мощные электропечи успешно применяют для получения низколегированных и высокоуглеродистых сталей мартеновского сортамента. Кроме того, в электропечах получают различные ферросплавы, представляющие собой сплавы железа с элементами, которые необходимо выводить в сталь для легирования и раскисления.

Устройство дуговых электропечей.

Первая дуговая электропечь в России была установлена в 1910 г. на Обуховском заводе. За годы пятилеток были построены сотни различных печей. Вместимость наиболее крупной печи в СССР 200 т. Печь состоит из железного кожуха цилиндрической формы со сферическим днищем. Внутри кожух имеет огнеупорную футеровку. Плавильное пространство печи закрывается съемным сводом.

Печь имеет рабочее окно и выпускное отверстие со сливным желобом. Питание печи осуществляется трехфазным переменным током. Нагрев и плавление металла осуществляются электрическими мощными дугами, горящими между концами трех электродов и металлом, находящимся в печи. Печь опирается на два опорных сектора, перекатывающихся по станине. Наклон печи в сторону выпуска и рабочего окна осуществляется при помощи реечного механизма. Перед загрузклй печи свод, подвешенный на цепях, поднимают к порталу, затем портал со сводом и электродами отворачивается в сторону сливного желоба и печь загружают бадьей.

Механическое оборудование дуговой печи.

Кожух печи должен выдерживать нагрузку от массы огнеупоров и металла. Его делают сварным из листового железа толщиной 16–50 мм в зависимости от размеров печи. Форма кожуха определяет профиль рабочего пространства дуговой электропечи. Наиболее распространенным в настоящее время является кожух конической формы. Нижняя часть кожуха име­ет форму цилиндра, верхняя часть—конусообразная с расширением кверху. Такая форма кожуха облегчает за­правку печи огнеупорным материалом, наклонные стены увеличивают стойкость кладки, так как она дальше рас
пол
ожена от электрических дуг. Используют также ко­жухи цилиндрической формы с водоохлаждаемыми
па­нелями. Для сохранения правильной цилиндрической формы кожух усиливается ребрами и кольцами жестко­сти. Днище кожуха обычно выполняется сферическим, что обеспечивает наибольшую прочность кожуха и мини­мальную массу кладки. Дни­ще выполняют из немагнит­ной стали для установки под печью электромагнитного пе­ремешивающего устройства.

Сверху печь закры­та сводом. Свод набирают из огнеупорного кирпича в металлическом водоохлаждаемом
сводовом кольце, ко­торое выдерживает распираю­щие усилия арочного сферического свода В нижней част
и ко
льца имеется высту
п – нож, который
входит в песчаный
за
твор кожуха печи. В кирпичной кл
адке свода оставляют три отверстия для электродов. Диаметр от­верстий больше диаметра электрода, поэтому во время плавки в зазор устремляются горячие газы, которые раз
­рушают электрод и выносят тепло из печи. Для предотвращения
этого
на своде устанавливают холодильники или
экономайзеры, служащие для уплотнения эле
ктрод­ных отверстий и для охлаждения кладки свода. Газодинамические
экономайзеры обеспечивают уплотн
ение с помощью воздушной завесы вокруг электрода. В своде имеется также отверстие для отсоса запыленных газов и отверстие для кислородной фурмы.
Для загрузки шихты в печи небольшой
емкости и подгрузки
легирующих и флюсов в крупные,
печи скачивания
шлака, осмотра, заправки и ремонта печи имеется загрузочное окно, обрамленное литой
ра­мой. К раме крепятся направляющие, по которым сколь­зит заслонка. Заслонку футеруют огнеупорным кирпи­чом. Для подъема заслонки используют пневматический
, гидравлический или электромеханический привод.
С противоположной стороны кожух имеет окно для выпу
ска стали из печи. К окну приварен сливной
желоб. Отверстие для выпуска стали может быть круглым диа­метром 120—150 мм или квадратным 150 на 250 мм. С
лив­ной желоб имеет корытообразное сечение и приварен к кожуху под углом 10—12° к горизонтали. Изнутри же­лоб футеруют шамотным кирпичом, длина его составля­ет 1—2 м.
Электрододержатели служат для подвода тока к элек­тродам и для зажима электродов. Головки электрододер-жателей
делают из бронзы или стали и охлаждают во­дой, так как они сильно нагреваются как теплом из пе­чи, так и контактными токами. Электрододержатель
должен плотно зажимать электрод и иметь небольшое контактное сопротивление. Наиболее распространенным в настоящее время является пружинно-пневматический электрододержатель. Зажим электрода осуще­ствляется при помощи неподвижного кольца и зажимной плиты, которая прижимается к электроду пружиной. Ог-жатие
плиты от электрода и сжатие пружины происхо­дят при помощи сжатого воздуха. Электрододержатель крепится на металлическом рукаве – консоли, который скрепляется с Г-образной
подвижной стойкой в одну же­сткую конструкцию. Стойка может перемещаться вверх или вниз внутри неподвижной коробчатой стойки. Три неподвижные стойки жестко связаны в одну общую кон­струкцию, которая покоится на платформе опорной люль­ки печи. Перемещение подвижных телескопических стоек происходит или с помощью системы тросов и противо­весов, приводимых в движение электродвигателями, или с помощью гидравлических устройств. Механизмы пере­мещения электродов должны обеспечить быстрый подъ­ем электродов в случае обвала шихты в процессе плав­ления, а также плавное опускание электродов во избе­жание их погружения в металл или ударов о нераспла­вившиеся куски шихты. Скорость подъема электродов составляет 2,5—6,0 м/мин,
скорость опускания 1,0— 2,0 м/мин.
Механизм наклона печи
должен плавно наклонять печь в сторону выпускного отверстия на угол 40—45° для выпуска стали и на угол 10—15 градусов в сторону рабочего окна для спуска шлака. Станина печи, или люлька, на кото­рой установлен корпус, опирается на два – четыре опор­ных сектора, которые перекатываются по горизонталь­ным направляющим. В секторах имеются отверстия, а в направляющих – зубцы, при помощи которых предот­вращается проскальзывание
секторов при наклоне печи. Наклон печи осуществляется при помощи рейки и зубча­того механизма или гидравлическим приводом. Два ци
линдра
укреплены на неподвижных опорах фундамента, а штоки шарнирно связаны с опорными секторами люль­ки печи.
Система загрузки печи
бывает двух видов: через за­валочное окно мульдозавалочной
машиной и через верх при помощи бадьи. Загрузку через окно применяют только на небольших печах.
При загрузке печи сверху в один-два
приема в тече­ние 5 мин меньше охлаждается футеровка, сокраща­ется время плавки; уменьшается расход электроэнергии; эффективнее используется объем печи. Для загрузки пе­чи свод приподнимают на 150—200 мм над кожухом печи и поворачивают в сторону вместе с электродами, полно
стью
открывая рабочее пространство печи для введения бадьи с шихтой. Свод печи подвешен к раме. Она соеди­нена с неподвижными стойками электрододержателей
в одну жесткую конструкцию, покоящуюся на поворотной консоли, которая укреплена на опорном подшипнике. Крупные печи имеют поворотную башню, в которой со­средоточены все механизмы отворота свода. Башня вра­щается вокруг ш
арнира на катках по дугообразному рельсу. Бадья представляет собой стальной цилиндр, диаметр которого меньше диаметра рабочего простран­ства печи. Снизу цилиндра имеются подвижные гибкие сектора, концы которых стягиваются через кольца тро­сом. Взвешивание и загрузка шихты производятся на шихтовом дворе электросталеплавильного цеха. Бадья на тележке подается в цех, поднимается краном и опус­кается в печь. При помощи вспомогательного подъема крана трос выдергивают из проушин секторов и при под
ъеме бадьи сектора раскрываются и шихта вывали­вается в печь в том порядке, в каком она была уложе­на в бадье.
При использовании в качестве шихты металлизован-ных
окатышей загрузка может производиться непрерыв­но по трубопроводу, который проходит в отверстие в сво­де печи.
Во время плавления электроды прорезают в шихте три колодца, на дне которых накапливается жидкий ме­талл. Для ускорения расплавления
печи оборудуются поворотным устройством, которое поворачивает корпус в одну и другую сторону на угол в 80°
. При этом элек­троды прорезают в шихте уже девять колодцев. Для по­ворота корпуса приподнимают свод, поднимают электро­ды выше уровня шихты и поворачивают корпус при по­мощи зубчатого венца, прикрепленного к корпусу, и шестерен. Корпус печи опирается на ролики.

Очистка отходящих газов.

Современные крупные сталеплавильные дуговые печи во время работы выделяют в атмосферу большое коли­чество запыленных газов. Применение кислорода и по­рошкообразных материалов еще более способствует это­му. Содержание пыли в газах электродуговых печей достигает 10 г/м
^3 и значительно превышает норму. Для улавливания пыли производят отсос газов из рабочего пространства печей мощным вентилятором. Для этого в своде печи делают четвертое отверстие с патрубком для газоотсоса. Патрубок через зазор, позволяющий накло­нять или вращать печь, подходит к стационарному тру­бопроводу. По пути газы разбавляются воздухом, необ­ходимым для дожигания СО. Затем газы охлаждаются водяными форсунками в теплообменнике и направляют­ся в систему труб Вентури,
в которых пыль задержива­ется в результате увлажнения. Применяют также тка­невые фильтры, дезинтеграторы и электрофильтры. Ис­пользуют системы газоочистки, включающие полностью весь электросталеплавильный цех, с установкой зонтов дымоотсоса
под крышей цеха над электропечами.

Футеровка печей.

Большинство дуговых печей имеет основную футеров­ку, состоящую из материалов на основе MgO. Футеров­ка печи создает ванну для металла и играет роль теп-лоизолирующего
слоя, уменьшающего потери тепла. Ос
новные
части футеровки – подина печи, стены, свод. Температура в зоне электрических дуг достигает несколь­ких тысяч градусов. Хотя футеровка электропечи отде­лена от дуг, она все же должна выдерживать нагрев до температуры 1700°
С. В связи с этим применяемые для футеровки материалы должны обладать высокой огне­упорностью, механической прочностью, термо-
и химиче­ской устойчивостью. Подину сталеплавильной печи на­бирают в следующем порядке. На стальной кожух укла­дывают листовой асбест, на асбест—слой шамотного порошка, два слоя шамотного кирпича и основной слой из магнезитового кирпича. На магнезитовой кирпичной подине набивают рабочий слой из магнезитового порош­ка со смолой и пеком
— продуктом нефтепереработки. Толщина набивного слоя составляет 200 мм. Общая толщина подины равна примерно глубине ванны и мо­жет достигать 1 м
для крупных печей. Стены печи вы
кладывают
после соответствующей прокладки асбеста и шамотного кирпича из крупноразмерного безобжигового магнезитохромитового
кирпича длиной до 430 мм. Кладка стен может выполняться из кирпичей в же­лезных кассетах, которые обеспечивают сваривание кир­пичей в один монолитный блок. Стойкость стен достига­ет 100—150 плавок. Стойкость подины составляет один-два
года. В трудных условиях работает футеровка сво­да печи. Она выдерживает большие тепловые нагрузки от горящих дуг и тепла, отражаемого шлаком. Своды крупных печей набирают из магнезитохромитового кир­пича. При наборе свода используют нормальный и фа­
сонный кирпич. В поперечном сечении свод имеет форму арки, что обеспечивает плотное сцепление кирпичей ме­жду собой. Стойкость свода составляет 50 – 100 плавок. Она зависит от электрического режима плавки, от дли­тельности пребывания в печи жидкого металла, состава выплавляемых стали, шлака. В настоящее время широ­кое распространение получают водоохлаждаемые
своды и стеновые панели. Эти элементы облегчают службу фу­теровки.

Ток в плавильное пространство печи подается через электроды, собранные из секций, каждая из которых представляет собой круглую заготовку диаметром от 100 до 610 мм и длиной до 1500 мм. В малых электропе­чах используют угольные электроды, в крупных – графитированные.
Графитированные
электроды изготавливают из малозольных углеродистых материалов: нефтяного кокса, смолы, пека.
Электродную массу смешивают и прессуют, после чего сырая заготовка обжигается в га­зовых печах при 1300 градусах и подвергается дополнительно­му графитирующему
обжигу при температуре 2600 –
2800 градусах в электрических печах сопротивления. В процес­се эксплуатации в результате окисления печными газами и распыления при горени
и дуги электроды сгорают. По мере укорачивания электрод опускают в печь. При этом электрододержатель
приближается к своду. Наступает момент, когда электрод становится настолько коротким, что не может поддерживать дугу, и его необходимо на­ращивать. Для наращивания электродов в концах сек­ций сделаны отверстия с резьбой, куда ввинчивается переходник-ниппель, при помощи которого соединяются отдельные секции. Расход электродов составляет 5—9 кг на тонну выплавляемой стали.

Электрическая дуга—один из видов электрического разряда, при котором ток проходит через ионизирован­ные газы, пары металлов. При кратковременном сбли­жении электродов с шихтой или друг с другом возника­ет короткое замыкание. Идет ток большой силы. Концы электродов раскаляются добела. При раздвигании
элек­тродов между ними возникает электрическая дуга. С рас­каленного катода происходит термоэлектронная эмиссия электронов, которые, направляясь к аноду, сталкивают­ся с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. Отрицательные ионы направляются к аноду, положи­тельные к катоду. Пространство между анодом и като­дом становится ионизированным, токопроводящим.
Бом­бардировка анода электронами и ионами вызывает сильный его разогрев. Температура анода может дости­гать 4000 градусов. Дуга может гореть на постоянном и на пе­ременном токе. Электродуговые печи работают на пере­менном токе. В последнее время в ФРГ построена элек­тродуговая печь на постоянном токе.

В первую половину периода, когда катодом является электрод, дуга горит. При перемене полярности, когда катодом становится шихта — металл, дуга гаснет, так как в начальный период плавки металл еще не нагрет и его температура недостаточна для эмиссии электронов. Поэтому в начальный период плавки дуга горит неспо­койно, прерывисто. После того как ванна покрывается слоем шлака, дуга стабилизируется и горит более ровно.

Электрооборудование.

Рабочее напряжение электродуговых печей составля­ет 100 – 800 В, а сила тока измеряется десятками тысяч ампер. Мощность отдельной установки может достигать 50 – 140 МВ*А.
К подстанции электросталеплавильного цеха подают ток напряжением до 110 кВ.
Высоким на­пряжением питаются первичные обмотки печных транс­форматоров. На показана упрощенная схема электрического питания печи. В электрическое оборудо­вание дуговой печи входят производства ремонтных ра­бот на печи. следующие приборы:

1. Воздушный разъединитель, предназначен для от­ключения всей электропечной установки от линии высо­кого напряжения во время

2. Главный автоматический выключатель, служит для отключения под нагрузкой электрической цепи, по кото­рой протекает ток высокого напряжения. При неплотной укладке шихты в печи в начале плавки, когда шихта еще холодная, дуги горят неустойчиво, происходят обва
лы
шихты и возникают короткие
замыкания между электродами. При этом си
ла
тока резко возрастает. Это приводит к большим перегрузкам трансформа
тора, который может выйти из строя. Когда сила тока превысит установленный предел, выключатель авто
матически
отключает уста
новку,
для чего имеется ре
ле максимальной силы то
ка.

3. Печной трансформа­тор необходим для преоб
разования
высокого напря
жения
в низкое (с 6—10 кВ
до 100—800 В). Обмотки высокого и низкого напря
жения и магнитопроводы,
на которых они помещены, располагаются в баке с маслом, служащим для охлаждения обмоток. Ох­лаждение создается принудительным перекачива­нием масла из тран
сформаторного кожуха в бак теплообменника, в котором масло охлаждается водой. Трансформатор устанавливают рядом с электропечью в специальном помещении. Он имеет устройство, позво
ляющее
переключать обмотки по ступеням и таким об­разом ступенчато регулировать подаваемое в печь на­пряжение. Так, например, трансформатор для 200-т
оте­чественной печи мощностью 65 МВ*А
имеет 23 ступени напряжения, которые переключаются под нагрузкой,без отключения печи.

Участок электрической сети от трансформатора до электродов называется короткой сетью. Выходящие из стены трансформаторной подстанции фидеры при помо­щи гибких, водоохлаждаемых
кабелей подают напряже­ние на
электрододержатель.
Длина гибкого участка дол­жна позволять производить нужный наклон печи и отворачивать свод для загрузки. Гибкие кабели соединя­ются с медными водоохлаждаемыми
шинами, установ­ленными на рукавах электрододержателей.
Трубошины непосредственно присоединены к головке электрододер-жателя,
зажимающей электрод. Помимо указанных ос
новных
узлов электрической сети в нее входит различ­ная измерительная аппаратура, подсоединяемая к ли­ниям тока через трансформаторы тока или напряжения, а также приборы автоматического регулирования процес­са плавки.

Автоматическое регулирование.

По ходу плавки в электродуговую печь требуется по­давать различное количество энергии. Менять подачу мощности можно изменением напряжения или силы то­ка дуги. Регулирование напряжения производится пере­ключением обмоток трансформатора. Регулирование силы тока осуществляется изменением расстояния меж­ду электродом и шихтой путем подъема или опускания электродов. При этом напряжение дуги не изменяется. Опускание или подъем электродов производятся автома­тически при помощи автоматических регуляторов, уста­новленных на каждой фазе печи. В современных печах заданная программа электрического режима может быть установлена на весь период плавки.

Устройство для электромагнитного перемешивания металла.

Для перемешивания металла в крупных дуговых пе­чах, для ускорения и облегчения проведения технологи­ческих операций скачивания
шлака под днищем печи в коробке устанавливается электрическая обмотка, кото­рая охлаждается водой или сжатым воздухом. Обмотки статора питаются от двухфазного генератора током низ­кой частоты, что создает бегущее магнитное поле, кото­рое захватывает ванну жидкого металла и вызывает дви­жение нижних слоев металла вдоль подины печи в на­правлении движения поля. Верхние слои металла вместе с прилегающим к нему шлаком движутся в обратную сторону. Таким образом можно направить движение ли­бо в сторону рабочего окна, что будет облегчать выход шлака из печи, либо в сторону сливного отверстия, что будет благоприятствовать равномерному распределению легирующих и раскислителей
и усреднению состава ме­талла и его температуры. Этот метод в последнее время имеет ограниченное применение, так как в сверхмощных печах металл активно перемешивается дугами.
Плавка стали в основной дуговой электропечи.
Сырые материалы.
Основным материалом для электроплавки является стальной лом. Лом не должен быть сильно окисленным, так как наличие большого количества ржавчины вносит в сталь значительное количество водо­рода. В зависимости от химического состава лом необходимо рассор­тировать на соответствующие группы. Основное количество лома, предназначенное для плавки в электропечах, должно быть компакт­ным и тяжеловесным. При малой насыпной массе лома вся порц
ия для плавки не помещается в печь. Приходится прерывать процесс плавки и подгружать шихту. Это увеличивает продолжительность плавки, приводит к повышенному расходу электроэнергии, снижает производительность электропечей. В последнее время в электропечах используют металлизованные
окатыши, полученные методом прямого восстановления. Достоинством этого вида сырья, содержащего 85— 93 % железа, является то, что оно не загрязнено медью и другими примесями. Окатыши целесообразно применять для выплавки высо-копрочных
конструкционных легированных сталей, электротехниче­ских, шарикоподшипниковых сталей.
Легированные отходы образуются в электросталеплавильномце­хе в виде недолитых слитков, литников; в обдирочном отделении в виде стружки, в прокатных цехах в виде обрези
и брака и т, д.;
кро­ме того много легированного лома поступает от машиностроитель­ных заводов. Использование легированных металлоотходов
позволя­ет экономить ценные легирующие, повышает экономическую эффек­тивность электроплавок.
Мягкое железо специально выплавляют в мартеновских печах и конвертерах и применяют для регулирования содержания углерода в процессе электроплавки. В железе содержится 0,01—0,15 % С и <
0,020 % Р.
Поскольку в электропечах выплавляют основное коли­чество легированных сталей, то для их производства используют раз­личные легирующие добавки; электролитический никель или МЮ,
феррохром, ферросилиций, ферромарганец, ферромолибден, ферро­вольфрам и др.
В качестве раскислителя
помимо ферромарганца и ферросилиция применяют чистый алюминий. Для науглероживания
используют передельный чугун, электродный бой; для наведения шлака применяют свежеобожженную известь, плавиковый шпат, ша­мотный бой, доломит и MgO в виде магнезита.
Подготовка материалов к плавке.
Все присадки в дуговые печи необходимо прокаливать для уда­ления следов масла и влаги. Это предотвращает насыщение стали водородом. Ферросплавы подогревают для ускорения их проплавле-ния.
Присадка легирующих, раскислителей и шлакообразующих
в современной печи во многом механизирована. На бункерной эстака­де при помощи конвейеров происходит взвешивание и раздача мате­риалов по мульдам, которые загружаются в печь мульдовыми
маши­нами. Сыпучие для наводки шлака вводят в электропечи бросатель­ными машинами.
Технология плавки.
Плавка в дуговой печи начинается с заправки печи. Жидкоподвижные
нагретые шлаки сильно разъедают фу
теровку,
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.
Загрузка печи.
Для наиболее полного использования рабочего пространства печи в центральную ее часть бли­
же 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.
Период плавления.
Расплавление
шихты в печи зани­мает основное время плавки. В настоящее время многие
операции легирования и раскисления
металла переносят в ковш. Поэтому длительность расплавления
шихты в основном определяет производительность печи. После окончания завалки опускают электроды и включают ток. Металл
под электродами разогревается, плавится и сте­кает вниз, собираясь в центральной части подины. Элек­троды прорезают в шихте колодцы, в которых скрыва­ются электрические дуги. Под электроды забрасыва­ют известь для наведения шлака, который закрывает обнаженный металл, предохраняя его от окисления. По­степенно озеро металла под электродами становится все больше. Оно подплавляет
куски шихты, которые пада­ют в жидкий металл и расплавляются в нем. Уровень металла в печи повышается, а электроды под действием автоматического регулятора поднимаются вверх. Про­должительность периода расплавления металла равна 1—3 ч в зависимости от размера печи и мощности уста­новленного трансформатора. В период расплавлени»
трансформатор работает с полной нагрузкой и даже с 15 % перегрузкой, допускаемой паспортом, на самой вы­сокой ступени напряжения. В этот период мощные дуги не опасны для футеровки свода и стен, так как они за­крыты шихтой. Остывшая во время загрузки футеровка может принять большое количество тепла без опасности е
е перегрева. Для ускорения расплавления шихты ис­пользуют различные методы. Наиболее эффективным яв­ляется применение мощных трансформаторов. Так, на печах вместимостью 100 т будут установлены трансфор­маторы мощностью 75,0 МВ-А,
на 150-т
печах трансфор­маторы 90—125 МВ*А
и выше. Продолжительность плавления при исполь

зовании мощных трансформаторов уменьшается до 1–1,5 ч. Кроме того, для ускорения рас­плавления применяют топливные мазутные или газовые горелки, которые вводят в печь либо через рабочее ок­но, либо через специальное устройство в стенах. Приме­нение горелок ускоряет нагрев и расплавление шихты, особенно в холодных зонах печи. Продолжительность плавления сокращается на 15—20 мин.
Эффективным методом является применение газооб­разного кислорода. Кислород подают в печь как через стальные футерованные трубки в окно печи, так и при помощи фурмы, опускаемой в печь сверху через отвер­стие в своде. Благодаря экзотермическим реакциям окис­ления примесей и железа выделяется дополнительно большое количество тепла, которое нагревает шихту, ускоряет ее полное расплавление. Использование кисло­рода уменьшает длительность нагрева ванны. Период расплавления сокращается на 20—30 мин, а расход элек­троэнергии на 60—70 кВт-
ч на 1 т стали.
Традиционная технология электроплавки стали пре­дусматривает работу по двум вариантам: 1) на свежей шихте, т.е. с окислением; 2) переплав отходов. При плавке по первому варианту шихта состоит из простых углеродистых отходов, малоуглеродистого лома, метал-лизованных
окатышей с добавкой науглероживателя.
Избыточное количество углерода окисляют в процессе плавки. Металл легируют присадками ферросплавов для получения стали нужного состава. Во втором варианте состав стали почти полностью определяется составом от­ходов и легирующие добавляют только для некоторой корректировки состава. Окисления углерода не произ­водят.
Плавка с окислением.
Рассмотрим ход плавки с окис­лением. 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 F
eO 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 шлакови
к), стоящую под рабочей пло­щадкой цеха. За время окислительного периода окисля­ют 0,3—0,6 % C со средней скоростью 0,3—0,5 % С/ч. 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]=
(P
2O5); (Р2O
5)+4
(СаО)==
(СаО)4
*P2O5 необходимы высокое содержание кислорода в металле и шлаке, повышенное содержание CaO 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 ш
лак, насыщенный (СаО)4*P2O5 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 ч. Для интенсификации окисли­тельного периода плавки, а также для получения стали с низким содержанием углерода, например хромоникеле
вой 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 кисло
рода 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 у
бирать 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, ферросили
­ций, 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 элек
тродного
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 NiCu, Mo, Wза­гружают 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 свя­
заны прежде всего с характером шлака. В этих печах шлак кис­лый, состоящий в основном из кремнезема. Поэтому такой шлак не позволяет удалять из стали фосфори 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
неметаллическихвключений.Технология плавки в кислой электропечи имеет следующие осо­бенности. Окислительный период плавки непродолжителен, кипение металла идет слабо, так каккремнеземсвязывает 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 AODи
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 дни
ща 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 %
Cr2
O3, 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 д
олжна 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 про­
водят 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.

Недостатком печей является холодный, плохо пере­мешиваемый шлак, что не позволяет так же интенсивно, как в дуговых печах, проводить процессы рафинирования. Стойкость футеровки в печах невысокая.

Основной тип современных высокочастотных или ин­дукционных печей — это печи без сердечника. Такая печь состоит из индуктора-катушки, навитой из медной труб­ки с водяным охлаждением. Внутрь индуктора вставля­ется либо готовый огнеупорный тигель, либо тигель наби­вается порошкообразным огнеупорным материалом. При наложении на индуктор переменного электрического то­ка частотой от 50 до 400 кГц
образуется переменное маг­нитное силовое поле, пронизывающее пространство вну­три индуктора. Это магнитное поле наводит в металличе­ской садке вихревые токи.

Устройство индукционных печей

В центре печи помещен индуктор. Он имеет вид соленоида и изготовлен из профилированной медной трубы. По трубе идет вода для ее охлаждения. Внутри индуктора набит огнеупорный тигель. Ток подается по гибким кабе­лям. Печь заключена в металлический кожух. Сверху тигель закрывается сводом. Поворот печи для слива ме­талла осуществляется вокруг оси, расположенной у слив­ного носка. Поворотные цапфы печи покоятся на опор­ных подшипниках станин. Наклон печи проводится при помощи реечного механизма через подвижные шарни
ры-цапфы
или гидроприводом. Небольшие печи накло­няют при помощи тали.

Футеровка печей может быть кислой или основной, набивной или кирпичной. Для набивки используют ог­неупорные материалы различной крупности от долей миллиметра до 2—4 мм. Для основной футеровки приме
няют
порошок магнезита с добавками хромомагнезита и борной кислоты для связки. Кислые смеси готовят на основе молотого кварцита. Набивку тигля ведут послой­
но вокруг металлического шаблона, форма которого со­ответствует профилю тигля.

После окончания набивки футеровку спекают и об­жигают. В железный шаблон загружают чугун, вклю­
чают ток, металл постепенно разогревается и нагревает футеровку. Затем металл доводят до плавления. В пер­вой плавке расплавляют мягкое железо, что позволяет достичь высокой температуры для обжига футеровки. Крупные печи футеруют фасонным огнеупорным кирпи­чом.

Электрическое оборудование

Индукционные печи питаются током высокой частоты от ламповых генераторов или током средней частоты (2500 Гц) от машинных преобразователей. Крупные пе­чи работают на токе промышленной низкой частоты (50Гц от сети). Эти печи часто служат в качестве миксеров жидкого металла в литейных цехах.

В схему входят машинный генератор, батарея конденсаторов и автоматический ре­гулятор, плавильный контур. Преобразовательный агре­гат состоит из асинхронного электродвигателя, вращаю­щего генератор и динамомашину,
которая дает ток в обмотки возбуждения генератора.

Для компенсации реактивной мощности и создания электрического резонанса устанавливают батарею кон­денсаторов. Часть конденсаторов может быть отключе­на для изменения емкостной составляющей.
Резонанс бывает при условии ω
L=1/ωC (L–коэффициент само­индукции печи, C – емкость конденсатора, ω – угловая частота). Подбирая переменную емкость, можно рабо­тать в условиях, близких к резонансу, т.е. поддержи
вать
cosφ близкий к единице. Автоматический регуля­тор электрического режима поддерживает оптимальную электрическую мощность взаимосвязанным регулирова
нием cosφ, напряжения и силы тока.

Технология плавки ста­ли в индукционной пе­чи.

Плавку проводят на высококачественном ломе с пониженным содержа­нием фосфора и серы. Крупные и мелкие куски так укладывают в тигель или бадью, с помощью которой загружают крупные печи, чтобы они плот­но заполняли объем тигля. Тугоплавкие ферроспла­вы укладывают на дно тигля. После загрузки включают ток на полную мощность. По мере проплавления
и осе­дания скрапа подгружают шихту, не вошедшую сразу в тигель. Когда последние куски шихты погрузятся в жид­кий металл, на поверхность металла забрасывают шлакообразующие
материалы: известь, магнезитовый поро­шок, плавиковый шпат. Шлак защищает металл от кон­такта с атмосферой, предотвращает тепловые потери. По ходу плавки шлак раскисляют
добавками порошка кок­са, молотого ферросилиция. Металл раскисляют куско­выми ферросплавами и в конце алюминием. По ходу плавки дают добавки легирующих. Поскольку угара ле­гирующих практически не происходит, то в индукцион­ных печах можно выплавлять сплавы сложного состава.

Список использованной литературы.

Металлургия черных металлов; Б.В. Линчевский, А.Л. Соболевский, А.А.Кальменев