книги из ГПНТБ / Строганов, А. И. Производство стали и ферросплавов учебник для металлургических техникумов

ния газов и неметаллических включений. Плавка с окислением со­ стоит из следующих периодов: заправка печи, завалка шихты, плав­ ление, окислительный период, восстановительный период, выпуск.

При переплаве шихту составляют преимущественно из легирован­ ных отходов с низким содержанием фосфора. В процессе плавки же­ лезную руду не присаживают, окислительный период отсутствует. При выпавке высокохромистой стали типа нержавеющей для ускоре­ ния расплавления шихты ванну продувают кислородом, т. е. плавку ведут методом переплава легированных отходов с окислением.

Основной сталеплавильный процесс характеризуется прежде всего возможностью удаления серы и фосфора по ходу плавки, для чего необходимо наводить соответствующие шлаки: известково-же­ лезистый для обеспечения дефосфорации и зысокоизвестковистый безжелезистый шлак для проведения процесса десульфурации. В вос­ становительный период шлак обрабатывают молотым коксом, по­ рошкообразным ферросилицием, а иногда и алюминием. Известково­ железистые шлаки, а также шлаки восстановительного периода агрессивно действуют на футеровку ванны, подину и откосы, которые после каждой плавки требуют тщательного ремонта.

1. ПОДГОТОВКА ПЕЧИ К ПЛАВКЕ

После выпуска плавки подину и откосы электропечи очищают от оставшегося металла и шлака и затем производят заправку печи магнезитовым порошком, иногда в смеси с доломитовым, а при вы­ плавке высокохромистой стали заправку можно проводить одной хромистой рудой. Заправку подины и откосов необходимо произво­ дить быстро, пока не остыла футеровка. Поэтому очень важно меха­ низировать процесс заправки печи.

При значительном повреждении подины или откосов рекомен­ дуется после заправки и прогрева подваренного слоя за счет тепла печи поврежденное место прикрыть мелкой известью. При наличии вымоин и ямок их целесообразно заделать массой из магнезитового порошка на смолопеке или жидком стекле. Для закрепления подины проводят одну или несколько плавок стали менее ответственного назначения. При появлении наростов на подине их стравливают чу­ гуном, песком, мелкой рудой.

Особое внимание необходимо уделять выпускному отверстию. После выпуска металла его тщательно очищают, откосы у отверстия должны быть пологими, что обеспечивает нормальный слив металла

ишлака. Сливной желоб ремонтируют в период плавления шихты

ипросушивают дровами или газом. Во время выкатывания печи под

загрузку или отворачивания свода его тщательно осматривают и в случае неудовлетворительного состояния ремонтируют или меняют. Перед плавкой свод и токоведущие части печи необходимо обдувать сжатым воздухом для удаления пыли.

2. ПОДБОР ЛОМА ПО ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ

При выплавке стали методом переплава необходимо составлять шихту близкую по составу к стали заданной марки. Это обеспечивает

сокращение длительности плавки при минимальных расходах фер­ росплавов и, следовательно, высоких технико-экономических пока­ зателях. Так, например, при выплавке нержавеющей стали типа Х18Н10Т шихта состоит из 70% отходов этой же или аналогичной стали и 30% мягкого железа с минимальным содержанием фосфора. Допускается частичная замена указанных отходов отходами углеро­ дистой стали (до 2 0 %) с низким содержанием фосфора.

При выплавке с окислением важным моментом нормального про­ ведения плавки является количество окислившегося углерода за окислительный период, которое должно быть не менее 0,2—0,3% при выплавке высокоуглеродистой стали и не менее 0,3—0,4% при выплавке низкоуглеродистой стали.

Окисление углерода в период плавления без применения кисло­ рода в этот период примерно компенсируется науглероживанием металла от электродов. Поэтому в шихте должно содержаться углерода больше нижнего марочного предела в готовой стали на 0,2—0,3% для высокоуглеродистой стали и на 0,3—0,5% — для низкоуглеро­ дистой стали. Недостающее количество углерода вносится чугуном или карбюризатором.

При выплавке с окислением шихту преимущественно составляют из углеродистых отходов. При этом ограничивается использование кремнистых отходов. Содержание кремния в металле по расплавле­ нию не должно превышать 0 ,1—0 ,2 %, так как иначе осложняется наведение нормального шлака и замедляется окисление углерода.

Во всех случаях необходимо обеспечивать минимальное содержание фосфора в шихте (не выше 0,06%); использование лома, загрязнен­ ного такими цветными металлами, как медь, свинец и др., не допус­ кается.

При применении отходов сталей, легированных титаном и алю­ минием, расчетное содержание этих элементов в шихте не должно превышать 0,1% каждого. При выплавке стали, к которой предъяв­ ляются повышенные требования по чистоте от неметаллических вклю­ чений, нельзя применять отходы сталей или сплавов, легированных алюминием, титаном, цирконием, бором, азотом.

Приведем примерный расчет шихты по углероду для выплавки с полным окислением стали ШХ15в 100-т электропечи. Металлический лом, металл по расплавлении, готовая сталь и чугун содержат 0,40; 1,10; 0,95— 1,05; 3,8% С соответственно.

Согласно практики работы электропечей, расход чугуна при выплавке стали ШХ15 не должен превышать 20%. Составляем шихту из 85% углеродистого лома и 15% чугуна.

Требуется внести углерода с шихтой для обеспечения его содер­ жания в металле по расплавлении 1 ,1 0 %

Углеродистый лом внесет:

100000-85-0.4

Чугун внесет

Таким образом, углеродистый лом и чугун внесут углерода

340 + 570 = 910 кг.

Требуется загрузить карбюризатора (электродного боя, коксика и т. д.) при усвоении углерода из него 60%

Таким образом, шихта будет состоять из 85% углеродистого лома, 15% чугуна и 317 кг электродного боя.

3. РАЗМЕЩЕНИЕ ШИХТЫ В ПЕЧИ

Шихту необходимо составлять так, чтобы обеспечить максималь­ ную ее плотность и быстрое расплавление с минимальным угаром. Оптимальным соотношением различных видов лома по габаритности для печей большой емкости можно считать следующие цифры: 15% мелкого, 40% крупного и 45% среднего лома. Насыпная масса лома должна в среднем быть не менее 2 т/м3.

При завалке электропечи сверху шихту предварительно уклады­ вают в корзины в следующей последовательности: на дно корзины кладут часть мелочи, затем крупный лом; по откосам укладывают средний лом и затем сверху оставшуюся часть мелочи. Во избежание повышенных потерь никеля и значительного науглероживания фер­ рохрома эти материалы не рекомендуется размещать в центре в зоне электрических дуг. Карбюризатор (кокс, электродный бой) загру­ жают под основную часть лома на мелочь; если его загрузить наверх, то значительная часть карбюризатора сгорит, взаимодействуя с ки­ слородом воздуха.

Для окисления примесей шихты в завалку иногда дают железную руду в количестве не более 1,5% от массы металлической садки. В этом случае часть мелких отходов может быть загружена в печь мульдой, далее заваливают руду и после этого производится основная завалка шихты корзиной. Загружать руду под электроды не следует, так как холодная руда плохо проводит ток.

При загрузке печи мульдами последовательность размещения шихты в печи такая же, как и при загрузке корзиной. Продолжи­ тельность загрузки зависит от числа и объема мульд. Поэтому важно добиваться хорошего подбора и плотной упаковки шихты в мульды. При завалке мульдами применяют завалочные машины различных конструкций. Наиболее широкое применение получила мостовая завалочная машина. На некоторых малых печах машиностроитель­ ных заводов загрузку печи осуществляют лотками. В этом случае шихту укладывают в лоток, который устанавливается в рабочее окно печи. Лоток поднимают за две задние цапфы и шихта сбрасы­ вается в печь. Для предохранения футеровки от разрушения кус­

ками шихты необходимо предварительно в печь завалить вручную мелкий лом, а в первый лоток загружают также мелочь.

Следует иметь в виду, что из всех применяемых способов загрузка сверху наиболее прогрессивна.

Продолжительность плавления, а следовательно, и технико-эко­ номические показатели работы печи во многом зависят от тщатель­ ности проведения ремонта печи, длительности межплавочного про­ стоя и организации загрузки шихты.

Не позднее, чем за один—два часа до выпуска плавки на рабочей площадке должны быть подготовлены заправочные материалы: магнезит, смесь магнезита и доломита или хромистая руда, а также огнеупорная масса на случай ремонта столбиков и подмазки других элементов печи и необходимые инструменты. В случае ремонта печи торкретированием заправленная торкрет-машина должна быть при­ соединена к воздушной магистрали.

При загрузке печи мульдами каждую из них необходимо тщательно осмотреть и в случае явно не удовлетворительного внешнего вида лома мульды заменяют. При загрузке печи сверху корзина с шихтой должна быть подвешена к крюку крана до открывания печи, что сокращает потери тепла на излучение.

В период загрузки шихты в печь все другие работы должны быть прекращены. Операцией загрузки руководит сталевар или первый подручный. При загрузке печи сверху бадью с шихтой необходимо опускать по возможности ниже; это уменьшит силу удара кусков шихты на подину и откосы. Разравнивание шихты, если в этом появляется необходимость, производится со специальной площадки. При загрузке печи мульдами необходимо следить за правильной последовательностью подачи шихты в печь. Электропечь после за­ валки включают только по разрешению электрика и сталевара.

г л а в а хх

РАСПЛАВЛЕНИЕ

1. ОРГАНИЗАЦИЯ И ПРОВЕДЕНИЕ ПЕРИОДА ПЛАВЛЕНИЯ

Подготовка печи к включению тока. Для быстрого зажигания электрических дуг после завалки шихты и спокойного их горения под электроды целесообразно подкладывать кокс. Перед включением тока необходимо убедиться в надежности зажима электрода, прове­ рить правильность установки уплотняющих колец и исправность охлаждающей системы печи.

Электрический режим печи во время плавления. Характер шихто­ вых материалов, находящихся в электропечи, меняется в течение плавки, меняется и потребное для расплавления шихты и нагрева металлической ванны тепло. На рис. 71 представлено изменение характера заваленной шихты и металлической ванны в электропечи, а на рис. 72 показана качественная диаграмма целесообразного изме­ нения мощности, подводимой в печь на протяжении плавки. В тече­

244

ние первых 5— 15 мин (рис. 71, а) дуга горит открыто, что оказывает отрицательное влияние на стойкость свода и стен печи. Подводи­ мая мощность должна быть относительно небольшой (рис. 72, а). По мере проплавления шихты электроды опускаются и достигают нижнего положения (рис. 71, бив). Дуги со всех сторон закрыты ших­ той, тепловое их воздействие на свод и стены минимальное и поэтому подводимая мощность должна быть максимальной. В положении б

Рис. 71. Характер плавления металлической шихты в электропечи:

а — начало плавления; б, в — середина плавления; г — конец плавления; д — окислительный период; е — восстановительный период

и в (рис. 71) электроды находятся 70—80% всей продолжительности плавления, поэтому электрические параметры при таком положении определяют общие показатели плавления (рис. 72, б, в).

На практике ограничиваются обычно только одним изменением электрического режима в период плавления или иногда с самого начала ведут плавление при максимальной мощности, а по расплав­ лении большей части шихты подводимую мощность несколько сни­ жают.

Окисление примесей и шлакообразование в период плавления.

В период плавления с момента нагрева металлической шихты до температуры примерно 700—800° С и тем более по мере ее расплавле­ ния начинается окисление примесей металла и железа в результате взаимодействия их с окислами железа, которые вносятся в виде ржавчины металлической шихтой и твердыми окислителями (желез­ ной рудой и т. д.), а также с кислородом воздуха. Более интенсивно окисление примесей наблюдается при применении в рассматриваемый период газообразного кислорода.

245

Окисление примесей и железа возрастает с увеличением поверх­ ности шихты: чем мельче куски шихты, тем больше окисление. Для

в количестве 1—3% от массы шихты.

При выплавке методом переплава низкоуглеродистой стали с целью уменьшения возможного науглероживания металла в «колодцы»,

Время —

Рис. 72. График изменения подводимой к печи мощности в течение плавки

проплавляемые электродами, забрасывается шлаковая смесь из извести, плавикового шпата и шамота в соотношении 5 : 1 : 1 и в ко­ личестве 1— 1,5%. За 20—30 мин до полного расплавления, если не используют газообразный кислород, производится присадка желез­ ной руды или окалины в количестве 1—2 % от массы шихты.

Состав шлака по расплавлении шихты при выплавке конструк­ ционной углеродистой стали колеблется в следующих пределах:

После расплавления всей шихты ванну перемешивают либо греб­ ками, либо с помощью установки магнитного перемешивания и затем отбирают пробу металла для экспресс-анализа на содержание приме­ сей. Одновременно отбирают пробы шлака и замеряют тумпературу металла.

2. СПОСОБЫ УСКОРЕНИЯ ПЛАВЛЕНИЯ ШИХТЫ

Повышение мощности трансформатора. В период плавления наи­ более полно используется установленная мощность трансформа­ тора и в зависимости от установленной мощности трансформатора будет меняться длительность плавления.

246

На рис. 73 представлена зависимость необходимой мощности транс­ форматоров на печах разной емкости для обеспечения длительности плавления, равной 1; 1,5; 2 ; 2,5 и 3 ч. Например, для обеспечения длительности плавления 1 ч 1 0 0 -т печь должна быть оборудована трансформатором мощностью около 62 MBA. На этом же рисунке приведены данные по отечественным и зарубежным заводам. Как

Емкость печи, т

Рис. 73. Зависимость длительности расплавления от установленной мощности трансформатора и емкости печи. Цифры у кривых — про­ должительность плавления, ч‘

1 — отечественные печи; 2 — зарубежные печи

видно, большинство электропечей оборудованы трансформаторами, обеспечивающими продолжительность плавления больше чем 1,5—■

2ч.

Внастоящее время на отечественных заводах наблюдается тенден­ ция к замене трансформаторов на более мощные. Например, на не­ которых 100-т электропечах Челябинского металлургического завода трансформаторы мощностью 25 MBA заменены на трансформаторы мощностью 35 MBA. Однако необходимо иметь в виду, что целесо­ образность установки более мощного трансформатора в значительной степени определяется соотношением длительности расплавления и жидкого периода (окислительного и восстановительного периодов).

247

При выплавке углеродистой стали продолжительность жидкого периода составляет 30—60 мин, а в случае выплавки легированной стали эта продолжительность возрастает до 2—3 ч. В последнем слу­ чае выгода от сокращения продолжительности плавления может оказаться не очень существенной.

Применение кислорода. Газообразный кислород в электропечах широко используют для ускорения расплавления шихты и для интенсификации окисления углерода в жидкой расплавленной ванне, а также для увеличения скорости нагрева металла. Струю кислорода направляют на нерасплавившийся скрап, который благодаря окисле­ нию примесей и железа и выделению при этом большого количества тепла быстро плавится. Таким же образом производят подрезку мо­ стов, образующихся в период плавления. Однако при раннем вве­ дении кислорода наряду с сокращением длительности плавления и плавки в целом значительно возрастает угар железа и некоторых легирующих примесей, например хрома. Поэтому в большинстве случаев продувку ванны кислородом начинают не ранее, чем после расплавления 75—90% шихты.

Фактическое сокращение длительности плавления в этот период при расходе кислорода 4— 6 м3/т в случае выплавки конструкционных сталей составляет 1 0 —2 0 %, а при выплавке высокохромистых сталей и при расходе кислорода в этот же период 12— 18 м3/т — уже 2 0 — 35%. Одновременно уменьшается на 20—50% расход электроэнергии. Следует иметь в виду, что при интенсивной продувке ванны кисло­ родом в период плавления четкая граница между этим периодом и окислительным периодом фактически исчезает.

Газо-кислородная продувка. При применении газообразного кисло­ рода процесс расплавления шихты ускоряется за счет тепла экзо­ термических реакций окисления примесей металла и железа. В слу­ чае газо-кислородной продувки основным источником тепла является вдуваемый вместе с кислородом природный или коксовый газ.

На Ново—Липецком заводе ускорение плавления шихты в 100-т электропечи осуществляли при помощи газо-кислородных горелок. При среднем удельном расходе газа 12,4 м3/т и кислорода 27,4 м3/т газо-кислородная продувка позволила сократить период плавления на 13,5% и на 8,4% длительность всей плавки.

Одновременно на 48 кВт-ч/т уменьшился расход электроэнергии на плавление шихты.

3. РАСХОД ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА РАСПЛАВЛЕНИЕ

На плавление и нагрев до 1600° С одной тонны металла расход электроэнергии составляет

QM= 1000 [1500 -0,70 + 272 + 0,84 (1600— 1500] J L =

= 391 кВт-ч/т,

где 1/3600— переводной коэффициент кДж в кВт-ч; 0,70 — теплоемкость твердой стали, кДж/(кг-°С);

272—скрытая теплота плавления стали, кДж/(кг-°С);

248

0,84 — теплоемкость жидкой стали, кДж/(кг-6 С).

на нагрев и плавление одной тонны металла и соответствующего количества шлака составляет 414 кВт-ч. Практический расход электроэнергии колеблется в пределах 465—480 кВт-ч/т и зависит от ряда факторов (состояния и емкости электропечи, величины меж-

ПО УСКОРЕНИЮ ПЛАВЛЕНИЯ ШИХТЫ

Общие требования к проведению периода расплавления сводятся к обеспечению минимальной его продолжительности при минималь­ ном расходе электроэнергии и максимальной стойкости футеровки печи. Плавление идет при максимальной мощности трансформатора. В то же время, учитывая отрицательное влияние открытых дуг на стойкость футеровки, необходимо в первые минуты плавления сле­ дить за характером образующихся колодцев. По мере проплавления шихты печь необходимо периодически поворачивать (если есть уст­ ройство для этого).

Сталевар должен также приноравливаться к специфическим осо­ бенностям печи. В частности, в зависимости от степени износа футе­ ровки, наличия окон и неравномерного распределения мощности по фазам в печи образуются зоны быстрого и зоны относительно мед­ ленного плавления. В горячие зоны необходимо заваливать больше шихты. Появляющиеся неплотности в футеровке печи, определяе­ мые по выбиванию газов, необходимо устранять путем подмазки.

Необходимо также добиваться раннего образования шлака, для чего нужно своевременно забрасывать в колодцы, прорезаемые электродами, известь или известняк. Шихту нужно своевременно сталкивать в проплавляемые колодцы, чтобы избежать ее сварива­ ния. Сваренные куски шихты образуют нависающие «мосты» и могут вызвать поломки электродов.

Г Л А В А XXI

ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД

Задачей окислительного периода является снижение содержания фосфора в металле до 0 ,0 1 0 —0 ,0 2 0 %, уменьшение в нем содержания водорода, азота и неметаллических включений, приведение ванны

249

в определенное по окисленности металла состояние для обеспечения нормального протекания восстановительного периода и, наконец, нагрев металла до заданной температуры.

1. ♦ ПЕРЕХОД КИСЛОРОДА ИЗ ШЛАКА В МЕТАЛЛ

Окислительный период электроплавки характеризуется наличием в ванне шлака, отличающегося окислительным действием относи­ тельно металла. Кислород для окисления примесей металла посту­ пает из шлака в виде электроотрицательного иона О2по схеме:

(О2-) —> [О] + 2е, (XXI—1)

где е — электроны.

Как отмечалось в гл. XII, при таком одностороннем процессе перехода кислорода шлак будет заряжаться положительно, поскольку из него уходят отрицательные ионы кислорода, а металл — отри­ цательно, поскольку в нем накапливаются электроны. Для поддер­ жания системы шлак—металл в электрически нейтральном состоя­ нии из шлака в металл должны одновременно переходить и положи­ тельно заряженные ионы (катионы).

Из всех катионов, находящихся в шлаке (Са2+, Mg2+, Мп2+, Fe2+ и т. д.), только ионы железа и марганца растворяются в металле. Закись марганца в качестве окислителя используется редко. Поэтому переход кислорода из шлака в металл описывается уравнениями:

(О2") = [О] + 2е

(Fe2+) = [Fe] — 2е

(XXI-2)

(О2-) + (Fe3+) = [Fe] + [О] ’

или

(FeO) = [Fe] + [О] — 121 кДж/моль (—29 000 кал/моль). (XXI-3)

Температурная зависимость коэффициента распределения кисло­ рода между шлаком и чистым железом равна

в металл указывает на то, что с повышением температуры этот про­ цесс идет более успешно. В реальной ванне для обеспечения окисле­

икислорода в металле.

Вокислительный период теми или другими способами как раз

иподдерживается неравенство (XX1-5).

250