Выплавка стали методом полного окисления

Процесс плавки с окислением складывается из следующих последовательных стадий: заправки 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 дефектов футеровки подины и откосов. Заправка производится сразу же после выпуска металла, пока еще в печи сохраняется высокая 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 производят магнезитовым порошком с добавкой в качестве связующего каменноугольной смолы или пека или же жидкого стекла. Заправку осуществляют вручную. Это одна из наиболее тяжелых операций. В последнее время для этой цели применяют пневматические заправочные машины.

Загрузка шихты. Состав шихты определяется химическим составом выплавляемой стали. При плавке с окислением шихту составляют из расчета получения содержания углерода в металле по расплавлении выше 0,3% заданного при выплавке высокоуглеродистых сталей (с содержанием 0,6% С и более) и выше 0,4% при выплавке средне- и низкоуглеродистых сталей. Шихта составляется из стального лома, отходов низколегированных сталей и чугуна. Содержание хрома в шихте не должно превышать 0,40%. Отходы легированных 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 соотношением считается: 30—40% крупного, 50—40% среднего и 10—25% мелочи.

Рис. 114. Последовательные этапы плавления шихты в дуговой печи:

а — начало плавления; б — опускание электрода вниз; в — подъем электрода вверх; г — конец плавления: / — шлак; 2 — металл

При загрузке сверху на дно бадьи помещают часть легковесного скрапа, затем крупный и средний лом и сверху остальную часть мелочи. Предварительно перед опусканием бадьи в печь для ослабления ударов шихты о подину задают некоторое количество мелочи.

С целью сокращения периода плавления и повышения производительности электродуговых печей на некоторых заводах производят предварительный подогрев скрапа до 850—870° С в специальной футерованной шамотным кирпичом бадье. При загрузке шихты завалочной машиной сохраняется та же последовательность завалки легковесного, крупного и среднего лома.

Плавление. По окончании загрузки опускают электроды и включают ток. Плавление шихты проводят форсированно на максимальной ступени вторичного напряжения печного трансформатора. Постепенно электроды опускаются вниз, проплавляя в шихте колодцы диаметром на 30—40% больше диаметров электродов. По мере плавления шихты вокруг электродов уровень жидкого металла повышается, одновременно происходит подъем электродов (рис. 114). 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 (рис. 115).

Для ускорения плавления шихты крупные печи оборудуют устройством для вращения корпуса на ±40°. Последовательно, поворачивая корпус печи на 40° от нормального положения, за­тем возвращая в нормальное положение и снова поворачивая на 40° в другую сторону, добиваются значительного расширения зоны непосредственного действия электрических дуг, а следова­тельно, улучшения условий расплавления шихты.

Длительность периода плавления может быть сокращена также путем вдувания кислорода в жидкий металл. Его вводят по расплавлении примерно 70—75% всей садки. Кислород подается трубками (диаметром 1/2—3/4), вводимыми в жидкую ванну, а также и на куски нерасплавившегося скрапа через гляделку в заслонке рабочего окна, под избыточным давлением 0,81— 1,22 Мн/м² (8—12 am). Вследствие окисления железа, марганца, кремния и других примесей газообразным кислородом

Рис. 115. Изменение мощности (1) и напряжения (2) по ходу плавки в 40-т электропечи

выделяется большое количество тепла, что и обусловливает ускорение расплавления остатков лома и повышение температуры металла.

При применении кислорода длительность периода плавления сокращается на 10—15%. Расход кислорода составляет 5—10 м³/т стали. В процессе плавления в печь присаживают известь или известняк, а за 20—25 мин до окончания расплавления — железную руду.

При плавлении шихты протекает ряд физико-химических процессов. 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% SiO₂; 8 -15% MgO; 7—10% MnO; 10—15% FeO; 0,5—1,0% Р₂O₅. После расплавления 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 (70—80%). Со скачиваемым шлаком удаляется основная часть фосфора, содержащегося в шихте и окислившегося в период плавления. С этого момента приступают к проведению окислительного периода плавки.

Окислительный период. Его задачами являются: 1) максимальное снижение содержания фосфора; 2) возможно большее удаление газов (водорода и азота) и оксидных неметаллических включений; 3) повышение температуры металла до требуемого уровня и выравнивание ее по всему объему металлической ванны. В этот же период происходит дальнейшее окисление углерода, марганца, хрома и других легирующих элементов, обладающих высоким сродством к кислороду.

После скачивания первичного шлака в печь присаживают известь и в случае необходимости, для поддержания необходимой жидкоподвижности шлака — плавиковый шпат или шамотный бой. Общее количество вводимых в печь шлакообразующих составляет 1,5—2,0% от массы садки. После образования жидкоподвижного шлака и нагрева металла до требуемой температуры в ванну периодически, небольшими порциями, вводят руду и известь. Это вызывает повышение содержания окислов железа и окиси кальция в шлаке, а следовательно, создает благоприятные 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-Р₂О₅) + 5 [Fe], или в ионной форме [Р] + 5/2Fe²⁺ + 4О^2- = РО₄- + 5/2 [Fe]. Эта реак­ция протекает преимущественно на границе раздела шлак—металл. В соответствии с показателем распределения фосфора между металлом и шлаком.

полнота дефосфорации металла обеспечивается высокой основностью, повышенным содержанием окислов железа в шлаке и непрерывным обновлением шлака, которое необходимо для поддержания в шлаке невысоких концентраций Р₂О₅. 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 самотеком стекает из несколько наклоненной печи через порог завалочного окна в шлаковню.

Образующийся в этот период плавки шлак имеет примерно следующий состав: 40—50% СаО; 10—20% SiO₂; 15—20% FeO; 6—10% MgO; 5—12% MnO; 2—3% Al₂O₃, основность шлака 2,6— 3,0. Указанный шлаковый режим обеспечивает до 0,010—0,020% содержания фосфора к концу окислительного периода в зависимости от марки выплавляемой стали. Одновременно с удалением фосфора происходит дальнейшее окисление углерода по суммарной реакции

[С] + (FeO) = {СО} + [Fe].

Этот процесс, сопровождающийся образованием окиси углерода, вызывает кипение ванны, что способствует перемешиванию металла и шлака, ускорению нагрева и выравниванию температуры по всему объему металла. Кроме того, выделение пузырьков окиси углерода благоприятствует удалению азота, водорода и оксидных включений из расплавленного металла.

Необходимая скорость окисления углерода в этот период под­держивается периодическими добавками руды и высоким температурным режимом. В начальной стадии окислительного периода скорость выгорания углерода составляет 0,4—0,6% /ч, в конечной стадии снижается до 0,2—0,3 %/ч. В течение 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 [Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe], или в ионной форме [Мп] + (О^2-) + (Fe²+) = (Мп²+) + + (О^2-) + [Fe], по мере повышения температуры постепенно приближается к состоянию равновесия и нередко происходит изменение ее направления в сторону восстановления марганца из шлака. Концентрация марганца в конце периода обычно бывает на уровне 0,15—0,20%.

К концу периода металл должен быть нагрет до температуры, на 120—130 град превышающей температуру плавления (до 1590— 1600° С при выплавке высокоуглеродистых сталей и до 1630— 1640° С — конструкционных сталей). Необходимые температурные условия обеспечиваются рациональным электрическим режимом (см. рис. 115), который поддерживается несколько меньшим, чем в период расплавления, и составляет 50—70% от максимальной мощности.

В ходе окисления несколько раз производят отбор проб металла и экспресс-анализ их на содержание углерода и фосфора. 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 металла). Содержание фосфора должно быть менее 0,01—0,02%. Завершается окислительный период скачиванием шлака, которое вначале производят без выключения печи, а затем при выключенной печи и поднятых электродах. Продолжительность окислительного периода для крупных печей составляет 40—60 мин. Эффективным средством сокращения длительности периода окисления является продувка ванны газообразным кислородом. Наиболее простым способом является введение кислорода одной или двумя железными трубками (диаметром 3/4—1") через рабочее окно непосредственно в жидкий металл на глубину 150—200 мм. Для повышения стойкости трубки снаружи футеруются 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 расстоянии 150—200 мм над подверхностью шлака. Кислород подается под избыточным давлением 1,01—1,22 Мн/м² (10—12 am). Расход кислорода на продувку составляет 5—7 м³/т. Продолжительность продувки 10—20 мин, что позволяет 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 периода являются: 1) раскисление металла; 2) удаление серы; 3) окончательное корректирование химического состава и температуры металла перед выпуском его из печи. Все эти задачи практически решаются одновременно, причем порядок проведения восстановительного периода определяется способом раскисления металла.

Раскисление необходимо для устранения вредного влияния кислорода на свойства и качество стали. Содержание 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 окислы, форму, в значительно меньшей степени оказывающую влияние на свойства стали. Процесс раскисления может осуществляться либо путем добавки элементов-раскислителей непосредственно в металл (осаждающее раскисление), либо присадкой их на шлак (диффузионное раскисление). Диффузионное раскисление, основанное на законе распределения кислорода между металлом и шлаком, ранее широко использовалось в практике проведения восстановительного периода. В последнее время применяют комбинированный способ раскисления, сочетая осаждающее раскисление с диффузионным, что обеспечивает значительное сокращение продолжительности восстановительного периода без ущерба качеству металла.

Комбинированное осадочно-диффузионное раскисление проводится следующим образом. После удаления окислительного шлака и, в случае необходимости, науглероживания металла (дробленым коксом или электродным боем) непосредственно в металлическую ванну вводят раскислители — марганец, кремний и алюминий. Эти элементы вводят в виде простых или комплексных ферросплавов — ферромарганца, ферросилиция, силикомарганца, сплава АМС (алюминий—марганец—кремний) и др. Раскислители добавляются из расчета получения в металле 0,10—0,15% Si. Одновременно, если выплавляется хромсодержащая сталь, металл легируется хромом, путем присадки феррохрома в ванну. Добавка раскислителей в металл вызывает довольно резкое снижение содержания кислорода. Дальнейшее уменьшение концентрации кислорода 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 шлакообразующих при плавке в крупных печах составляет около 3% от массы металла. После образования сильноосновного шлака приступают к диффузионному раскислению, которое проводится либо под белым, либо под карбидным шлаком. Под белым шлаком выплавляют конструкционные, малоуглеродистые (до 0,35% С) стали, под карбидным — средне- и высокоуглеродистые.

При плавке под белым шлаком на шлаковый покров задают раскислительные смеси, состоящие из молотых и порошкообразных кокса, 75%-ного ферросилиция, силикокальция, алюминия. Элементы-раскислители восстанавливают FeO и МnО шлака, при этом нарушается равновесное распределение кислорода между металлом и шлаком, что вызывает переход кислорода из металла в шлак:

(FeO) + C = [Fe] + {CO}.

[FeO]

Уменьшение содержания закиси железа и марганца сопровождается посветлением шлака. Обычно концентрацию закиси железа в шлаке доводят до 0,5%, одновременно снижается содержание 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% SiO₂; 9—14% MgO; 5—10% А1₂О₃, менее 0,5% FeO, менее 0,5% МnО.

При плавке под карбидным шлаком на шлаковый покров присаживают раскислительные смеси с увеличенным количеством кокса. Затем плотно закрывают рабочие окна печи, добиваясь ее герметичности. Под электродами в зоне наиболее высоких температур образуется карбид кальция:

(СаО) + ЗС_тв = (СаС₂) + {СО}.

Образовавшийся карбид кальция наряду с углеродом раскисляет шлак, что и вызывает переход кислорода из металла в шлак:

3 (FeO) + СаС₂ = 3 [Fe] + (СаО) + 2 {СО).

[FeO]

Содержание карбида кальция в слабокарбидных шлаках составляет 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 добавками извести, плавикового шпата, шамотного боя. Если этого недостаточно, то приоткрывают заслонки печи и карбид кальция оки­сляется поступающим в печь воздухом.

Недостатком карбидного шлака является повышенное науглероживание металла, что и исключает его применение при выплавке малоуглеродистых сталей. Раскисление металла может быть осуществлено также только диффузионным способом — под белым или карбидным шлаком. Однако, как уже указывалось, такой метод раскисления приводит к затягиванию восстановительного периода.

Технология проведения диффузионного раскисления подобна рассмотренной выше и отличается только отсутствием осаждающего раскисления, осуществляемого в начале восстановительного периода. Взамен его в металл после скачивания окислительного шлака добавляют только ферромарганец, а затем наводят восста­новительный шлак, как указывалось выше.

В восстановительный период создаются благоприятные условия для протекания реакции удаления серы из металла (СаО) + + [FeS] = (CaS) + (FeO), или в ионной форме [S] + (О^2-) = = (S^2-) + [О]. Высокая основность шлака, повышенная его жидкоподвижность, раскисленность шлака и металла позволяют довести показатель распределения серы между шлаком и металлом (S)/[S] до 15—40, а в некоторых случаях до 60—70. Содержание 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 период в печь вводится меньшая мощность, чем в окислительный период, и она составляет 25—45% максимальной мощности.

Восстановительный период заканчивается легированием металла и окончательным раскислением, после чего производят выпуск металла в ковш.