Основные технические и технико-экономические показатели выплавки стали в электропечах.

       Длительность плавки в печах вместимостью 5—200 т с трансформаторами невысокой мощности на отечественных заводах составляет 3,5—6,5 ч.

       Длительность заправки возрастает с 15—20 до 35 мин при росте вместимости печи.        Длительность за­валки равна 5—10 мин.

       Продолжительность периода плавления составляет 1,2—3,0 ч, возрастая при увеличении вместимости печи и снижаясь при увеличении удельной мощности транс­форматора.

       Длительность окислительного периода изменяется в пределах 0,3—1,2 ч.

       Продолжительность восстановительно­го периода на печах вместимостью 5—40 т составляет 1—1,5 ч; на 80—200-т печах он либо отсутствует, либо де­лается укороченным (20-40 мин).

       Выход годных слитков по отношению к массе жидкой стали при си­фонной разливке равен 98-98,5% для слитков массой 4-6,5 т и 97-97,5% для 1-2-т слитков; при непрерывной разливке 95-96 %.

       Выход годных слитков по отношению к массе шихты при выплавке конструкционных сталей и сифонной разливке со­ставляет 90-91,5% для 6-20-т печей и снижается до 88-90% для 80-200-т печей.

       У неводоохлаждаемых печей расход электроэнергии соста­вляет 600-800 кВт∙ч на 1т стали, уменьшаясь с ростом емкости печи.

       Расход магнезиальных огнеупоров на ремонт печей равен 8-18 кг/т, кроме того на заправку расходуется 20—30 кг/т магнезитового порошка; с увеличением емкости печи расход огнеупорных материалов снижается.

       Расход про­чих материалов составляет, кг/т: извести 40-80; железной руды 25-75, плавикового шпата 5-9; расход кислорода равен 5-20 м³/т.

       Расход электродов равен 4-6 кг/т.

       У высокомощных водоохлаждаемых печей расход электро­энергии меньше; на зарубежных заводах при работе печей с предварительным подогревом лома, применением топливокислородных горелок, продувкой ванны кислородом и с донным перемешиванием ванны он составляет 300-400 кВт∙ч/т.

       У крупнотоннажных высокомощных водоохлаждаемых зарубежных печей суммарный расход огнеупоров в последние годы составляет около 6 кг/т, расход воды на охлаждение стен и сводов равен 8-16 м³/т.

Внепечная обработка стали. Цели и методы обработки. Раскисление и легирование стали в ковше. Способы отсечки шлака по ходу выпуска металла из сталеплавильного агрегата. Применение нейтральных газов для обработки жидкой стали в ковше.

Современная техника предъявляет все более высокие требо­вания к качеству стали. В тех случаях, когда проведение операций, обеспечивающих требуемое качество металла, не­посредственно в самом агрегате связано с потерей его про­изводительности и недостаточно эффективно, операции пере­носят в ковш или во вспомогательную емкость. Проведение технологических операций вне плавильного агрегата называ­ют вторичной металлургией (ковшевой металлургией, внеагрегатной обработкой, внепечной обработкой, ковшевым рафи­нированием). Основную цель вторичной металлургии можно сформулировать как осуществление ряда технологических операций быстрее и эффективнее по сравнению с решением аналогичных задач в обычных сталеплавильных агрегатах.

В настоящее время методами внепечной металлургии обра­батывают сотни миллионов тонн стали массового назначения, установки для внепечной обработки имеются на всех заводах качественной металлургии. Обработке подвергают металл, выплавленный в мартеновских печах, дуговых электропечах и конвертерах. Быстрое распространение в широких масштабах внепечной обработки объясняется рядом причин:

1. Распространением метода непрерывной разливки стали, который, в свою очередь, для высокопроизводительной рабо­ты установок требует точного (и стандартного от плавки к плавке) регулирования температуры и химического состава металла. В результате практически вся сталь, разливаемая на установках непрерывной разливки, подвергается внепеч­ной обработке.

2. Непрерывно увеличивающиеся масштабы производства сталей ответственного назначения, которые трудно получить при обычной технологии плавки.

3. Возрастающими масштабами производства сталей и сплавов с особо низким содержанием углерода.

4. Повышением требований к качеству рядовых сталей, выплавляемых в конвертерах и мартеновских печах.

5. Определенную роль в распространении новых методов вторичной металлургии играет и то обстоятельство, что эти методы позволяют коренным образом изменять структуру и тип потребляемых ферросплавов и раскислителей в сторону существенного снижения требований к их составу и соот­ветствующего их удешевления. Например, использование ме­тода аргоно-кислородной продувки позволило перерабатывать высокоуглеродистые ферросплавы и отказаться от использо­вания дорогих низкоуглеродистых ферросплавов.

6. Наличие в цехе агрегатов, в которых осуществляется внепечная обработка стали, позволяет сократить (или вообще исключить) проведение периода доводки в собственно сталеплавильных агрегатах. Особенно это касается электро­дуговых и мартеновских печей.  Соответственно возрастает производительность этих агрегатов, снижается расход огне­упоров, топлива, электроэнергии и т.д.

7. Современные методы внепечной обработки позволяют получать сталь с очень малым ("ультранизким") содержанием углерода (<0,003%) и азота (<0,003 %). В результате ста­ло возможным появление нового класса сталей — так называ­емых IF-сталей (от англ.Interstitial Free Steels), то есть сталей, не содержащих свободных атомов внедрения, прежде всего углерода и азота.   

Методы внепечной обработки могут быть условно разделены на простые (обработка металла одним способом) и комбини­рованные (обработка металла несколькими способами одно­временно). К простым методам относятся:

1) обработка ме­талла вакуумом;

2) продувка инертным газом;

3) обработка металла синтетическим шлаком в ковше;

4) введение реаген­тов вглубь металла;

5) продувка порошкообразными мате­риалами.

Основными недостатками перечисленных простых способов обработки металла являются:

1) необходимость перегрева жидкого металла в плавильном агрегате для ком­пенсации снижения температуры металла при обработке в ковше;

2)ограниченность воздействия на металл (только десульфурация или только дегазация и т.п.).

Наилучшие результаты воздействия на качество металла достигаются при использовании комбинированных способов, когда в одном или нескольких, последовательно расположенных агрегатах, осуществляется ряд операций. Для их осуществления оказы­вается необходимым усложнять конструкцию ковша и исполь­зовать более сложное оборудование.

При решении вопроса о выборе необходимого оборудования определяющим является выбор той или иной технологии обра­ботки металла. Несмотря на многоплановость задач, стоящих при решении проблемы повышения качества металла методами вторичной металлургии, используемые при этом технологи­ческие приемы немногочисленны и по существу сводятся к интенсификации следующих процессов:

1. Взаимодействия металла с жидким шлаком или твердыми шлакообразующими материалами (интенсивное перемешивание специальной мешалкой, продувкой газом, вдуванием твердых шлакообразующих материалов непосредственно в массу метал­ла, электромагнитное перемешивание и т.п.).

2. Газовыделения (обработка металла вакуумом или про­дувка инертным газом).

3. Взаимодействия с вводимыми в ванну материалами для раскисления и легирования (подбор комплексных раскислителей оптимального состава; введение реагентов в глубь металла в виде порошков, блоков, специальной проволоки; с использованием патронов, выстреливаемых в глубь металла; искусственное перемешивание для улучшения условий удаления продуктов раскисления и т.д.; организация тем или иным способом перемешивания ванны, интенсификация про­цессов массопереноса — обязательное условие эффективности процесса).

       Раскисление и легирование стали. Технологическую операцию, при которой растворенный в металле кислород переводится в нерастворимое в металле соединение или удаляется из металла, называют раскислением. После операции раскисления сталь называют раскисленной. Такая сталь при застывании в изложницах ведет себя «спокойно», из нее почти не выделяются газы, поэтому такую сталь часто называют «спокойной». Если же операцию раскисления не проводить, то в стали при ее постепенном охлаждении в изложнице будет протекать реакция между растворенным в металле кислородом и углеродом. Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода будут выделяться из кристаллизующегося слитка, металл будет бурлить. Такую сталь называют «кипящей».

       Применяют следующие способы раскисления стали: а) глубинное; б) диффузионное; в) обработкой синтетическими шлаками; г) обработкой вакуумом.

       Глубинное раскисление. Глубинное, или осаждающее, раскисление заключается в переводе растворенного в стали кислорода в нерастворимый оксид введением в металл элемента-раскислителя. Элемент-раскислитель должен характеризоваться большим сродством к кислороду, чем железо. В результате реакции образуется малорастворимый в металле оксид, плотность которого меньше плотности стали. Полученный таким образом «осадок» всплывает в шлак, отсюда название метода “осаждающее раскисление”. Этот метод раскисления называют часто также «глубинным», так как раскислители вводятся в глубину металла. В качестве раскислителей обычно применяют марганец (в виде ферромарганца), кремний (в виде ферросилиция), алюминий, сплавы редкоземельных металлов и др.Обычно раскислители вводят в металл (в печь или в ковш) в конце плавки.

       Раскисление протекает по следующей реакции: n[R] + m[O] = (R_nO_m). Все реакции раскисления сопровождаются выделением тепла. Равновесие реакции осаждающего раскисления сдвигается влево при повышении и вправо при понижении температуры. Практически это означает, что по мере понижения температуры стали (при ее кристаллизации) реакции раскисления продолжаются и образуются все новые и новые количества оксидов, которые, конечно, не успевают всплыть и удалиться из металла. Поэтому при этом методу раскисления невозможно получить сталь, совершенно чистую от неметаллических включений, что является существенным недостатком рассматриваемого метода раскисления. Однако этот метод получил наибольшее распространение, так как он самый простой и дешевый.

Уменьшения же количества оставшихся в стали неметаллических включений добиваются, изменяя сочетания и последовательность введения раскислителей. При выборе элемента-раскислителя во многих случаях стремятся к тому, чтобы получающиеся при раскислении оксиды слабо смачивались металлом (и соответственно хорошо от него отделялись) и при этом хорошо смачивались шлаком (и соответственно хорошо им ассимилировались).

       Наиболее слабым раскислителем, не обеспечивающим снижение содержания кислорода до очень низких пределов, является марганец; кремний — более сильный раскислитель; введение же алюминия (а также, например, кальция, церия) обеспечивает почти полное связывание кислорода, растворенного в металле.

       Диффузионное раскисление. При диффузионном раскислении раскислению подвергают шлак. В тех случаях, когда металл не кипит, между шлаком и металлом устанавливается «равновесие» по кислороду: L_O=(FеО)/[О]. Поэтому любой способ уменьшения активности оксидов железа в шлаке приводит к снижению окисленности металла. Обычно при диффузионном раскислении на шлак дают смеси, в состав которых входят сильные восстановители: углерод (кокс, древесный уголь, куски угольных электродов), кремний (в виде ферросилиция), алюминий. Оксиды железа в шлаке взаимодействуют с восстановителями (раскислителями) по реакциям:

       (FеО) + [C] = СО + Fе;

       2(FеО) + Si = (SiO₂) + 2Fе;

       З(FеО) + 2Аl = (Аl₂O₃) + 3Fе.

При этом и концентрация, и активность оксидов железа в шлаке уменьшаются, а это, в свою очередь, вызывает уменьшение концентрации и активности кислорода в металле, так как отношение L_O при данной температуре является величиной постоянной. Поскольку скорость процесса перемещения кислорода из металла в шлак определяется скоростью его диффузии в металле, данный способ получил название диффузионного.

       При диффузионном способе раскисления продукты раскисления не остаются в металле, и получаемый металл содержит меньше неметаллических включений. Это — большое преимущество диффузионного способа перед осаждающим. Однако диффузионный способ имеет и ряд недостатков, главные из которых следующие: скорость диффузии кислорода в спокойном металле мала, процесс удаления кислорода идет медленно, продолжительность плавки возрастает, падает производительность агрегата, возрастает износ футеровки и т.д. Кроме того, в большинстве сталеплавильных агрегатов атмосфера всегда в какой-то мере окислительная и значительная часть вводимых в шлак раскислителей реагирует не с оксидами железа шлака, а с кислородом атмосферы. Отсюда высокий угар раскислителей. Поэтому диффузионный метод раскисления применяют в исключительных случаях и там, где есть техническая возможность избежать наличия окислительной атмосферы, например при плавке стали в небольших дуговых электропечах при плотно закрытых загрузочных окнах и т.п.

       Раскисление обработкой металла шлаком. Способ раскисления металла при обработке его шлаком вне печи можно рассматривать как разновидность диффузионного раскисления, проводимого не в печи, а в ковше или в специальном агрегате и отличающегося большой скоростью процесса. Если при выпуске из печи в ковш металл перемешивать со шлаком, не содержащим оксидов железа, то происходит то же, что и при диффузионном раскислении: диффузия кислорода из металла в шлак. Перемешивание металла со шлаком можно осуществлять и другими способами (например, продувкой инертным газом).

       Процесс протекает с большой скоростью, если струя металла при падении со значительной высоты на поверхность шлака дробится на капли, в результате чего образуется шлако-металлическая эмульсия с очень большой поверхностью контакта металл—шлак. Шлаки готовят специально в отдельном плавильном агрегате, и их поэтому называют обычно синтетическими. Существенным достоинством данного метода является также повышение стабильности (от плавки к плавке) свойств металла, обработанного синтетическими шлаками одного и того же состава. Это очень важно для потребителей металла.

       Раскисление обработкой вакуумом. Обработка металла вакуумом с целью раскисления основана на использовании раскисляющего действия растворенного в жидкой стали углерода. Из выражения константы равновесия реакции окисления углерода следует, что снижение давления приводит к уменьшению концентрации кислорода в металле, а также к некоторому снижению концентрации углерода. Существует даже термин вакуум-углеродное раскисление или просто “углеродное” раскисление. Под этим понимается удаление из металла кислорода при понижении давления (при вакуумировании) вследствие его реакции с углеродом.

       При обработке вакуумом снижается не только содержание растворенного кислорода, но и количество оксидных неметаллических включений вообще вследствие протекания реакций типа МеО + [С] = СО + Ме, равновесие которых сдвигается вправо при понижении давления. В тех случаях, когда металл раскислен ферросилицием и алюминием, образуются прочные оксиды SiО₂ и Аl₂O₃, разрушить которые можно только под очень глубоким вакуумом в специальных вакуумных печах. Следует иметь в виду, что при обработке металлов вакуумом одновременно с разрушением оксидных включений удаляются также растворенные в них азот и особенно водород.

       Легирование стали. Легированием называют процесс присадки в сталь легирующих элементов, чтобы получить так называемую легированную сталь, т.е. такую сталь, в составе которой находятся специальные (легирующие) примеси, введенные в нее в определенных количествах для того, чтобы сообщить стали какие- либо особые физико-химические или механические свойства.

       Легирующими могут быть как элементы, не встречающиеся в простой стали, так и элементы, которые в небольших количествах содержатся во всякой стали (С, Мn, Si, Р ). Очень часто операцию легирования совмещают с операцией раскисления (особенно если металл легируют марганцем, кремнием или алюминием).

       Для сталеплавильщиков важно знать поведение легирующей примеси при плавке стали для того, чтобы выплавить металл нужного состава (попасть в анализ) с минимальными потерями легирующих материалов. Главное при этом — избежать ненужного взаимодействия легирующих примесей с кислородом, чтобы уменьшить потери («угар») легирующих и обеспечить получение в стали минимума продуктов окисления легирующих — неметаллических включений.

       В зависимости от степени сродства к кислороду легирующие элементы делятся на две большие группы:

       1-я — легирующие элементы, сродство к кислороду у которых меньше, чем у железа (никель, кобальт, молибден, медь). Они в условиях плавки и разливки практически не окисляются и поэтому могут быть введены в металл в любой момент плавки. Обычно эти элементы вводят в металл в начале плавки вместе с шихтой.

       2-я — легирующие элементы, сродство к кислороду у которых больше, чем у железа (кремний, марганец, алюминий, хром, ванадий, титан). Чтобы избежать большого угара этих элементов при легировании, их вводят в металл после раскисления или одновременно с раскислением в самом конце плавки (часто даже в ковш, а иногда и непосредственно в изложницу или кристаллизатор).

       Кроме легирующих этих двух основных групп применяют легирующие, введение которых в металл связано с возможной опасностью для здоровья, так как пары этих металлов или их соединений являются вредными. К таким элементам относятся сера, свинец, селен, теллур. Эти элементы вводят в металл непосредственно в процессе разливки стали и при этом принимают специальные меры безопасности.

       Легирующие примеси вводят в металл или в чистом виде (бруски чистой меди, чистого алюминия, никеля и др.), или в виде сплавов (ферросилиций, ферромарганец, ферроалюминий и др.), или в виде соединений (оксиды ванадия, марганцевая руда, молибдат кальция и др.).

       Методы отделения шлака от металла («отсечка» шлака). Одним из важных элементов успешного проведения операций внепечной обработки является контроль и регулирование ко­личества шлака, попадающего при выпуске в ковш.

Методы удаления шлака с поверхности металла в ковше (установка ковша на платформу, оборудованную устройствами для наклона, конструирование специальных гребков и т.п.) сложны (Рис. 3.36.).  

 

 

 

Рис. 3.36. Установка для скачивания шлака с поверхности металла в ковше

 

Большое распространение получили мето­ды загущения шлака (например, введение порции холодного доломита) для затруднения его вытекания из агрегата. Од­нако такие методы не позволяют полностью отсечь конечный шлак при выпуске.

В конвертерных цехах распространение получили способы закупоривания сталевыпускного отверстия (летки) с исполь­зованием различного рода пробок (рис. 3.37).

 

 

Рис. 3.37. Пневматическая пробка для отсечки шлака в конвертере

 

 

На ряде металлургических заводов при выпуске металла из печи или конвертера используют более простой прием: ковш с метал­лом в момент появления шлака отводят от агрегата; этот метод, однако, не обеспечивает стабильности результатов и сопровождается потерями металла. Проблема отсечки конеч­ного шлака остается одной из важных. Наиболее благо­приятны условия для отсечки конечного шлака при работе дуговых электропечей с донным или эркерным выпуском.

       Метод продувки стали инертными газами. Данный методполучил промышленное рас­пространение для повышения качества металла в связи с освоением технологии получения в больших количествах деше­вого аргона (как сопутствующего продукта при производстве кислорода, как известно, в воз­духе ~ 1 % Аr). На кислородных станциях аргон выделяют при ректификации жидкого воздуха.

       Для продувки металла, не содержащего нитридообразующих элементов (хрома, титана, ванадия и т.п.), часто исполь­зуют азот, т.к. при 1550—1600 °С процесс растворения азо­та в жидком железе не получает заметного развития.

       Расход инертного газа составляет обычно 0,1—3,0 м³/т стали. В зависимости от массы жидкой стали в ковше снижение темпе­ратуры стали при таком расходе аргона составляет 2,5—4,5 °С/мин (без продувки металл в ковше охлаждается со скоростью 0,5-1,0 °С/мин). Тепло при продувке дополни­тельно затрачивается на нагрев инертного газа и излучение активно перемешиваемыми поверхностями металла и шлака. Большая часть тепловых потерь связана с увеличением теплового излучения, поэтому такой прием, как накрывание ковша крышкой при продувке позволяет заметно уменьшить потери тепла; при этом одновременно снижается степень окисления обнажающегося при продувке металла.

       Простым и надежным способом подачи газа является использование так называемого ложного стопора (Рис. 3.38.). Продувочные уст­ройства типа ложного стопора безопасны в эксплуатации, так как в схему футеровки ковша не нужно вносить никаких изменений, но они обладают малой стойкостью. В результате интенсивного движения металлогазовой взвеси вдоль стопора составляющие его огнеупоры быстро размываются.

Рис 3.38. Фурма в виде "ложного стопора" для вдувания порошкооб­разных реагентов в металл

 

 

           

 

       Большое распространение получил способ продувки через устанавливаемые в днище ковша пористые огнеупорные встав­ки или пробки (Рис. 3.39); в тех случаях, когда продувку проводят одновременно через несколько пробок (вставок), эффективность воздействия инертного газа на металл су­щественно увеличивается.

 

       Рис. 3.39. Конструкция пористой пробки (вставки) для продувки ме­талла аргоном: 1 — вставка с каналами для прохо­да газов; 2 — огнеупорный корпус; 3                — гнездовой кирпич

 

       Продувка с расходом газа до 0,5 м³/т стали достаточна для усреднения химического сос­тава и температуры металла; продувка с интенсивностью до 1,0 м³/т влияет на удаление из металла неметаллических включений; для эффективной дегазации необходим расход инертного газа 2—3 м³/т металла.

       Во многих случаях продувку инертным газом проводят одновременно с обработкой металла вакуумом. В этом случае расход инертного газа может быть существенно уменьшен. Совмещение продувки инертным газом обработкой шлаком спо­собствует повышению эффективности использования шлаковых смесей, так как интенсивное перемешивание при продувке увеличивает продолжительность и поверхность контакта ме­талла со шлаком. Если при этом ковш, в котором осуществ­ляется такая обработка, накрыт крышкой, то наличие в пространстве между крышкой и поверхностью шлака атмосферы инертного газа предохраняет металл от окисления, а сниже­ние потерь тепла позволяет увеличить продолжительность контакта металла с жидким шлаком.