Производство стали в электрических печах
Для выплавки стали используют электрические печи двух типов: дуговые и индукционные (высокочастотные). Первые из них получили более широкое применение в металлургической промышленности.
Дуговые печи имеют емкость 0,5 - 200 т и более. В электрических печах можно получать очень высокие температуры (до 2000° С), расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких компонентов, иметь основной шлак, хорошо очищать металл от вредных примесей, создавать восстановительную атмосферу или вакуум (индукционные печи) и достигать высокой степени раскисления и дегазации металла.
Нагревание и расплавление шихты осуществляется за счет тепла, излучаемого тремя электрическими дугами. Электрические дуги образуются в плавильном пространстве печи между вертикально подвешенными электродами и металлической шихтой.
Дуговая печь имеет следующие основные части: сварной или клепанный кожух цилиндрической формы, со сфероидальным днищем; подины и стенок; съемный арочный свод с отверстиями для электродов; механизм для закрепления вертикального перемещения электродов; две опорные станины; механизм наклона печи, позволяющий поворачивать печь при выпуске стали по желобу и в сторону загрузочного окна для скачивания шлака.
В сталеплавильных печах применяют угольный и графитированные электроды. Диаметр электродов определяется мощностью потребляемого тока и составляет 50 – 550 мм. В процессе плавки нижние концы электродов сгорают. Поэтому электроды постепенно опускают и в необходимых случаях наращивают сверху.
Далее подробно рассмотрены составные части печи.
Кожух образует ванну и стенки печи и выполняется сварным из листа толщиной около 0,5% диаметра кожуха (рис. 9-17). Кожух печи должен быть достаточно прочным для восприятия нагрузок от футеровки и жидкого металла, а в некоторых конструкциях — от механизмов наклона печи и подъема свода.
Свод служит для герметизации и снижения тепловых потерь печи. Свод сферической формы футеруют динасовым или хромомагнезитовым кирпичом (рис. 9-18).
Футеровку свода крепят в сводовом кольце, которое выполняют сварным из листового и углового железа. У средних и крупных печей сводовые кольца имеют водяное охлаждение. В зазоре между электродом и сводом предусматривают электродные уплотнения (экономайзеры). Их выполняют из меди, бронзы или огнеупорных материалов. Наиболее распространены стальные сварные или литые газодинамические уплотнения электрод-ного зазора (рис. 9-19).
Рабочее окно печи служит для наблюдения за ходом плавки и необходимых операций заправки порогов и стен после выпуска металла, и для скачивания шлака. Окно состоит из водоохлаждаемой заслонки с механизмом подъема, рамы и водоохлаждаемой конструкции арки. Для обеспечения герметичности заслонка должна плотно прилегать к раме окна, размер проема окна должен давать возможность обслуживать печь мульдозавалочным краном, заправлять подину и откосы печи и извлекать обломки электродов. Ширина окна обычно составляет 0,3 диаметра плавильного пространства, высота —0,8 ширины окна.
Сливной носок служит для слива готового металла и состоит из «постели», крепящейся к кожуху печи, желоба и сменной насадки.
Электрододержатель служит для удержания и перемещения электродов, а также закрепления токоведущих труб короткой сети и подвода тока к электроду. Основная его часть — литая или сварная водоохлаждаемая бронзовая головка. Получают распространение бронзовые сварные головки облегченной конструкции со сверлеными каналами для прохода воды (рис. 9-20).
Наиболее распространен пружинно-пневматический механизм зажима электрода. Основное его преимущество — возможность дистанционного управления и регулировки усилия зажима в процессе эксплуатации. Головку электрододержателя крепят к несущему рукаву, представляющему собой толстостенную трубу большого диаметра с ребрами жесткости или сварную прямоугольную коробчатую балку. Рукав соединен с подвижной конструкцией, перемещаемой приводом при регулировании мощности печи. Эта конструкция может иметь вид каретки с роликами, движущейся по неподвижной стойке, или телескопической стойки. Телескопическая стойка перемещается в проеме шахты по двум поясам роликов. Шахту выполняют единой для всех трех стоек. Противовесы, если, таковые применяют, располагают между шахтой и кожухом печи. Привод перемещения может быть - тросовым, реечным (для электромеханического варианта) или гидравлическим. Реечный механизм менее инерционен, более надежен и прост, чем тросовый. К преимуществам гидропривода относятся безынерционность, отсутствие запаздывания, возможность быстрого изменения скорости, плавность, компактность.
Механизм перемещения электродов обеспечивает перемещение стойки (каретки) при регулировании мощности, а также при подъеме или опускании электродов на ручном управлении. В отечественной практике применяют как электромеханический привод механизма, так и гидравлический. К недостаткам гидропривода можно отнести необходимость установки насосно-аккумуляторной станции, пожароопасность, течи при обслуживании и ремонтах и т. д.
Механизм наклона служит для наклона ванны печи при сливе металла и скачивании шлака. Существуют два типа механизмов: боковой и нижний с электромеханическим или гидравлическим приводом.
Механизм подъема свода служит для подъема свода при его отвороте и при загрузке печи скрапом, а также при повороте ванны. Механизм состоит из привода и системы тяг, идущих к подвескам, расположенным в трех-четырех точках свода.
Система водоохлаждения печи состоит из коллекторов, вентилей, труб, подводящих- и отводящих воду от экономайзеров, головок электрододержателей, токоведущих труб, сводного кольца, заслонки и арки рабочего окна, гибких кабелей, а также в необходимых случаях — приборов измерения и контроля.
На печах емкостью 100 и 200 т с поворотным сводом применяют систему укрепления кожуха и устанавливают все механизмы на люльке с двумя опорными секторами.
Металлический скрап загружают в печь сверху при помощи бадьи (рис. 9-21).
На рис. 9-22 представлена конструкция печи емкостью 200 т типа ДСП-200МО1, предназначенной для выплавки качественных сталей.
На рис. 9-23 показана конструкция дуговой сталеплавильной печи емкостью типа ДСП-50Н2.
Технология выплавки стали в дуговых печах. В электрических дуговых печах высококачественную углеродистую или легированную сталь. Обычно для выплавки стали, применяют шихту в твердом состоянии. Твердую шихту в дуговых печах с основной футеровкой используют при плавке стали с окислением шихты и при переплавке металла без окисления шихты.
Технология плавки с окислением шихты в основной дуговой печи подобна технологии плавки стали в основных мартеновских печах (скрап-процессам). После заправки подины в печь загружают шихту. Среднее содержание углерода в шихте на 0,5 –0,6% выше, чем в готовой стали. Углерод выгорает и обеспечивает хорошее кипение ванны. На подину печи загружают мелкий стальной лом, затем более крупный. Укладывать шихту в печи надо плотно. Особенно важно хорошо уложить куски шихты в месте нахождения электродов. Шихту в дуговые печи малой и средней емкости загружают мульдами или лотками через завалочное окно, а в печи большой емкости через свод, который отводят в сторону вместе с электродами. После загрузки шихты электроды опускают до легкого соприкосновения с шихтой. Подложив под нижние концы электродов кусочки кокса, включают ток, и начинают плавку стали.
При плавки стали в дуговых печах различают окислительный и восстановительный периоды.
Во время окислительного периода расплавляется шихта, окисляется кремний, марганец, фосфор, избыточный углерод, частично железо и другие элементы, например хром, титан, и образуется первичный шлак. Реакция окисления такие же, как и при основном мартеновском процессе. Фосфор из металла удаляется в течение первой половины окислительного периода, пока металл в ванне сильно не разогрелся. Образовавшийся при этом первичный фосфористый шлак в количестве 60 – 70% удаляют из печи.
Для получения нового шлака в основную дуговую печь подают обожженную известь и другие необходимые материалы. После удаления фосфора и скачивания первичного шлака металл хорошо прогревается и начинается горение углерода. Для интенсивного кипения ванны в печь забрасывают необходимое количество железной руды или окалины и шлакообразующих веществ.
Во время кипения ванны в течение 45-60 мин избыточный углерод сгорает, растворенные газы и неметаллические включения удаляются. При этом отбирают пробы металла для быстрого определения в нем содержания углерода и марганца и пробы шлака для определения его состава. Основность шлака поддерживается равной 2-2,5, что необходимо для задержания в нем фосфора.
После удаления углерода скачивают весь шлак. Если в металле в период окисления углерода содержится меньше, чем требуется по химическому анализу, то в печь вводят куски графитовых электродов или кокс.
В восстановительный период плавки раскисляют металл, переводят максимально возможное количество серы в шлак, доводят химический состав металла до заданного и подготовляют его к выпуску из печи.
Восстановительный период плавки в основных дуговых печах при выплавке сталей с низким содержанием углерода проводится под белым (известковым) слоем шлаком, а при выплавке высокоуглеродистых сталей – под карбидным шлаком.
Для получения белого шлака в печь загружают шлаковую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата. Через некоторое время на поверхности образуется слой шлака с достаточно высокой концентрацией FeO и MnO. Пробы шлака имеют темный цвет.
Перед раскислением металла в печь двумя-тремя порциями забрасывают второю шлаковую смесь, состоящей из кусковой извести, плавикового шпата, молотого древесного угля и кокса. Через некоторое время содержание Feo и MnO понижается. Пробы шлака становятся светлее, закись железа из металла начинает переходить в шлак. Для усиления раскисляющего действия к концу восстановительного периода в печь забрасывают порошок ферросилиция, под влиянием которого содержание FeO в шлаке понижается. В белом шлаке содержится до 50 – 60% СаО, а на поверхности его плавает древесный уголь, что позволяет эффективно удалять серу из металла.
Во время восстановительного периода плавки в металл вводят необходимые добавки, в том числе и легирующие. Окончательно металл раскисляют в печи алюминием.
Выплавка стали под карбидным шлаком на первой стадии восстановительного процесса происходит так же, как и под белым шлаком. Затем на поверхность шлака загружают карбидообразующую смесь, состоящую из кокса, извести и плавикого шпата. При высоких температурах протекает реакция
CaO + 3C = CaC2 + CO.
Образующийся карбид кальция увеличивает раскислительную и обессеривающую способность карбидного шлака. Для ускорения образования карбидного шлака печь хорошо герметизируют. Карбидный шлак содержит 55 –65% СаО и 0,3 – 0,5% FeO; он обладает науглероживающей способностью.
При выплавке стали методом переплава, в печь не загружают железную руду; условия для кипения ванны отсутствуют. Шихта состоит из легированных отходов с низким содержанием фосфора, поскольку его нельзя будет удалить в шлак. Для понижения содержания углерода в шихту добавляют 10 – 15% мягкого железа. Образующийся при расплавлении шихты первичный шлак из печи не удаляют. Это сохраняет легирующие элементы (Cr, Ti, V), которые переходят из шлака в металл.
Устройство и работа индукционных печей. Индукционные печи отличаются от дуговых способом подвода энергии к расплавленному металлу. Индукционная печь примерно работает так же как обычный трансформатор: имеется первичная катушка, вокруг которой при пропускании переменного тока создается переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит во вторичной печи переменный ток, под влиянием которого нагревается и расплавляется металл. Индукционные печи имеют емкость от 50 кг до 100 т и более.
В немагнитном каркасе имеются индуктор и огнеупорный плавильный двигатель. Индуктор печи выполнен в виде катушки с определенным числом витков медной трубки, внутри которой циркулирует охлаждающая вода. Металл загружают в тигель, который является вторичной обмоткой. Переменный ток вырабатывается в машинных или тиристорных генераторах. Подвод тока от генератора к индуктору осуществляется посредством гибкого кабеля или медных шин. Мощность и частота тока определяются емкостью плавильного тигля и состава шихты. Обычно в индукционных печах используется ток промышленной частоты (50 гц) или частотой 500 – 2500 гц. Крупные печи работают на меньших частотах. Мощность генератора выбирают из расчета 1,0 – 1,4 квт/кг шихты. Плавильные тигли печей изготавливают из кислых или основных огнеупорных материалов.
В индукционных печах сталь выплавляют методом переплава шихты. Угар легирующих при этом получается очень небольшим. Шлак образуется при загрузке шлакообразующих компонентов на поверхность расплавленного металла. Температура шлака во всех случаях меньше температуры металла, так как шлак не обладает магнитной проницаемости и в нем не индуцируется ток. Для выпуска стали из печи, тигель наклоняют в сторону сливного носка.
В индукционных печах нет углерода, поэтому металл не науглероживается. Под действием электромагнитных сил металл циркулирует, что ускоряет химические реакции и способствует получению однородного металла.
Индукционные печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов особого назначения, имеющих низкое содержание углерода и кремния.