Металлургия черных и цветных металлов

в сталь для раскисления и получения металла заданного со­ става. Их применяют в основном в виде соответствующих фер­ росплавов. Науглероживающие материалы применяют при не­ обходимости повышения содержания углерода в металле (элект­ родный^ бой, кокс) и раскисления шлака (молотый кокс, генераторная сажа, древесный уголь).

Большое значение для хода плавки и качества получаемого металла заданного состава имеет подготовка шихтовых мате­ риалов к плавке. Во избежание повышенного содержания водо­ рода в стали, которое может вызвать появление флокенов и во­ лосовин, железную руду, плавиковый шпат, раскислители под­ вергают прокаливанию, кокс и древесный уголь — сушке. Особое внимание должно быть обращено на дозировку шихтовых ма­ териалов, их точное взвешивание. Эти требования обеспечивают точное попадание в анализ и высокий выход годных слитков.

§ 2. Технология плавки в основной дуговой печи

Выплавка стали в основных дуговых печах производится двумя способами: 1) с полным окислением и применением свежей шихты и легирующих; 2) методом переплава легированных от­ ходов как без окисления, так и с частичным окислением газо­ образным кислородом.

При плавке с окислением, получившей наибольшее распрост­ ранение, используют свежую шихту и в окислительный период в печь задают железную руду или вводят газообразный кисло­ род, при этом происходит окисление кремния, марганца, фос­ фора и углерода. Для полноты удаления фосфора прибегают к промежуточному скачиванию шлака. Этим способом выплав­ ляются углеродистые и легированные стали с малым содержа­ нием фосфора при повышенном содержании его в шихте. При плавке методом переплава шихта состоит преимущественно из легированных отходов с низким содержанием фосфора. Окисли­ тельный период в ряде случаев отсутствует, но иногда плавку ведут с непродолжительной продувкой металла газообразным кислородом.

Выплавка стали методом полного окисления. Процесс плавки складывается из следующих последовательных стадий: за­ правки 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 дефек­ тов футеровки подины и откосов. Заправка производится сразу же после выпуска металла, пока еще в печи сохраняется высо­ кая 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 произво­ дят магнезитовым порошком с добавкой в качестве связующего каменноугольной смолы или пека или же жидкого стекла. Для заправки применяют пневматические заправочные машины; на малых печах ее производят! вручную. Длительность этой опера­ ции 10—15 мин.

Загрузка шихты. Состав шихты определяется химическим со­ ставом выплавляемой стали. При плавке с окислением шихту составляют из расчета получения содержания углерода в ме­ талле по расплавлении выше на 0,3 % заданного при выплавке

сталей. Шихту составляют из стального лома, отходов низколе­

в шихту вводят никель, медь и ферровольфрам. Отходы легиро­ ванных 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 соотноше­ нием считается 35—40 % крупного лома, 40—45 % среднего и 15—20 % мелочи. При загрузке сверху на дно бадьи загружают часть легковесного скрапа, затем крупный, а по периферии сред­ ний лом и поверх остальную часть мелочи. Предварительно перед опусканием бадьи в печь с целью ослабления ударов шихты на подину задают некоторое количество мелочи. Для уменьшения угара науглероживающие материалы (кокс и элект­ родный бой) кладут под слой крупного лома. Для ускорения шлакообразования и дефосфорации металла в период плавления рекомендуется давать в завалку 2—3 % извести.

С целью повышения производительности электропечей на не­ которых заводах предварительно подогревают скрап до 850— 870 °С в специальной футерованной шамотным кирпичом бадье. При загрузке шихты завалочной машиной (в небольших печах) сохраняется та же последовательность завалки легковесного крупного и среднего лома. В высокомощных печах для предо­ хранения подины от воздействия мощных дуг достаточным ко­ личеством жидкого металла рекомендуется применять шихту оптимального состава и насыпной массы, и оставлять на подине

включают ток. Плавление шихты проводят форсированно при максимальной мощности печного трансформатора. Постепенно электроды опускаются вниз, проплавляя в шихте колодцы диа­ метром на 30—40 % больше диаметров электродов. По мере

плавления шихты вокруг электродов уровень жидкого металла повышается; одновременно происходит подъем электродов (рис. VI.8). 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.

Для ускорения плавления шихты некоторые печи оборудо­ ваны устройством для вращения корпуса на ±40°. Последова­ тельно поворачивая корпус печи на 40° от нормального положе­ ния, возвращая в нормальное .положение и снова поворачивая на 40° в другую сторону, добиваются значительного расширения зоны непосредственного действия электрических дуг, а следо­ вательно, улучшения условий расплавления шихты.

Длительность периода плавления может быть сокращена путем использования топливно-кислородных горелок или приме­ нения кислорода подаваемого через водоохлаждаемые фурмы или футерованные стальные трубки. Печь ДСП-100И6 оборудо­ вана двумя кислородно-топливными горелками, установленными в водоохлаждаемой части свода. Обычно кислород применяют после появления жидкого металла, т. е. после 2/з времени рас­ плавления шихты. В отдельных случаях, его используют для подрезки шихты.

При применении кислорода длительность периода плавления сокращается на 10—20 %• Расход кислорода составляет 4— 6 м3/т стали. Продолжительность периода плавления зависит от вместимости печи и определяется мощностью трансформатора. Она составляет от 1,1 до 3,0 ч. В процессе плавления в печь присаживают известь или известняк, а за 20—25 мин до окон­ чания расплавления — железйую руду (если не используется кислород).

При плавлении шихты протекает ряд физико-химических про­ цессов. 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% Si02, 8— 15% MgO, 7—10 % MnO, 10—15 % FeO, 0,5—1,0 % P20 5. По рас­ плавлении 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 (65—75 %). Со скачиваемым шла^ ком удаляется основная часть фосфора, содержащегося в шихте и окислившегося в период плавления. С этого момента присту­ пают к проведению окислительного периода плавки.

Окислительный период. Его задачами являются: 1) макси­ мальное снижение содержания фосфора; 2) окисление углерода до уровня нижнего предела или несколько ниже для стали

температуры металла до требуемого уровня и выравнивание ее по всему объему металлической ванны. В этот же период про­ исходит* дальнейшее окисление марганца, хрома и других леги­ рующих элементов, обладающих высоким химическим сродст­ вом к кислороду.

После скачивания первичного шлака в печь присаживают известь и в случае необходимости для поддержания необходи­ мой жидкоподвижности шлака плавиковый шпат или шамотный бой; Общее количество вводимых в печь шлакообразующих со­ ставляет 1,5—2,0 % от массы садки. После образования жидко­ подвижного шлака и нагрева металла до требуемой темпера­ туры в ванну периодически небольшими порциями вводят руду

иизвесть. Это вызывает повышение содержания оксидов железа

иоксида кальция в шлаке, а следовательно, создает благоприят­

ные 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 • РА ) + 5 [Fe]

или в ионной форме

[Р] + 6U(Fe2+) + 4 (О2") - (POJ-) + 6U [Fe],

протекающей преимущественно на границе раздела шлак — металл. Полнота дефосфорации металла обеспечивается высо­ кой основностью шлака, повышенным содержанием в нем окси­ дов железа и его непрерывным обновлением, которое необхо­ димо для поддержания в шлаке невысоких концентраций

P20 5(P 043-). 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 самоте­ ком стекает из несколько наклоненной печи через порог зава­ лочного окна в шлаковню.

Образующийся в этот период плавки шлак содержит 35— 50% СаО, 10—20% Si02, 10—20 % FeO, 4—12% MnO, 5— 12 % MgO, 2—3 % А120 з. О сновность шлака 2,6—3,0. Указанный шлаковый режим обеспечивает получение до 0,010—0,02 % Р к концу окислительного периода в зависимости от марки вы­ плавляемой стали. Одновременно с удалением фосфора проис­ ходит дальнейшее окисление углерода по суммарной реакции:

lC] + (FeO)={CO) + [Fe],

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

Необходимая скорость окисления углерода в этот период поддерживается периодическими добавками руды (или приме­ нением кислорода) и высоким температурным режимом. В те­ чение 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 [Мп] + (FeO) = (MnO) + [Fe] или

[Мп] + (О2") + (Fe2+) = (Мп2+) + (О2") + [Fe]

по мере повышения температуры постепенно приближается к со­ стоянию равновесия и нередко происходит изменение ее на­ правления в сторону восстановления марганца из шлака. Под­ держание концентрации марганца в конце периода на уровне 0,15—0,20 % является признаком нормального хода кипения ванны и нагрева металла до необходимой температуры К концу периода металл должен быть нагрет до температуры, на 120— 130 °С превышающей температуру плавления. Необходимые температурные условия обеспечиваются рациональным электри­ ческим режимом, который поддерживается несколько меньшим, чем в период расплавления, и составляет 50—70 % от макси­ мальной мощности 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 ме­ талла). Содержание фосфора должно быть 0,01—0,02 %. За­ вершается окислительный период скачиванием шлака, которое вначале производят без выключения печи, а затем при выклю­ ченной печи и поднятых электродах. Продолжительность окис­ лительного периода для крупных печей составляет 40—60 мин. Эффективным средством сокращения длительности периода окисления является продувка ванны газообразным кислородом. Наиболее простым способом (для малых печей) является вве­ дение кислорода одной или двумя железными трубками (диа-. метром 20—25 мм) через рабочее окно непосредственно в жид­ кий металл на глубину 150—200 мм. Для повышения стойкости трубки снаружи футеруют 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 расстояние 150— 200 мм над поверхностью шлака. Кислород подается под дав­ лением 0,6—1,2 МПа. Расход кислорода на продувку составляет 5—7 м3/т. Продолжительность продувки 10—20 мин, что позво­ ляет 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 пе­ риода являются: 1) раскисление металла; 2) удаление серы; 3) окончательное корректирование химического состава и тем­ пературы металла перед выпуском его из печи. Все эти задачи практически решаются одновременно, причем порядок проведе­ ния восстановительного периода определяется способом раскис­ ления металла.

Раскисление необходимо для устранения вредного влияния кислорода на свойства и качество стали. Содержание раство­ ренного 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 оксиды форму, в значительно меньшей степени оказы­ вающую влияние на свойства стали. Процесс раскисления может осуществляться либо путем добавки элементов-раскислителей непосредственно в металл (глубинное раскисление), либо при­ садкой их на шлак (диффузионное раскисление). Диффузионное

раскисление, основанное на законе распределения кислорода между металлом и шлаком, ранее широко использовалось в практике проведения восстановительного периода. Однако его основной недостаток — большая продолжительность — являлся тормозом повышения производительности электропечей. По­ этому в последнее время без восстановительного периода, применяя глубинное (осаждающее) раскисление, выплавляют главным образом углеродистую и низколегированную конструк­ ционную сталь в сверхмощных печах. Подобная технология используется и при выплавке стали, которая затем подверга­ ется внепечному рафинированию. Применяют также комбини­ рованный способ раскисления, сочетая осаждающее раскисле­ ние с диффузионным, что сокращает продолжительность вос­ становительного периода без ущерба качеству металла.

Комбинированное осадочно-диффузионное раскисление про­ водят следующим образом. После удаления окислительного шлака и в случае необходимости науглероживания металла (дробленым коксом или электродным боем) непосредственно в металлическую ванну вводят раскислители — марганец, крем­ ний и алюминий. Эти элементы вводят в виде простых или ком­ плексных ферросплавов — ферромарганца, ферросилиция, силикомарганца, сплава АМС (алюминий—марганец—кремний) идр. Раскислители добавляют из расчета получения в металле 0,10-— 0,15 % Si. Одновременно, если выплавляется хромосодержащая сталь, металл легируют хромом путем присадки феррохрома в ванну. Добавка раскислителей в металл резко снижает содер­ жание кислорода. Дальнейшее уменьшение концентрации кисло­ рода 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 шлакообра­ зующих при плавке в крупных печах составляет ~ 3 % массы металла. После образования сильно основного шлака присту­ пают к диффузионному раскислению, которое проводится или под белым шлаком, или под карбидным. Под белым шлаком вы­ плавляют конструкционные, низкоуглеродистые (до 0,35 % Q стали, под карбидным — средне- и высокоуглеродистые. При плавке под белым шлаком на шлаковый покров задают раскислительные смеси, состоящие из молотых и порошкообразных кокса, 7 5 % - н о г о ферросилиция, силикокальция, алюминия. Элементы-раскислители восстанавливают FeO и МпО шлака: при этом нарушается равновесное распределение кислорода

Уменьшение содержания монооксидов железа и марганца сопровождается посветлением шлака. Обычно концентрацию (FeO) в шлаке доводят до 0,5, одновременно снижается содер­ жание 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% Si02, 9—14 % MgO, 5—10% А120 3, <0,5 % FeO, <0,5 % MnO.

При плавке под карбидным шлаком на шлаковый покров присаживают раскислительные смеси с увеличенным количест­ вом кокса. Затем плотно закрывают рабочие окна печи, доби­ ваясь ее герметичности. Под электродами в зоне наиболее вы­ соких температур образуется карбид кальция:

(СаО) -f-3QT) = (СаС2) (СО).

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

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

[FSD

Содержание карбида кальция в слабокарбидных шлаках со­ ставляет 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 добав­ ками извести, плавикового шпата, шамотного боя. "Если этого недостаточно, то приоткрывают заслонки печи и карбид каль­ ция окисляется поступающим в печь воздухом.

Недостатком карбидного шлака является повышенное науг­ лероживание металла, что и исключает его применение при вы­ плавке низкоуглеродистых сталей Раскисление металла может быть осуществлено также диффузионным способом —под белым или карбидным шлаком, однако такой метод раскисления при­ водит к затягиванию восстановительного периода. Технология проведения диффузионного раскисления подобна рассмотрен­ ной выше и отличается только отсутствием осаждающего рас­ кисления, осуществляемого в начале восстановительного пе­ риода. Взамен его в металл после скачивания окислительного шлака добавляют только ферромарганец, а затем наводят вос­ становительный шлак в том же порядке, как указывалось выше. В восстановительный период создаются благоприятные условия для протекания реакции удаления серы из металла

(СаО) + [FeS] ч=ь (CaS) + (FeO) или

[S] + (02-)**(Ss-) + [0].

Высокая основность шлака, повышенная его жидкоподвижность, раскисленность шлака к металла позволяют довести по­ казатель распределения серы между шлаком и металлом (S)/IS] до 15—40, а в некоторых случаях — до 60—70. Содержа­ ние 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 пе­ риод в печь вводится меньшая мощность, чем в окислительный период, и она составляет 25—45 % максимальной мощности.

Восстановительный период заканчивается легированием ме­ талла и окончательным раскислением, после чего металл вы­ пускают в ковш. Для конечного раскисления стали чаще всего используют алюминий. Продолжительность восстановительного периода составляет 40 мин до 1 ч 30 мин, и она зависит от вместимости печи, марки выплавляемой стали, режима раскис­ ления, наличия электромагнитного перемешивания. Применение электромагнитного перемешивания ускоряет раскисление ме­ талла, улучшает условия десульфурации металла. Кроме того, oi'o способствует выравниванию температуры в объеме ванны, равномерному распределению и более быстрому усвоению леги­ рующих добавок и облегчает скачивание шлака.

Выплавка стали методом переплава. Переплав легирован­ ных отходов, количество которых на заводах высококачествен­ ных сталей нередко составляет 25—40 % от массы слитка, а также отходов металлообрабатывающей промышленности поз­ воляет в наибольшей степени использовать легирующие эле­ менты, содержащиеся в шихте и снизить расход дорогих фер­ росплавов. В связи с этим выплавка стали методом переплава отходов непрерывно возрастает и расширяется. Этим методом выплавляют преимущественно легированные стали — конструк­ ционные, инструментальные, коррозионностойкие. Плавку про­ водят без окислительного периода или же с частичным окисле­ нием путем непродолжительной продувки ванны газообразным кислородом.

Шихтой служат в основном легированные отходы нескольких марок стали; иногда с целью снижения содержания углерода и фосфора в шихту вводят низкоуглеродистую заготовку. Содер­ жание углерода в шихте должно быть на 0,03—0,06 % ниже, чем в готовой стали, так как в процессе плавки происходит не­ большое науглероживание металла. Содержание фосфора, если плавка проводится без окисления, ограничивается 0,015— 0,020%.. При работе с продувкой ванны кислородом содержа­ ние углерода в шихте должно быть на 0,25—0,30 % выше задан­ ного. Загрузка шихты производится обычным образом, но не­ обходимо во избежание излишнего науглероживания хромистые

отходы располагать ближе к откосам, подальше от электродов. Наоборот, в середину ванны под электродами дают тугоплавкие отходы и ферровольфрам. Плавление шихты проводится так же, как и при плавке с окислением. В процессе плавления проис­ ходит окисление примесей шихты, степень которого зависит от химического сродства элементов к кислороду и их концентра­ ции в шихте. Ориентировочно угар составляет, %: Si 40—60, Мп 20—30, Сг 10—15, W 5—15 %, и почти нацело окисляются титан и алюминий.

Для ошлакования оксидов и во избежание излишнего окис­ ления металла при плавлении в печь вводят некоторое количе­ ство извести. Плавку ведут-или со скачиванием шлака, или без его удаления. При плавкр стали с применением кислорода по­ следний вводят в ванну после расплавления шихты; продувку кислородом ведут до заданного содержания углерода, причем при выплавке низкоуглеродистой стали во избежание переокисления металла содержание углерода не должно опускаться <0,08—0,09 %. По окончании продувки перед скачиванием шлака его раскисляют для восстановления окислившихся во время продувки легирующих элементов: Cr, W, V. Для этой цели используют порошкообразные силикохром, силикокальций или ферросилиций. Восстановительный период проводится так же, как в плавке с окислением, т. е. под белым или карбидным шлаком. Плавка методом переплава отходов по сравнению с плавкой с окислением позволяет значительно уменьшить стои­ мость шихты, расход легирующих добавок и электроэнергии на 12—15%, повысить производительность печи на 10—20%.

§ 3. Выплавка стали в кислых дуговых электропечах

Дуговые электропечи с кислой футеровкой используют при вы­ плавке стали для фасонных отливок или при производстве от­ ливок из ковкого чугуна. Вместимость кислых печей обычно невелика и не превышает 10 т. Наиболее распространены печи вместимостью 0,5; 1,5; 3 и 5 т. Кладку подины стен и свода выполняют из динасового кирпича. Рабочий слой подины наби­ вают из смеси кварцевого песка (70 %), молотого динаса (20 %) и огнеупорной глины (10 %). В качестве связующих в смесь добавляют патоку (5% ) и сухой декстрин (0,7%). Стойкость подины кислой печи составляет несколько тысяч плавок. Стой­ кость стен и свода также значительно выше, чем у основных печей, и составляет сотни плавок. Кислые печи имеют более глубокую ванну, чем основные, что обусловливает меньшие теп­ ловые потери, более низкий расход электроэнергии и сокраще­ ние продолжительности плавки.

Основное требование к шихтовым материалам кислого про­ цесса — чистота по сере и фосфору, так как они при плавке не