Металлургия черных и цветных металлов

удаляются. Углеродистый лом не должен содержать серы и фосфора более 0,05 % при выплавке стали обычного качества и не более 0,04 % при выплавке стали повышенного качества. Содержание углерода в шихте регламентируется необходимо­ стью окисления 0,15—0,20 % С в процессе кипения, что обеспе­ чивает нагрев металла и надлежащую степень удаления из него газов и неметаллических включений.

Плавление шихты сопровождается образованием кислого шлака, состоящего преимущественно из ЭЮг, FeO и МпО, обра­ зующегося за счет окисления кремния и марганца шихты. Эти шлаки обладают меньшей окислительной способностью, чем основные, поэтому выгорание углерода в кислых печах проис­ ходит с меньшей скоростью (0,2—0,4 % С/ч). Низкая окисли­ тельная способность кислых шлаков объясняется наличием в них сложных кремнекислородных анионов (SiO4- и др.), по­ нижающих активность кислорода.

Окислительный период в кислой печи проводится так же, как и в основной. Для окисления примесей, поддержания не­ прерывного кипения ванны на шлак задают небольшими пор­ циями железную руду. Для интенсификации кипения в печь дают небольшие добавки извести, которая повышает окислительную способность шлака и его жидкоподвижность. Однако количество присаживаемой извести должно быть ограничено во избежание разъедания шлаком кислой футеровки. В шлаках содержание СаО не должно превышать 6—8 % •

В последние годы для ускорения процесса плавления и обез­ углероживания металла применяют газообразный кислород. При его использовании достигается значительное сокращение пе­ риода плавления (на 25—35 мин), а окислительный период про­ должается всего лишь несколько минут.

Восстановительный период плавки сталей высокого качества проводится с использованием реакции восстановления кремния так называемым кремневосстановительным процессом. Наличие слабоокислительных шлаков, насыщенных Si02, и высококрем­ неземистой набивки пода при высоком температурном режиме создают благоприятные условия для восстановления кремния, а следовательно, и раскисления металла. Процесс восстановле­ ния кремния происходит преимущественно на границе раздела

Восстановление кремния обычно ограничивается содержа­ нием его в металле 0,18—0,20 %, что обеспечивает необходимую степень раскисленности металла. Окончательное раскисление производят алюминием, в конце плавки в печи, а затем в ковше. При выплавке углеродистой стали обычного качества кремне­ восстановительный процесс не проводится, в этом случае по

достижении заданного содержания углерода металл раскис­ ляют кусковыми ферромарганцем и ферросилицием, а затем после непродолжительной выдержки выпускают в ковш, где раскисляют алюминием.

§4. Особенности технологии плавки

вкрупных дуговых электропечах

В печах большой вместимости (80—300 т) технология плавки существенно отличается от традиционной, включающей как окислительный, так и восстановительный периоды. По класси­ ческой технологии работают печи сравнительно небольшой вме­ стимости (5—40 т), в которых выплавляются стали сложного состава.

В печах большой вместимости трудно создать восстанови­ тельную атмосферу (из-за подсоса воздуха), сформировать ста­ бильный состав высокоактивного шлака и полностью его уда­ лить после окислительного периода. Трудности для проведения восстановительного периода связаны также с большой глубиной ванны и относительно малой поверхностью контакта шлак—ме­ талл, от которой зависит скорость диффузионных процессов. В связи с этим применительно к крупным печам разработан ряд вариантов технологии, которая в большинстве случаев исключает восстановительный период. Применяют: выплавку сталей рядового сортамента (углеродистые, низколегированные) одношлаковым процессом; выплавку высококачественных ста­ лей с последующим внепечным рафинированием; выплавку высококачественных сталей с использованием металлизованных окатышей или губчатого железа и другие варианты.

При плавке под одним шлаком в шихту в зависимости от заданного содержания углерода в стали вводят до 25—30 % чушкового чугуна. Кроме того, в завалку дают 2—3 % извести и до 1,5 % железной руды или агломерата. Это позволяет осу­ ществить дефосфорацию металла в период расплавления. После расплавления удаляют (самотеком) максимальное количество шлака и продувают металлическую ванну кислородом, подавае­ мым через сводовую фурму, до заданного содержания углерода в металле. После продувки сталь предварительно раскисляют в печи силикомарганцем или ферромарганцем и при необходи­ мости легируют феррохромом. Затем металл выпускают в стале­ разливочный ковш и окончательно раскисляют ферросилицием и алюминием.

Применение внепечной обработки преследует цель не только повышения качества металла за счет его дополнительного рафи­ нирования, но и позволяет повысить производительность печи (сократить время пребывания металла в печи) и снизить расход электроэнергии.

Технология плавки высококачественных сталей с последую­ щей внепечной обработкой, например в ковше, синтетическим шлаком предусматривает также проведение только окислитель­ ного периода. В завалку дают 25—30 % твердого чугуна, 1,5— 2,0 % РУДЫ и 2—3 % извести. В конце периода расплавления и в окислительном периоде проводят продувку ванны кислоро­ дом через сводовую фурму и по достижении заданного содержа­ ния углерода продувку прекращают и скачивают шлак окисли­ тельного периода. Затем металл предварительно раскисляют, вводя ферромарганец и ферросилиций из расчета получения 0,15% Si и нижнего предела содержания марганца. После рас­ кисления наводят новый шлак путем добавки извести, плавико­ вого шпата и шамота. Затем проводят доводку (30 мин) до заданного состава и температуры и при необходимости легиро­ вание. Перед выпуском стали из печи скачивают 80—90 % шлака и затем металл выпускают в сталеразливочный ковш с заранее выплавленным в специальной печи синтетическим шлаком (55 % СаО и 45 % А120з). Обработка шлаком (4—6 % от массы металла) обеспечивает рафинирование металла от серы и оксидных включений. Во время выпуска металла в ковш вводят ферросилиций и при необходимости другие легирующие добавки и в конце выпуска проводят окончательное раскисле­ ние алюминием. Примерно такую же технологию применяют для выплавки легированных флокеночувствительных конструкцион­ ных легированных сталей, которые после выпуска из печи под­ вергают внепечной обработке. Металл в сталеразливочном ковше подвергают кратковременной (3—6 мин) продувке инерт­ ным газом через щелевидную фурму, погружаемую в расплав, а затем вакуумированию. Подобная двухстадийная обработка исключает длительный нагрев готового проката, с целью пре­ дотвращения образования флокенов в легированных сталях, и обеспечивает получение металла с низким содержанием водо­ рода.

С развитием производства металлизованных окатышей воз­ никла необходимость их переработки в крупных дуговых элект­ ропечах для производства высококачественных сталей. Металлизованные окатыши содержат от 0,2 до 2 % С, незначительное количество серы, фосфора и особенно примесей цветных метал­ лов— меди, никеля, хрома, свинца, олова, мышьяка и др. В связи с этим получаемая из них сталь обладает повышенными физико-механическими свойствами, чем выплавляемая с исполь­ зованием лома, чугуна и шихтовой заготовки.

Технологические особенности плавки с использованием ме­ таллизованных окатышей зависят от их доли в шихте. Если в металлошихте содержание металлизованных окатышей не пре­ вышает 25—30 % от ее массы, то технология плавки не отлича­ ется от обычной. Однако наиболее рациональной считается доля

окатышей, равная 60—70 % от массы металлошихты; большая доля затягивает период расплавления и соответственно всю плавку вследствие необходимости непрерывно загружать ока­ тыши в печь.

Вначале с помощью грейферной корзины в печь загружают лом (30—40 % от массы шихты), включают ток и по расплавле­ нии лома непрерывно загружают окатыши в зону электриче­ ских дуг с помощью автоматизированной системы через отвер­ стие в своде печи. Скорость загрузки окатышей определяется подводимой в печь электрической мощностью, при этом темпе­ ратура металлической ванны поддерживается на уровне на 30— 40 °С выше температуры плавления металла. Период расплав­ ления практически совмещается с окислительным периодом, при этом происходит окисление углерода, кремния и марганца. Вы­ деляющийся при окислении углерода СО вызывает кипение ванны, что ускоряет плавление окатышей, способствует удале­ нию водорода и отчасти азота из жидкого металла. Большое значение для развития реакции обезуглероживания имеет сте­ пень металлизации окатышей, она должна быть равна 90—97 %, т. е. содержание кислорода в них будет на уровне от 1,2 до 0,6 %. 'При более высокой степени металлизации вследствие слабого развития кипения ванны затягивается период плавле­ ния и к тому же снижается стойкость футеровки. При меньшей степени металлизации, т. е. большем содержании оксидов же­ леза в окатышах, существенно возрастает расход электроэнер­ гии из-за необходимости затраты тепла на восстановление окси­ дов железа. Иногда для обеспечения кипения ванны в нее при­ саживают (вдувают) карбюризаторы (молотый кокс).

Для поддержания необходимой основности шлака (1,5— 2,0) по ходу плавления присаживают известь. По достижении заданного содержания углерода проводят предварительное рас­ кисление и легирование металла, а затем внепечное рафиниро­ вание по различным схемам.

§ 5. Автоматизация и механизация электросталеплавильного производства

Важными факторами повышения производительности дуговых электропечей и снижения затрат на производство являются комплексная автоматизация системы управления технологиче­ скими процессами (АСУ ТП) и механизация технологических операций. В современных электросталеплавильных цехах до­ стигнута довольно высокая степень механизации отдельных тех­ нологических операций: механизирована загрузка шихтовых материалов, а также раскислителей в печь и ковш, разгрузка немагнитных отходов и сыпучих материалов, уборка шлака от печи, заправка подины и откосов футеровки, ее ремонт и др.

В старых цехах с печами малой вместимости еще остается много ручных операций: заправка печи, закрывание и открыва­ ние выпускного отверстия, скачивание шлака, загрузка раскислителей в печь и ковш и др.

Что касается АСУ ТП, то дуговые электропечи должны быть оснащены следующими системами: управления электрической мощностью, управления кислородно-топливными горелками, управления газоочисткой, дозирования компонентов металличе­ ской шихты, дозирования шлакообразующих, ферросплавов и раскислителей; управления внепечной обработкой металла; сбора и первичной обработки информации. АСУ ТП должна обеспе­ чить не менее 95 % плавок с температурным режимом с откло­ нениями, не превышающими ± 10 °С от заданного, и стабили­ зировать химический состав выплавляемых сталей.

Расчеты показывают, что экономический эффект от автома­ тизации электросталеплавильного цеха в составе пяти 100-т дуговых печей составит 600—700 тыс. руб/год за счет повыше­ ния производительности печей на 3 %. увеличения выхода год­ ного на 1,5 %, сокращения расхода электроэнергии на 3 %. Срок окупаемости АСУ ТП составляет около двух лет.

Как уже указывалось, печи третьего поколения ДСП-100И6 оснащены системами для автоматизации контроля и управления плавкой УКВ-2. Она включает в себя подсистему управления электрическим режимом на базе микро-ЭВМ, позволяющей реа­ лизовать динамическое управление с учетом особенностей каж­ дой плавки.

Для действующих в СССР (в течение последних 10—15 лет) крупнотоннажных печей разработана система СУРП-7442, ос­ новным назначением которой является программно-логическое управление электрическим режимом в период плавления шихты. Эта система обеспечивает: задание программы электрического режима с учетом массы и типа загружаемой в печь металлошихты; автоматическое изменение ступени напряжения печного трансформатора и установки по току регулятора мощности в соответствии с заданной программой; контроль и регулирова­ ние величины отношения интегральных значений реактивной и активной мощностей; контроль расхода электроэнергии (или времени) по интервалам плавки и -в целом за плавку; выдачу персоналу печи команд на выполнение технологических опера­ ций, предусмотренных программой. Структурная схема системы представлена на рис. VI.9. Она имеет следующие функциональ­ ные узлы: импульсные датчики расхода активной ДРАЭ и реак­ тивной ДРРЭ электроэнергии; программный блок ПБ с уст­ ройством ручного ввода данных УВД; блок контроля расхода и потерь энергии БКЭ; блок регулирования отношения реактив­ ной и активной мощностей БРОМ-, блок управления напряже­ нием трансформатора БУНТ; устройство сопряжения с электро-

частота которых эквивалентна средней мощности тепловых потерь на данной печи в текущий интервал плавки.

Блок БУНТ управляет переключением ступеней напряжения печного трансформатора, воздействуя на с приводы высоковольтного выключателя, электродов и переключателя ступеней напряжений. Блок может быть запро­ граммирован на переключение ступеней напряжения под нагрузкой и со сня­ тием, частичным или полным, нагрузки. Эта система внедрена на 200 т электро­ печи металлургического завода «Красный Октябрь» и 100-т электропечи Узбекского металлургического завода. Эксплуатация системы показала ее до­ статочную эффективность. Средний расход электроэнергии на 200-т печи, вы­ плавляющей сталь ШХ15, сократился на 2,8 %, а продолжительность плавки уменьшилась в среднем на 5 мин. Увеличилась также стойкость футеровки.

§ 6. Технико-экономические показатели работы дуговых электропечей

Производительность дуговых электропечей определяется мас­ сой металлической шихты (вместимостью печи), продолжитель­ ностью плавки, выходом годного и длительностью простоев. Она может быть подсчитана по формуле:

Я = Гая-24/(100/),

где Я — годовая производительность, т; Г — вместимость печи по жидкой стали, т; / — длительность плавки, ч; а — выход год­

вместимости печи, мощности трансформатора, способа загрузки печи, технологии плавки и способа раскисления, степени меха­ низации и автоматизации плавки и др. Продолжительность плавки колеблется в широких пределах: на печах вместимостью

ДСП-100И6 достигает 350—470 тыс. т/год.

Производительность крупнотоннажных дуговых печей не уступает и даже превышает производительность мартеновских печей и при выплавке рядовых сталей достигает 25—40 т/ч. Простои обычно составляют 6—9 % от календарного времени; они связаны с ремонтом печи и печного оборудования.

Выход годных слитков составляет 88—90 % для 80—100-т

от способа разливки.

Себестоимость стали складывается из стоимости шихтовых материалов (металлошихты, легирующих и раскислителей, шлакообразующих и заправочных материалов) и затрат на

передел, причем большая доля расходов, особенно при вы­ плавке высоколегированных сталей, падает на стоимость ших­ товых материалов. Так, стоимость шихтовых материалов при выплавке подшипниковой стали ШХ15 (с 1,30—1,65 % Сг) со­ ставляет 60 %, а при выплавке коррозионностойкой стали 1Х18Н9 (17,0—20,0% Сг; 8,0—11,0% Ni и до 0,8 Ti) доходит до 99,5 %.

Расходы по переделу включают затраты на электроэнер­ гию, и, электроды. Удельный расход электроэнергии составляет 500—800 кВт-ч на 1 т стали, уменьшаясь с увеличением вме­

сти и планировки цеха; 2) технологии плавки с минимальной продолжительностью жидких периодов в печи и внепечным ра­ финированием; стандартизации технологии и специализации пе­ чей на однотипных марках стали; 3) организации снабжения металлошихток, легирующими и шлакообразующими материалами, энергоносителями, включая электроэнергию, топливо, кислород, воду, а также огнеупоры и электроды; 4) организации разливки стали и ремонта оборудования, высокого уровня их механиза­ ции; 5) наличия в цехе высокопроизводительного грузоподъем­ ного, нагревательного, рафинировочного, разливочного и дру­ гого оборудования; 6) внедрения экологических мероприятий и утилизации энергетических выбросов.

§ 7. Выплавка стали в индукционных печах

Для выплавки высококачественных сталей и сплавов с особыми свойствами применяют бессердечниковые индукционные печи. В основе индукционных печей лежит трансформаторный прин­ цип передачи энергии от первичной цепи к вторичной. Пере­ менный ток, подводимый к индуктору, являющемуся первичной обмоткой, индуктирует (возбуждает) ток в расплавляемом ме­ талле, который служит вторичной обмоткой. Таким образом, генерирование тепла происходит непосредственно в металличе­ ской шихте, помещенной в тигле внутри индуктора. Это обес­ печивает высокий тепловой к. п. д. и делает индукционную печь наиболее совершенным в технологическом отношении агре­ гатом.

Частота питающего тока зависит от величины садки и со­ противления шихты. В индукционных печах малой вместимости (до 10 кг) для питания применяют высокочастотные ламповые генераторы с частотой 50—1000 кГц. Для питания печей сред­ ней и большой вместимости (от 50—100 кг до нескольких тонн) используют машинные генераторы с частотой 500—1000 Гц,

а также тиристорные преобразователи частоты мощностью до 3200 кВт и частотой от 0,5 до 10 кГц, наиболее крупные печи питаются непосредственно от сети токами промышленной ча­ стоты (50—60 Гц).

в машинах непрерывной разливки стали для поддержания не­ обходимой температуры или для вакуумной обработки стали.

Индукционные печи строят как открытые, так и закрытые для плавки в защитной атмосфере или вакууме. Конструкция индукционной печи открытого (работающей при атмосферном давлении) типа включает стальной кожух, в котором в специ­ альной раме установлен огнеупорный тигель, опирающийся основанием на подовую кладку. К раме на стойках прикреп­ лены собственно индуктор и магнитопроводы. Индуктор печи имеет вид соленоида, состоит из двух частей (катушек) — нижней (рабочей) и верхней — и выполняется из медной трубки. Число витков индуктора зависит от рабочего напря­ жения, частоты тока и вместимости печи. Верхняя катушка, состоящая из нескольких витков, служит для создания равно­ мерных температурных условий по всей высоте тигля. Индук­ тор охлаждается водой, подаваемой под избыточным давлением. Рабочее пространство печи перекрыто футерованной крышкой. Для наклона печь оборудована электрогидравлическим меха­ низмом. Печь может наклоняться при выпуске металла на лю­ бой угол до 95°. Металл выпускают через сливной носок при выключенном токе.

В электрооборудование печи входят: преобразовательный агрегат (для печей повышенной частоты), конденсаторная ба­ тарея, щит для управления, сигнализатор проедания тигля, ав­ томатический регулятор электрического режима и др.

Футеровку индукционных печей изготовляют набивкой из ос­ новных или кислых огнеупорных материалов. Кислую футе­ ровку выполняют из молотого кварцита определенного грану­ лометрического состава с добавкой в качестве связующего 2 % борной кислоты или буры. Стойкость подобой футеровки со­ ставляет 150 плавок. Для основной футеровки применяют смеси: молотый магнезит с добавкой 3 % борной кислоты или буры; молотый магнезитохромит с добавкой 2 % плавикового шпата и др. Стойкость основной футеровки составляет 40— 100 плавок.

Наиболее широко распространена плавка в печах с кислой футеровкой; в них выплавляют стали и сплавы разнообразных марок, за исключением содержащих высокие концентрации ти­ тана, алюминия, марганца. Титан и алюминий восстанавли­

Марганец, окисляясь, взаимодействует с футеровкой и быстро разрушает ее, образуя легкоплавкие силикаты. При выплавке в печах с кислой футеровкой используют чистые по сере и фос­ фору шихтовые материалы. Такие же требования предъявляют и при плавке в основных тиглях, так как процессы дефосфорации и десульфурации затруднены вследствие низкой темпе­ ратуры шлака, нагрев которого происходит за счет тепла металла. Состав шихты практически предопределяет состав го­ тового металла вследствие того, что угар легирующих неболь­ шой (5—10% Мп, 2—3% W, 2—3% Мо). Большинство леги­ рующих дают в завалку.

По расплавлении металла наводят шлак добавкой битого стекла при кислой футеровке, при основной добавляют смесь магнезитового порошка, извести и плавикового шпата в соотно­ шении 1 3:1.

Одна из особенностей индукционных печей — непрерывное перемешивание металла в тигле вызываемое воздействием электродинамических сил на расплавленный металл. Переме­ шивание способствует выравниванию температуры и состава металла и ускоряет реакции раскисления. Кроме указанных, преимуществами индукционных печей являются: отсутствие на­ углероживания металла (отсутствуют электроды), возможность выплавки металла с низким содержанием углерода, меньшее поглощение газов, которое исключается при выплавке в ваку­ умных индукционных и вакуумных дуговых печах. Расход элек­ троэнергии при выплавке стали в индукционных печах при­ мерно такой же, как и в дуговых печах: 500—700 кВт-т/т.

ние углерода при обычной плавке сопровождается увеличением содержания растворенного кислорода в металле. Последующее раскисление в, некоторой степени снижает содержание кисло­ рода, однако металл остается загрязненным оксидными неме­ таллическими включениями. Применение вакуума обеспечивает получение стали с низким содержанием растворенного кисло­ рода и соответственно с гораздо меньшим содержанием ок­ сидных включений. При наличии в металле углерода это обу­ словлено повышением раскислительной способности углерода при снижении давления.

является функцией только температуры, поэтому снижение рсо благоприятствует раскислению металла. В условиях вакуума происходит также уменьшение количества оксидных включе­ ний за счет взаимодействия их с углеродом жидкого металла

(МеО)„. в + [С] = [Ме] + {00}.