Плавка стали с окислением

Плавка стали в дуговых электропечах с основной футеровкой

Плавка с окислением является основным вариантом для дуговой печи с основной футеровкой, поскольку в этом случае максимально реализуются его преимущества. Технологический процесс состоит из отдельных периодов, которые реализуются в следующей последовательности: заправка ® з авалка ® плавление ® окислительный период ® восстановительный период ® выпуск и конечное раскисление.

Заправку печи производят с целью текущего ремонта футеровки печи. Ее осуществляют сразу после выпуска предыдущей плавки и удаления остатков шлака. Прежде всего, выявляют местные повреждения днища и откосов печи. Днище, как правило, повреждается вследствие механического воздействия падающего крупнокускового лома. А откосы печи в процессе плавки разъедается шлаком. Заправку осуществляют путем наваривания нового огнеупорного материала на изношенные и частично разрушенные части футеровки. Для этого используют порошкообразные магнезит, доломит или их смесь, которые послойно наносят на ремонтируемые места разогретой футеровку печи.

Завалка печи предусматривает загрузку в неё основных компонентов шихты, необходимых для получения исходного расплава и проведения окислительного периода плавки, и включает металлическую часть, науглероживатели, шлакообразующие и окислители.

Металлическая часть обычно состоит из нелегированного стального лома и возврата собственного производства. При этом доля возврата может составлять 35-50 % в зависимости от выхода годного литья и угара металла при плавке. Легированные лом и отходы, как отмечалось выше (См. раздел 2.2.3), при плавке стали с окислением не всегда эффективно использовать ввиду того, что легирующие элементы при этом полностью или частично угорают. Так, отходы, содержащие вольфрам, ванадий, ниобий и аналогичные сильно окисляющиеся элементы, не рекомендуется использовать в шихте при плавке с окислением. При выплавке хромистых сталей допускается использование в шихте до 50 % отходов, содержащих не более 1,2 % хрома. Отходы, содержащие никель, молибден и медь, могут быть использованы в шихте без ограничений. В металлической части шихты мелкая составляющая, в том числе стружка, должна составлять 20-30 %, крупно- и среднекускового материала – соответственно ~30 и 50-40 %.

В качественауглероживателей, как правило, используют электродный бой или графитированный коксик (См. Табл. 2.2.1), а также передельный доменный чугун. Количество науглероживателя рассчитывают с учетом того, что среднее содержание углерода в шихте должно быть больше, чем в готовой стали на величину его угара (окисления) при расплавлении шихты (~ 15 % отн.) и при проведении окислительного периода (0,25 - 0,40 % абс.).

При завалке на подину сначала загружают стружку и примерно половину мелкой компактной шихты, что предохраняет подину от местного механического разрушения при последующей завалке крупной кусковой шихты. На мелкую шихту загружают электродный бой или графитированный коксик, что обеспечивает лучшее усвоение науглероживателя. Затем загружают крупную шихту вперемежку с шихтой средних размеров. В этом случае достигается более плотная упаковка завалочной шихты и увеличивается объем проплавляемой её части. Это позволяет сформировать на подине печи жидкую ванну расплава к моменту полного проплавления колодца, что предохраняет подины печи от прямого воздействия электрических дуг. Шихтой средних размеров заполняют и полость печи у откосов, что обеспечивает защиту футеровки откосов от мощного теплового воздействия электрических дуг. Последним загружают оставшуюся часть мелкой шихты, а также чугун, если он используется в завалке в качестве науглероживающего компонента. При такой последовательности завалки достигается более устойчивое горения дуги, быстрое проплавление шихты в верхней зоне и ускоренное погружения электродов в шихту. Последнее обеспечивает более полную передачу на шихту энергии теплового излучения электрической дуги и одновременно защиту от неё не только футеровки подины и откосов, но также и свода печи.

В качестве шлакообразующего материала в завалку вводят 2-3 % извести, а в качестве окислителя – столько же железной руды или эквивалентное количество окалины, агломерата и окатышей. Их загружают в печь при завалке первой половины металлической части шихты.

Завалку осуществляют при помощи бадьи (сверху) и мульд (сбоку, через рабочее окно). В первом случае используются крановое оборудование, а во втором – мульдо-завалочные машины.

Плавление шихты осуществляют на максимальном электрическом (тепловом) режиме печи. Главная задача этого периода - быстрое расплавление шихты и формирование исходного расплава стали. Процесс плавления шихты показаны на рис. 2.3.1. При завалке (А) температура в печи вследствие загрузки в неё холодной шихты снижается. Эта тенденция из-за инерционности теплового режима печи сохраняется и в начале периода плавления (Б), когда из-за опасения перегрева и оплавления футеровки свода, электрическую нагрузку выдерживают на умеренном уровне: при малом напряжении, но большой силе тока. После погружения электродов в проплавленные в шихте колодцы переходят на работу печи при максимальной мощности. При этом обеспечивается быстрое проплавление металлической шихты и формирование металлической ванны на поду печи. Остатки твердой шихты расплавляют опять при пониженной мощности печи, чтобы предохранить футеровку откосов и свода от повышенной тепловой нагрузки. Металлическая часть шихты при плавлении не только переходит в жидкое состояние, но и науглероживается за счет растворения углеродсодержащих компонентов в жидком железе. Эти процессы сопровождаются также окислением компонентов шихты за счет кислорода, поступающего их окислителя (железной руды) и воздуха (печной атмосферы).

Из шлакообразующего материала (извести), окислителя (железной руды) и продуктов окисления компонентов шихты формируется основной окислительный шлак с повышенным содержанием CaO и FeO.

В период плавления, прежде всего, окисляется основа металлической части шихты- железо:

Fe + (Fe₂O₃) = 3 (FeO)

Fe + {O₂} = 2 (FeO)

Монооксид железа частично растворяется в жидком металле и повышает в нем содержание кислорода:

(FeO) = [Fe] + [O]

Вследствие этого окисление прочих элементов (кремния, марганца, углерода и фосфора) происходит как за счет (FeO) шлака, так и за счёт кислорода, растворенного в расплаве [O]. Эти процессы могут быть описаны химическими реакциями, приведенными в табл. 2.3.1.

Таблица 2.3.1 Реакции окисления элементов при плавлении шихты и их термодинамические параметры

№	Реакция окисления	Константы равновесия реакций окисления и их температурные зависимости
	Si] + 2 (FeO) = (SiO2) + 2 [Fe]	ig KSi-FeO = ig aSiO2 / (aSi ∙ a^2FeO) = 14775 / T – 6,34
	[Si] + 2 [O] = (SiO2);	ig KSi-O = ig aSiO2 / (aSi ∙ a^2O) = 31100 / T – 12,0
	[Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe]	ig KMn-FeO = ig aMnO / (aMn ∙ aFeO) = 7110/T – 3,375
	[Mn] + [O] = (MnO);	ig KMn-O = ig aMnO / (aMn ∙ aO) = 780 / T – 0,641
	[C] + (FeO) = {CO} + [Fe]	ig KC-FeO = ig PCO / (aC ∙ aFeO) = - 5147 / T + 4,81
	[C] + [O] = {CO};	ig KC-O = ig PCO / (aC ∙ aO) = 1168 / T + 2,07
	2 [P] + 5 (FeO) = (P2O5) + 5 [Fe]	ig KP-FeO = ig aP2O5 / (a^2P ∙ a^5FeO) = 7468 /T – 3,446
	2 [P] + 5 [O] = (P2O5).	ig KP-O = ig aP2O5 / (a^2P ∙ a^5O) = 20111 / T – 8,875

Окисление всех элементов, в том числе и легирующих, происходит параллельно и одновременно. Однако полнота протекания окислительных реакций различна. Избирательность окисления элементов определяется термодинамической обусловленностью, как прямых реакций окисления, так и побочных реакций.

Так, полнота окисления кремния определяется не только реакциями (1) и (2), но также тем, что продукт реакций (SiO₂) активно взаимодействуют со шлаком с образованием более сложных и прочных соединений – силикатов железа и кальция:

2 (FeO) + (SiO₂) = 2 (FeO) ∙ (SiO₂)

2 (CaO) + (SiO₂) = 2 (CaO) ∙ (SiO₂)

Вследствие этого активность SiO₂ в шлаке уменьшается. Соответственно равновесие реакций окисления кремния (1) и (2) сильно сдвинуты вправо и кремний из шихты окисляется практически полностью.

Продукт окисления фосфора (P₂O₅) также взаимодействует с (CaO) шлака с образованием фосфата кальция:

4 (CaO) + (P₂O₅) = 4 (CaO) ∙ (P₂O₅).

Вследствие этого в период плавления достигается эффективная дефосфорация.

Элементы с высоким сродством к кислороду (алюминий и титан) окисляются при плавлении шихты практически полностью. При этом угар марганца составляет 40-60 %, а углерода – 10-25 %. С повышением расхода железной руды степень окисления элементов при плавлении возрастает.

В зоне горения электрических дуг из-за высокой температуры расплава происходит испарение до 3-6 % металла, преимущественно железа.

К концу периода плавления в печи формируется шлак, который имеет примерно следующий химический состав, %:

40-55 (CaO + MgO), 15-25 SiO₂, 5-20 FeO, 5-10 MnO, до 1,5 P₂O₅, а также Al₂O₃ и др.

Большую часть образовавшегося фосфорсодержащего шлака (65-80 %) сливают из печи через рабочее окно. При этом для облегчения удаления шлака его приводят в пенистое состояние, активизируя присадкой железной руды окисление углерода и выделение пузырьков CO.

Окислительный период проводят с целью дальнейшей дефосфорации, рафинирования расплава от растворенных газов (водорода и азота) и неметаллических включений и нагрева жидкого металла до температур, достаточных для проведения восстановительного периода и выпуска его с требуемым перегревом для последующей заливки форм.

Период начинают с наведения нового шлака путем присадки извести и разжижителей шлака (плавикового шпата, шамотного боя или боксита) в количестве соответственно 1,0-1,5 и 0,15-0,25 %. После сформирования жидкоподвижного шлака в ванну печи порциями вводят железную руду с известью. Доза единовременно присаживаемой присадки руды составляет 0,5-1,0 %, а общий её расход - 3,0-6,5 %.

Дефосфорация происходит за счет кислорода присаживаемой железной руды. Содержание остаточного фосфора в расплаве можно снизить до 0,01 % и ниже, регулируя расход железной руды и извести.

Рафинирование расплава от растворенных газов и неметаллических включений осуществляют за счет окисления углерода, при котором продукт реакции CO выделяется в виде газовых пузырьков. Они зарождаются на днище и боковых стенках печи в поровых каналах огнеупорной футеровки. Пузырьки затем пронизывают толщу жидкого металлической ванны и расхлопываются на поверхности расплава со шлаком, создавая небольшие фонтанчики. При этом создается эффект кипения металлической ванны. Активное кипение ванны происходит только в хорошо разогретом расплаве после практически полного окисления элементов с высоким сродством к кислороду (титана, алюминия, кремния и др.).

Пронизывание пузырьками CO толщи металлической ванны оказывает комплексное гомогенизирующее и рафинирующее воздействие на расплав. Прежде всего, за счет кипения ванны достигается активное перемешивание расплава, что обеспечивает выравнивание температуры и химического состава расплава в различных зонах по высоте и площади металлической ванны.

Во-вторых, во всплывающие пузырьки CO экстрагируют растворенные в расплаве водород и азот, поскольку их парциальные давления в них P_H2 ≈ 0 и P_N2 ≈ 0. За счет этого обеспечивается эффективная дегазация жидкого металла.

Наконец, всплывающие пузырьки CO оказывают флотационное воздействие на суспензированные в расплаве неметаллические включения. Последние не смачиваются жидким металлом, потому выталкиваются к поверхности пузырьков, прилипают к ним, всплывают вместе с ними наверх и ассимилируются шлаком.

Как отмечалось выше, в окислительный период выжигают до 0,25-0,40 % углерода. При этом скорость окисления углерода в начале окислительного периода максимальна и составляет 0,4-0,6 % в час, но к концу – она снижается до 0,2-0.3 % в час. При рудном окислении длительность кипения составляет 40-60 мин.

Окислительный период может быть существенно сокращен за счет вдувания кислорода в расплав. Для этого используют футерованную односопловую или водоохлаждаемую многосопловую фурмы. Футерованную фурму при продувке погружают в расплав на глубину 150-200 мм. А сопла водоохлаждаемой фурмы при продувке располагают над шлаком на расстоянии 150-200 мм. Продувку осуществляют высокоскоростной струей кислорода. При этом в зоне внедрения струи в расплав формируется газо-жидкостная эмульсия, из жидкой стали и газообразного кислорода. За счет резкого увеличения реакционной поверхности скорость окисления углерода возрастает в несколько раз (до ≥ 1,5 % в час). При удельном расходе кислорода 3-5 м³/т продолжительность окислительного периода сокращается на 15-25 мин. При этом производительность печи возрастает на 5-10 %, а расход электроэнергии сокращается на 10-15 %.

К концу окислительного периода в печи формируется шлак, который имеет примерно следующий химический состав, %:

40-60 (CaO + MgO); 10-20 SiO₂; 20-30 (FeO + MnO); 0,4-1,5 P₂O₅ и 3-7 Al₂O₃.

Окислительный период заканчивают, если содержание углерода снизится до нижнего допустимого значения или на 0,1 % ниже него. К этому времени содержание фосфора также не должно превышать 0,01-0,02 %. Наряду с окислением фосфора и углерода, в окислительный период продолжается окисление марганца, а также хрома, ванадия, ниобия и других легирующих элементов, если эти элементы входили в состав шихтовых компонентов завалки.

За счет высокой основности шлака в окислительный период происходит частичная (10-30 %) десульфурация расплава.

Окислительный период заканчивается полным скачиванием окислительного шлака для предотвращения обратного перехода фосфора из шлака в металл в восстановительный период.

Восстановительный период проводят с целью раскисления металла, удаления серы, доведения химического состава стали до регламентируемого и обеспечения требуемой температуры выпуска.

Раскисление металла осуществляют комбинированным методом: осаждающим и диффузионным. Осаждающее раскисление производят путем введения в расплав ферромарганца, ферросилиция и алюминия. Расход ферромарганца определяют исходя из необходимости получения в готовой стали требуемого содержание марганца. Ферросилиций вводят из расчета введения в металл 0,10-0,15 % кремния, а расход алюминия составляет 0,03-0,10 %.

Диффузионное раскисление начинают с наведения нового шлака путем присадки в печь извести, плавикового шпата и шамотного боя в соотношении 5: 1: 1 в количестве 2-4 % от массы плавки. После расплавления и формирования жидкоподвижного шлака на его поверхность порциями периодически присаживают в качестве раскислителя молотые кокс и ферросилиций, а также порошкообразный алюминий. Иногда на заключительной стадии диффузионного раскисления наряду с алюминием используют дробленный силикокальций. При этом в слое шлака протекают реакции восстановления железа из монооксида:

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

2 (FeO) + Si = 2 [Fe] + (SiO₂);

3 (FeO) + 2 Al =3 [Fe] + (Al₂O₃);

(FeO) + Ca = [Fe] + (CaO).

В результате протекания этих реакций на поверхности жидкого металла формируется хорошо раскисленный шлак, в котором содержание оксидов железа и марганца не превышает 0,5 % каждого или ∑(FeO+MnO) ≤ 1,0 %.

Десульфурация расплава эффективно реализуется при наличии трех условий: высокой основности шлака, хорошо раскисленной шлако-металлической системы и высокой температуры. Высокую основность шлака (∑(CaO+MgO) ≈ 60-75 % при (SiO₂) ≈15-25 %) обусловливают присадки извести. Хорошей раскисленности шлако-металлической системы достигают за счет введения в расплав ферромарганца, ферросилиция и алюминия, а также подачи на поверхность шлака раскислительных смесей из кокса, ферросилиция и алюминия. Достаточный разогрев и расплава и шлака до ≈ 1600-1650 ^оС обеспечивают электрическим режимом плавки. При наличии указанных выше трех условий активно реализуется реакция химического связывания растворенной в металле серы в сульфид:

[S] + (CaO) = (CaS) + [O].

Протеканию этой реакции способствует то, что образующийся кислород связывается введенными в расплав раскислителями, прежде всего кремнием и алюминием:

[O] + [Si] = (SiO₂); [O + [Al] = (Al₂O₃),

а продукты реакции (CaS, SiO₂ и Al₂O₃) ассимилируются шлаком.

Вследствие этого процесс десульфурации протекает достаточно эффективно и содержание серы в расплаве может быть снижено до 0,01 %. Обычно достигаемая степень десульфурации составляет 50-70 %. Более высокая с тепень десульфурации достигается при увеличении расхода кокса на раскисление шлака. При обычном расходе кокса (1-2 кг/т) формируется белый (рассыпчатый) шлак. Но при повышении его расхода до ≥ 3 кг/т (и герметизации печного пространства от внешней атмосферы) протекает реакция карбидообразования:

(CaO) + 3 C = (CaC₂) + {CO}.

При этом формируется серый карбидный шлак, в котором содержание карбида кальция составляет 1,5-2,5 %, что обеспечивает гарантированно высокую раскисленность шлака (низкое содержание в нем FeO) – одну из главных предпосылок эффективной десульфурации.

Однако, при этом происходит некоторое науглероживания расплава (до 0,1 %), поэтому плавку под карбидным шлаком применяют при выплавке высокоуглеродистых марок сталей, в частности стали типа 110Г13Л.

Другой нежелательный эффект плавки под карбидным шлаком связан с тем, что он хорошо смачивается жидким металлом. Потому шлаковые частички увлекаются потоком расплава, попадают в полость литейной формы и формируют в отливках дефекты в виде грубых шлаковых включений. Для устранения этого нежелательного эффекта в конце плавки нарушают герметизацию печного пространства и открывают рабочее окно. При этом за счет кислорода воздуха происходит окисление карбида кальция:

(CaC₂) + {O₂} = (CaO) + 2 {CO}

и вследствие этого карбидный шлак становится белым, который не смачивается жидким металлом и не имеет указанного выше недостатка карбидного шлака.

Доводку стали по химическому составу осуществляют путем присадки в расплав соответствующих компонентов.

Содержание углерода корректируют присадкой электродного боя, графитированного коксика, кокса или доменного чугуна. При этом электродный бой и графитированный коксик предпочтительнее кокса, который содержит повышенное количество серы. Однако, они медленно растворяются в жидком металле. В этом смысле лучше использовать легкоплавкий доменный чугун, однако он содержит повышенное количество фосфора.

Содержание марганца и кремния и прочих легирующих элементов корректируют присадкой соответствующих ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, феррохрома и др.), а также чистых металлов (меди и никеля). При этом корректировку состава стали можно осуществлять полностью в конце восстановительного периода. Но в этом случае стадия доводки затягивается, поскольку растворение присадок протекает во времени и, как правило, с поглощением тепла. Поэтому менее склонные к окислению и потому мало угорающие металлы (медь и никель) вводят на любой стадии плавки. Более склонные к окислению металлы (молибден, вольфрам) вводят в начале восстановительного периода, а очень активные металлы в конце плавки. Причем, последние, в частности титан и алюминий, активно восстанавливают кремний из шлака. Поэтому при выплавке низкокремнистых сталей, легированных этими элементами, следует предварительно скачивать кремнезёмсодержащий шлак.

Доводку по температуре обеспечивают за счет регулирования электрического режима плавки.

Поскольку длительность восстановительного периода составляет ≥ 40 мин, то для её сокращения в восстановительный период после раскисления коксом, ферросилицием и алюминием шлак разжижают присадкой ~ 4 кг/т CaF₂, а расплав дополнительно раскисляют алюминием. Затем в ковш сначала сливают шлак, а затем жидкий металл. За счет этого обеспечивается активное их перемешивание. При этом процессы десульфурации и рафинирования расплава от неметаллических включений реализуются не в печи, а в ковше. Это позволяет сократить продолжительность восстановительного периода в ≥ 2 раза.

Выпуск и конечное раскисление имеют цельюсохранение и доведение до литейной формы качества расплава, достигнутого в печи. Поэтому её осуществляют при максимальном ограничении процессов вторичного загрязнения расплава (окисления, насыщения газами и загрязнения неметаллическими включениями) при выпуске плавки и выдержке жидкой стали в ковше до начала разливки. Для этого используют хорошо высушенный и прогретый ковш, а выпуск плавки осуществляют мощной, но короткой струей. После выпуска ~ 1/3-1/4 плавки (без шлака) производят конечное раскисление стали алюминием (~1,5 кг/т) или алюминием и силикокальцием (титаном или РЗМ). Шлак сливают в ковш с последними порциями жидкого металла. При этом он не препятствует усвоению раскислителей жидкой сталью (не ошлаковывает их), но образует в ковше над расплавом теплозащитный покров.

Дата добавления: 2014-01-07