Особенности технологии и оборудования для плавки стали и чугуна

ТЕМА: ПЛАВКА И ЗАЛИВКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ

ЛЕКЦИЯ 7

Производство стали в мартеновских печах. Сущность мартеновского процесса состоит в переработке чугуна и металлического лома на поду отражательной печи. Для плавления твердых шихтовых материалов, для покрытия значительных тепловых потерь и нагрева стали до необходимых температур в печь подводиться дополнительное тепло, получаемое путем сжигания в рабочем пространстве топлива в струе воздуха, нагретого до высоких температур.

Шихтовые материалы основного мартеновского процесса состоят из металлической части (чугун, металлический лом, раскислители, легирующие) и неметаллической части (железная руда, мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит).

По характеру шихтовых материалов основной мартеновский процесс делиться на несколько разновидностей, наибольшее распространение из которых получили скрап-рудный и скрап-процессы.

При скрап-рудном процессе основную массу металлической шихты (от 55 до 75 %) составляет жидкий чугун. Этот процесс широко применяется на заводах с полным металлургическим циклом.

При скрап-процессе основную массу металлической массы шихты (от 55 до 75 %) составляет металлический лом. Чугун (25-45 %), как правило, применяется в твердом виде.

Производство стали в электрических печах. В электоропечи можно получать легированную сталь с низким содержанием серы и фосфора, неметаллических включений, при этом потери легирующих элементов значительно меньше. В процессе электроплавки можно точно регулировать температуру металла и его состав, выплавлять сплавы почти любого состава. В электрических печах выплавляют высоколегированные инструментальные сплавы, нержавеющие шарикоподшипниковые, жаростойкие и жаропрочные. Мощные электропечи успешно применяют для получения низколегированных и высокоуглеродистых сталей мартеновского сортамента. Кроме того, в электропечах получают различные ферросплавы, представляющие собой сплавы железа с элементами, которые необходимо выводить в сталь для легирования и раскисления.

Устройство дуговых электропечей. Дуговая печь (рис.4.1) состоит из железного кожуха цилиндрической формы со сферическим днищем. Внутри кожух имеет огнеупорную футеровку. Плавильное пространство печи закрывается съемным сводом.

Рис.4.1. Дуговая печь для черных металлов: 1 – электрод; 2 – колонны; 3 – проводники тока; 4 – каретки; 5 – электродержатель; 6 – уплотняющее кольцо; 7 – тросы; 8 – механизм перемещения кареток; 9 – кожух печи; 10 – набивной под; 11 – летка; 12 – опорные рейки; 13 – секторы; 14 – гайки; 15 – свод; 16 – рабочая площадка; 17 – дверка; 18 – шпиндель;

19 – электродвигатель механизма наклона печи

Печь имеет рабочее окно и выпускное отверстие со сливным желобом. Нагрев и плавление металла осуществляются электрическими мощными дугами, горящими между концами трех электродов и металлом, находящимся в печи. Печь опирается на два опорных сектора, перекатывающихся по станине. Наклон печи в сторону выпуска и рабочего окна осуществляется при помощи реечного механизма. Перед загрузкой печи свод, подвешенный на цепях, поднимают к порталу, затем портал со сводом и электродами отворачивается в сторону сливного желоба и печь загружают бадьей. Система загрузки печи бывает двух видов: через за­валочное окно мульдозавалочной машиной и через верх при помощи бадьи. Загрузку через окно применяют только на небольших печах.

Во время плавления электроды прорезают в шихте три колодца, на дне которых накапливается жидкий ме­талл. Для ускорения расплавления печи оборудуются поворотным устройством, которое поворачивает корпус в одну и другую сторону на угол в 80°. При этом элек­троды прорезают в шихте уже девять колодцев. Для по­ворота корпуса приподнимают свод, поднимают электро­ды выше уровня шихты и поворачивают корпус при по­мощи зубчатого венца, прикрепленного к корпусу, и шестерен. Корпус печи опирается на ролики.

Ток в плавильное пространство печи подается через электроды, собранные из секций, каждая из которых представляет собой круглую заготовку диаметром от 100 до 610 мм и длиной до 1500 мм. В малых электропе­чах используют угольные электроды, в крупных – графитированные.

Шихтовые материалы. Основным шихтовым материалом для электроплавки является стальной лом, который не должен быть сильно окисленным, т.к. наличие большого количества ржавчины вносит в сталь значительное количество водо­рода. Основное количество лома, предназначенное для плавки в электропечах, должно быть компакт­ным и тяжеловесным. При малой насыпной массе лома вся порция для плавки не помещается в печь. Приходится прерывать процесс плавки и подгружать шихту. Это увеличивает продолжительность плавки, приводит к повышенному расходу электроэнергии, снижает производительность электропечей. В последнее время в электропечах используют металлизованные окатыши, полученные методом прямого восстановления. Достоинством этого вида сырья, содержащего 85-93 % железа, является то, что оно не загрязнено медью и другими примесями. Окатыши целесообразно применять для выплавки высокопрочных конструкционных легированных сталей, электротехниче­ских, шарикоподшипниковых сталей.

Легированные отходы образуются в электросталеплавильном це­хе в виде недолитых слитков, литников; в обдирочном отделении в виде стружки, в прокатных цехах в виде обрези и брака и т.д.; много легированного лома поступает от машиностроитель­ных заводов. Использование легированных металлоотходов позволя­ет экономить ценные легирующие, повышает экономическую эффек­тивность электроплавок.

Мягкое железо специально выплавляют в мартеновских печах и конвертерах и применяют для регулирования содержания углерода в процессе электроплавки. В железе содержится 0,01-0,15 % С и <0,020 % Р. Поскольку в электропечах выплавляют основное коли­чество легированных сталей, то для их производства используют раз­личные легирующие добавки; электролитический никель, феррохром, ферросилиций, ферромарганец, ферромолибден, ферро­вольфрам и др. В качестве раскислителя помимо ферромарганца и ферросилиция применяют чистый алюминий. Для науглероживания используют передельный чугун, электродный бой; для наведения шлака применяют свежеобожженную известь, плавиковый шпат, ша­мотный бой, доломит и MgO в виде магнезита.

Подготовка материалов к плавке. Все присадки необходимо прокаливать для уда­ления следов масла и влаги, что предотвращает насыщение стали водородом. Ферросплавы подогревают для ускорения их проплавле-ния. Присадка легирующих, раскислителей и шлакообразующих в современной печи во многом механизирована. На бункерной эстака­де при помощи конвейеров происходит взвешивание и раздача мате­риалов по мульдам, которые загружаются в печь мульдовыми маши­нами. Сыпучие для наводки шлака вводят в электропечи бросатель­ными машинами.

Технология плавки. Плавка в дуговой печи начинается с заправки печи, т.е. с ремонта подины. Жидкоподвижные нагретые шлаки сильно разъедают футеровку, которая может быть повреждена и при загруз­ке или дугами, если подина печи во время не будет закрыта слоем жидкого металла и шлака. Перед заправкой с поверх­ности подины удаляют остатки шлака и металла. На по­врежденные места подины и откосов – места перехода подины в стены печи – забрасывают сухой магнезито­вый порошок, а в случае больших повреждений – порошок с добавкой пека или смолы.

Загрузка печи. Для наиболее полного использования рабочего пространства печи в центральную ее часть бли­же к электродам загружают крупные куски (40 %), ближе к откосам средний лом (45 %), на подину и на верх загрузки мелкий лом (15 %). Мелкие куски долж­ны заполнять промежутки между крупными кусками.

Период плавления. Расплавление шихты в печи зани­мает основное время плавки. В настоящее время многие операции легирования и раскисления металла переносят в ковш. После окончания завалки опускают электроды и включают ток. Металл под электродами разогревается, плавится и сте­кает вниз, собираясь в центральной части подины. Под электроды забрасыва­ют известь для наведения шлака, который закрывает обнаженный металл, предохраняя его от окисления. По­степенно озеро металла под электродами становится все больше. Оно подплавляет куски шихты, которые пада­ют в жидкий металл и расплавляются в нем. Уровень металла в печи повышается, а электроды под действием автоматического регулятора поднимаются вверх. Про­должительность периода расплавления металла равна 1-3 ч в зависимости от размера печи и мощности уста­новленного трансформатора.

Для ускорения расплавления шихты ис­пользуют различные методы. Наиболее эффективным яв­ляется применение мощных трансформаторов. Продолжительность плавления при использовании при этом уменьшается до 1-1,5 ч.

Приме­нение топливных мазутных или газовых горелок, которые вводят в печь через рабочее ок­но или через специальное устройство в стенах, ускоряет нагрев и расплавление шихты, особенно в холодных зонах печи. Продолжительность плавления сокращается на 15-20 мин. Эффективным методом является применение газооб­разного кислорода, который подают в печь через стальные футерованные трубки в окно печи или при помощи фурмы, опускаемой в печь сверху через отвер­стие в своде. Благодаря экзотермическим реакциям окис­ления примесей и железа выделяется дополнительно большое количество тепла, которое нагревает шихту, ускоряет ее полное расплавление. Использование кисло­рода уменьшает длительность нагрева ванны. Период расплавления сокращается на 20-30 мин

Традиционная технология электроплавки стали пре­дусматривает работу по двум вариантам: 1) на свежей шихте, т.е. с окислением; 2) переплав отходов. При плавке по первому варианту шихта состоит из простых углеродистых отходов, малоуглеродистого лома, металлизованных окатышей с добавкой науглероживателя. Избыточное количество углерода окисляют в процессе плавки. Металл легируют присадками ферросплавов для получения стали нужного состава. Во втором варианте состав стали почти полностью определяется составом от­ходов и легирующие добавляют только для некоторой корректировки состава. Окисления углерода не произ­водят.

Окислительный период. После окончания периода расплавления начи­нается окислительный период, задачи которого заклю­чаются в следующем: окисление избыточного углерода, окисление и удаление фосфора; дегазация металла; уда­ление неметаллических включений, нагрев стали. Общая продолжительность окислительного периода составляет от 1 до 1,5 ч. Для интенсификации окисли­тельного периода плавки, а также для получения стали с низким содержанием углерода, например хромоникелевой нержавеющей с содержанием углерода < 0,1 %, ме­талл продувают кислородом. При продувке кислородом окислительные процессы резко ускоряются, а темпера­тура металла повышается со скоростью примерно 8-10 С/мин. Чтобы металл не перегрелся, вводят охлаж­дающие добавки в виде стальных отходов. Применение кислорода является единственным способом получения низкоуглеродистой нержавеющей стали без значитель­ных потерь ценного легирующего хрома при переплаве. Окислительный период заканчивается, когда содер­жание углерода становится ниже заданного предела, со­держание фосфора 0,010 %, температура металла не­сколько выше температуры выпуска стали из печи. В кон­це окислительного периода шлак стараются полностью убирать из печи, скачивая его с поверхности металла.

Восстановительный период плавки. После скачивания окислительного шлака начинается восстановительный пе­риод плавки, задачами которого являются: раскисление металла, удаление серы, корректирование химического состава стали, регулирование температуры ванны, подготовка жидкоподвижного хоро­шо раскисленного шлака для обработки металла во вре­мя выпуска из печи в ковш.

Раскисление ванны, т.е. уда­ление растворенного в ней кислорода, осуществляют при­садкой раскислителей в металл и на шлак. В начале восстановительного периода металл покрывается слоем шлака. Для этого в печь присаживают шлакообразующие смеси на основе извести с добавками плавикового шпата, шамотного боя, кварцита. В качестве раскисли­телей обычно используют ферромарганец, ферросили­ций, алюминий.

В результате процессов раскисления большая часть растворенного кислорода связывается в оксиды и удаля­ется из ванны в виде нерастворимых в металле неметал­лических включений. Процесс этот протекает достаточно быстро и продолжительность восстановительного периода в основном определяется временем, необходимым для образования подвижного шлака.

Одношлаковый процесс. В связи с интенсификацией процесса электроплавки в последние годы получил боль­шое распространение метод плавки в дуговой печи под одним шлаком. Сущность этого метода заключается в следующем: дефосфорация металла совмещается с пе­риодом расплавления. Во время расплавления из печи скачивают шлак и производят добавки извести. В окис­лительный период выжигают углерод. По достижении в металле << 0,035 % Р производят раскисление стали без скачивания шлака ферросилицием и ферромарганцем. Затем присаживают феррохром и проводят сокращенный (50-70 мин) восстановительный период с раскислением шлака порошками ферросилиция и кокса и раскислением металла кусковыми раскислителями. Окончатель­ное раскисление производят в ковше ферросилицием и алюминием. В некоторых случаях вообще не проводят раскисления шлака в печи порошкообразными раскисли­телями.

Переплав отходов. На заводах специальных сталей количество образую­щихся отходов достигает 25-40 % от выплавляемой стали. Часть отходов поступает с машиностроительных заводов, поэтому в электросталеплавильных цехах 50 % легированных сталей выплавляют из шихты, состоящей только из них. Рациональное использование отходов да­ет большую экономию легирующих, электроэнергии, по­вышает производительность электропечей. Ле­гированные отходы разделяют на 82 группы. При расчете шихты стремятся использовать максимальное количе­ство отходов данной марки стали или наиболее близких марок

Шихту составляют с таким расчетом, чтобы содержа­ние углерода в ванне по расплавлении было на 0,05-0,10 % ниже заданного маркой стали. Необходимые ле­гирующие, неокисляющиеся добавки Ni Cu, Mo, W за­гружают вместе с шихтой, а прочие – V, Тi, Cr, Mn, Al, Si, Nb – стремятся вводить как можно позднее на раз­ных стадиях плавки, в том числе и во время выпуска в ковш. Металл заданного состава получают в процессе рафинировки или в ковше. Во время плавки наводят высокоосновной, жидкоподвижный шлак, который частично скачивают из печи. Это позволяет удалить до 30 % фос­фора. Если состав металла близок к расчетному, то, не скачивая шлака, приступают к раскислению шлака мо­лотым коксом, ферросилицием и алюминием. При этом легирующие элементы восстанавливаются из шлака и пе­реходят в металл, например так восстанавливается оксид хрома. Продолжи­тельность восстановительного периода в этом варианте технологии такая же, как и в плавках с окислением. Плавка на отходах значительно короче (примерно на 1 ч) по сравнению с плавкой на свежей шихте за счет окислительного периода. Это увеличивает производи­тельность электропечей на 15-20 % и сокращает расход электроэнергии на 15 %.

Методы интенсификации электросталеплавильного процесса. Применение кислорода. Использование газообразного кислорода в окислительный период плавки и в периодрасплавления позволяет значительно интенсифицировать процессы расплавления и окисления углерода.

Применение синтетического шлака. Этот метод пре­дусматривает перенесение рафинирования металла из электропечи в разливочный ковш. Для рафинирования металла выплавляют синтетический шлак на основе из­вести (52-55 %) и глинозема (40 %) в специальной электродуговой печи с угольной футеровкой. Порцию, жидкого, горячего, активного шлака (4–5 % от массы стали, выплавленной в электропечи) наливают в основ­ной сталеразливочный ковш. Ковш подают к печи и в него выпускают сталь. Струя стали, падая с большой вы­соты, ударяется о поверхность жидкого шлака, разбива­ется на мелкие капли и вспенивает шлак. Происходит перемешивание стали со шлаком. Это способствует ак­тивному протеканию обменных процессов между метал­лом и синтетическим шлаком. В первую очередь проте­кают процессы удаления серы благодаря низкому содер­жанию FeO в шлаке и кислорода в металле; повышенной концентрации извести в шлаке, высокой температуре и перемешиванию стали со шлаком. Концентрация серы может быть снижена до 0,001 %. При этом происходит значительное удаление оксидных неметаллических вклю­чений из стали благодаря ассимиляции, поглощению этих включений синтетическим шлаком и перераспределению кислорода между металлом и шлаком.

Обработка металла аргоном. После выпуска стали из печи через объем металла в ковше продувают аргон, который подают либо через пористые пробки, зафутерованные в днище, либо через швы кладки подины ковша. Продувка стали в ковше аргоном позволяет выровнять температуру и химический состав стали, понизить содер­жание водорода, удалить неметаллические включения, что в конечном итоге позволяет повысить механические и эксплуатационные свойства стали.

Применение порошкообразных материалов. Продув­ка стали в дуговой электропечи порошкообразными ма­териалами в токе газаносителя (аргона или кислорода) позволяет ускорить важнейшие процессы рафинирования стали: обезуглероживание, дефосфорацию, десульфурацию, раскисление металла.

В струе аргона или кислорода в ванну вдуваются по­рошки на основе извести, плавикового шпата. Для раскисления металла используют порошкообразный ферро­силиций. Для окисления ванны и для ускорения удаленияуглерода и фосфора добавляют оксиды железа. Мел-кораспыленные твердые материалы, попадая в ванну ме­талла, имеют большую поверхность контакта с метал­лом, во много раз превышающую площадь контакта ван­ны со шлаковым слоем. При этом происходитинтенсивное перемешивание металла с твердыми частицами. Все это способствует ускорению реакций рафинирования стали. Кроме того, порошкообразные флюсы могут ис­пользоваться для более быстрого наведения шлака.

Получение низкоуглеродистой коррозионностойкой стали (процессы AOD и VOD). Широкое распространение получают методы производства низко­углеродистой коррозионностойкой стали вне электропечи.

Метод AOD. В электропечи выплавляют основу нержавеющей стали, содержащей заданное количество хрома и никеля, с использо­ванием недорогих, высокоуглеродистых ферросплавов. Затем сталь вместе с печным шлаком заливают в конвертер. Футеровка конвертера изготовлена из магнезитохромитового кирпича. Стойкость футеровки до 200 плавок. В нижней зоне футеровки, в третьем ряду кирпичной кладки от днища конвертера. Фурмы представляют собой конструкцию из медной внут­ренней трубы и наружной тру­бы из нержавеющей стали, внутренний диаметр фурмы 12-15 мм. Начальное содер­жание углерода в стали может быть для ферритных хромистых сталей 2,0-2,5 %, а для аустенитных сталей 1,3-1,7 %. В первые 35 мин сталь проду­вают смесью кислорода и арго­на в соотношении 3:1. Во из­бежание перегрева металла в конвертер присаживают лом – данной марки стали, ферро­хром и т. п. Затем в течение 9 мин сталь продувают смесью кислорода и аргона в соотно­шении 1:1. В это время кон­центрация углерода снижается до 0,18 %. В третьем периоде в продувочном газе еще более уменьшают отношение кисло­рода к аргону до 1:2, продувку продолжают еще 15 мин. За это время содержание углерода снижается до 0,035%. Температура по­вышается до 1720 °С. В конце продувки присаживают известь и фер­росилиций для восстановления хрома из шлака. После восстановле­ния шлак, содержащий 1 % Cr₂O₃, скачивается и после наведения но­вого шлака проводят окончательную продувку аргоном. При этом в шлак переходит сера, ее содержание в металле снижается до 0,010 %.

В результате процесса AOD получают высококачественную не­ржавеющую сталь с низким содержанием углерода, серы, азота, кис­лорода, сульфидных и оксидных неметаллических включений, с вы­сокими механическими свойствами. Для повышения экономичности процесса аргон частично заменяют азотом.

Метод VOD. Этот метод вакуумно-кислородного обезуглерожи­вания с продувкой аргоном. В основе метода лежит осуществление реакции [C] + [O] = CO, равновесие которой в вакууме сдвигается в правую сторону. Чем ниже парциальное давление СО, тем ниже должна быть остаточная концентрация углерода в стали. При этом создаются благоприятные условия для восстановления оксида хрома углеродом, что позволяет проводить процесс обезуглероживания без заметных потерь хрома со шлаком. Коррозионностойкую сталь вы­плавляют в электропечи с достаточно высоким содержанием угле­рода (0,3-0,5 %); сталь выпускают в специальный ковш с хромомагнезитовой футеровкой, имеющим в днище фурму для подачи аргона. Ковш устанавливают в вакуумную камеру, откачивают воздух и на­чинают продувку кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму, которую вводят в камеру через крышку. Одновременно производится продувка аргоном через дно ковша. После окончания продувки про­водят присадку раскислителей и легирующих для корректировки со­става. Расход аргона в этом способе значительно ниже, чем в AOD (всего 0,2 м³/т). Получаемая сталь содержит очень низкие концен­трации углерода (0,01 %) при низком содержании азота. Окисле­ние хрома незначительное. Для удаления серы в ковш загружают известь, что позволяет после раскисления и кратковременного пе­ремешивания аргоном снизить концентрацию серы в металле до не­обходимых пределов. По сравнению с процессом AOD этот метод более сложен и применяется для производства сталей ответственно­го назначения с низким содержанием углерода. К достоинствам того и другого процесса следует отнести экономию дорогого низкоуглеро­дистого феррохрома, обычно использовавшегося при получении не­ржавеющей стали в дуговых печах, а также достижение низких со­держаний углерода без значительных потерь хрома.

Индукционные печи и плавка в них. В настоящее время индукционные печи находят ши­рокое применение в металлургии и машиностроении. В лабораториях используют высокочастотные печи ем­костью от нескольких грамм до 100 кг, в литейных цехах низко- и среднечастотные печи до 2-6 т; наиболее круп­ные печи имеют емкость до 60 т. По сравнению с дуго­выми электропечами в индукционных печах отсутствие электродов и электрических дуг дает возможность полу­чать стали и сплавы с низким содержанием углерода и газов. Плавка характеризуется небольшим угаром ле­гирующих элементов, высоким электрическим к.п.д. точным регулированием температуры металла.

Недостатком печей является холодный, плохо пере­мешиваемый шлак, что не позволяет так же интенсивно, как в дуговых печах, проводить процессы рафинирования. Стойкость футеровки в печах невысокая.

Основной тип современных высокочастотных или ин­дукционных печей – это печи без сердечника. Такая печь состоит из индуктора-катушки, навитой из медной труб­ки с водяным охлаждением. Внутрь индуктора вставля­ется либо готовый огнеупорный тигель, либо тигель наби­вается порошкообразным огнеупорным материалом. При наложении на индуктор переменного электрического то­ка частотой от 50 до 400 кГц образуется переменное маг­нитное силовое поле, пронизывающее пространство вну­три индуктора. Это магнитное поле наводит в металличе­ской садке вихревые токи.

Производство стали в вакуумных печах. Применение вакуума при выплавки стали позволяет получать металл практически любого химического состава с низким содержанием газов, неметаллических включений, примесей цветных металлов. Реакции дегазации и раскисления металла углеродом в вакууме протекают более полно.

Дата добавления: 2014-01-03