Реферат: Электрометаллургия

Реферат: Электрометаллургия

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.

Электрические печи обладают существенными преимуществами по сравнению с

другими сталеплавильными агрегатами, поэтому высоколегированные

инструментальные сплавы, нержавеющие шарикоподшипниковые, жаростойкие и

жаропрочные, а также многие конструкционные стали выплавляют только в этих

печах.

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.

Первая дуговая электропечь в России была установлена в 1910 г. на Обуховском

заводе. За годы пятилеток были построены сотни различных печей. Вместимость

наиболее крупной печи в СССР 200 т. Печь состоит из железного кожуха

цилиндрической формы со сферическим днищем. Внутри кожух имеет огнеупорную

футеровку. Плавильное пространство печи закрывается съемным сводом.

Печь имеет рабочее окно и выпускное отверстие со сливным желобом. Питание

печи осуществляется трехфазным переменным током. 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 загрузклй

печи свод, подвешенный на цепях, поднимают к порталу, затем портал со сводом

и электродами отворачивается в сторону сливного желоба и печь загружают

бадьей.

Механическое оборудование дуговой печи.

Кожух печи должен выдерживать нагрузку от массы огнеупоров и металла. Его

делают сварным из листового железа толщиной 16–50 мм в зависимости от размеров

печи. Форма кожуха определяет профиль рабочего пространства дуговой

электропечи. Наиболее распространенным в настоящее время является кожух

конической формы. Нижняя часть кожуха име­ет форму цилиндра, верхняя

часть—конусообразная с расширением кверху. Такая форма кожуха облегчает

за­правку печи огнеупорным материалом, наклонные стены увеличивают стойкость

кладки, так как она дальше распо

ложена от электрических дуг. Используют также ко­жухи цилиндрической формы с

водоохлаждаемыми па­нелями. Для сохранения правильной цилиндрической формы

кожух усиливается ребрами и кольцами жестко­сти. Днище кожуха обычно

выполняется сферическим, что обеспечивает наибольшую прочность кожуха и

мини­мальную массу кладки. Дни­ще выполняют из немагнит­ной стали для установки

под печью электромагнитного пе­ремешивающего устройства.

Сверху печь

закры­та сводом. Свод набирают из огнеупорного кирпича в металлическом

водоохлаждаемом сводовом кольце, ко­торое выдерживает распираю­щие усилия

арочного сферического свода В нижней части к

ольца имеется выступ – нож, которы

й входит в песчаный за

твор кожуха печи. В кирпичной кладке свода оставляют

три отверстия для электродов. Диаметр от­верстий больше диаметра электрода,

поэтому во время плавки в зазор устремляются горячие газы, которые ра

з­рушают электрод и выносят тепло из печи. Для

предотвращения этого на своде устанавливают

холодильники или экономайзеры, служащие для

уплотнения электрод­ных отверстий и для охлаждения

кладки свода. Газодинамические экономайзеры

обеспечивают уплотнение с помощью воздушной завесы

вокруг электрода. В своде имеется также отверстие для отсоса запыленных газов и

отверстие для кислородной фурмы.

Для загрузки шихты в печи небольшо

й емкости и подгрузки легирующих и флюсов в

крупные, печи скачивания шлака, осмотра,

заправки и ремонта печи имеется загрузочное окно, обрамленное лито

й ра­мой. К раме крепятся направляющие, по которым сколь­зит заслонка.

Заслонку футеруют огнеупорным кирпи­чом. Для подъема заслонки используют

пневматический, гидравлический или

электромеханический привод.

С противоположной стороны кожух имеет окно

для выпуска стали из печи. К окну приварен сливно

й желоб. Отверстие для выпуска стали может быть круглым диа­метром 120—150

мм или квадратным 150 на 250 мм. Слив­ной желоб

имеет корытообразное сечение и приварен к кожуху под углом 10—12° к

горизонтали. Изнутри же­лоб футеруют шамотным кирпичом, длина его составля­ет

1—2 м.

Электрододержатели служат для подвода тока к элек­тродам и для зажима

электродов. Головки электрододер-жателей делают из

бронзы или стали и охлаждают во­дой, так как они сильно нагреваются как теплом

из пе­чи, так и контактными токами. Электрододержатель

должен плотно зажимать электрод и иметь небольшое контактное сопротивление.

Наиболее распространенным в настоящее время является пружинно-пневматический

электрододержатель. Зажим электрода осуще­ствляется при помощи неподвижного

кольца и зажимной плиты, которая прижимается к электроду пружиной.

Ог-жатие плиты от электрода и сжатие пружины происхо­дят при помощи сжатого

воздуха. Электрододержатель крепится на металлическом рукаве – консоли, который

скрепляется с Г-образной подвижной стойкой в одну

же­сткую конструкцию. Стойка может перемещаться вверх или вниз внутри

неподвижной коробчатой стойки. Три неподвижные стойки жестко связаны в одну

общую кон­струкцию, которая покоится на платформе опорной люль­ки печи.

Перемещение подвижных телескопических стоек происходит или с помощью системы

тросов и противо­весов, приводимых в движение электродвигателями, или с помощью

гидравлических устройств. Механизмы пере­мещения электродов должны обеспечить

быстрый подъ­ем электродов в случае обвала шихты в процессе плав­ления, а также

плавное опускание электродов во избе­жание их погружения в металл или ударов о

нераспла­вившиеся куски шихты. Скорость подъема электродов составляет 2,5—6,0

м/мин, скорость опускания 1,0— 2,0 м/мин.

Механизм наклона печи

должен плавно наклонять печь в сторону выпускного отверстия на угол 40—45° для

выпуска стали и на угол 10—15 градусов в сторону рабочего окна для спуска

шлака. Станина печи, или люлька, на кото­рой установлен корпус, опирается на

два – четыре опор­ных сектора, которые перекатываются по горизонталь­ным

направляющим. В секторах имеются отверстия, а в направляющих – зубцы, при

помощи которых предот­вращается проскальзывание

секторов при наклоне печи. Наклон печи осуществляется при помощи рейки и

зубча­того механизма или гидравлическим приводом. Два

цилиндра укреплены на неподвижных опорах

фундамента, а штоки шарнирно связаны с опорными секторами люль­ки печи.

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.

При загрузке печи сверху в

один-два приема в тече­ние 5 мин меньше охлаждается футеровка, сокраща­ется

время плавки; уменьшается расход электроэнергии; эффективнее используется объем

печи. Для загрузки пе­чи свод приподнимают на 150—200 мм над кожухом печи и

поворачивают в сторону вместе с электродами, полно

стью открывая рабочее пространство печи для введения бадьи с шихтой. Свод

печи подвешен к раме. Она соеди­нена с неподвижными стойками

электрододержателей в одну жесткую конструкцию, покоящуюся на поворотной

консоли, которая укреплена на опорном подшипнике. Крупные печи имеют поворотную

башню, в которой со­средоточены все механизмы отворота свода. Башня вра­щается

вокруг шарнира на катках по дугообразному рельсу.

Бадья представляет собой стальной цилиндр, диаметр которого меньше диаметра

рабочего простран­ства печи. Снизу цилиндра имеются подвижные гибкие сектора,

концы которых стягиваются через кольца тро­сом. Взвешивание и загрузка шихты

производятся на шихтовом дворе электросталеплавильного цеха. Бадья на тележке

подается в цех, поднимается краном и опус­кается в печь. При помощи

вспомогательного подъема крана трос выдергивают из проушин секторов и при по

дъеме бадьи сектора раскрываются и шихта вывали­вается в печь в том порядке,

в каком она была уложе­на в бадье.

При использовании в качестве шихты

металлизован-ных окатышей загрузка может производиться непрерыв­но по

трубопроводу, который проходит в отверстие в сво­де печи.

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.

Очистка отходящих газов.

Современные крупные сталеплавильные дуговые печи во время работы выделяют в

атмосферу большое коли­чество запыленных газов. Применение кислорода и

по­рошкообразных материалов еще более способствует это­му. Содержание пыли в

газах электродуговых печей достигает 10 г/м^3 и

значительно превышает норму. Для улавливания пыли производят отсос газов из

рабочего пространства печей мощным вентилятором. Для этого в своде печи делают

четвертое отверстие с патрубком для газоотсоса. Патрубок через зазор,

позволяющий накло­нять или вращать печь, подходит к стационарному

тру­бопроводу. По пути газы разбавляются воздухом, необ­ходимым для дожигания

СО. Затем газы охлаждаются водяными форсунками в теплообменнике и направляют­ся

в систему труб Вентури, в которых пыль

задержива­ется в результате увлажнения. Применяют также тка­невые фильтры,

дезинтеграторы и электрофильтры. Ис­пользуют системы газоочистки, включающие

полностью весь электросталеплавильный цех, с установкой зонтов

дымоотсоса под крышей цеха над электропечами.

Футеровка печей.

Большинство дуговых печей имеет основную футеров­ку, состоящую из материалов на

основе MgO. Футеров­ка печи создает ванну для металла и играет роль

теп-лоизолирующего слоя, уменьшающего потери тепла.

Основные части футеровки – подина печи, стены,

свод. Температура в зоне электрических дуг достигает несколь­ких тысяч

градусов. Хотя футеровка электропечи отде­лена от дуг, она все же должна

выдерживать нагрев до температуры 1700°С. В связи с

этим применяемые для футеровки материалы должны обладать высокой

огне­упорностью, механической прочностью, термо- и

химиче­ской устойчивостью. Подину сталеплавильной печи на­бирают в следующем

порядке. На стальной кожух укла­дывают листовой асбест, на асбест—слой

шамотного порошка, два слоя шамотного кирпича и основной слой из магнезитового

кирпича. На магнезитовой кирпичной подине набивают рабочий слой из

магнезитового порош­ка со смолой и пеком —

продуктом нефтепереработки. Толщина набивного слоя составляет 200 мм. Общая

толщина подины равна примерно глубине ванны и мо­жет достигать 1

м для крупных печей. Стены печи вы

кладывают после соответствующей прокладки асбеста и шамотного кирпича из

крупноразмерного безобжигового магнезитохромитового

кирпича длиной до 430 мм. Кладка стен может выполняться из кирпичей в же­лезных

кассетах, которые обеспечивают сваривание кир­пичей в один монолитный блок.

Стойкость стен достига­ет 100—150 плавок. Стойкость подины составляет

один-два года. В трудных условиях работает футеровка сво­да печи. Она

выдерживает большие тепловые нагрузки от горящих дуг и тепла, отражаемого

шлаком. Своды крупных печей набирают из магнезитохромитового кир­пича. При

наборе свода используют нормальный и фа­сонный

кирпич. В поперечном сечении свод имеет форму арки, что обеспечивает плотное

сцепление кирпичей ме­жду собой. Стойкость свода составляет 50 – 100 плавок.

Она зависит от электрического режима плавки, от дли­тельности пребывания в печи

жидкого металла, состава выплавляемых стали, шлака. В настоящее время широ­кое

распространение получают водоохлаждаемые своды и

стеновые панели. Эти элементы облегчают службу фу­теровки.

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.

Графитированные электроды изготавливают из малозольных углеродистых

материалов: нефтяного кокса, смолы, пека.

Электродную массу смешивают и прессуют, после чего сырая заготовка обжигается в

га­зовых печах при 1300 градусах и подвергается дополнительно­му

графитирующему обжигу при температуре 2600 –

2800 градусах в электрических печах сопротивления. В процес­се эксплуатации в

результате окисления печными газами и распыления при горен

ии дуги электроды сгорают. По мере укорачивания электрод опускают в печь.

При этом электрододержатель приближается к своду.

Наступает момент, когда электрод становится настолько коротким, что не может

поддерживать дугу, и его необходимо на­ращивать. Для наращивания электродов в

концах сек­ций сделаны отверстия с резьбой, куда ввинчивается

переходник-ниппель, при помощи которого соединяются отдельные секции. Расход

электродов составляет 5—9 кг на тонну выплавляемой стали.

Электрическая дуга—один из видов электрического разряда, при котором ток

проходит через ионизирован­ные газы, пары металлов. При кратковременном

сбли­жении электродов с шихтой или друг с другом возника­ет короткое замыкание.

Идет ток большой силы. Концы электродов раскаляются добела. При

раздвигании элек­тродов между ними возникает электрическая дуга. С

рас­каленного катода происходит термоэлектронная эмиссия электронов, которые,

направляясь к аноду, сталкивают­ся с нейтральными молекулами газа и ионизируют

их. Отрицательные ионы направляются к аноду, положи­тельные к катоду.

Пространство между анодом и като­дом становится ионизированным,

токопроводящим. Бом­бардировка анода электронами и ионами вызывает сильный

его разогрев. Температура анода может дости­гать 4000 градусов. Дуга может

гореть на постоянном и на пе­ременном токе. Электродуговые печи работают на

пере­менном токе. В последнее время в ФРГ построена элек­тродуговая печь на

постоянном токе.

В первую половину периода, когда катодом является электрод, дуга горит. При

перемене полярности, когда катодом становится шихта — металл, дуга гаснет,

так как в начальный период плавки металл еще не нагрет и его температура

недостаточна для эмиссии электронов. Поэтому в начальный период плавки дуга

горит неспо­койно, прерывисто. После того как ванна покрывается слоем шлака,

дуга стабилизируется и горит более ровно.

Электрооборудование.

Рабочее напряжение электродуговых печей составля­ет 100 – 800 В, а сила тока

измеряется десятками тысяч ампер. Мощность отдельной установки может достигать

50 – 140 МВ*А. К подстанции

электросталеплавильного цеха подают ток напряжением до 110

кВ. Высоким на­пряжением питаются первичные обмотки печных транс­форматоров.

На показана упрощенная схема электрического питания печи. В электрическое

оборудо­вание дуговой печи входят производства ремонтных ра­бот на печи.

следующие приборы:

1. Воздушный разъединитель, предназначен для от­ключения всей электропечной

установки от линии высо­кого напряжения во время

2. Главный автоматический выключатель, служит для отключения под нагрузкой

электрической цепи, по кото­рой протекает ток высокого напряжения. При

неплотной укладке шихты в печи в начале плавки, когда шихта еще холодная, дуги

горят неустойчиво, происходят обва

лы шихты и возникают короткие замыкания

между электродами. При этом си

ла тока резко возрастает. Это приводит к большим перегрузкам

трансформатора, который может выйти из строя. Когда сила тока превысит

установленный предел, выключатель авто

матически отключает уста

новку, для чего имеется реле максимальной силы

тока.

3. Печной трансформа­тор необходим для преоб

разования высокого напря

жения в низкое (с 6—10 кВ до 100—800 В).

Обмотки высокого и низкого напряжения и

магнитопроводы, на которых они помещены, располагаются в баке с маслом,

служащим для охлаждения обмоток. Ох­лаждение создается принудительным

перекачива­нием масла из трансформаторного кожуха

в бак теплообменника, в котором масло охлаждается водой. Трансформатор

устанавливают рядом с электропечью в специальном помещении. Он имеет

устройство, позволяющее

переключать обмотки по ступеням и таким об­разом ступенчато регулировать

подаваемое в печь на­пряжение. Так, например, трансформатор для

200-т оте­чественной печи мощностью 65 МВ*А

имеет 23 ступени напряжения, которые переключаются под нагрузкой, без отключения

печи.

Участок электрической сети от трансформатора до электродов называется короткой

сетью. Выходящие из стены трансформаторной подстанции фидеры при помо­щи

гибких, водоохлаждаемых кабелей подают напряже­ние

на электрододержатель.

Длина гибкого участка дол­жна позволять производить нужный наклон печи и

отворачивать свод для загрузки. Гибкие кабели соединя­ются с медными

водоохлаждаемыми шинами, установ­ленными на рукавах

электрододержателей. Трубошины непосредственно присоединены к головке

электрододер-жателя, зажимающей электрод. Помимо указанных

основных узлов электрической сети в нее входит

различ­ная измерительная аппаратура, подсоединяемая к ли­ниям тока через

трансформаторы тока или напряжения, а также приборы автоматического

регулирования процес­са плавки.

Автоматическое регулирование.

По ходу плавки в электродуговую печь требуется по­давать различное количество

энергии. Менять подачу мощности можно изменением напряжения или силы то­ка

дуги. Регулирование напряжения производится пере­ключением обмоток

трансформатора. Регулирование силы тока осуществляется изменением расстояния

меж­ду электродом и шихтой путем подъема или опускания электродов. При этом

напряжение дуги не изменяется. Опускание или подъем электродов производятся

автома­тически при помощи автоматических регуляторов, уста­новленных на

каждой фазе печи. В современных печах заданная программа электрического

режима может быть установлена на весь период плавки.

Устройство для электромагнитного перемешивания металла.

Для перемешивания металла в крупных дуговых пе­чах, для ускорения и

облегчения проведения технологи­ческих операций

скачивания шлака под днищем печи в коробке устанавливается электрическая

обмотка, кото­рая охлаждается водой или сжатым воздухом. Обмотки статора

питаются от двухфазного генератора током низ­кой частоты, что создает бегущее

магнитное поле, кото­рое захватывает ванну жидкого металла и вызывает дви­жение

нижних слоев металла вдоль подины печи в на­правлении движения поля. Верхние

слои металла вместе с прилегающим к нему шлаком движутся в обратную сторону.

Таким образом можно направить движение ли­бо в сторону рабочего окна, что будет

облегчать выход шлака из печи, либо в сторону сливного отверстия, что будет

благоприятствовать равномерному распределению легирующих и

раскислителей и усреднению состава ме­талла и его температуры. Этот метод в

последнее время имеет ограниченное применение, так как в сверхмощных печах

металл активно перемешивается дугами.

Плавка стали в основной дуговой

электропечи.

Сырые материалы.

Основным материалом для

электроплавки является стальной лом. Лом не должен быть сильно окисленным, так

как наличие большого количества ржавчины вносит в сталь значительное количество

водо­рода. В зависимости от химического состава лом необходимо рассор­тировать

на соответствующие группы. 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

высо-копрочных 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.; кро­ме того 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 или МЮ, 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 в дуговые печи необходимо прокаливать для уда­ления следов масла и

влаги. Это 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.

Жидкоподвижные нагретые шлаки сильно разъедают фу

теровку, которая может быть повреждена и при загруз­ке. Если подина печи во

время не будет закрыта слоем жидкого металла и шлака, то она может быть

повреж­дена дугами. Поэтому перед началом плавки производят ремонт – заправку

подины. 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.

Заправку производят заправочной машиной, выбрасывающей через. насадку при помощи

сжатого воздуха заправочные материалы, или,

разбрасывающей материалы по окружности с быстро вращающего­ся диска, который

опускается в открытую печь сверху.

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. Поэтому длительность

расплавления шихты в основном определяет производительность печи. После

окончания завалки опускают электроды и включают ток.

Металл под электродами разогревается, плавится и сте­кает вниз, собираясь в

центральной части подины. Элек­троды прорезают в шихте колодцы, в которых

скрыва­ются электрические дуги. 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. В период расплавлени»

трансформатор работает с полной нагрузкой и даже с 15 % перегрузкой, допускаемой

паспортом, на самой вы­сокой ступени напряжения. В этот период мощные дуги не

опасны для футеровки свода и стен, так как они за­крыты шихтой. Остывшая во

время загрузки футеровка может принять большое количество тепла без опасности

ее перегрева. Для ускорения расплавления шихты ис­пользуют различные методы.

Наиболее эффективным яв­ляется применение мощных трансформаторов. Так, на печах

вместимостью 100 т будут установлены трансфор­маторы мощностью 75,0

МВ-А, на 150-т печах трансфор­маторы 90—125

МВ*А и выше. Продолжительность плавления при использовании мощных

трансформаторов уменьшается до 1–1,5 ч. Кроме того, для ускорения рас­плавления

применяют топливные мазутные или газовые горелки, которые вводят в печь либо

через рабочее ок­но, либо через специальное устройство в стенах. Приме­нение

горелок ускоряет нагрев и расплавление шихты, особенно в холодных зонах печи.

Продолжительность плавления сокращается на 15—20 мин.

Эффективным

методом является применение газооб­разного кислорода. Кислород подают в печь

как через стальные футерованные трубки в окно печи, так и 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, а расход элек­троэнергии на 60—70 кВт

-ч на 1 т стали.

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,

метал-лизованных 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.

Плавка с окислением.

металла; уда­ление неметаллических включений, нагрев стали.

Окислительный период плавки начинают присадкой железной руды, которую дают в

печь порциями. В ре­зультате присадки руды происходит насыщение шлака

FeO и окисление металла по реакции: (FeO)

=Fe+[O]. Растворенный кислород взаимодействует с

рас­творенным в ванне углеродом по реакции [C] +[O]=

CO. Происходит бурное выделение пузырей CO, ко­торые вспенивают поверхность

ванны, покрытой шлаком. Поскольку в окислительный период на металле наводят

известковый шлак с хорошей жидкоподвижностью, то

шлак вспенивается выделяющимися пузырями газа. Уро­вень шлака становится выше

порога рабочего окна и шлак вытекает из печи. Выход шлака усиливают, накло­няя

печь в сторону рабочего окна на небольшой угол. Шлак стекает в шлаков

ик), стоящую под рабочей пло­щадкой цеха. За время окислительного периода

окисля­ют 0,3—0,6 % C со средней скоростью 0,3—0,5 % С/ч. Для обновления

состава шлака одновременно с рудой в печь добавляют известь и небольшие

количества плави­кового шпата для обеспечения

жидкоподвижности шлака.

Непрерывное окисление ванны и

скачивание окисли­тельного известкового шлака являются непременными

условиями удаления из стали фосфора. Для протекания реакции окисления фосфора

2[P]+5[O]=(P2O5); (Р2

O5)+4(СаО)==(СаО)

4*P2O5 необходимы высокое содержание кислорода в металле и шлаке,

повышенное содержание CaO в шлаке и пониженная температура.

В

электропечи первые два условия полностью выпол­няются. Выполнение последнего

условия обеспечивают наводкой свежего шлака и постоянным обновлением шлака, так

как шлак, насыщенный (СаО)4*P2O5 скачи­вается из

печи. По ходу окислительного периода проис­ходит дегазация стали—удаление из

нее водорода и азо­та, которые выделяются в пузыри СО, проходящие через металл.

обеспечивает перемешивание метал­ла, выравнивание температуры и состава.

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 хромоникеле

вой 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 восстановительного периода плав­ки являются:

раскисление металла, удаление серы.коррек-тирование

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. При

введении раскислителей происходят следующие реакции:

[

Mn]+[O]=(MnO); [Si]+2 [О]

= (SiO2); 2[Al]+ 3[O]-(Al2O3).

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. В малых и

средних пе­чах при выплавке ответственных марок сталей продолжа­ют применять

метод диффузионного раскисления стали через шлак, когда

раскислители в виде молотого элек

тродного боя, порошка ферросилиция присаживают на шлак. Содержание кислорода

в шлаке понижается и в соответствии с законом распределения кислород из

ме­талла переходит в шлак. Метод этот, хотя и не оставля­ет в металле

оксидных неметаллических включений, тре­бует значительно большей затраты

времени. В восстано­вительный период плавки, а также при выпуске стали под

слоем шлака, когда происходит хорошее перемешивание

металла со шлаком, активно происходит десульфурация

металла. Этому способствует хорошее раскисление

ста­ли и шлака, высокое содержание извести в шлаке и вы­сокая температура. В

ходе восстановительного периода вводят легирующие –

ферротитан, феррохром и др., а некоторые, например никель, присаживают вместе с

ших­той. Никель не окисляется и не теряется при плавке. Добавки тугоплавких

ферровольфрама, феррониобия производят в начале

рафинирования, так как нужно зна­чительное время для их

расплавления. В настоящее вре­мя большинство операций восстановительного

периода переносят из печи в ковш. Например, в кош вводят пор­ции легирующих или

дают их на струю стали, вытекаю­щей из печи при ее наклоне. Присаживают по ходу

вы­пуска раскислители. Целью восстановительного

периода является обеспечение нагрева стали до заданной темпе­ратуры и создание

шлака, десульфурирующая способ­ность которого

используется при совместном выпуске из печи вместе со сталью.

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 раскислени-ем шлака

порошками ферросилиция и кокса и раскисле-нием

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.

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

вы-сокоосновной, 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: 2(Cr2O3)+3

(Si)=3(SiO2)+4 [Cr]. 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 %.

интенсификации электросталеплавильного процесса.

Применение кислорода.

Использование газообразного кислорода в окислительный период плавки и в период

расплавления 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, зафутеро-ванные

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 рас-кисления 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.

Плавка в кислой электропечи.

Кислые электропечи футеруют огнеупорными материалами на ос­нове кремнезема. Эти

печи имеют более глубокие ванны и в связи с этим меньший диаметр кожуха,

меньшие тепловые потери и расход электроэнергии. Стойкость футеровки свода и

стен кислой печи зна­чительно выше, чем у основной. Это объясняется малой

продолжи­тельностью плавки. Печи с кислой футеровкой вместимостью 1—3 т

применяются в литейных цехах для производства стального литья и отливок из

ковкого чугуна. Они допускают периодичность в работе, т.

е. работу с перерывами. Известно, что основная

футеровка быстро изнашивается при частом охлаждении. Расход огнеупоров на 1 т

стали в кислой печи ниже. Кислые огнеупоры дешевле,

чем основ­ные. В кислых печах быстрее разогревают металл до высокой

тем­пературы, что необходимо для литья. Недостатки кислых печей свя

­заны прежде всего с характером шлака. В этих печах шлак кис­лый, состоящий

в основном из кремнезема. Поэтому такой шлак не позволяет удалять из стали

фосфор и серу. Для того чтобы иметь содержание этих примесей в допустимых

пределах, необходимо под­бирать специальные шихтовые материалы, чистые по

фосфору и по сере. Кроме того, кислая сталь обладает пониженными пластически­ми

свойствами по сравнению с основной сталью вследствие присут­ствия в металле

высококремнистых неметаллических включений.Технология плавки в кислой

электропечи имеет следующие осо­бенности. Окислительный период плавки

непродолжителен, кипение металла идет слабо, так как кремнезем связывает

РеО в шлаке и тем самым скорость перехода кислорода в металл для окисления

угле­рода снижается. Кислый шлак более вязкий, он затрудняет кипение. Шлак

наводят присадками песка, использованной формовочной зем­ли. Известь

присаживают до содержания в шлаке не более 6—8 % СаО.

Раскисление кислой стали проводят, как правило, присадкой кускового

ферросилиция. Частично сталь раскисляется

кремнием, ко­торый восстанавливается из шлака или из футеровки по реакциям:

(SiO2)+2Fe=2(FeO)+[

Si]; (SiO2)+2[C]=2CO+[Si]. В отличие от

основного процесса при кислом ферромарганец присаживают в конце плавки в

раздробленном виде в ковш. При таком способе усваивает­ся до 90 % марганца.

Конечное раскисление проводят алюминием.

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, профиль

которого представлен на рис. 81. Футеровка конвертера изготовлена из

магнезитохромитового кирпича. Стойкость футеровки до 200 плавок. В нижней

зоне футеровки, в третьем ряду кирпичной кладки от дни

ща 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 о, 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. Средняя

продолжитель­ность продувки составляет 60—120 мин, расход аргона составляет

10—23 м^3/т, кислорода 23

м^3/т. На рис. 82 представлено изменение температуры и состава металла.

Степень извлечения хрома состав­ляет 98%.

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

м^3/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.

Устройство индукционных печей

В центре печи помещен индуктор. Он имеет вид соленоида и изготовлен из

профилированной медной трубы. По трубе идет вода для ее охлаждения. Внутри

индуктора набит огнеупорный тигель. Ток подается по гибким кабе­лям. Печь

заключена в металлический кожух. Сверху тигель закрывается сводом. Поворот печи

для слива ме­талла осуществляется вокруг оси, расположенной у слив­ного носка.

Поворотные цапфы печи покоятся на опор­ных подшипниках станин. Наклон печи

проводится при помощи реечного механизма через подвижные

шарниры-цапфы или гидроприводом. Небольшие печи

накло­няют при помощи тали.

Футеровка печей может быть кислой или основной, набивной или кирпичной. Для

набивки используют ог­неупорные материалы различной крупности от долей

миллиметра до 2—4 мм. Для основной футеровки приме

няют порошок магнезита с добавками хромомагнезита и борной кислоты для

связки. Кислые смеси готовят на основе молотого кварцита. Набивку тигля ведут

послой­но вокруг металлического шаблона, форма

которого со­ответствует профилю тигля.

После окончания набивки футеровку спекают и об­жигают. В железный шаблон

загружают чугун, вклю­чают ток, металл постепенно

разогревается и нагревает футеровку. Затем металл доводят до плавления. В

пер­вой плавке расплавляют мягкое железо, что позволяет достичь высокой

температуры для обжига футеровки. Крупные печи футеруют фасонным огнеупорным

кирпи­чом.

Электрическое оборудование

Индукционные печи питаются током высокой частоты от ламповых генераторов или

током средней частоты (2500 Гц) от машинных преобразователей. Крупные пе­чи

работают на токе промышленной низкой частоты (50Гц от сети). Эти печи часто

служат в качестве миксеров жидкого металла в литейных цехах.

В схему входят машинный генератор, батарея конденсаторов и автоматический

ре­гулятор, плавильный контур. Преобразовательный агре­гат состоит из

асинхронного электродвигателя, вращаю­щего генератор и

динамомашину, которая дает ток в обмотки возбуждения генератора.

Для компенсации реактивной мощности и создания электрического резонанса

устанавливают батарею кон­денсаторов. Часть конденсаторов может быть отключе­на

для изменения емкостной составляющей. Резонанс

бывает при условии ωL=1/ωC

(L–коэффициент само­индукции печи, C – емкость конденсатора, ω – угловая

частота). Подбирая переменную емкость, можно рабо­тать в условиях, близких к

резонансу, т.е. поддержи

вать cosφ близкий к единице. Автоматический регуля­тор электрического

режима поддерживает оптимальную электрическую мощность взаимосвязанным

регулированием cosφ, напряжения и силы тока.

Технология плавки ста­ли в индукционной пе­чи.

Плавку проводят на высококачественном ломе с пониженным содержа­нием фосфора и

серы. Крупные и мелкие куски так укладывают в тигель или бадью, с помощью

которой загружают крупные печи, чтобы они плот­но заполняли объем тигля.

Тугоплавкие ферроспла­вы укладывают на дно тигля. После загрузки включают ток

на полную мощность. По мере проплавления и

осе­дания скрапа подгружают шихту, не вошедшую сразу в тигель. Когда последние

куски шихты погрузятся в жид­кий металл, на поверхность металла забрасывают

шлакообразующие материалы: известь, магнезитовый поро­шок, плавиковый шпат.

Шлак защищает металл от кон­такта с атмосферой, предотвращает тепловые потери.

По ходу плавки шлак раскисляют добавками порошка

кок­са, молотого ферросилиция. Металл раскисляют куско­выми ферросплавами и в

конце алюминием. По ходу плавки дают добавки легирующих. Поскольку угара

ле­гирующих практически не происходит, то в индукцион­ных печах можно

выплавлять сплавы сложного состава.

Список использованной литературы.

Металлургия черных металлов; Б.В. Линчевский, А.Л. Соболевский, А.А.Кальменев