3. Плавка стали в дуговых печах с кислой футеровкой и индукционных тигельных печах

2.3.1 Плавка стали в дуговых печах с кислой футеровкой

В дуговых печах с кислой футеровкой углеродистые стали можно выплавлять без ограничений. В них выплавляют и легированные стали, но не содержащие алюминий, титан и другие высокоактивные к кислороду элементы. Последние, имея более высокое, чем кремний, химическое сродство к кислороду и активно участвуя в восстановлении кремния из шлака и футеровки, окисляются и полностью или большей частью безвозвратно теряются. Кроме того, в таких печах не выплавляют и стали, легированные марганцем. Хотя он имеет меньшее сродство к кислороду и не участвует в восстановлении кремния, но образует оксид MnO, который активно взаимодействует с SiO₂ футеровки и шлака. При этом возрастают не только потери марганца, но также ускоряется износ футеровки печи.

В дуговых печах с кислой футеровкой, как и в печах с основной футеровкой, плавку осуществляют методом окисления и без окисления

Плавка стали методом окисления в печах с кислой футеровкой состоит из таких же периодов, что и при плавке в основных печах. Однако, в содержательной части эти периоды существенно различаются.

Заправку печи с целью текущего ремонта футеровки печи также осуществляют сразу после выпуска предыдущей плавки и удаления остатков шлака. Но для восстановления кислой футеровки подины и откосов используют огнеупорную массу, состоящую из кварцевого песка (зернистостью 016-0315) и  6 % жидкого стекла. Иногда в эту смесь дополнительно вводят до 2-6 % огнеупорной глины и 1-7 % воды или водного раствора NaOH. Заправку производят после каждой плавки или периодически.

Завалку печи осуществляют путем загрузку в неё только основных компонентов шихты - металлической части и науглероживателя. Шлакообразующие и окислители используют при плавлении и в окислительный период.

Металлическая часть шихты включает кусковые отходы углеродистого и легированного стального лома (до 50 %), разделанный и очищенный от остатков формовочной смеси возврат собственного производства (35-50 %), а также пакетированный тонколистовой стальной лом и брикетирована или дробленная рассыпчатая стальная стружка. В шихте не рекомендуется использовать (по указанным выше причинам) лом и отходы, легированные марганцем, а также алюминием, титаном и цирконием. Кроме того, ввиду невозможности проведения при кислой плавке процессов дефосфорации и десульфурации шихта должна быть чистой по содержанию фосфора и серы.

Требования к крупности металлической части шихты такие же: мелкой составляющей должна быть 20-30 %, в том числе стружки до 10-12 %, а крупно- и среднекускового материала – соответственно 30 и 50-40 %.

В качестве науглероживателей используют такие же материалы: электродный бой или графитированный коксик, а также доменный чугун. Однако количество науглероживателя рассчитывают с учетом того, что при проведении окислительного периода окисляют несколько меньше углерода (0,10 - 0,25 % абс.).

Загрузку шихтовых материалов в печь осуществляют в такой же последовательности, как и при основной плавке. Сначала на подину загружают стружку и примерно половину мелкой компактной шихты. Далее - электродный бой или графитированный коксик. На него укладывают крупную шихту вперемежку с шихтой средних размеров. Последним загружают оставшуюся часть мелкой шихты, а также чугун (если он используется в завалке в качестве науглероживающего компонента). При такой последовательности завалки решается комплекс следующих задач:

~ предохраняется местное разрушение футеровки подины от ударов крупнокусковой шихты;

~ улучшается усвоение науглероживателя;

~ достигаются более устойчивое горения дуги и сокращение длительности плавления;

~ обеспечивается быстрое проплавление шихты в верхней зоне и ускоренное погружения электродов в шихту, что обусловливает защиту футеровки подины и откосов, но также свода печи от мощного теплового воздействия электрической дуги и позволяет вести дальнейший процесс плавления шихты на максимальном электрическом режиме.

Для завалки используют бадьи или мульдо-завалочные машины (в печах большой вместимости).

Плавление шихты начинают при умеренной электрической нагрузке, но после погружения электродов в проплавленные в шихте колодцы переходят на работу печи при максимальной мощности. При этом достигается быстрое расплавление металлической шихты и формирование металлической ванны на поду печи. Эти процессы сопровождаются окислением компонентов металлической шихты (железа, углерода, кремния, марганца и легирующих элементов), а также науглероживанием расплава за счет растворения в нем углеродсодержащих компонентов. При кислой плавке в период плавления протекают такие же реакции (См. табл. 2.3.1), как и при основной плавке. Однако глубина их протекания существенно различаются. Так, ввиду высокой активности SiO₂ в шлаке реакции окисления кремния и фосфора сильно заторможены, в то же время как реакция окисления марганца, наоборот, протекает более полно. Высокоактивные к кислороду элементы (алюминий и др.) при этом окисляются практически полностью

Из продуктов окисления компонентов металлической шихты (железа, кремния, марганца и легирующих элементов), продуктов разрушения футеровки, остатков пригара на возвратных отходах, а также присадки кварцевого песка формируется высокоокислительный кислый шлак, содержащий в основном из SiO₂ (40-50 %), FeO (15-30 %) и MnO (10-30 %). Причем, полученный шлак при кислой плавке не скачивают, поскольку в нем практически отсутствуют оксиды фосфора.

Окислительный период при плавке в печи с кислой футеровкой проводят по сокращенному варианту, поскольку фосфор при кислой плавке не удаляется, и потому нет необходимости в проведении процесса дефосфорации. Поэтому окислительный период ограничивают проведением кипения расплава для его гомогенизации, рафинирования от растворенных газов (водорода и азота) и неметаллических. Процесс кипения, обусловленный окислением углерода и всплыванием образующихся пузырьков монооксида углерода CO, активизируют путем присадки железной руды (FeO). Для разжижения шлака и повышения окислительного потенциала шлака (повышения в нем активности FeO) используют небольшие присадки CaO. Эти присадки подают в центральные зоны жидкой ванны, не допуская их попадания на боковые стенки (откосы) для предотвращения разъедания футеровки. Присадки FeO и CaO приводят к изменению состава шлака на начальной стадии окислительного периода: содержание FeO увеличивается до 30-40 %, при этом массовые доли SiO₂ остаются на прежнем уровне (40-50 %), MnO уменьшается до 8-10 %, а CaO составляет 7-8 %.

Высокая активность FeO в шлаке обусловливает интенсивное окисление углерода. В начале периода при рудном кипении скорость окисления углерода составляет 0,3-0,6 % в час, но на завершающей части периода (при безрудном кипении) – она снижается до 0,2-0,3 % в час. При этом общее количество окисляемого углерода составляет 0,10-0,25 %.

В окислительный период вначале, наряду с углеродом, окисляются также кремний (до  0,10-0,15 %) и марганец (до ≤ 0,05-0,10 %). Но к концу окислительного периода в связи с увеличением температуры расплава вначале начинается восстановление углеродом FeO, вследствие чего его массовая доля в шлаке снижается в 3-4 раза (до 10 %). За счет этого содержания SiO₂, MnO и CaO в шлаке возрастают до 55-60, 15 и 10 % соответственно. Высокая температура расплава, повышенная активность SiO₂, а также снижение содержания FeO в шлаке обусловливают процесс восстановления оксидов кремния и постепенное нарастание содержания кремния в стали.

Восстановительный период при кислой плавке имеет наиболее принципиальные отличия от аналогичного периода основной плавки. Он, в зависимости от состава выплавляемой стали и назначения отливок, может быть полностью исключен или реализован с разной степенью полноты.

Без восстановительного периода выплавляют углеродистые стали для отливок общего назначения. По окончании окислительного периода расплав последовательно раскисляют марганцем и кремнием за счет присадки ферромарганца и ферросилиция. Затем состав стали доводят до регламентируемого по содержанию углерода, кремния и марганца. При этом плавку выпускают из печи полностью и без задержек. При таком варианте максимально упрощается заключительная часть плавки и сокращается ее длительность. Однако, при этом жидкая сталь имеет повышенную загрязненность неметаллическими включениями (продуктами ее раскисления), поскольку их образуется больше ввиду высокого содержания кислорода в расплаве сразу после проведения окислительного периода (0,015-0,020 %). Последний фактор обусловливает и повышенный угар легирующих элементов, поэтому этот вариант плавки не рекомендуют применять при выплавке легированных сталей.

При выплавке сталей для отливок ответственного и особо ответственного назначения применяют кремне-восстановительный или активный вариант проведения восстановительного периода.

Кремне-восстановительный вариант плавки основан на том, что к окончанию окислительного периода, когда расплав нагрет до высокой температуры ( 1600^о С), а содержание SiO₂ в шлаке достигает 55-60 %, активно реализуется процесс восстановления кремния из SiO₂ футеровки и шлака углеродом, содержащимся в жидком металле:

(SiO₂) + 2 [C] = [Si] + 2 {CO}

Протекание этой реакции обеспечивает самораскисление жидкого металла вследствие повышения в нем содержания такого достаточно сильно раскислителя как кремний. Максимально возможное содержание кремния в расплаве возрастает с увеличением содержания углерода:

[C], %: 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

[Si], %: 0,04 0,15 0,30 0,55 0,90

Скорость восстановления кремния составляет 0,4-0,8 % в час. Этот процесс активнее протекает при выплавке средне- и высокоуглеродистых сталей с содержанием углерода свыше 0,2 %. В большинстве литейных сталей верхний допустимый предел содержания кремния составляет 0,40-0,52 % и более. Поэтому кремне-восстановительный вариант плавки вполне применим. Для активизации процесса на шлак присаживают кварцевый песок (для повышения содержания SiO₂ в шлаке) и коксик или электродный бой в качестве восстановителя. Содержание кремния в этом случае повышается также и за счет его восстановления свободным углеродом:

(SiO₂) + 2 C = [Si] + 2 {CO}.

По достижении требуемого содержания кремния в расплаве процесс его восстановления приостанавливают путем присадки на шлак извести или известняка. Самораскисление жидкой стали обусловливает снижение расхода раскислителя и меньший угар легирующих элементов. При этом меньше образуется продуктов окисления раскислителей и легирующих присадок. Соответственно сталь получается более чистой по содержанию неметаллических включений. Но при этом ускоряется разъедание (износ) футеровки печи.

Активный вариант плавки основан на ограничении процесса восстановления кремния. Для этого шлак окислительного периода скачивают и наводят новый жидкоподвижный шлак путем присадки кварцевого песка и известняка. Далее жидкоподвижность шлака поддерживают периодическими присадками известняка. Наличие CaO в шлаке снижает активность в нем SiO₂, что тормозит процесс восстановления кремния и ограничивает содержание кремния в расплаве. Такие условия благоприятствуют выплавке сталей, в которых содержание кремния ограничено (≤ 0,2-0,4 %). Активный вариант необходим также при выплавке легированных сталей, поскольку усвоение легирующих присадок происходит во времени. А за это время содержание кремния в расплаве может неконтролируемо сильно измениться. Последнее особенно нежелательно при разливке стали одной плавки с использованием одного ковша, но в несколько приемов. В этом случае сталь одной плавки, но из разных ковшей будет различаться по химическому составу, прежде всего, по содержанию кремния. Для предотвращения этого необходимо в течение всего времени выпуска металла поддерживать активный шлаковый режим.

Применяют также и промежуточный вариант плавки, когда совмещаются элементы активного и кремне-восстановительного вариантов плавки.

Раскисление металла осуществляют при активном варианте плавки путем введения в расплав ферромарганца и ферросилиция в различной последовательности: FeSi  FeMn или FeMnFeSiFeMn. Доводку стали по химическому составу и температуре, а также выпуск и конечное раскисление выполняют как при плавке в дуговой печи с основной футеровкой (См. раздел 2.3.1.).

Плавку стали без окисления производят, как при основной плавке, с полным исключением применения окислителей. Сталь необходимого химического состава можно выплавить методом сплавления разнородных шихтовых материалов, имеющих различный химический состав и происхождение, а также методом переплава отходов, в том числе легированных. В обеих вариантах плавки обеспечивается минимальный угар элементов, в том числе и легирующих. Это позволяет использовать в шихте возвратные отходы углеродистых и легированных сталей без ограничений, доводя их долю до 100 %. Следует лишь учитывать то, что при данном варианте плавки не удаляются фосфор и сера, а содержание углерода увеличивается вследствие науглероживания от электродов. Поэтому, как и при основной плавке, шихту необходимо составлять с тем, чтобы суммарное содержание в ней фосфора и серы не превышало допустимого предела, а углерода – на 0,1-0.2 % ни нижнего регламентируемого предела. Недостатки, характерные для плавки стали без окисления при основной плавке, сохраняются. Но существенным стимулом для его применения является возможность быстрого приготовления жидкой стали с минимальными затратами на шихтовые материалы и энергоресурсы.