Технология плавления стали в дуговой сталеплавильной печи
Основное назначение дуговой сталеплавильной печи (ДСП) прямого действия – выплавка стали из металлического лома (скрапа). Такой процесс весьма энергоемок: на 1т. выплавленной стали в зависимости от емкости печи и характера процесса расходуется от 500 до 1000 кВтч электроэнергии.
Выплавка сталей включает в себя следующие операции: расплавление метала, удаление содержащихся в нем вредных примесей и газов, раскисление метала, введение в него нужных легирующих и слив в разливочную машину или ковш. В период межплавочного простоя осуществляется заправка подины печи и загрузка новой порции скрапа. Расплавление скрапа необходимо вести по возможности быстро и с минимальным расходом энергии, поэтому в этот период печь включается на полную мощность, а печной трансформатор – на максимальное напряжение. Зачастую длительность расплавления превосходит половину продолжительности всей плавки, и при этом расходуется 60÷80% всей электроэнергии. Характерной особенностью периода является неспокойный электрический режим печи. Горящая между концом электрода и холодным металлом дуга нестабильна, ее длина невелика, и сравнительно небольшое изменение в положении электрода или метала, вызывают либо обрыв дуги, либо, наоборот, короткое замыкание. Дуга загорается сначала между концом электрода и поверхностью шихты, причем для повышения ее устойчивости в первые минуты под электрод обычно подкладывают куски кокса или электродного боя. После их сгорания металл начинает подплавлятся и каплями стекать на подину. В шихте образуются колодцы, в которые углубляется опускающийся электроды до тех пор, пока они не достигнут дна ванны, на которой к этому моменту образуется лужа расплавленного металла. Это самый беспокойный, неустойчивый период горения дуги; подплавляемые куски шихты падают на электрод, закарачивая дугу, если же они опускаются под торцом электрода, может наступить обрыв тока.
Рис. 1. Этапы плавление шихты.
а – начало плавления; б – опускание электрода, образование колодца;
в – начало подъема электрода; г – окончание плавления.
Горящая между электродом и расплавленном металлом дуга перегревает металл, начинается размыв и расплавление окружающей колодцы шихты. Колодцы расширяются, уровень жидкого металла в ванне начинает повышаться, а электроды – подниматься. В конце этого периода почти весь металл оказывается расплавленным, остаются лишь отдельные куски шихты на откосах ванны (настыли), расплавляющиеся последними. Период расплавления считают законченным, когда весь металл в печи перешел в жидкое состояние. К этому моменту режим горения дуги становится более спокойным, так как температура печи повышается: поверхность металла покрывается слоем шлака, длинна дуги по сравнению с началом расплавления увеличивается в несколько раз, дуга горит устойчивее, количество толчков тока и обрывов уменьшается.
Удаление примесей из металла начинается в конце периода расплавления и продолжается в периоды окисления и восстановления.
Вследствие сравнительно низкой температуры ванны в ней вначале интенсивно идут экзотермические реакции – окисление железа, кремния, марганца и фосфора (период окисления). Получающиеся окислы всплывают и образуют вместе с забрасываемой известью на поверхности металла шлак. В шлаке окислы кремния соединяются с закисью железа и марганца в силикаты железа и марганца, а оксиды фосфора образуют с закисью железа соединения, из которых закись железа вытесняется известью с образованием прочных фосфорно-кальциевых соединений. Так как для интенсивного проведения этих реакций окислов железа обычно не хватает, то во время расплавления металла или по окончанию его в ванну добавляют железную руду или вдувают кислород. При этом углерод металла восстанавливает руду, а образующаяся окись углерода всплывает пузырьками – происходит «кипение» ванны. Пузырьки окиси углерода интенсивно перемешивают металл, способствуя удалению из него газов. В этот период, кроме удаления из металла фосфора, происходит и выжигание углерода. Если в шихте недостаточно углерода для провидения кипа, то его добавляют в шихту забрасыванием чугуна, кокса, боя электродов.
Насыщенный окислами и силикатами железа и марганца, а также соединениями фосфора шлак частично спускают самотеком в период кипа через порог рабочего или загрузочного окна в шлаковницу. Оставшийся к окончанию окисления шлак «скачивают» из печи полностью, так как иначе в последующие периоды при подъеме температуры в ванне реакции могут пойти в обратную сторону, и фосфор из шлака начинает переходить в металл. На период скачивания шлака печь отключают, а электроды поднимают во избежание их поломки.
После скачивания шлака начинается восстановительный период, в течение которого металл освобождается от большей части серы. Металл раскисляют, например, ферросилицием и ферромарганцем и на его поверхность вновь заводят шлак; в печь забрасывают известь с добавлением флюса – плавильного шпата и шамота, а также восстановители – молотый кокс и ферросилиций. Веществом, связывающим серу, служит известь, но для того, чтобы реакция шла удовлетворительно, необходимо следующее:
1. Высокая температура металла, так как эта реакция эндотермична. Кроме того, высокая температура нужна для уменьшения вязкости металла и шлака, что повышает скорость диффузии сернистого железа в шлаке, где оно связывается известью.
2. Наличие в шлаке достаточного количества извести, обеспечивающего удаление серы из металла по уравнению FeS+CaO=FeO+CaS,и восстановителей, например углерода, восстанавливающего железо по уравнению FeO+C=Fe+CO. Обе эти реакции дают суммарную реакцию FeS+CaO+C=CaS+CO+Fe, являющуюся необратимой, так как CO в виде газа удаляется из шлака.
3. Наличие в печи восстановительной атмосферы, так как в окислительной атмосфере невозможно добиться удовлетворительного раскисления металла и шлака.
В конце плавки в металл вводят легирующие добавки, чтобы довести его состав до требуемого, окончательно раскисляют его, например, алюминием и приступают к разливке. Такой процесс носит название основной процесс с полным окислением.
В нашем случае восстановительный период меньше так как окончательный довод процентного содержание легирующих элементов производится в ковш – печи.