1 Методические указания к выполнению практической работы для студентов

1. К выполнению практической работы необходимо подготовиться до начала учебного занятия.

2. При подготовке к практической работе используйте рекомендованную литературу, предложенную в данных методических указаниях, конспекты лекций.

3. К выполнению работы допускаются студенты, освоившие необходимый теоретический материал.

4. Выполняя практические задания, пишите грамотно, четко и аккуратно в тетради для практических работ.

5. Если практическая работа не сдана в указанные сроки (до выполнения следующей практической работы) по неуважительной причине, оценка снижается.

2 Практическая работа № 1

Тема:	Расчет материального баланса электроплавки
Цель работы:	овладеть навыками расчета шихты для электроплавки. В результате выполнения практической работы студенты должны уметь: - подбирать и рассчитывать состав шихтовых материалов; - рассчитывать материальный баланс  выплавки черных металлов; - выполнять производственные и технологические расчеты; - работать с  технологической, конструкторской, организационно-распорядительной документацией, справочниками и другими информационными источниками; должны знать: - физико-химические свойства шихтовых материалов и топлива, поступающих в плавильные агрегаты; - физико-химические процессы, лежащие в основе процесса выплавки черных металлов; - основные технико-экономические показатели (ТЭП) производства стали;
Приборы, материалы и инструмент	Калькулятор
Порядок выполнения практической работы	1. Усвоить теоретический материал по темам: - Физико-химические процессы при производстве стали в электропечах. Сущность процесса выплавки стали в электрических печах. - Окислительные процессы, протекающие в электропечах. - Технология плавки в основной дуговой печи. Шихтовые материалы. Периоды плавки. Типы технологии электроплавки. Процессы шлакообразования, дефосфорации и десульфурации металла, окисление углерода по ходу плавки; раскисление и легирование 2 Ответить на контрольные вопросы для самопроверки. 3 Выполнить и записать задания практической работы в тетрадь по практическим занятиям. 4 Сдать выполненную практическую работу на проверку преподавателю

Теоретическая часть

В дуговых печах переменного тока в течение многих десятилетий выплавляли основную часть высококачественных легированных и высоколегированных сталей (сталей электропечного сортамента), которые было затруднительно либо невозможно выплавлять в конвертерах и мартеновских печах. Основные достоинства дуговых электропечей, позволяющие выплавлять такие стали, заключаются в возможности: а) быстро нагреть металл, благодаря чему в печь можно вводить большие количества легирующих добавок; б) иметь в печи восстановительную атмосферу и раскисленные шлаки (в восстановительный период плавки), что обеспечивает малый угар вводимых в печь легирующих элементов; в) более полно, чем в других агрегатах, раскислять металл, получая его с более низким содержанием оксидных неметаллических включений, а также получать сталь с более низким содержанием серы в связи с ее хорошим удалением в раскисленный шлак; г) плавно и точно регулировать температуру металла.

Стали электропечного сортамента выплавляют в печах вместимостью от 5 до 25—40 т с трансформаторами невысокой удельной мощности (200—400 кВ∙А/т) по традиционной технологии, предусматривающей после расплавления металла проведение окислительного и длительного (1—1,5 ч) восстановительного периодов. В 60-е годы с целью повышения производительности и технико-экономических показателей электросталеплавильного производства начали строить большегрузные (80—100 т и более) печи. В этих печах из-за малой эффективности восстановительного периода традиционная технология не обеспечивала требуемого высокого качества сталей электропечного сортамента и такие печи, в основном, используются для выплавки низко- и среднеуглеродистых сталей по упрощенной технологии без восстановительного периода. В последние годы сооружают высокомощные (удельная мощность печного трансформатора 600—900 кВ∙А/т) печи с водоохлаждаемыми сводом и стенками. Технология плавки в таких печах включает расплавление и короткий окислительный период, в течение которых происходит окисление углерода до заданного содержания, дефосфорация и нагрев металла, а затем металл выпускают в ковш, где методами внепечной обработки ведут процессы рафинирования, раскисления и легирования, обеспечивая получение стали заданных состава и свойств.

Доля электростали в общей выплавке стали в мире непрерывно растет.

Шихтовые материалы электроплавки. Основной составляющей шихты (75—100 %) электроплавки является стальной лом. Лом не должен содержать цветных металлов и должен иметь минимальное количество никеля и меди; желательно, чтобы содержание фосфора в ломе не превышало 0,05 %. При более высоком содержании фосфора продолжительность плавки возрастает. Лом должен быть тяжеловесным, чтобы обеспечивалась загрузка шихты в один прием (одной корзиной). При легковесном ломе после частичного расплавления первой порции шихты приходится вновь открывать печь и подсаживать шихту, что увеличивает продолжительность плавки.

В последние годы расширяется применение металлизованных окатышей и губчатого железа — продуктов прямого восстановления обогащенных железных руд. Отличительная особенность этого сырья — наличие углерода от 0,2—0,5 до 2 % и очень низкое содержание серы, фосфора, никеля, меди и других примесей, обычно имеющихся в стальном ломе. Это позволяет выплавлять сталь, отличающуюся повышенной чистотой от примесей.

Переплав отходов легированных сталей позволяет экономить дорогие ферросплавы. Поэтому эти отходы собирают и хранят рассортированными по химическому составу в отдельных закромах. Их используют при выплавке сталей, содержащих те же легирующие элементы, что и отходы.

Для повышения содержания углерода в шихте используют чугун, кокс и электродный бой. В качестве шлакообразующих в основных печах применяют известь, известняк, плавиковый шпат, боксит, шамотный бой; в кислых печах — кварцевый песок, шамотный бой, известь. В качестве окислителей используют железную руду, прокатную окалину, агломерат, железорудные окатыши, газообразный кислород.

Традиционная технология с восстановительным периодом.

Технологию плавки с окислительным и восстановительным периодами называют также двухшлаковой, а процесс плавки — двухшла-ковым, поскольку по ходу плавки вначале (периоды плавления и окислительный) в печи наводят окислительный шлак, то есть содержащий много оксидов железа, а затем его сливают и в восстановительном периоде наводят новый (второй) шлак, не содержащий оксидов железа. До недавнего времени (до широкого внедрения процессов внепечной обработки) плавка в электродуговых печах по этой технологии была единственным способом получения легированных высококачественных сталей и такие стали назывались сталями "электропечного сортамента". Высокое качество металла обеспечивалось за счет того, что в окислительном периоде создавались условия для удаления до очень низких содержаний фосфора и для дегазации металла (удаления растворенных водорода и азота за счет кипения ванны), а в восстановительном периоде — условия для получения низких содержаний кислорода и серы и соответственно оксидных и сульфидных неметаллических включений, а также для ввода в ме­талл легирующих добавок без их значительного угара.

Плавка состоит из периодов: 1)заправка печи; 2) загрузка шихты; 3) плавление; 4) окислительный период; 5) восстановительный период; 6) выпуск стали. На рис. 1 показан ряд выполняемых в процессе плавки операций.

Заправка заключается в том, что после выпуска плавки на поврежденные участки набивки пода или на всю ее поверхность забрасывают магнезитовый порошок (иногда порошок с добавкой пека или смолы), что позволяет поддерживать постоянной толщину изнашивающегося слоя набивки. Заправку ведут вручную и с помощью различных заправочных машин. Длительность заправки 10—20 мин.

Загрузка шихты. При выплавке стали в малых и средних печах шихта на 90-100 % состоит из стального лома. Чтобы совместить удаление части фосфора с плавлением шихты в завалку рекомендуется давать 2—3 % извести.

Рисунок 1 - Технологические операции электроплавки: а — заправка; б — загрузка шихты;

в — плавление; г — скачивание шлака; д — печь после расплавления шихты; е — выпуск стали; 1 — заправочная машина; 2 — загрузочная корзина; 3 — стальной лом; 4 — гребок для скачивания шлака; 5 — шлаковый ковш (чаша); 6 — сталеразливочный ковш

Загрузку шихты ведут с помощью корзины (бадьи). Ее вводят (см. Рис. 1, б) в открытую печь сверху и, раскрывая дно, высыпают шихту на подину печи. Загрузку всей шихты производят одной, а иногда двумя корзинами. В корзины шихту укладывают в следующей последовательности: на дно кладут часть мелочи, чтобы защитить подину от ударов тяжелых кусков лома, затем в центре укладывают крупный лом, а по периферии средний и сверху- оставшийся мелкий лом. Для уменьшения угара кокс и электродный бой кладут под слой крупного лома.

Плавление. После окончания завалки электроды опускают почти до касания с шихтой и включают ток. Под действием высокой температуры дуг шихта под электродами плавится, жидкий металл стекает вниз, накапливаясь в центральной части подины. Электроды постепенно опускаются, проплавляя в шихте "колодцы" (Рис. 1, в и Рис. 1, б) и достигая крайнего нижнего положения. Плавление ведут при максимальной мощности трансформатора. На печах вместимостью 25 т и более для ускорения плавления осуществляют вращение ванны. Когда электроды проплавят в шихте три "колодца", свод и электроды приподнимают, печь поворачивают сначала в одну сторону на 40°, проплавляют колодцы в новых местах, а затем поворачивают печь в другую сторону на 80°. Таким образом, проплавляют девять колодцев.

В период плавления необходимо обеспечить раннее образование шлака, предохраняющего металл от насыщения газами и науглероживания электродами. С этой целью, если в завалку не давали известь, в проплавляемые электродами ко­лодцы несколькими порциями присаживают известь (1—3 % от массы металла).

Во время плавления происходит окисление составляющих шихты, формируется шлак, происходит частичное удаление в шлак фосфора и серы. Окисление идет за счет кислорода воздуха, окалины и ржавчины, внесенных металлической шихтой. За время плавления полностью окисляется кремний, 40-60 % марганца, частично окисляется углерод и железо. В формировании шлака наряду с продуктами окисления (SiO₂, MnO, FeO) принимает участие оксид кальция извести. Шлак к концу периода плавления имеет примерно следующий состав, %: 35-40 СаО; 15-25 SiO₂; 8-15 MgO; 5-20 FeO; 5-10 MnO; 3—7 A1₂O₃; 0,5—1,2 P₂O₅.

Для ускорения плавления иногда применяют газокислородные горелки, вводимые в рабочее пространство через свод или стенки печи. За счет тепла, выделяющегося от сжигания газа, сокращается длительность плавления и расход электроэнергии (на 10—15 %). С этой же целью часто применяют продувку кислородом, вводимым в жидкий металл после расплавления 3/4 шихты с помощью фурм или стальных футерованных трубок. Окисление железа, а также марганца, кремния и других примесей металла газообразным кислородом протекает с выделением значительного количества тепла, которое ускоряет расплавление лома. При расходе кислорода 4—6 м³/т длительность плавления сокращается на 10—20 мин.

Продолжительность периода плавления определяется в первую очередь мощностью трансформатора.

Окислительный период. Задачи окислительного периода плавки:

а) уменьшить содержание в металле фосфора до 0,01—0,015 %;

б) уменьшить содержание в металле водорода и азота;

в) нагреть металл до температуры, близкой к температуре выпуска (на 120—130 °С выше температуры ликвидуса);

г) окислить углерод до нижнего предела его требуемого содержания в выплавляемой стали.

Особо важную роль в этом периоде играет процесс окисления углерода, поскольку с образующимися при этом пузырями СО удаляются растворенные в металле водород и азот, и пузыри вызывают перемешивание ванны, ускоряющее нагрев металла и удаление в шлак фосфора.

Окисление примесей ведут, используя либо железную руду (окалину), либо газообразный кислород.

Окислительный период начинается с того, что из печи сливают шлак, образовавшийся в период плавления. Шлак сливают, не выключая ток, наклонив печь в сторону рабочего окна на 10—12° (см. Рис. 1, г). Слив шлака производят для того, чтобы удалить из печи перешедший в шлак фосфор. Удалив шлак, в печь присаживают шлакообразующие: 1—1,5 % извести и при необходимости 0,15—0,25 % плавикового шпата, шамотного боя или боксита.

После сформирования жидкоподвижного шлака в ванну в течение всего окислительного периода вводят порциями железную руду с известью либо ведут продувку кислородом.

Кипение и перемешивание обеспечивают также ускорение выравнивания температуры металла и его нагрев. За время окислительного периода необходимо окислить углерода не менее 0,2—0,3 % при выплавке высокоуглеродистой стали (содержащей > 0,6 % С) и 0,3-0,4 % при выплавке средне- и низкоуглеродистой стали (нижний предел указанных значений относится к большегрузным печам).

Шлак в конце окислительного периода имеет примерно следующий состав, %: 35-50 СаО; 10-20 SiO₂; 4-12 МnО; 6-15 MgO; 3-7 А1₂О₃; 6-30 FeO; 2-6 Fe₂O₃; 0,4-1,5 Р₂О₅.

Окислительный период заканчивается тогда, когда углерод окислен до нижнего предела его содержания в выплавляемой марке стали, а содержание фосфора снижено до 0,010— 0,015 %. Период заканчивают сливом окислительного шлака, который производят путем наклона печи в сторону рабочего окна, а также вручную с помощью деревянных гребков, насаженных на длинные железные прутки. Полное скачивание окислительного шлака необходимо, чтобы содержащийся в нем фосфор не перешел обратно в металл во время восстановительного периода.

Восстановительный период. Задачами периода являются:

а)раскисление металла;

б)удаление серы;

в)доведение химического состава стали до заданного;

г) корректировка температуры.

Задачи решаются параллельно в течение всего восстановительного периода; раскисление металла производят одновременно осаждающим и диффузионным методами.

После удаления окислительного шлака в печь присаживают ферромарганец в количестве, необходимом для обеспечения содержания марганца в металле на его нижнем пределе для выплавляемой стали, а также ферросилиций из расчета введения в металл 0,10—0,15 % кремния и алюминий в количестве 0,03—0,1 %. Эти добавки вводят для обеспечения осаждающего раскисления металла.

Далее наводят шлак, вводя в печь известь, плавиковый шпат и шамотный бой в соотношении 5:1:1 в количестве 2—4 % от массы металла. Через 10—15 мин шлаковая смесь расплавляется, и после образования жидкоподвижного шлака приступают к диффузионному раскислению ванны. Первые 15—20 мин в качестве раскислителя в этой смеси используют молотый кокс (углерод), далее вместо него молотый ферросилиций. На некоторых марках стали в конце восстановительного периода в состав раскислительной смеси вводят более сильные раскислители — молотый силикокальций и порошкообразный алюминий.

По мере диффузионного раскисления постепенно уменьшается содержание FeO в шлаке и пробы застывшего шлака светлеют, а затем становятся почти белыми. Белый шлак конца восстановительного периода имеет следующий состав, %: 53-60 СаО; 15-25 SiO₂; 7-15 MgO; 5-8 А1₂0₃; 5-10 CaF₂; 0,8-1,5 CaS; < 0,5 FeO; < 0,5 MnO.

По ходу плавки контролируют изменение состава металла и шлака, измеряют температуру металла. Выпуск стали из печи в ковш производят совместно со шлаком. Интенсивное перемешивание металла со шлаком в ковше обеспечивает дополнительное рафинирование — из металла в белый шлак переходят сера и неметаллические включения.

Иногда восстановительный период проводят не под белым, а под карбидным шлаком, который отличается от белого наличием карбида кальция (СаС₂) и более высокой основностью.

Выплавка стали методом переплава. На металлургическом заводе отходы легированной стали, разливаемой в изложницы, достигают 25—40 %. По мере накопления из этих отходов выплавляют сталь методом переплава. Плавку ведут без окисления (без окислительного периода) или с непродолжительной продувкой кислородом, что позволяет сохранить значительную часть содержащихся в отходах ценных легирующих элементов.

При выплавке методом переплава сокращается расход ферросплавов, на 10—30 % возрастает производительность печи, на 10—20 % сокращается расход электроэнергии и электродов.

Описанная выше традиционная технология электроплавки с длительным (до 1,5 ч) восстановительным периодом применялась в течение десятилетий, однако опыт эксплуатации сооружаемых в последние годы большегрузных печей показал, что применение традиционной технологии не обеспечивает получения в этих печах сталей электропечного сортамента высокого качества.

Технологию выплавки под одним шлаком без восстановительного периода применяют для выплавки сталей упрощенного сортамента. Обычно это углеродистые и низколегированные стали с легированием хромом, кремнием, марганцем, никелем. Технология одношлакового процесса позволяет сократить длительность плавки, расход электроэнергии, огнеупоров и шлакообразующих.