Плавка чугуна в дуговых печах

Схема и принцип действия трехфазной дуговой

печи

В чугунолитейном производстве и при выплавке стали исполь­зуются одинаковые по конструкции трехфазные дуговые печи емкостью от 0,5 до 75 т. Печи этого типа, выпускаемые отече­ственной промышленностью, маркируются буквенным шифром ДСП, что означает «дуговая сталеплавильная печь», далее после тире указывается номинальная емкость печи в тоннах. Например, ДСП-12, ДСП-50 и т.д.

Через свод 1 печи (рис. 11.1) проходят три графитовых элект­рода 2, расположенные равномерно вокруг вертикальной оси печи. Между каждой парой электродов горит дуга прямого действия, замыкающаяся через металл. Печи имеют автоматическую систе­му перемещения электродов, поддерживающую заданную длину дуги в каждой из фаз.

- Рис. ц.1. Схема трехфазной ЭДП

1 - свод; 2 - электроды; 3 - рабочее окно; 4 — выпускное окно

Расход электродов составляет 5... 7 кг/т чугуна. Электроды диа­метром до 550 мм и длиной 1000... 1800 мм имеют резьбовые от­верстия в торцах. По мере сгорания нижних частей электродов, их наращивают, для чего в верхнюю часть работающего электрода ввинчивают соединительный графитовый ниппель, а на него на­винчивают новый электрод.

Температура дуги (около 6000 °С) определяет важнейшие до­стоинства и недостатки печи. Расход электроэнергии на плавку чугуна зависит от ем­кости печи и составляет от 450 до 1000 кВт-ч/т чугуна. Удельная мощность ЭДП — от 200 до 700 кВт/т загрузки печи позволяет завершить плавку за 2... 1ч соответ­ственно. Загрузку печей ма­лой емкости ведут через ра­бочее окно 3. Печи большой емкости загружают сверху, ДЛЯ чего свод приподнима: ется иповорачивается в сторону

Для слива шлака печь наклоняют в сторону рабочего окна, а для выпуска металла — в сторону выпускного отверстия 4. Футе­ровка печей может быть как кислой, так и основной. Футеровка свода выдерживает не более 200 плавок. Это объясняется тем, что на протяжении всей плавки именно свод испытывает непосред­ственное воздействие излучения дуги, тогда как под печи подвер­жен воздействию дуги в значительно меньшей степени (как гово­рят плавильщики «охлаждается жидким металлом»). Стойкость фу­теровки пода дуговой печи при качественной его подварке перед каждой плавкой достигает 5000 плавок. Поэтому рядом с действу­ющей ЭДП обычно держат запасной свод.

11.2. Технология плавки

Загрузка шихтовых материалов в печь. Операция загрузки должна быть по возможности быстрой для того, чтобы не допустить охлажде­ния печи. Вначале на подину следует загрузить 75 % науглероживате­ля, 50 % мелкой шихты, затем чугунную часть шихты, стальной лом и оставшуюся мелочь. Крупные куски стремятся расположить под элек­троды. Это обеспечивает заполнение мелочью промежутков между крупными кусками шихты, компактность ее укладки и, как следствие, стабильность горения дуги. Важно отметить, что в дуговой печи мож­но использовать любую по физическому состоянию шихту — мелкую легковесную, крупную плохо разделанную, т. е. самую дешевую. В первич­ную садку печи вводят основную часть никеля, кобальта, ферромо­либдена и феррофосфора, которые усваиваются без угара. _t

Расплавление. Данный этап плавки проводится путем проплав- ления глубоких «колодцев» под электродами. В этот период печь работает с максимальным КПД (около 85 %), так как излучение дуги экранируется стенками «колодца» и воздействует только на шихту и торцы электродов. Однако этот период сопровождается треском, грохотом интенсивностью до 100 дБ. Шихта вокруг колод­цев зачастую самопроизвольно обрушивается вниз, ломая элект­роды. Выделение мелкодисперсных твердых частиц, образующихся при разрушении электродов, настолько значительно, что для предотвра­щения загрязнения ими атмосферы цеха применяется интенсивная вытяжка газов из рабочего пространства печи. Создание разреже­ния в рабочем пространстве печи приводит к подсосу воздуха из атмосферы цеха и, как следствие, к созданию окислительной ат­мосферы в печи. В связи с этим угар элементов в трехфазных дуго­вых печах при соблюдении современных санитарных норм в рабочей зоне практически равен угару в вагранке.

Для очистки печных газов до уровня современных экологичес­ких норм требуются громоздкие, энергоемкие сооружения. Так, на КамАЗе мощность электроприводов очистных сооружений со­ставляла около 3 % мощности плавильных печей.

При появлении жидкого металла приступают к наведению шлака. В кислых печах для этого добавляют сухой кварцевый песок (до 2 %) и известь или известняк (до 10 и до 20 % соответственно от массы песка).

Для наведения основного шлака добавляют около 3 % извест­няка от массы шихты.

Плавка в дуговых печах характеризуется повышенным раство­рением в жидком металле водорода и азота. Это объясняется тем, что в зоне горения дуги эти газы существуют в атомарном и час­тично ионизированном состоянии.

В течение всего процесса плавки следует не допускать «закипа­ния» ванны металла, протекающего по эндотермической реакции:

[FeO] + [С] = [Fe] + {СО} - q.

Для этого в шлак периодически добавляют науглероживатель (электродный бой, древесный уголь и др.). Раскисление шлака при­водит к раскислению металла, вследствие чего реакция кипения развития не получает.

За 10... 15 мин до полного расплавления мощность, подводи­мую к печи, сокращают во избежание перегрева и оплавления стен и свода печи открытой дугой. После полного расплавления берут пробу на химический анализ и отливают клин на отбел.

Перегрев металла. Процесс перегрева происходит быстро (10... 15°С/мин), но неравномерно — под электродами темпера­тура существенно выше, чем у откосов печи. Для выравнивания температуры и химического состава металла по объему ванны в печах емкостью более 20 т часто применяют электромагнитное перемешивание. В этот период плавки значительная часть энер­гии, излучаемой дугой, передается своду и стенкам печи, поэто­му КПД снижается, составляя 5... 20 %. Для уменьшения тепловой нагрузки на свод и стены печи нередко заглубляют электричес­кую дугу в жидкий металл. Глубина жидкого колодца приблизи­тельно равна диаметру электрода. После достижения заданной тем­пературы перегрева скачивают шлак, добавляют оставшуюся часть науглероживателя и наводят новый шлак.

Доводка металла по химическому составу. Для усвоения наугле­роживателя в печах, не имеющих устройств электромагнитного перемешивания, требуется увеличение продолжительности плавки по сравнению с печами с электромагнитным перемешиванием. Поэтому, например, плавка синтетического чугуна (синтез железа из расплавленного стального лома с углеродом науглероживателя и легирующими элементами ферросплавов) требует повышенного (на 100... 200 кВт-ч/т чугуна) расхода электроэнергии на плавку.

По результатам первого экспресс-анализа корректируют хими­ческий состав металла. Расход вводимых корректирующих добавок определяют по данным табл. 11.1.

Расход корректирующих добавок

Требуемое изменение химического состава чугуна	Вводимый компонент	Расход компонента на 1 т жидкого металла, кг
		Кислая футеровка	Основная и нейтральная футеровки
Увеличение углерода на 0,1%	Электродный бой Графитовая стружка Графит гранулированный Графитизированная коксовая мелочь (или коксовый орешек)	1,35 1,35 1,35 1,4	1,25 1,25 1,25 1,3
Увеличение кремния на 0,1 %	Ферросилиций ФС45 Ферросилиций ФС75	2,4 1,35	2,75 1,6
Увеличение марганца на 0,1 %	Ферромарганец (78 % Мп)	1,3	1,25
Увеличение олова на 0,1%	Олово (100 % Sn)	1,00	1,00
Увеличение хрома на 0,1%	Феррохром (65 % Сг)	1,55	1,50
Уменьшение углерода на 0,1 %	Стальные отходы + + ферросилиций ФС75	30 +0,7	0
Уменьшение кремния на 0,1 %	Стальные отходы + + графит гранулированный, электродный бой, стружка или графитизированная коксовая мелочь (или коксовый орешек)	60 +1,9 или 2,1	60 +1,7 или 1,9

Если содержание углерода оказалось выше заданного, вводят стальные отходы для разбавления расплава. Учитывая, что при этом происходит уменьшение концентрации кремния, одновременно со сталью добавляют ферросилиций. Аналогично снижают содер­жание кремния, если оно оказалось завышенным.

Последовательность ввода ферросплавов и их количество уста­навливают в зависимости от сродства каждого легирующего эле­мента к кислороду, с учетом закономерностей угара в кислых и основных печах.

В кислых печах присадку, например, ферросилиция можно проводить в любое время, так как угара кремния в кислых дуговых печах практически не происходит. Феррохром и ферромарганец вводят ближе к концу плавки. Титан легко окисляется как в кис­лой, так и в основной печи, поэтому его вводят непосредственно перед выпуском металла. Для лучшего усвоения куски ферротита- на, имеющие малую плотность, необходимо «притапливать» в жидкий металл стальными прутками.

В основных печах угар кремния возрастает, поэтому ферроси­лиций вводят ближе к концу плавки.

Важнейшим достоинством дуговых печей для плавки чугуна явля­ется возможность наиболее полного удаления серы в печах с основ­ной футеровкой. Это объясняется тем, что в дуговых печах суще­ствуют наилучшие технологические возможности реализации ус­ловий успешного протекания процесса десульфурации:

• высокая температура дуги позволяет проводить плавку при максимальной основности шлака и при сохранении его хорошей текучести и активности;

• высокотемпературный режим плавки обеспечивает высокую активность углерода как восстановителя, а следовательно, и низ­кую окисленность металла и шлака.

В результате этого в чугуне, выплавленном в дуговой печи с основной футеровкой, содержание серы удается снизить до 0,010...0,03 %, что позволяет получать современные высокопроч­ные чугуны с шаровидным графитом.

Выпуск и раздача металла. Дуговая печь — это печь периоди­ческого действия, и для согласования ее работы с поточно-ме- ханизированными и автоматическими формовочными линиями непрерывного действия требуются раздаточные печи, так как ис­пользование плавильной печи в режиме раздачи металла нера­ционально. Объясняется это тем, что, во-первых, в период раз­дачи металла из печи мощность, необходимая для поддержания температуры в печи, составляет не более 1/10 номинальной мощ­ности ее трансформатора, и, во-вторых, продолжительность пе­риода раздачи часто сопоставима с продолжительностью плав­ки, поэтому средний коэффициент загрузки трансформатора оказывается не выше 0,5, что резко снижает экономические по­казатели плавки. Поэтому на КамАЗе металл, выплавленный в 50-тонной дуговой плавильной печи мощностью 35000 кВт, пе­реливают в раздаточную 75-тонной дуговую печь мощностью 4000 кВт. Печи не имеют устройств электромагнитного переме­шивания, усреднение химического состава и выравнивание тем­пературы достигается только при переливах металла из плавиль­ной в раздаточную печь.

В литейном цехе ВАЗа чугун, выплавленный в дуговой печи емкостью 40 т, переливают в две индукционные тигельные печи емкостью по 20 т, из которых далее он поступает на заливку.

В настоящее время наибольшее распространение в качестве мик­серов и раздаточных печей получили индукционные канальные печи (ИЧКМ). Схемы и принцип действия индукционных печей (в том числе и канальных) будут изложены ниже в подразд. 12.8.