книги из ГПНТБ / Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие

Первым современным способом производства стали был процесс, предложенный в 1856 г. Генри Бессемером и вызвавший революцион­ ный переворот в промышленности и железнодорожном строительстве. Бессемеровский процесс впервые позволил получать жидкую сталь из чугуна, причем в течение очень короткого времени.

Вбессемеровском процессе окисление примесей осуществляется

вконвертере путем продувки жидкого чугуна воздухом. Вследствие очень интенсивного протекания процесса и быстрого завершения плавки (10—20 мин) тепловые потери не велики и тепла, выделяю­ щегося в результате окисления примесей, достаточно для нагрева стали до 1600° С.

В1864 г. Пьер Мартен, применив регенерацию тепла, построил первую печь, которая позволяла не только получать жидкую сталь

из чугуна, но и переплавлять стальной лом.

В своем первоначальном виде ни конвертерный, ни мартеновский процессы, будучи кислыми процессами, не обеспечивали удаления фосфора и серы из металла, что ограничивало их применение. Этот недостаток был преодолен в 1879 г., когда С. Томас (вместе с братом П. Джилкристом) положил начало выплавке стали основным про­ цессом, предложив футеровать конвертер доломитом (томасовский процесс).

Основной процесс выплавки стали в томасовских конвертерах и мартеновских печах весьма расширил возможности сталеплавиль­ ного производства, объем продукции которого нарастал огромными темпами.

Одновременно с возникновением основных сталеплавильных про­ цессов появились первые электросталеплавильные печи. Способ выплавки стали в электрических печах был запатентован еще в 1853 г. Пишоном (Франция), который разработал конструкцию дуговой печи косвенного действия, т. е. с дугами, горящими между электро­ дами над металлической ванной. Позднее (1879 г.) Сименс создал печь прямого действия, в которой одним из полюсов электрической дуги являлась металлическая ванна.

Однако прототипом современных сталеплавильных дуговых пе­ чей явилась лишь печь прямого действия с двумя электродами, под­ водимыми к металлической ванне, изобретенная Геру в 1899 г. Ток между электродами при этом замыкался через ванну, а дуга горела между каждым из электродов и металлом, или частично покры­ вающим его шлаком.

Первые дуговые п„ечи типа Геру с двумя электродами были маломощными. Они работали при напряжении 45 В и силе тока 2—3 кА на жидкой шихте, и использование их для ведения плавки на твердой завалке вызывало значительные трудности. Совершен­ ствование таких печей осложнялось применением постоянного тока.

Толчком к дальнейшему развитию электрометаллургии стали послужило применение переменного тока. Особая заслуга в этом принадлежит создателю техники трехфазного тока русскому уче- ному-электротехнику М. О. Доливо-Добровольскому.

И

Первая трехфазная дуговая печь была установлена в 1910 г. в Макеевке (Донбасс). Вскоре такие печи были построены в Герма­

нии, Франции и других странах.

Широкие возможности в выборе шихты, неограниченный сорта­ мент выплавляемой стали и высокое ее качество, легкость регули­ рования тепловых процессов, маневренность в последовательности плавок определили распространение трехфазных дуговых печей, которые заняли важное место в сталеплавильном производстве. В последующие после появления годы трехфазные дуговые печи были в значительной мере усовершенствованы, и в настоящее время они представляют собой крупные легко управляемые и широко авто­

матизированные агрегаты.

Коренные изменения дуговая печь претерпела в шестидесятых годах. Вследствие повышения мощности трансформатора, совершен­ ствования электрического и технологического режимов плавки про­ изводительность дуговых печей в этот период возросла в 2—4 раза по сравнению с производительностью печей аналогичной емкости, применявшихся в 1950— 1960 гг. Появилась возможность довести производительность крупных дуговых печей до 100 т/ч.

Увеличение емкости печей и повышение мощности трансформато­ ров (до 500—900 кВА/т) обеспечили значительное улучшение техникоэкономических показателей электросталеплавильного производства

иопределили основные направления его дальнейшего развития. Применение мощных трансформаторов дает значительное повы­

шение производительности лишь при эффективном использовании этой мощности. Поэтому при переходе на мощные трансформаторы разрабатывалась новая технология плавки, предусматривающая сок­ ращение до минимума восстановительного периода, когда электри­ ческая мощность используется неэффективно. Разрабатывались ме­ тоды внепечного рафинирования. Повышение производительности дуговых печей и улучшение технико-экономических показателей их работы стимулировали интенсивное развитие электросталепла­ вильного производства.

На рубеже XIX и XX веков появились и другие электропечи для плавки стали — индукционные .печи. Липшая дуюмышленная индукционная печь с железным сердечником была, по-видимому, установлена в Гизинге (Швеция) в 1900 г. Затем индукционные печй с железным сердечником и кольцевым плавильным каналом стали применять на некоторых других заводах. Однако для плавки стали они распространения не получили. С 1925 г. в промышленности начали применять индукционные печи без сердечника.

Индукционная печь явилась первым сталеплавильным агрегатом, использованным для вакуумирования стали.

Вакуумная индукционная печь впервые была применена Роном в 1920 г. Однако тогда она не получила распространения вследствие высокого остаточного давления 267—800 Н/м2 (2—6 мм рт. ст.), плохих технико-экономических показателей, отсутствия особой пот

требности в ней. Такая печь нашла применение лишь в лабораторг ной практике.

12

РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИИ СТАЛИ В СССР

Сталеплавильное производство СССР вскоре после окончания Великой Отечественной воины заняло одно из ведущих положений в мире и в юбилейном году полувекового существования Советского государства перешагнуло 100-миллионный рубеж выплавки стали. Большие достижения советских металлургов заложили основы

В 1913 г. наша страна произвела 4,2 млн. т стали. По производ­ ству черных металлов Россия занимала 5-е место в мире, значительно уступая передовым промышленно развитым странам. США в указан­ ном выше году выплавили 31,8 млн. т стали (т. е. в 7,6 раза больше, чем в России), Германия 17,1 млн. т (в 4 раза больше).

Особенно сильно Россия отставала в развитии электрометаллур­ гии. До революции в ней было лишь 12 электросталеплавильных печей иностранного производства общей емкостью 26 т и в 1913 г. было выплавлено всего 3,5 тыс. т электростали. Ферросплавного производства по существу не было, и выплавка легированных сталей возможна была лишь с использованием импортных ферросплавов. Отечественное годовое производство ферросплавов составляло всего около 500 т ферросилиция. Но даже не с этого начинала свое развитие молодая советская металлургия.

Во время гражданской войны черная металлургия нашей страны была по существу полностью разрушена, так как вооруженная борьба происходила в главных металлургических районах страны — на Юге и Урале. В то время как продукция всей промышленности в 1920 г. составляла 13,8% от продукции в 1913 г., продукция чер­ ной металлургии составляла лишь 4,696. В 1920 г. в нашей стране было выплавлено всего 194 тыс. т стали, что и явилось исходным рубежом развития советской металлургии. Победно завершив граж­ данскую войну, советский народ активно взялся за восстановление разрушенной промышленности, в том числе и металлургии.

Теперь, располагая передовой мощной металлургией, трудно оценить как будто скромные успехи в развитии производства в пер­ вые годы становления Советской власти. А между тем успехи эти были поистине грандиозными, так как достигнуты они были в усло­ виях полной разрухи, отсутствия даже примитивной механизации, при полуголодном или голодном пайке и в холоде, наконец, при большой нехватке специалистов. Но энтузиазм народа, его пренебре­ жение всеми трудностями ради великой цели победили.

За восемь лет черная металлургия в нашей стране была в основ­ ном восстановлена, и в 1928 г. был достигнут довоенный уровень производства стали — 4,2 млн. т. При этом выплавка электростали значительно превысила довоенный уровень и составила 11 тыс. т. Крупнейшим производителем такой стали был завод «Электросталь»

14

(г. Электросталь, Московской области). В 1925— 1926 гг. на заводе «Электросила» (г. Харьков) были спроектированы и построены две первые в нашей стране дуговые печи емкостью по 250 кг, положившие начало производству отечественных дуговых печей для выплавки стали.

С 1929 г. советский народ приступил к выполнению своих гран­ диозных пятилеток развития народного хозяйства страны. Быстрыми темпами развивалась промышленность нашей страны, в том числе сталеплавильное производство. В 1940 г. в СССР было произведено 18,3 млн. т стали, из которых 1,08 млн. т было выплавлено в электри­ ческих печах.

Были построены крупные по тому времени электросталейлавильные Цехи на заводах «Электросталь» и «Днепроспецсталь», Златоустов­ ском и Верх-Исетском металлургических заводах. Общая емкость электропечей в 1940 г. составила 1500 т.

Совершенствовалась конструкция сталеплавильных электро­ печей.

В 1932 г. были построены первые в СССР 5-т печи с откатным сводом, в 1940 г. ■— первые 30-т дуговые печи.

В 1930 г. начала работать первая электропечь для выплавки феррохрома на Челябинском заводе ферросплавов (ныне Челябин­ ский электрометаллургический комбинат). Вскоре свою продукцию стали давать ферросплавные печи Запорожского и Зестафонского заводов ферросплавов.

К 1940 г. сталеплавильное производство нашей страны было полностью обеспечено отечественными ферросплавами.

Большая работа, проводимая советскими металлургами для уве­ личения объема и совершенствования сталеплавильного и ферро­ сплавного производств, была нарушена в 1941 г. вторжением немецкофашистских орд, захвативших территорию, где до войны произво­ дили 58% всей отечественной стали. Необходимо было строить и на­ лаживать работу новых заводов, частично перебазированных с за­ пада, а также улучшать работу старых заводов. Необходимо было также на 80—90% перестроить сортамент продукции применительно к нуждам обороны страны. С этой задачей металлурги справились и обеспечили фронт металлом. На Востоке страны производство стали возросло на 56%.

В тяжелые годы Великой Отечественной войны был построен ряд предприятий электрометаллургии стали и ферросплавов. В 1943 г. дал первый металл фронту электросталеплавильный цех Челябин­ ского металлургического завода. В 1942:—1943 гг. начали работать три новых завода ферросплавов — Актюбинский, Ключевской и Куз­ нецкий.

На оккупированной территории фашистские захватчики нанесли огромные разрушения металлургическим заводам. По сравнению с 1940 г. производство стали упало в 1945 г. с 18,3 до 12,2 млн. т при значительном росте производства стали на Востоке страны. Но уже в 1948 г. был достигнут довоенный уровень производства стали и проката.-

15

В последующие годы черная металлургия СССР и, в частности, электрометаллургия развивались особенно быстрыми темпами. Строи­ лись новые плавильные агрегаты, совершенствовались техника и технология производства. На ряде заводов были построены электро­ сталеплавильные цехи с крупными печами (100—200 т).

В пятидесятых годах в практику электроплавки начали внед­ рять интенсификацию процесса кислородом и в 1970 г. доля выплавки электростали с применением кислорода превысила 80%.

В практику электросталеплавильного производства были внед­ рены новые способы улучшения качества металла: обработка ме­ талла синтетическим шлаком, технология которого разработана Центральным научно-исследовательским институтом черной метал­ лургии им. И. П. Бардина (1963 г.), и электрошлаковый переплав (1952— 1953 гг.). Широкое применение получили внепечное вакуу­ мирование жидкой стали, плавка стали и сплавов в вакуумных индук­ ционных печах, вакуумный дуговой переплав.

Вферросплавном производстве совершенствовалась технология

ибыла освоена выплавка новых сплавов для сталеплавильного

производства. К 1970 г. производство ферросплавов по сравнению с 1950 г. возросло в 5 раз.

ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ — ПРОЦЕСС БУДУЩЕГО

Основными путями быстрого и экономичного повышения про­ изводства стали является развитие кислородно-конвертерного про­ цесса и электрометаллургии. Кислородно-конвертерный передел требует значительного расхода чугуна и потребляет мало металли­ ческого лома (до 20—30%), а электроплавка стали позволяет пере­ делывать значительное количество металлического лома. Поэтому по характеру применяемой шихты эти два процесса дополняют один другой.

Развитие электрометаллургии позволяет решить и другую важ­ ную проблему — значительное улучшение качества стали.

Электрометаллургический процесс наряду с кислородно-конвер­ терным процессом является наиболее перспективным способом про­ изводства стали. Особые преимущества производства стали в электри­ ческих печах, мало требовательных к качеству шихты и обеспечи­ вающих получение стали любого состава, проявляются с понижением стоимости электроэнергии, и поэтому электрометаллургию, учиты­ вая развитие атомной энергетики, можно назвать процессом буду­ щего. Такой процесс в будущем хорошо впишется и в общий цикл металлургического производства в связи с развитием процессов пря­ мого восстановления железа из руд с получением железной губки (90 95% Fe), которую можно переплавлять в электрических печах. Вследствие дефицита коксующихся углей схема прямое получение восстановленного железа — плавка в электросталеплавилы-юй печи, не требующая применения доменных печей, при определенных усло­ виях выгоднее схемы доменная печь — кислородный конвертер. Поэтому к концу нашего века она получит широкое применение,

15

что приведет к увеличению доли электрометаллургии в сталеплавиль­ ном производстве.

К концу XX в. электросталеплавнльное производство займет важное место в производстве стали. В электрических печах будет, по-видимому, выплавляться более 40% всей стали.

Но и теперь уже наблюдается существенное увеличение произ­ водства электростали и ее доли в общем производстве стали (рис. 1).

Расширяется и сортамент стали, выплавляемой в электрических печах.

К началу войны с фашистской Германией в электрических печах выплавляли преимущественно нержавеющие и некоторые специаль­

этом увеличение производства электростали во много раз превос­ ходило общее увеличение производства стали. Оно происходило не только в результате введения новых сталеплавильных мощно­ стей, но и вследствие замены в этих странах ряда мартеновских

интенсивного развития кислородно-конвертерного процесса. Но выплавка электростали в этой стране в шестидесятых годах увели­ чилась более-чем в три раза.

В СССР производство электростали в 1960— 1969 гг. увеличилось с 5,8 до 11,6 млн. т, а доля электростали в общем объеме производства стали возросла с 8,9 до 9,4%.

В ближайшие годы значительно возрастет не только общее про­ изводство электростали в нашей стране, но и доля ее в общем про­

одновременно с ростом выплавки стали в |шелороДных конвертерах.

* В числителе — тыс. т., в знаменателе — % от всей выплавки стали в стране.

Небольшой расход металлического лома, характерный для кислородно­ конвертерного процесса, будет способствовать появлению избытка

за счет уменьшения стоимости электроэнергии и применяемой шихты, совершенствование конструкции электрических печей и технологии плавки, улучшение качества металла обеспечат дальнейшее интен­ сивное развитие электрометаллургии стали.

Ч А С Т Ь l

ПРОИЗВОДСТВО СТАИИ

Раздел I

ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ

Глава 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

ЗНАЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ В МЕТАЛЛУРГИИ

даря ряду принципиальных особенностей этот способ как ни один другой приспособлен для получения разнообразного по составу высококачественного металла с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и других вредных или нежелательных примесей и высоким содержанием легирующих элементов — хрома, никеля, марганца, кремния, молибдена, вольфрама, ванадия, титана, циркония и дру­ гих, придающих стали особые физические свойства.

Преимущества электроплавки по сравнению с другими спосо­ бами сталеплавильного производства связаны главным образом с использованием для нагрева металла электрической энергии. Выделение тепла в электропечах происходит либо в самом нагревае­ мом металле, либо в непосредственной близости от его поверхности. Это позволяет в сравнительно небольшом объеме сконцентрировать большую мощность и нагревать металл с большой скоростью до высоких температур, в отдельных случаях вплоть до температуры кипения. Расход тепла и изменение температуры металла при электро­ плавке довольно легко поддаются контролю и регулированию.

В отличие от мартеновского и конвертерного процессов выделе­ ние тепла в электропечах не связано с потреблением окислителя. Поэтому электроплавка может быть осуществлена в лщбой атмо­ сфере — окислительной, восстановительной или нейтральной, и в широком диапазоне давлений — в условиях вакуума, при атмо­ сферном или избыточном давлении. Изменяя состав атмосферы и давление газовой фазы, можно менять в нужную сторону условия протекания окислительно-восстановительных процессов, произво­ дить по ходу плавки вакуумирование металла или насыщать его тем или иным элементом из газовой фазы.

Лучше других агрегатов электропечь приспособлена и для пере­ работки металлического лома. Вся шихта в электропечь может быть загружена в один или два приема, причем твердой шихтой может быть занят весь объем печи, и это не вызовет затруднений в ее рас­ плавлении. Период плавления в электропечах значительно короче, чем в мартеновских печах, работающих скрап-процессом.

В электропечах легко выплавлять сталь из восстановленного железа, которое можно загружать в один-два приема или непрерывно подавать в печь с помощью дозирующих устройств, контролируе­ мых электронными вычислительными машинами. В электропечах легко использовать энергию атомных электростанций, что в недале­ ком будущем будет иметь важное значение. Работа электрических печей легко поддается автоматизации. Следовательно, электропечи — это агрегаты, соответствующие высокоавтоматизированным заводам

будущего.

Недостатками электропечей по сравнению с кислородными кон­ вертерами являются меньшая производительность при одинаковой емкости и трудность передела больших количеств жидкого чугуна.

В электропечах выплавляют сталь обширного сортамента, но печи разного типа и емкости специализируют на выплавку стали сравнительно небольшого круга марок. Разная потребность народ­ ного хозяйства в металле определенного назначения и существую­ щие технические и экономические возможности развития электросталеплавпльного производства определяют различные темпы уве­ личения выплавки металла того или иного назначения.

1) металл для мелкого стального и чугунного литья. Его выпла­ вляют в индукционных и дуговых печах малой емкости преимуще­ ственно с кислой футеровкой, установленных на машиностроитель­ ных заводах илн в литейных цехах металлургических заводов;

2)инструментальная и специальная сталь высокого качества, которая производится в основном в цехах с дуговыми печами малой (5— 15 т) емкости;

3)конструкционная легированная сталь и сталь других анало­ гичных марок, выплавляемая в средних и крупных дуговых печах емкостью до 100 т;

4)рядовая сталь общего назначения, выплавляемая в крупных дуговых печах емкостью 100 т и более;

5)сталь и сплавы с особыми свойствами специального назначе­ ния. Металл выплавляется или подвергается рафинирующему пере­

плаву в специальных сталеплавильных агрегатах — вакуумных и плазменных печах, электронных плавильных установках, уста­ новках электрошлакового переплава.

Первые три группы составляют традиционный электропечной сортамент. Существующие мощности в основном обеспечивают по­ требности народного хозяйства в таком металле. Но часть металла третьей группы в нашей стране выплавляется в мартеновских печах, хотя его целесообразнее выплавлять в электропечах. Исходя из этого следует ожидать постепенного (по мере увеличения потреб­ ности) роста производства металла этих групп с более быстрым увеличением выплавки в электропечах металла третьей группы. Соответственно более быстро будут наращиваться мощности группы сравнительно крупных (до 100 т) электропечей.

20