книги из ГПНТБ / Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие

ПОДГОТОВКА ПЕЧИ К ПЛАВКЕ

Огнеупорная футеровка печи изнашивается и для поддержания ее в рабочем состоянии необходимо регулярно ремонтировать наи­ более пострадавшие участки ее. Поэтому после каждой плавки печь тщательно осматривают,, подину прощупывают железным штырем, выявляют все поврежденные места и принимают меры по устранению обнаруженных разрушений.

Сразу же после выпуска плавки печь необходимо очистить от остатков шлака и металла. Систематическое накопление остатков шлака на подине приводит к ее зарастанию и уменьшению объема

печь нельзя наклонять для схода шлака самотеком) п увеличивает опасность прорыва металла через откосы или порог рабочего окна. Кроме того, шлак, смешиваясь с заправочными материалами, пони­ жает их огнеупорность и способствует размягчению футеровки при высоких температурах.

Наличие остатков металла на подине также недопустимо, особенно при переходе на выплавку стали другой марки или при плохом состоя­ нии подины. В случае смены марки выплавляемой стали остатки металла могут явиться причиной непопадания в заданный состав металла, например по никелю, хрому, молибдену и т. д. Наличие остатков не дает также возможности проводить качественный ре­ монт подины, так как оно препятствует свариванию заправочных материалов с футеровкой. После расплавления металла заправочный материал всплывает, и это приводит к загущению шлака и дальней­ шему разрушению подины.

При значительных повреждениях подины, когда удаление остат­ ков металла становится затруднительным, следует очистить задний откос, заправить его и наклонить печь в сторону разливочного про­ лета.

После застывания металла на заднем откосе печь необходимо поставить в нормальное положение и приступить к очистке. После заправки печи удаляют замороженный металл.

Остатки шлака и металла удаляют металлическими скребками вручную. Это очень тяжелая операция, тем более, что ее выполняют под прямым тепловым излучением футеровки и по возможности быстро, пока шлак и металл не застыли, а футеровка достаточно разогрета для сваривания с заправочным материалом.

В печи сохраняется меньше остатков шлака и металла, если футеровка постоянно поддерживается в хорошем состоянии, откос в районе выпускного отверстия достаточно пологий и хорошо раз­ делывается выпускное отверстие.

Для более полного слива шлака перед выпуском плавки его целесообразно разжижать.

В случае сильного зарастания подины для восстановления ее прежних размеров специально назначают плавку стали неответ­ ственной марки, выплавляемой с полным окислением. На подину

221

ЗАГРУЗКА ШИХТЫ

На современных электропечах загрузка шихты осуществляется сверху при помощи загрузочных бадей. Старые печи загружают, пользуясь мульдами. В первом случае вся шихта загружается в одиндва приема и независимо от емкости печи длительность загрузки составляет 5— 10 мин. Длительность завалки в случае использования мульд зависит от насыпной массы шихты и емкости печи. Завалка мульдами печи емкостью 40 т продолжается 40—50 мин. Для убы­ стрения завалки, когда представляется возможным, старые печи реконструируют и переводят на завалку сверху.

Быстрая завалка позволяет сохранить тепло, аккумулированное кладкой печи, в результате чего сокращается продолжительность плавления, уменьшается расход электроэнергии и электродов и уве­ личивается стойкость футеровки.

При завалке сверху порядок укладки шихты в бадье предопре­ деляет расположение ее в печи. Для предохранения подины от уда­ ров крупных падающих кусков на дно бадьи желательно загружать небольшое количество мелкого лома. Наиболее крупную шихту догружают вперемежку с шихтой средних размеров в центральную часть бадьи так, чтобы в печи крупные куски оказались непосред­ ственно под электродами. По периферии распределяют куски сред­ них размеров, а сверху засыпают мелочь.

Такая последовательность загрузки бадьи обеспечивает наиболее плотную укладку шихты в печи, что очень важно для стабильного горения дуг. Наличие сверху мелочи обеспечивает в начале плавле­ ние быстрое погружение электродов и исключает прямое воздействие излучения дуг на футеровку стен, а присутствие в шихте под элек­ тродами крупных кусков замедляет проплавление колодцев и исклю­ чает возможность погружения электродов до подины раньше, чем накопится слой жидкого металла, защищающий подину от прямого воздействия дуг.

Для достижения оптимальной укладки шихта должна состоять на 35—40% из крупного лома, 40—45% среднего и 15—20% мелкого, причем примерно половину мелочи нужно загружать вниз, а вторую половину — поверх остальной завалки.

При наличии в шихте легирующих элементов их надо располагать таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная скорость их плавления и минимальный угар. Тугоплавкие металлы, такие как ферромолибден или ферровольфрам, следует загружать в централь­ ную часть бадьи. Легкоплавкие металлы, например никель, в зоне дуг интенсивно испаряются. Для уменьшения потерь их целесо­ образно загружать ближе к откосам.

Содержание углерода в шихте должно быть на 0,4—0,6% выше нижнего предела в стали заданной марки. Недостающее количество в шихте углерода вводят используя для этого соответствующие присадки углеродсодержащих материалов — чугун, кокс и электрод­ ный бой. В результате введения чугуна в металле увеличивается содержание фосфора, поэтому чугуном пользуются только на плавках с полным окислением и дозируют его в количестве не более 20%

т

гружают поверх первой порции мелкого лома.

Для раннего образования шлака, предохраняющего металл от окисления, и для дефосфорацин в процессе плавления в завалку вводят известь в количестве 2—3%. В зависимости от состояния подины известь загружают либо на подину, либо после на часть ранее загруженной металлической шихты. Для дефосфорацин ме­ талла уже в период плавления на плавках с полным окислением

еезагружают в бадыо поверх части металлической шихты.

Вслучае мульдовой завалки последовательность загрузки должна

обеспечивать такой же порядок распределения шихты в печи, как

ипри бадьевой загрузке. С целью сокращения длительности загрузки

еецелесообразно осуществлять двумя завалочными машинами.

ПЕРИОД ПЛАВЛЕНИЯ

Главная задача этого периода плавки — как можно быстрее перевести металл в жидкое состояние.

Длительность периода плавления зависит от емкости печи, уста­ новленной мощности трансформатора, состава выплавляемой стали, электрического режима и ряда других факторов. Абсолютная про­ должительность этого периода изменяется от одного до четырех часов, что составляет одну-две трети длительности всей плавки. В большинстве случаев это самый продолжительный период плавки. Учитывая отсутствие каких-либо технологических ограничений в фор­ сировании плавления шихты, следует признать, что в сокращении плавления имеются большие резервы увеличения производитель­ ности печей. Технически обоснованной является длительность плавле­ ния в печах любого тоннажа, не превышающая 1,0— 1,5 часов.

Большое тепловоспрнятне ванны в период плавления позволяет в этот период работать с максимальной мощностью и при максималь­ ном напряжении на дуге (в рациональных, конечно, пределах). Лишь в самом начале плавления, когда дуги открыты и расположены высоко (рис. 95, а), излучение длинных дуг может привести к пере­ греву футеровки свода и стен. Поэтому в первые минуты рекоменду­ ется применять более низкое напряжение. После образования ко­ лодцев дуги оказываются экранированными шихтой, что позволяет перейти к плавлению при максимальных напряжении и мощности.

Работа на самой высокой ступени напряжения в период плавления целесообразна по двум причинам. Во-первых, чем выше напряжение, тем при той же мощности меньше сила тока и тем меньше потери в цепи, т. е. тем выше электрический к. п. д. Во-вторых, чем выше напряжение, тем длиннее дуга и тем на большую поверхность шихты распространяется ее излучение.

Если шихта подобрана и уложена правильно, то расположенная сверху мелкая шихта быстро проплавляется и дуги погружаются

224

в шихту, не оказывая на футеровку заметного воздействия. В этом случае расплавление с самого начала можно вести на максимальной мощности.

Дуги прожигают в твердой шихте колодцы диаметром на 30— 40% больше диаметра электродов. В процессе прожигания колодцев тепловосприятне шихты максимально, так как дуга горит непосред­ ственно в твердой шихте, а боковое излучение дуг воспринимается стенками колодцев. Через 30—40 мин, считая от начала плавления, электроды опускаются в крайнее нижнее положение — до поверх­ ности скопившегося на подине жидкого металла (рис. 95, б). С этого момента скорость плавления несколько замедляется, так как тепло аккумулируется в основном жидким металлом, он перегревается

Рис. 95. Этапы плавления шихты:

дуги передается твердой шихте излучением на стенки колодцев. Для более быстрого расплавления шихты после прожигания

колодцев современные крупные печи оборудуют механизмом вра­ щения ванны. Это позволяет прожигать не три, а девять колодцев, в результате чего скорость плавления на вращающихся печах выше, чем на печах со стационарной ванной. Однако усложнение конструк­ ции печи, перерывы в ее работе, вызываемые подъемом электродов и свода на время вращения ванны, а также большие тепловые по­ тери, связанные с охлаждением свода и электродов, ставят под сом­ нение целесообразность вращения ванны.

Ускорение плавления шихты вне зоны действия дуг может быть достигнуто применением газо-кислородных горелок. При их исполь­ зовании продолжительность плавления и расход электроэнергии сокращаются примерно на 15—20%, хотя общий расход топлива

врезультате увеличения производительности печи. Водоохлаждаемые газо-кислородные горелки в рабочее простран­

ство вводят либо тангенциально и под углом примерно 15° к гори-

зонту через отверстия в стенах либо через свод (рис. 96). Тангенци­ альное расположение горелок менее удобно, так как они быстро забрызгиваются шлаком. Сводовые горелки в окислительный период используют как фурмы для вдувания кислорода. В период плавле­ ния для предотвращения чрезмерного окисления шихты соотноше­ ние между кислородом и газом поддерживается в пределах 1,0— 1,5.

Для сокращения периода плавления на некоторых заводах практи­ куют предварительный подогрев шихты в бадьях до 400—700° С газо-кислородными горелками. Удельные энергетические затраты на плавку в стоимостном выражении могут быть при этом снижены

Рис. 96. Схема расположения боковых (а) и сводовых (б) газокислород­ ных горелок

на 15—2596. Однако этот процесс широкого распространения не получает из-за трудностей его осуществления в крупных высоко­ производительных цехах.

Широко пользуются интенсификацией в период плавления при помощи газообразного кислорода, вводимого через водоохлаждае­ мую фурму или футерованные трубы (d = 3/4") непосредственно в жидкий металл. Выделение значительного количества тепла при окислении железа, марганца, кремния, углерода и других примесей способствует быстрому повышению температуры жидкого металла (табл. 12) и растворению в нем оставшейся шихты.

Чем раньше начать продувку, тем больше интенсивность пла­ вления, но вместе с тем и больше угар железа и окисляемых элемен­ тов. Применение кислорода для интенсификации оправдано, если стоимость кислорода и повышенный угар компенсируются экономией от ускоренного плавления.

В период плавления кислород целесообразно также применять для подрезки шихты. В процессе плавления отдельные куски шихты свариваются между собой, образуя мосты. При растворении нижних кусков может произойти обвал шихты и вызвать поломку электродов. Часть шихты застревает на откосах и не растворяются в жидкой ванне, а ее расплавление требует значительного времени. И в том и в другом

226 ■

Таблица 12

ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ И РАСЧЕТНОЕ ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВАННЫ ПРИ ОКИСЛЕНИИ 1% ЭЛЕМЕНТА ГАЗООБРАЗНЫМ КИСЛОРОДОМ

случае необходимо шихту периодически обваливать. Обычно это делается с помощью завалочной машины, но при этом печь прихо­ дится отключать, поднимать электроды и через рабочее окно вводить на хоботе завалочной машины мульду и, пользуясь ею, обваливать шихту.

Эта операция значительно упрощается при подрезке шихты кисло­ родом. Для этого струю кислорода направляют под основание за­ стрявших кусков шихты, они оплавляются и шихта погружается

врасплавленный металл.

Впроцессе плавления происходит окисление примесей, вносимых шихтой. Практически полностью окисляются алюминий, титан, кремний, значительное количество хрома, марганца и других при­ месей. С целью сокращения длительности окислительного периода

впериод плавления целесообразно создавать условия, благоприят­

ные для окисления фосфора. Для этого количество руды и извести в завалку надо рассчитывать таким образом, чтобы к концу периода плавления основность шлака была более 1,6, а содержание закиси железа превышало 12%. При соблюдении этих условий в период плавления окислится более половины внесенного шихтой фосфора.

После полного расплавления шихты и тщательного перемеши­ вания ванны отбирают пробу металла на полный химический анализ и на 3/4 скачивают шлак, вместе с которым удаляется значительная часть окислившегося фосфора. В случае получения в первой пробе пониженного содержания углерода шлак скачивают начисто и, поль­ зуясь коксом или электродным боем, проводится науглероживание металла. Затем в печь присаживают известь с плавиковым шпатом в количестве 1,5—2,0% от массы металла и после их растворения приступают к окислительному периоду.

ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД

В окислительный период необходимо реализовать следующие основные мероприятия: 1) понизить содержание фосфора ниже допустимых пределов в готовой стали; 2) возможно полнее удалить

углеродистой и нмзкоуГлеродистой стали. В случае крупных печей эти количества могут быть несколько уменьшены. Окисление такого количества углерода необходимо для дегазации металла. Интенсив­ ное кипение ванны, вызванное окислением углерода, является един­ ственным эффективным средством снижения содержания азота в элек­ тропечи, причем эффективность дегазации возрастает с увеличением скорости окисления углерода.

Поэтому после понижения до необходимых значений концентра­ ции фосфора окисление углерода целесообразно интенсифицировать. Очень высокие, скорости выгорания углерода позволяет получить продувка металла газообразным кислородом. Так, в печи емкостью 40 т и при расходе кислорода 1200 м3/ч скорость окисления углерода

что скорость обезуглероживания возрастает с увеличением интен­ сивности продувки.

Окисление углерода газообразным кислородом позволяет сокра­ тить длительность периода, благодаря чему при расходе кислорода

Для уменьшения угара железа продувку ванны кислородом следует начинать после нагрева металла и проводить ее при вклю­ ченной печи. После начала окисления углерода вследствие большого теплового эффекта этой реакции (см. табл. 11) температура металла быстро возрастает, поэтому в момент появления пламени печь необ­ ходимо отключить.

В процессе продувки отбираются пробы металла, в которых конт­ ролируется содержание углерода. К концу продувки содержание углерода должно быть немного ниже нижнего предела для заданной марки, в результате чего с учетом вносимого ферросплавами угле­ рода и науглероживания от электродов обеспечивается получение заданного содержания его в металле. Однако, чтобы предотвратить переокисление металла, содержание углерода к концу окисления не должно быть ниже 0,1%, за исключением случая выплавки стали, в которой углерод является нежелательной примесью. Для стали таких марок ГОСТами устанавливается только верхний предел со­ держания углерода.

Режим марганца в окислительный период обычно не регламенти­ руется. Реакция окисления марганца в окислительный период близка к равновесию, поэтому нормальный ход плавки с необходи­ мым повышением температуры к концу периода сопровождается восстановлением марганца из шлака.

В окислительный период окисляется и хром, причем значитель­ ное его количество окисляется еще в процессе плавления. Скачива­ ние шлака в период плавления и постепенное его обновление в тече­ ние окислительного периода способствуют дальнейшему окислению хрома и потере его со шлаком.

Тугоплавкие окислы хрома сильно понижают текучесть шлака и затрудняют процесс окисления фосфора. Поэтому использование

229

хромистых отходов на плавках с полным окислением нецелесообразно. И тем не менее иногда с целью использования содержащихся в шихте никеля п молибдена в завалку дают некоторое количество хромоникелевых и хромонпкельмолнбденовых отходов в таком количестве, чтобы содержание хрома в первой пробе не превышало 0,4%.

Интенсификация окисления газообразным кислородом позволяет быстро поднять температуру металла до необходимого уровня. Однако при продувке кислородом металл легко н перегреть, что нежелательно, так как перегрев отрицательно влияет на состояние футеровки, ухудшает условия дефосфорацпи н может привести к увеличению в металле содержания азота. Поэтому при продувке нельзя допускать перегрева ванны, охлаждая ее при необходимости железной рудой.

Достижением нужного содержания фосфора, углерода и необ­ ходимой температуры исчерпываются основные задачи окислитель­ ного периода. После присадки последней порции руды пли оконча­ ния продувки кислородом, делают выдержку в течение не менее 10 мин, во время которой отбирают пробу па анализ п замеряют тем­ пературу металла. Общая продолжительность окислительного пе­ риода составляет 40—70 мин, а в случае применения газообразного кислорода она может быть сокращена до 30 мин.

Длительность окислительного периода определяется в основном скоростью окисления фосфора. На некоторых заводах для ускорения этого процесса вместе с кислородом вводят смесь порошков извести п плавикового шпата. Порошкообразные материалы в зоне реакции снижают перегрев металла и создают благоприятные условия для окисления фосфора, в результате чего длительность окислительного периода может быть дополнительно сокращена.

В окислительный период удаляется 40—60% серы, вносимой шихтой. Успешной десульфурации способствует высокая основность шлака (не менее 2,7—2,8) и его постоянное обновление. Благоприят­ ные условия для удаления серы в окислительный период создаются при введении вместе кислородом порошкообразной извести.

РАСКИСЛЕНИЕ. ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД

По окончании окислительного периода сталь раскисляют. При этом возможны два варианта выполнения этой технологической

Глубинное раскисление без скачивания окислительного и наводки восстановительного шлака начали применять в последние годы и толч­ ком к развитию этого метода послужило значительное увеличение мощности печных трансформаторов, которая в восстановительный период используется в малой степени. Минуя восстановительный период выплавляют главным образом углеродистую и низколеги­ рованную конструкционную сталь.

При выплавке стали под одним шлаком (без наводки восстанови­ тельного шлака) после окончания окислительного периода в печь

230