3. 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 плавке без окисления углерод и фосфор не окисляются, поэтому содержание фосфора в шихте не должно быть выше его допустимых пределов в готовой стали, а содержание углерода на 0,05–0,1 % ниже, чем в готовой стали, в связи с науглероживанием металла электродами. Допустимое количество остальных элементов в шихте определяют с учетом состава выплавляемой стали и того, что в период плавления они угорают в следующем количестве:

Элементы . . . . Al Ti Si V Mn Cr W Величина угара, % 100 80-90 40-60 15-25 15-25 10-15 5-15

В шихту помимо легированных отходов вводят мягкое железо – шихтовую заготовку с низким содержанием углерода и фосфора и, при необходимости, феррохром и ферровольфрам.

Загрузку и плавление шихты производят как при обычной плавке; в период плавления загружают 1–1,5 % извести или известняка. После расплавления шлак как правило не скачи-

456

дают, сразу приступая к проведению восстановительного периода. При этом раскисление, десульфурацию и легирование металла производят обычным способом. При диффузионном раскислении из шлака восстанавливаются хром, вольфрам и ванадий. Если после расплавления шлак получился густым из-за высокого содержания оксида магния, его скачивают и наводят новый.

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

На плавках с продувкой кислородом угар элементов выше, но кратковременное кипение обеспечивает снижение содержания водорода и азота. Шихту подбирают так, чтобы содержа-вие углерода было на 0,1–0,25 % выше заданного содержания в стали. Продувку ведут после расплавления шихты, окисляя избыточный углерод. После окончания продувки шлак скачивают. Если в шихте содержались хром, вольфрам. и ванадий, шлак перед скачиванием раскисляют, восстанавливая эти элементы. Далее наводят новый шлак и проводят восстановительный период как на обычной плавке.

4~ Разновидности технологии плавки & большегрузных печах

Описанная выше традиционная технология электроплавки с длительным (до 1,5 ч) восстановительным периодом применялась в течение десятилетий и до сих пор остается основной технологией, по которой выплавляют стали сложного электропечного сортамента в печах емкостью 5–40 т. В этой технологии высокое качество стали обеспечивалось в первую очередь за счет формирования во время восстановительного периода шлака с очень низким (< 0,5 %) содержанием оксидов железа и длительной выдержки под этим шлаком, необходимой для протекания медленно идущих процессов раскисления, десульфурации и удаления неметаллических включений.

Однако опыт эксплуатации сооружаемых в последние годы большегрузных /80–300 т) печей показал, что применение традиционной технологии не обеспечивает получения в этих печах сталей электропечного сортамента высокого качества. Это объясняется рядом факторов.

457

Одним из них является то, что в большегрузных печах приходится использовать менее качественный стальной лом, который отличается легковесностью, загрязненностью ржавчиной и различными примесями, а также непостоянством упомянутых характеристик его качества. Это приводит к нестабильности протекания периода плавления и значительным колебаниям в количестве образующегося за время плавления шлака, его основности и окисленности, а также к значительным колебаниям в содержании углерода и фосфора в металле к моменту расплавления шихты. Это не позволяет иметь стабильную технологию окислительного периода: в частности, существенно возрастает расход окислителей, а в конце периода металл и шлак более окислены, чем в малых печах.

Другим важным фактором, определившим выбор технологии плавки в большегрузных печах, стала малая эффективность восстановительного периода, поскольку трудно и зачастую невозможно получить шлак с низким содержанием FeO даже при интенсивной его обработке порошкообразными раскисли-телями. Причины этого следующие: из большегрузных печей не удается полностью удалить окислительный шлак, содержащий много FeO; такие печи оборудованы мощными устройствами для отсоса печных газов через свод, работа которых вызывает подсос воздуха в печь, препятствуя созданию в печи восстановительной атмосферы; за время плавления магнезитовая набивка пода поглощает много FeO, и этот оксид во время восстановительного периода будет переходить из пода в шлак.

Условия проведения восстановительного периода ухудшаются также в связи с тем, что в крупных печах заметно меньше поверхность контакта шлак–металл, которая должна быть достаточно большой для обеспечения медленно протекающих процессов диффузии серы и кислорода из металла в шлак. Из-за большой глубины ванны удельная поверхность контакта шлак–металл для печи емкостью 100 т составляет около 0,2 м²/т, в то время как для 10-т печи – около 6 м²/т.

Еще одной неблагоприятной особенностью работы большегрузных печей является то, что при увеличении выдержки жидкого металла в печи наблюдается усиленное растворение в шлаке футеровки; шлак в результате этого содержит повы-

458

шенное количество MgO и становится густым, малореакцион-носпособным. Это обстоятельство снижает эффективность рафинирования металла и заставляет снижать длительность восстановительного периода.

Перечисленные выше факторы привели к тому, что в большегрузных печах вынуждены были отказаться от традиционной технологии с проведением длительного восстановительного периода и диффузионного раскисления. За время эксплуатации таких печей, оборудованных невысокомощными (400– 500 кВ • А/т и менее), разработан ряд разновидностей упрощенной технологии плавки. Ниже описаны разновидности такой технологии, применяемые на отечественных заводах. Для всех этих технологий характерны следующие особенности начальной стадии плавки:

для обеспечения требуемого содержания углерода в металле и в связи с непостоянным его угаром в период расплавления в шихту вводят повышенное количество чугуна (до 30 % от массы шихты при выплавке углеродистых сталей);

с тем, чтобы совместить дефосфорацию с расплавлением и с целью сокращения периодов плавления и окислительного в завалку вводят железную руду или агломерат в количестве до 2 % от массы шихты и известь (до 4 %);

шихту загружают в два приема, в связи с тем, что весь легковесный лом обычно не умещается в загрузочной корзине; сначала загружают основную массу лома и после его частичного расплавления и оседания делают "подвалку" – корзиной загружают оставшуюся часть лома.

Одношлаковый процесс

Технологию выплавки под одним шлаком без восстановительного периода применяют для выплавки сталей упрошенного ("мартеновского") сортамента. Обычно это углеродистые и низколегированные стали с легированием хромом, кремнием, марганцем, никелем.

В шихту в зависимости от требуемого содержания углерода в стали вводят до 25–30 % чушкового чугуна. С тем, чтобы совместить дефосфорацию с расплавлением в завалку дают 2–4 % извести и до 1,5 % железной руды (агломерата, окатышей).

После расплавления шихты из печи самотеком удаляют максимальное количество шлака и начинают продувку ванны

459

кислородом, подаваемым через фурму, которую вводят в рабочее пространство печи через свод; при этом происходят окисление углерода и дефосфорация металла. При повышенном содержании фосфора в металле перед продувкой в печь загружают известь и плавиковый шпат. Продувку ведут до получения заданного содержания углерода в металле. После прекращения продувки в печь загружают силикомарганец или ферромарганец и при необходимости феррохром в количестве, обеспечивающем получение заданного содержания в стали марганца и хрома. Затем сталь выпускают в ковш, куда для получения требуемого содержания кремния и для раскисления вводят ферросилиций и алюминий. Чтобы предотвратить переход из шлака в металл оксидов железа и снизить угар кремния и марганца за счет их реагирования с оксидами железа шлака, выпуск организуют, стараясь исключить контакт металла со шлаком: печь наклоняют так, чтобы металл в течение первой трети длительности выпуска шел без шлака. Никель вследствие низкого сродства к кислороду при плавке не окисляется и его можно вводить в завалку.

Выплавка низколегированных кремнистых сталей. Описанная выше технология не обеспечивает стабильного получения заданного содержания кремния в сталях, легированных этим элементом, обладающим более высоким сродством к кислороду, чем марганец и хром. Угар кремния колеблется в широких пределах вследствие больших колебаний в окисленности шлаков после окончания продувки.

Поэтому при выплавке легированных кремнием сталей применяют технологию плавки с частичным раскислением шлака. Основные ее отличия от описанной выше заключаются в следующем. После окончания продувки в печь вводят ферромарганец для получения заданного содержания марганца в стали и немного 65 %-ного ферросилиция (до 2 кг на 1т стали) для частичного раскисления металла и на шлак дают раскис-лительную смесь из извести, плавикового шпата и молотого кокса с расходом кокса 1–2 кг/т, что снижает окисленность шлака. После непродолжительной выдержки металл выпускают в ковш, куда для окончательного раскисления и легирования дают ферросилиций и алюминий.

Технология одношлакового процесса позволяет сократить длительность плавки, расход электроэнергии, огнеупоров и шлакообразующих.

460

Технология с обработкой металла на выпуске печным шлаком

Технология находит применение на отечественных большегрузных печах при отсутствии в электросталеплавильном цехе установок внепечной обработки, которые могли бы обеспечить в ковше процессы рафинирования, раскисления и доведения состава металла до заданного. Эта технология предусматривает проведение короткого восстановительного периода (короткой доводки), в течение которого раскисляют шлак, что позволяет снизить угар вводимых в печь легирующих добавок, и затем слив из печи в ковш раскисленного шлака вместе с металлом с целью рафинирования металла от серы и оксидных неметаллических включений.

Загрузку шихты ведут двумя корзинами. В завалку вводят до 25–30 % чугуна, иногда с добавкой кокса, 2–3 % извести и до 1–1,5 % железной руды (агломерата, окатышей). В конце плавления и в окислительном периоде ведут продувку ванны кислородом, подаваемым через сводовую фурму. После получения требуемого для данной марки стали содержания угллерода продувку заканчивают и сливают большую часть шлака окислительного периода (75–80 % шлака). Далее в печь загружают ферросилиций из расчета ввести в металл около 0,15 % кремния, ферромарганец, вводя заданное количество марганца, немного алюминия и, если необходимо, феррохром. Наводят новый шлак добавками извести, плавикового шпата и шамота (30; 2–3 и 3–7 кг/т соответственно). За время восстановительного периода, длящегося 20–40 мин, шлак раскисляют молотым коксом (2–3 кг/т) и молотым 75 %-ным ферросилицием (до 2 кг/т) и иногда порошкообразным алюминием. В середине периода на основании результатов анализа отбираемых проб металла в печь вводят корректирующие добавки ферросплавов.

За 5–10 мин до выпуска шлак разжижают добавкой плавикового шпата (~ 4 кг/т) так, чтобы содержание CaF₂ в шлаке было 10–15 %. Столь высокое содержание CaF₂ необходимо для обеспечения малой вязкости и высокой рафинирующей способности шлака. Перед выпуском шлак дополнительно раскисляют порошкообразным алюминием (0,8 кг/т); необходимо, чтобы конечный шлак содержал менее 1 % FeO и более 50 % оксида кальция при основности 2,7–3,4. При выпуске в ковш сначала сливают шлак, а затем металл, что обеспечивает их

461

интенсивное перемешивание, десульфурацию и удаление неметаллических включений. Алюминий для окончательного раскисления вводят в ковш.

Плавка с рафинированием и доводкой металла вне печи

Технология применяется для выплавки высококачественных легированных сталей в цехах, оборудованных установками внепечной обработки металла в ковше.

Она предусматривает получение в печи жидкого полупродукта с требуемыми температурой и содержанием углерода и фосфора и после выпуска этого полупродукта в ковш, получение в нем стали необходимого состава и свойств методами внепечной обработки.

В электропечи расплавляют стальной лом с добавкой чугуна и проводят окислительный период с продувкой ванны кислородом, обеспечивая дефосфорацию, обезуглероживание и нагрев металла до требуемой температуры.

Эти операции проводят так же, как и в двух предыдущих вариантах технологии плавки в большегрузных печах.

После окончания продувки кислородом металл выпускают в ковш, стараясь предотвратить попадание в него из печи окислительного шлака, содержащего оксиды железа и фосфор, которые в процессе внепечной обработки будут переходить из шлака в металл. Для создания в ковше шлакового покрова в него загружают известь с плавиковым шпатом. Далее ковш с металлом транспортируют на установку внепечной обработки.

Такие установки в разных цехах обеспечивает те или иные виды внепечной обработки (продувку аргоном с обеспечением при этом перемешивания металла, ввода в него рас-кислителей и легирующих и корректировки температуры металла; вакуумирование с выполнением тех же операций и дополнительным удалением из металла водорода и азота; продувку порошкообразными материалами с целью десульфура-ции, раскисления и удаления неметаллических включений и др. (подробнее см. гл. 7).

Как минимум на этих установках проводят раскисление, доведение состава металла до заданного (легирование), усреднение состава металла и корректировку температуры.