Особенности процесса и область его применения

Выплавка стали в кислых дуговых электропечах.

Особенности процесса и область его применения

Футеровка кислых печей состоит почти из чистого кремнезема и, как отмечалось, шлаки кислого продесса обычно насыщены SіO₂. Высокая вязкость кислых шлаков замедляет диффузионные процессы в ванне, и поэтому в кислой печи реакдии между металлом и шлаком протекают с меныпей скоростью, чем в основных.

Высокое содержание в шлаке окиси кремния исключает возможность перехода из металла в шлак фосфора и серы, поэтому в печах с кислой футеровкой отсутствуют условия для проведения важнейших металлургических процессов — дефосфорации и десульфурации металла. Кроме того, в печах с кислой футеровкой возможно восста- новление кремния из футеровки углеродом, марганцем и более активными к кислороду элементами, что ограничивает при проведении кислого процесса возможности легирования металла. Это служит причиной того, что в дуговых печах с кислой футеровкой выплавляют ограниченный сортамент стали, включающий лишь простые среднеуглеродистые (0,25—0,40% С), атакже хромоникелевые, хромомолибденовые и некоторые другие среднеуглеродистые легированные стали. Выплавка в них сложнолегированных сталей и сплавов, содержащих марганец, титан, алюминий, цирконий и др., практически невозможна.

В то же время в отношении тепловой работы печи кислая футеровка предпочтительнее. По сравнению с основными кислые шлаки обладают более высоким омическим сопротивлением, что позволяет нагревать жидкий металл более короткой дугой на высокой ступени -напряжения печного трансформатора. Это улучшает передачу тепла металлу и увеличивает электрический к. п. д. установки, так как электрические потери в цепи определяются главным образом силой тока.

Доля жидкого периода плавки (суммарная продолжительность окислительного и восстановительного периодов) в кислых печах намного меньше, чем в основных, так как при проведении кислой плавки не выполняют рафинирования от фосфора и серы и вводят меньшее количество легирующих присадок. Большой удельный вес по времени периода плавления позволяет полнее использовать мощность трансформатора, ввиду чего кислые печи целесообразно оборудовать трансформаторами более высокой удельной мощности, чем в случае основных печей. Это позволяет быстрее расплавлять металл и сокращает длительность плавки в целом.

В связи с отсутствием условий для дефосфорации и десульфурации металла геометрия ванны кислых печей может отличаться от геометрии ванны основных печей. Для печей с кислой футеровкой удельная поверхность зеркала металла не имеет особого значения, поэтому форму ванны целесообразно выбирать, исходя из минимума тепловых потерь, что достигается при более глубокой ванне. Уменылению тепловых потерь через кладку и более быстрому нагреву металла способствует также более низкая теплопроводность кислых огнеупоров. Из-за отсутствия длительных периодов рафинирования металла от фосфора и серы это обеспечивает более высокий тепловой к. п. д. печи, значительное сокращение длительности плавки, уменьшение расхода электроэнергии и электродов.

Меньшая продолжительность плавки и более высокая термостойкость кислых огнеупоров обусловливают более высокую стойкость футеровки в кислых печах: она в несколько раз выше, чем у основной печи. И так как стоимость песка и динасового кирпича намного меныне стоимости магнезитовых огнеупоров, то удельные затраты на футеровку кислых печей в 2,5—3,0 раза ниже, чем основных.

Высокая термостойкость кислой футеровки допускает, кроме того, периодический характер работы с многократными разогревами и охлаждениями печи. Основные огнеупоры при таких условиях растрескиваются, а пропитанные известковым шлаком слои основной футеровки при охлаждении рассыпаются в порошок.

Из сопоставления преимуществ и недостатков кислых печей следует, что кислые печи лучше основных приспособлены для плавления и нагрева металла и значительно уступают им по возможностям получения качественного металла из обычной шихты. В шихту кислых печей, кроме оборотного скрапа, необходимо вводить специально выплавляемую в основных печах шихтовую заготовку или лом с низким содержанием фосфора и серы. Дефицит и высокая стоимость таких шихтовых материалов ограничивают использование печей с кислой футеровкой.

Емкость кислых печей, как правило, составляет до 10 т, и их применяют в литейных цехах при плавке стали и чугуна для фасонных отливок. К металлу для этих отливок обычно предъявляют менее жесткие требования по содержанию фосфора и серы: содер- жание фосфора и серы в стали, предназначенной для литья, обычно допускается до 0,05% каждого из этих компонентов. В литейных цехах особое значение приобретают жидкотекучесть металла, возможность агрегата быстро расплавлять и нагревать металл, выдавать металл малыми порциями, приспособленность его к периодической работе. С этой точки зрения печи с кислой футеровкой более удобны, чем основные.

Использование кислых печей при выплавке стали для отливок имеет и экономические преимущества, поскольку для футеровки этих печей используют менее дефицитные и более дешевые огнеупорные материалы, меньше расходуют шлакообразующих, электроэнергии, электродов. Даже высокая вязкость кислых шлаков в литейном производстве приобретает положительное значение, так как при таком шлаке удобнее заполнять формы из малых ковшей.

Однако затруднения с обеспечением фасоннолитейных цехов ломом с низким содержанием фосфора и серы приводят к тому, что на некоторых заводах у части печей даже в литейных цехах футеровка выполнена из оснобного материала, поскольку это дает возможность использовать оборотный скрап из основных печей в шихте для пе- чей с кислой футеровкой.

 

Технология плавки

Электрические печи с кислой футеровкой обычно используют в литейных цехах при выплавке стали для фасонного литья. Емкость их колеблется от 0,5 до 6—10 т.

Широкое распространение кислых электропечей в литейных цехах связано с тем, что кислая футеровка более термостойка, чем основная, что позволяет эксплуатировать печь с перерывами, требуемыми по условиям работы многих литей­ных цехов (работа в одну или две смены).

Преимуществом кислых печей по сравнению с основными является более высокая стойкость футеровки; наряду с этим стоимость кислых огнеупоров примерно в 2,5 раза ниже стоимости основных. Поскольку при плавке стали для фасон­ного литья восстановительный период обычно отсутствует, длительность плавки в кислой печи меньше, чем в основной печи той же емкости; по этой причине, а также в связи с меньшей теплопроводностью кислой футеровки, более низким является и расход электроэнергии.

Основным недостатком кислых печей является то, что во время плавки из металла не удаляются сера и фосфор.

 

Завалка и расплавление шихты. Шихту составляют таким образом, чтобы содержание углерода по расплавлении на 0,15—0,20% превышало содержание углерода в выплавляемой стали.

Для повышения содержания углерода в шихту, наряду со стальным ломом, вводят кокс, электродный бой или чугун. Поскольку фосфор и сера под кислым шлаком не удаляются, используемый стальной лом должен содержать фосфора и серы примерно на 0,01 % меньше, чем допускается в выплавляемой стали. Металлический лом не должен быть ржавым, так как оксиды железа, растворяя кремнезем футеровки пода, разру­шают ее. В остальном требования к шихтовым материалам и порядку загрузки их в печь такие же, как и при основном процессе.

Плавление в кислой печи длится 50—70 мин и протекает примерно так же, как и в основной печи. В период плавле­ния происходит окисление кремния, марганца, железа, угле­рода. Образующиеся оксиды принимают участие в формирова­нии шлака.

Поскольку количество этих оксидов сравнительно невели­ко, в печь во время плавления забрасывают шлак от преды­дущей плавки, сухой песок, формовочную землю и известняк, чтобы покрыть металл шлаком и уменьшить угар составляющих шихты.

К моменту расплавления шихты шлак имеет следующий сос­тав, %: 40–50 SiО₂; 15–30 FeO; 10–30 MnO; 2–6 Al₂О₃; 5-15 прочие оксиды.

 

Окислительный период. Задачами окислительного периода при кислой плавке являются дегазация металла за счет ки­пения и нагрев металла.

За время периода окисляется 0,10—0,20% углерода. Его окисление идет преимущественно за счет оксидов железа, содержащихся в шлаке. Благодаря высокому содержанию FeO в шлаке окисление углерода и вызываемое им кипение ванны начинаются без присадок окислителей, когда металл будет достаточно нагрет. При необходимости для интенсификации кипения присаживают железную руду порциями не более 0,2 % от массы металла каждая. Кипение можно интенсифицировать и небольшими присадками извести. Вводимый при этом оксид кальция вытесняет из содержащихся в шлаке силикатов оксид железа как более слабый основной оксид и тем самым высво­бождает FeO, повышая окислительную способность шлака.

По мере окисления углерода содержание оксида железа в шлаке уменьшается, а содержание SiО₂ за счет разъедания футеровки возрастает; к концу окислительного периода оно составляет 55—60 %. При высоком содержании SiO₂ в шлаке и высокой температуре начинается восстановление.кремния по эндотермической реакции:

(SiО₂) + 2[С] = [Si] + 2CO.

Содержание кремния в металле в конце окислительного периода может достигать 0,2—0,4 %.

Раскисление стали. При выплавке стали для фасонного литья восстановительный период отсутствует, и сталь рас­кисляют осаждающим методом. Если содержание кремния в ме­талле ниже, чем требуется в выплавляемой стали, то за 7—10 мин до выпуска в печь присаживают ферросилиций. Фер­ромарганец вводят либо в печь (за 3—5 мин до выпуска), либо в ковш. Алюминий для окончательного раскисления вво­дят в ковш.