Технология плавления стали в дуговых печах

Основное назначение дуговой сталеплавильной печи (ДСП) пря­мого действия — выплавка стали из металлического лома (скрапа). Та­кой процесс весьма энергоемок: на 1 т выплавленной стали в зависи­мости от емкости печи и характера процесса расходуется от 500 до 1000 кВт∙ч электроэнергии. Поэто­му основную часть сталей — обычно углеродистые, конструкционные и часть легированных — выплавляют в конверторах или мартеновских пе­чах, где ее выплавка более дешева. В ДСП получают, как правило, вы­соколегированные сорта стали, для которых требуются тщательная очистка металла от вредных приме­сей (особенно серы), удаление не­металлических включений и обезгаживание. Такие стали было за­труднительно выплавлять в марте­новских печах, а повышенная стои­мость передела в электропечах компенсировалась улучшением ка­чества получаемого металла и уменьшением угара ценных легиру­ющих. Существенные преимущества имеет ДСП по сравнению с марте­новской печью и как агрегат для получения стального литья.

В трехфазных дуговых сталеплавильных печах (ДСП), работаю­щих на переменном токе промышленной частоты, электрические дуги горят между тремя вертикально расположенными графитированными электродами и расплавляемой металлошихтой или жид­ким металлом, выполняющими роль нулевой точки электрическо­го соединения трех дуг в «звезду» (рис. 1.1, а, б);в дуговых ста­леплавильных печах, работающих на постоянном токе (ДСП ПТ) электрическая дуга горит между одним графитированным электро­дом-катодом и металлом, являющимся анодом (рис. 1.1, в) [17].

Футерованный кожух дуговой печи образует сфероконическую ванну и рабочее пространство, перекрытое сверху купольным кир­пичным сводом (рис. 1.1, а, в) или комбинированным сводом с водоохлаждаемыми элементами-панелями, что характерно для конструкции современных сверхмощных печей, работающих по одношлаковой технологии (рис. 1.1, б).Корпус печи опирается на опорную платформу с круговыми сегментами, что позволяет наклонять печь для слива металла по сливному желобу (рис. 1.1.1, а, в)или через донное выпускное отверстие (рис. 1.1.1, б) и для скачивания окислительного шлака через порог рабочего окна посредством соответствующего гидравлического (или электроме­ханического) механизма наклона.

Рис. 1.1. Схемы дуговых печей переменного тока: а – обычной, б – сверхвысокой мощности; в – по­стоянного тока:   1 — графитированные электроды; 2 — свод; 3 — рабочее окно; 4 — ванна; 5 — механизм наклона; 6 — сливной желоб; 7 — корпус; 8 — выступ («эркер»); 9 — донное выпускное отверстие; 10 — подо­вый электрод-анод

Печи имеют механизмы подъема и поворота свода для загруз­ки шихты через верх печи, передвижения электродов для изме­нения длины дуги и регулирования мощности, вводимой в печь. Крупные печи оборудованы устройствами для электромагнитного перемешивания жидкого металла в ванне, системами удаления и очистки печных газов.

Выплавка легированных сталей включает в себя следующие опера­ции: расплавление металла, удаление содержащихся в нем вредных примесей и газов, раскисление ме­талла, введение в него нужных ле­гирующих и слив в разливочную машину или ковш. В период межплавочного простоя осуществляются заправка подины печи и загрузка новой порции скрапа. Расплавление скрапа необходимо вести по воз­можности быстро и с минимальным расходом энергии, поэтому в этот период печь включается на полную мощность, а печной трансформа­тор — на максимальное напряжение. Зачастую длительность расплавле­ния превосходит половину продол­жительности всей плавки и при этом расходуется 60—80 % всей электроэнергии. Характерной осо­бенностью периода является неспо­койный электрический режим печи. Горящая между концом электрода и холодным металлом дуга неста­бильна, ее длина невелика, и срав­нительно небольшие изменения в по­ложении электрода или металла (обвал, сдвиг подплавленного куска скрапа) вызывают либо обрыв ду­ги, либо, наоборот, короткое замыкание. Ход плавления шихты в ду­говой печи иллюстрируется на рис. 1.2. Дуга загорается сначала между концом электрода и поверхностью шихты (рис. 1.2, а),причем для по­вышения ее устойчивости в первые минуты под электроды обычно подкладывают куски кокса или элект­родного боя. После их сгорания ме­талл начинает подплавляться и каплями стекать на подину. В ших­те образуются колодцы, в которые углубляются опускающиеся элект­роды (рис. 1.2, б) до тех пор, пока они не достигнут дна ванны, на ко­торой к этому моменту образуется лужа расплавленного металла (рис. 1.2, в).

МЕТАЛЛ ШЛАК

а б в г

Рис. 1.2. Этапы плавления шихты:   а — начало плавления; б — опускание электрода, образование колодца; в — начало подъема элек­трода; г — окончание плавления

Это самый беспокойный, неустойчивый период горения дуги; подплавляемые куски шихты падают на электрод, закорачивая дугу, если же они опускаются под торцом электрода, может наступить обрыв тока.

Горящая между электродом и расплавленным металлом дуга перегревает металл, начинаются раз­мыв и расплавление окружающей колодцы шихты. Колодцы расширяются, уровень жидкого металла в ванне начинает повышаться, а электроды — подниматься (рис. 1.2, в). В конце этого периода почти весь металл оказывается расплав­ленным, остаются лишь отдельные куски шихты на откосах ванны («настыли» — рис. 1.2, г), расплав­ляющиеся последними. Чтобы не за­тягивать период расплавления, обычно эти «настыли» в малых пе­чах стаскивают ломом в глубь ван­ны. Период расплавления считают законченным, когда весь металл в печи перешел в жидкое состояние. К этому моменту режим горения дуги становится более спокойным, так как температура печи повышается: поверхность металла покрывается слоем шлака, длина дуги по сравне­нию с началом расплавления уве­личивается в несколько раз, дуга горит устойчивее, количество толчков тока и обрывов уменьшается.

Удаление примесей из металла начинается в конце периода рас­плавления и продолжается в перио­ды окисления и восстановления.

Вследствие сравнительно низкой температуры ванны в ней вначале интенсивно идут экзотермические реакции — окисление железа, крем­ния, марганца и фосфора (период окисления). Получающиеся окислы всплывают и образуют вместе с забрасываемой известью на поверх­ности металла шлак. В шлаке окис­лы кремния соединяются с закисью железа и марганца в силикаты же­леза и марганца, а окислы фосфора образуют с закисью железа соедине­ния, из которых закись железа вы­тесняется известью с образованием прочных фосфорно-кальциевых сое­динений. Так как для интенсивного проведения этих реакций окислов железа обычно не хватает, то во время расплавления металла или по окончании его в ванну добавляют железную руду или вдувают кисло­род. При этом углерод металла вос­станавливает руду, а образующаяся окись углерода всплывает пузырь­ками — происходит «кипение» или «кип» ванны. Пузырьки окиси угле­рода интенсивно перемешивают ме­талл, способствуя удалению из него газов. В этот период, кроме удале­ния из металла фосфора, происхо­дит, следовательно, и выжигание лишнего углерода. Если в шихте углерода недостаточно для проведе­ния кипа, то его добавляют в шихту забрасыванием чугуна, кокса, боя электродов.

Насыщенный окислами и силика­тами железа и марганца, а также соединениями фосфора шлак час­тично спускают самотеком в период кипа через порог загрузочного окна в шлаковницу. Оставшийся к окон­чанию окисления шлак «скачивают» из печи полностью, так как иначе в последующие периоды при подъеме температуры в ванне реакции могут пойти в обратную сторону, и фосфор из шлака начнет переходить в металл. На период скачивания шла­ка печь отключают, а электроды поднимают во избежание их по­ломки.

После скачивания шлака начи­нается восстановительный период, в течение которого металл освобож­дается от большей части серы. Ме­талл раскисляют, например, ферро­силицием и ферромарганцем и на его поверхность вновь заводят шлак; в печь забрасывают известь с до­бавками флюса — плавикового шпа­та и шамота, а также восстанови­тели — молотый кокс и ферросили­ций.

Веществом, связывающим серу, служит известь, но для того, чтобы реакция шла удовлетворительно, не­обходимо:

1) высокая температура метал­ла, так как эта реакция эндотермична. Кроме того, высокая темпе­ратура нужна для уменьшения вязкости металла и шлака, что повышает скорость диффузии сернистого железа в шлак, где оно связывает­ся известью.

2) наличие в шлаке достаточно­го количества извести, обеспечиваю­щего удаление серы из металла по уравнению FeS + CaO = FeO + CaS, и восстановителей, например угле­рода, восстанавливающего железо по уравнению FeO + C = Fe + CO.

Обе эти реакции дают суммарную FeS + CaO + C = CaS + Fe + CO, яв­ляющуюся необратимой, так как СО в виде газа удаляется из шлака.

3) наличие в печи восстанови­тельной атмосферы, так как в оки­слительной атмосфере невозможно добиться удовлетворительного рас­кисления металла и шлака.

В конце плавки в металл вводят легирующие добавки, чтобы довести его состав до требуемого, оконча­тельно раскисляют его, например, алюминием и приступают к разлив­ке. Такой процесс получения в ду­говой печи высококачественных ле­гированных сталей носит название основного процесса с полным окис­лением, так как он основан на использовании основных известковых шлаков. Основные шлаки при вы­соких температурах в печи интен­сивно размывают любую футеровку, кроме основной. Поэтому печи, ра­ботающие на основном процессе, должны иметь магнезитовую или доломитовую футеровку ванны.

Из рассмотрения основного про­цесса выплавки стали вытекают и требования к дуговой печи.

Первое требование — гибкость управления мощностью печи. В на­чальный период расплавления ме­талла в печь требуется вводить мак­симальную мощность, чтобы уско­рить процесс расплавления; в перио­ды окисления и восстановления нужно иметь возможность в любой момент изменять эту мощность, с тем чтобы управлять температурами металла и шлака, являющимися мощными факторами воздействия на протекающие реакции. Это тре­бование легко выполнить в дуговой печи, мощность которой регулирует­ся изменением длины дуг, т. е. подъемом или опусканием электро­дов.

Второе требование — регулиро­вание длины дуги, изменение ее в различные периоды плавки незави­симо от выделяемой мощности. Это необходимо, так как градиент стол­ба дуги сильно меняется на протя­жении плавки; в период окисления и рафинирования длина дуги стано­вится во много раз большей и интенсивно излучает тепло на футе­ровку стен и свода как раз тогда, когда из-за высокой температуры они находятся в наиболее тяжелых условиях. Достигается это измене­нием напряжения на дугах путем переключения ступеней напряжения печного трансформатора.

На рис. 1.3 представлен пример­ный график изменения мощности и напряжения при основном процессе выплавки стали с полным окислени­ем (для печи средней емкости). Как видно, и мощность печи, и ее напря­жение могут изменяться от 100 до 40 % и менее.

Третье требование — поддержание в печи восстановительной атмосферы. В дуговой печи это также легко осуществимо, так как в ней, благодаря сгоранию электродов, свободный кислород отсутствует, а закрыть доступ внешнему кислородувоздуха в восстановительный период нетрудно, если дверцы печи и электродные отверстия поддерживаются в нормальном состоянии, именно легкость выполнения первого и третьего из перечисленных требований выгодно отличает дуговую печь от мартеновской.

Рис. 1.3. Примерный график мощности и напряжения ДСП за плавку при выплавке основ­ным процессом с полным окислением

Мартеновская печь значительно более инерционна в тепловом отношении, в ней труднее регулировать выделяющееся в печи тепло и достичь восстановительной атмосферы, так как в мартеновской печи во избежание полного сгорания топлива нужен избыток кислорода.

Так как в дуговой печи имеют место частые толчки тока, особенно период расплавления, то в ней токи «эксплуатационного» короткого замыкания должны быть ограничены до безопасного для электрооборудования и токоподводов значения, а система автоматического регулирования должна быстро реагировать на эти толчки и ликвидировать их.

Наконец, для того чтобы в дуговой сталеплавильной печи можно было проводить описанный процесс плавки стали, она должна быть снабжена рядом механизмов. В печь необходимо загружать шихту, и современные печи имеют механизмы загрузки шихты.

Готовый металл нужно слить из печи, а в процессе плавки надо из печи скачать шлак, поэтому печь должна наклоняться как в сторону летки, так и в сторону загрузочного окна с помощью механизма на­клона.

На откосах ванны печи между электродами шихта плохо расплавляется; чтобы ускорить этот процесс, в современных крупных печах, где сбрасывать «настыли» вручную невозможно, осуществляют поворот ванны печи на некоторый угол вокруг ее вертикальной оси с помощью механизма поворота ванны (в сверхмощных печах благодаря ма­лому диаметру распада электродов образуется общий колодец и надобность в механизме поворота ванны отпадает).

В дуговых печах жидкий металл ванны неоднороден по составу и температуре. Особенно велика такая неоднородность в крупных печах, в которых физически невозможно перемешать металл механичес­ким способом. Такие печи снабжа­ют устройством электромагнитного перемешивания. Эти устройства об­легчают также скачивание шлака.

Наконец, каждая дуговая печь имеет механизмы перемещения электродов. Так как управление электрическим режимом дуговой печи осуществляют в основном пу­тем перемещения электродов, а колебания тока, короткие замыка­ния и обрывы дуги происходят, как правило, раздельно по фазам, каж­дый электрод печи должен быть ос­нащен своим механизмом подъема и опускания с автоматическим регу­лятором, позволяющим быстро и точно управлять его положением.

С помощью основного процесса с полным окислением в дуговых пе­чах получают слитки легированных сталей, а также ответственные сталь­ные отливки. Иногда при получении мелкого фасонного литья можно от­казаться от удаления фосфора и серы, когда требования по ним сни­жены или когда налицо шихта с пониженным их содержанием. В этом случае плавку ведут так назы­ваемым кислым процессом, при ко­тором шлаки состоят из кремнекислоты и окислов металла, а футеров­ку печи во избежание ее разъеда­ния также выполняют кислой (из динаса). Таким образом, рафинировка металла при кислом процессе сведена лишь к его раскислению и некоторому выжиганию углерода, однако при фасонном литье высту­пают другие преимущества дуговых печей. Так как отливки малы, раз­ливка длится долго и нужен очень жидкотекучий металл, легко запол­няющий полости литейных форм, фасонное литье требует значитель­ного перегрева металла. Такой перегрев легко получить в дуговой печи и трудно — в мартеновской. Кроме того, мартеновская печь является для фасонного литья слишком крупным и негибким агрегатом, дающим сразу большую массу металла, тогда как процесс литья требует непрерывной подачи хорошо нагретого металла сравнительно не­большими порциями. Поэтому дуго­вая печь более удобна для стально­го фасонного литья, и большинство отечественных машиностроительных заводов имеет сталелитейные цехи с такого рода печами.

Длительность плавки в дуговой печи, работающей на кислом про­цессе, значительно меньше, чем при основном. В последнем случае рас­плавление длится обычно 1,5—2 ч, а рафинирование и окисление — от 2 до 3 ч, так что вся длительность плавки может доходить для круп­ных печей до 4—5 ч, тогда как при кислом процессе она не превосходит 2,5—3 ч. Так как длительность плавки сокращается в основном за счет периода рафинирования, когда температура в печи достигает ма­ксимума, то футеровка и механизмы печи при кислом процессе находят­ся в более легких температурных условиях работы, и срок службы их увеличивается. С другой стороны, период расплавления в кислых пе­чах также можно сократить, увели­чив мощность печного трансформа­тора.

Тем не менее требования, предъ­являемые к печам для стального литья и, в частности, работающим на кислом процессе, те же, что и для печей, работающих на слиток в основном процессе. Одни и те же печи могут работать как на том, так и на другом процессе, как с основ­ной, так и с кислой футеровкой.

Начиная примерно с I960 г., в произ­водстве слитковой стали произошли сущест­венные изменения. В связи с появлением кислородного конвертора, дающего сталь достаточно высокого качества и в то же время 'более дешевую по сравнению с мар­теновской, выплавка ее резко уменьшилась, а строительство новых цехов с мартенов­скими печами вообще прекратилось. Это в свою очередь вызвало необходимость в резком увеличении выплавки электростали для того, чтобы использовать металличе­ский лом, который раньше переплавлялся в мартеновских печах, так как кислородные конверторы работают на жидком чугуне, и в них можно добавлять лишь неболь­шую (15—20 %) долю твердого скрапа.

Этому способствовало и то обстоятельство, что стоимость переплава стали в ДСП и мартеновской лечи практически сравнялась. Естественно, что задачу резкого увеличе­ния количества выплавляемой электростали можно было решить в сравнительно корот­кое время лишь путем строительства круп­ных печей емкостью в 100, 200, 400 т и более. В таких мощных агрегатах необхо­димо было, однако, выплавлять не только качественные стали (которые не нужны в таких количествах; к тому же самые круп­ные ДСП менее приспособлены для выплав­ки таких сталей), но и обычные углероди­стые или малолегированные стали с уко­роченным периодом рафинирования.

Кроме того, за последние годы начал развиваться процесс внепечного рафиниро­вания стали, при котором в дуговой печи осуществлялось лишь расплавление и окис­ление металла, тогда как рафинирова­ние производилось в ковше либо с помощью специальных синтетических шлаков, либо, что нашло преимущественное применение, с использованием вакуума и продувкой ме­талла в ковше аргоном. В обоих случаях увеличивается средняя за плавку мощность печи и становится выгодным поднять мощ­ность печного трансформатора, так как его использование повышается. Отсюда появи­лись так называемые печи сверхвысокой мощности с удельной мощностью в 400—600 кВ·А/т против обычной ранее удельной мощности в 200—250 кВ·А/т для крупных печей (100 т и более). В результате мощ­ность печей в 200 т достигла 80—120 мВ·А, а печей в 400 т — 180—200 мВ·А.

В такого рода сверхмощных печах, од­нако, резко увеличивается тепловая на­грузка футеровки, а срок ее службы со­кращается. Поэтому следует уменьшить из­лучение тепла от дуг в сторону стен, перей­дя на работу с короткими дугами, т. е. снижая их напряжение и достигая увели­ченной мощности в основном за счет уве­личения тока. Исключением является на­чальный период расплавления, когда дуга находится в колодцах и необходимо силь­ное излучение дуг в горизонтальной плоско­сти, с тем чтобы обеспечить больший диа­метр колодцев. В этот период, следователь­но, нужно работать на повышенном напряжении, т.е. на длинных дугах.

В последние годы появился еще один способ получения стали непосредственно из руды путем ее прямого восстановления, ми­нуя доменный процесс. Для этой цели руда пропускается через шахтную печь, или ре­торту, или через вращающуюся барабанную печь, отапливаемые топливом; в них руда восстанавливается окисью углерода, водо­родом или твердым восстановителем и вы­дается в виде округлых кусков, так назы­ваемых металлизированных окатышей. В окатышах содержится 80—90 % восста­новленного железа (остальное — окислы железа, в основном FeO, и окислы кремния и алюминия). Окатыши загружаются в дуговую печь и переплавляются в ней на сталь, причем примеси и оставшаяся часть окиси железа уходят в шлак. В дуговых печах вся переплавляемая шихта может со­стоять из окатышей, или последние могут переплавляться совместно со скрапом в лю­бой пропорции. В СССР запроектирован электросталеплавильный комбинат с вер­тикальными печами для восстановления железной руды, дуговыми печами в 150 и 200 т для переплава окатышей. При этом печи будут загружаться вначале на 35 % своей емкости скрапом, а остальные 65 % — окатышами, которые будут непрерывно за­гружаться в печь после расплавления скрапа. Такой процесс оказывается более дешевым по сравнению с обычным процес­сом выплавки стали на заводе с доменны­ми и коксовыми печами и кислородными конверторами. Оборудование для такого процесса обходится намного дешевле, и построить его можно в 2—2,5 раза быст­рее, что позволит наращивать производство стали.

Использование окатышей приводит кизменению как конструкции ДСП (изменя­ется механизм загрузки), так и электриче­ского режима печи. Тем не менее, основные требования к ДСП и к их электрооборудо­ванию при переходе на сверхмощные печи и на плавку окатышей остаются без изме­нения.