Электродуговые печи (стр. 4 из 6)
Длительность периода плавления может быть сокращена также путем вдувания кислорода в жидкий металл. Его вводят по расплавлении примерно 70—75% всей садки. Кислород подается трубками (диаметром 1/2—3/4), вводимыми в жидкую ванну, а также и на куски нерасплавившегося скрапа через гляделку в заслонке рабочего окна, под избыточным давлением 0,81— 1,22 Мн/м2 (8—12 am). Вследствие окисления железа, марганца, кремния и других примесей газообразным кислородом
Рис. 115. Изменение мощности (1) и напряжения (2) по ходу плавки в 40-т электропечи
выделяется большое количество тепла, что и обусловливает ускорение расплавления остатков лома и повышение температуры металла.
При применении кислорода длительность периода плавления сокращается на 10—15%. Расход кислорода составляет 5—10 м3/т стали. В процессе плавления в печь присаживают известь или известняк, а за 20—25 мин до окончания расплавления — железную руду.
При плавлении шихты протекает ряд физико-химических процессов. Практически полностью окисляются кремний, алюминий и титан, около половины окисляется марганца. Происходит также и окисление углерода и фосфора. Шлак в конце периода расплавления содержит: 35—45% СаО; 15—25% SiO2; 8 -15% MgO; 7—10% MnO; 10—15% FeO; 0,5—1,0% Р2O5. После расплавления всей шихты отбирают первую пробу металла для определения в нем содержания углерода, марганца, фосфора ипо необходимости — хрома, никеля, меди, молибдена и вольфрама. После отбора пробы металла, не выключая тока, наклоняют печь в сторону загрузочного окна и удаляют (скачивают) из печи большую часть шлака (70—80%). Со скачиваемым шлаком удаляется основная часть фосфора, содержащегося в шихте и окислившегося в период плавления. С этого момента приступают к проведению окислительного периода плавки.
Окислительный период. Его задачами являются: 1) максимальное снижение содержания фосфора; 2) возможно большее удаление газов (водорода и азота) и оксидных неметаллических включений; 3) повышение температуры металла до требуемого уровня и выравнивание ее по всему объему металлической ванны. В этот же период происходит дальнейшее окисление углерода, марганца, хрома и других легирующих элементов, обладающих высоким сродством к кислороду.
После скачивания первичного шлака в печь присаживают известь и в случае необходимости, для поддержания необходимой жидкоподвижности шлака — плавиковый шпат или шамотный бой. Общее количество вводимых в печь шлакообразующих составляет 1,5—2,0% от массы садки. После образования жидкоподвижного шлака и нагрева металла до требуемой температуры в ванну периодически, небольшими порциями, вводят руду и известь. Это вызывает повышение содержания окислов железа и окиси кальция в шлаке, а следовательно, создает благоприятные условия для дальнейшего перехода фосфора из металла в шлак и протекания других окислительных реакций.
Удаление фосфора в этот период происходит по реакции 2 [Р] + 5 (FeO) + 4 (СаО) = (4СаО-Р2О5) + 5 [Fe], или в ионной форме [Р] + 5/2Fe2+ + 4О2- = РО4- + 5/2 [Fe]. Эта реакция протекает преимущественно на границе раздела шлак—металл. В соответствии с показателем распределения фосфора между металлом и шлаком.
полнота дефосфорации металла обеспечивается высокой основностью, повышенным содержанием окислов железа в шлаке и непрерывным обновлением шлака, которое необходимо для поддержания в шлаке невысоких концентраций Р2О5. Обновление (скачивание) шлака происходит вскоре после присадки железной руды. Добавка руды приводит к интенсивному кипению ванны, которое вызывает вспенивание шлака, повышение его уровня. Вследствие этого шлак самотеком стекает из несколько наклоненной печи через порог завалочного окна в шлаковню.
Образующийся в этот период плавки шлак имеет примерно следующий состав: 40—50% СаО; 10—20% SiO2; 15—20% FeO; 6—10% MgO; 5—12% MnO; 2—3% Al2O3, основность шлака 2,6— 3,0. Указанный шлаковый режим обеспечивает до 0,010—0,020% содержания фосфора к концу окислительного периода в зависимости от марки выплавляемой стали. Одновременно с удалением фосфора происходит дальнейшее окисление углерода по суммарной реакции
[С] + (FeO) = {СО} + [Fe].
Этот процесс, сопровождающийся образованием окиси углерода, вызывает кипение ванны, что способствует перемешиванию металла и шлака, ускорению нагрева и выравниванию температуры по всему объему металла. Кроме того, выделение пузырьков окиси углерода благоприятствует удалению азота, водорода и оксидных включений из расплавленного металла.
Необходимая скорость окисления углерода в этот период поддерживается периодическими добавками руды и высоким температурным режимом. В начальной стадии окислительного периода скорость выгорания углерода составляет 0,4—0,6% /ч, в конечной стадии снижается до 0,2—0,3 %/ч. В течение окислительного периода должно выгорать 0,3—0,5% С. В этот же период происходит некоторое окисление марганца, основное количество которого выгорает в период плавления.
Реакция окисления марганца [Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe], или в ионной форме [Мп] + (О2-) + (Fe2+) = (Мп2+) + + (О2-) + [Fe], по мере повышения температуры постепенно приближается к состоянию равновесия и нередко происходит изменение ее направления в сторону восстановления марганца из шлака. Концентрация марганца в конце периода обычно бывает на уровне 0,15—0,20%.
К концу периода металл должен быть нагрет до температуры, на 120—130 град превышающей температуру плавления (до 1590— 1600° С при выплавке высокоуглеродистых сталей и до 1630— 1640° С — конструкционных сталей). Необходимые температурные условия обеспечиваются рациональным электрическим режимом (см. рис. 115), который поддерживается несколько меньшим, чем в период расплавления, и составляет 50—70% от максимальной мощности.
В ходе окисления несколько раз производят отбор проб металла и экспресс-анализ их на содержание углерода и фосфора. Окислительный период заканчивается по достижении концентрации углерода примерно на 0,1 % меньше нижнего предела заданного содержания в готовом металле при выплавке высоко- и среднеуглеродистых сталей и на 0,02—0,07% меньше — при выплавке низкоуглеродистых сталей (не ниже 0,08—0,09% С во избежание сильного переокисления металла). Содержание фосфора должно быть менее 0,01—0,02%. Завершается окислительный период скачиванием шлака, которое вначале производят без выключения печи,а затем при выключенной печи и поднятых электродах. Продолжительность окислительного периода для крупных печей составляет 40—60 мин. Эффективным средством сокращения длительности периода окисления является продувка ванны газообразным кислородом. Наиболее простым способом является введение кислорода одной или двумя железными трубками (диаметром 3/4—1") через рабочее окно непосредственно в жидкий металл на глубину 150—200 мм. Для повышения стойкости трубки снаружи футеруются смесью шамотного порошка и глины на жидком стекле или магнезитом с огнеупорной глиной также на жидком стекле.
Более совершенным способом является подача кислорода через специальную водоохлаждаемую фурму с несколькими выходными отверстиями. Фурма вводится в печь вертикально через свод и устанавливается при продувке на расстоянии 150—200 мм над подверхностью шлака. Кислород подается под избыточным давлением 1,01—1,22 Мн/м2 (10—12 am). Расход кислорода на продувку составляет 5—7 м3/т. Продолжительность продувки 10—20 мин, что позволяет сократить длительность окислительного периода до 30—50 мин и соответственно повысить производительность на 10—15% и сократить расход электроэнергии на 5—10%.
Восстановительный период. Задачами восстановительного периода являются: 1) раскисление металла; 2) удаление серы; 3) окончательное корректирование химического состава и температуры металла перед выпуском его из печи. Все эти задачи практически решаются одновременно, причем порядок проведения восстановительного периода определяется способом раскисления металла.
Раскисление необходимо для устранения вредного влияния кислорода на свойства и качество стали. Содержание кислорода повышается по мере протекания реакций окисления примесей и достигает наибольших значений в конце окислительного периода. При этом концентрация растворенного кислорода определяется содержанием углерода в металле. При раскислении добиваются максимально возможного снижения содержания кислорода и перевода его в неактивную, связанную в прочные окислы, форму, в значительно меньшей степени оказывающую влияние на свойства стали. Процесс раскисления может осуществляться либо путем добавки элементов-раскислителей непосредственно в металл (осаждающее раскисление), либо присадкой их на шлак (диффузионное раскисление). Диффузионное раскисление, основанное на законе распределения кислорода между металлом и шлаком, ранее широко использовалось в практике проведения восстановительного периода. В последнее время применяют комбинированный способ раскисления, сочетая осаждающее раскисление с диффузионным, что обеспечивает значительное сокращение продолжительности восстановительного периода без ущерба качеству металла.
Комбинированное осадочно-диффузионное раскисление проводится следующим образом. После удаления окислительного шлака и, в случае необходимости, науглероживания металла (дробленым коксом или электродным боем) непосредственно в металлическую ванну вводят раскислители — марганец, кремний и алюминий. Эти элементы вводят в виде простых или комплексных ферросплавов — ферромарганца, ферросилиция, силикомарганца, сплава АМС (алюминий—марганец—кремний) и др. Раскислители добавляются из расчета получения в металле 0,10—0,15% Si. Одновременно, если выплавляется хромсодержащая сталь, металл легируется хромом, путем присадки феррохрома в ванну. Добавка раскислителей в металл вызывает довольно резкое снижение содержания кислорода. Дальнейшее уменьшение концентрации кислорода достигается диффузионным раскислением. С этой целью после осадочного раскисления в печь вводят шлакообразующую смесь, состоящую из извести (35—60%) плавикового шпата (15%) и шамотного боя (10—25%). Количество шлакообразующих при плавке в крупных печах составляет около 3% от массы металла. После образования сильноосновного шлака приступают к диффузионному раскислению, которое проводится либо под белым, либо под карбидным шлаком. Под белым шлаком выплавляют конструкционные, малоуглеродистые (до 0,35% С) стали, под карбидным — средне- и высокоуглеродистые.