Описание технологического процесса

Производство стали в ДСП – 50 характеризуется цикличностью. Плавка содержит следующие основные технологические операции.

1. Заправка печи (межплавочный простой).

2. Завалка (загрузка шихты, включая заливку жидкого чугуна и подвалку металлошихты).

3. Расплавление завалки и полное расплавление шихты.

4. Окислительный период.

5. Восстановительный период (если не используются процессы внепечной доводки стали).

6. Выпуск стали.

Каждый из этих периодов характеризуется отличительными технологическими, физико-химическими и энергетическими процессами, происходящими в рабочем пространстве ДСП.

В периоды с 3 по 5 печь работает под током. Каждый из этих периодов характеризуется определенными ограничениями на величину подводимой к ДСП электрической мощности.

Период плавления составляет по продолжительности более половины длительности всей плавки. При этом расходуется до 70% всей электроэнергии, потребляемой за плавку. Задача этого периода в основном энергетическая: нагреть холодные шихтовые материалы, расплавить их и обеспечить нагрев расплава до заданной температуры.

Технологические периоды

Завалка (загрузка) шихты в печь. Основную часть шихты составляет металлошихта - лом и жидкий чугун. При необходимости, вместе с ломом и чугуном в завалку дают металлические материалы, содержащие легирующие элементы, имеющие низкое сродство к кислороду - N1 и Си, иногда Мо и Со. Вместе с металлошихтой загружают некоторое количество неметаллической шихты: известь (2-3% от садки); твёрдые окислители (агломерат или окатыши (1,0-1,5%)), если требуется обезуглероживание и дефосфорация; углеродосодержащие материалы (коксик, электродный бой) в случаях недостатка углерода в металлошихте. Содержание углерода в шихте должно быть на 0,3—0,5% выше его содержания в стали. Для этого обычно достаточно иметь 5-10% чугуна в металлошихте.

Завалку в печь осуществляют сверху при открытом своде с помощью двух-трех бадей за 5-10 мин. Обычно завалку организуют так, чтобы на подину сначала упали куски мелкого лома, которые защищают подину от повреждения падающими крупными кусками лома. Стараются, чтобы крупный лом вперемешку со средним попал в срединную часть печи, а по краям, на откосах печи, расположился лом средних размеров. Последними заваливают чугун и остатки мелкого лома - легкоплавкие материалы. Это обеспечивает в самом начале периода плавления быстрое образование так называемых колодцев, погружение электродов вглубь шихты, что улучшает нагрев последней и защищает (экранирует) стены и свод от интенсивного излучения электрических дуг. Неметаллические материалы либо добавляются в бадьи с металлошихтой, либо подаются по тракту сыпучих материалов. Второй способ позволяет присаживать их и в другие периоды плавки. Кокс и электродный бой, если они нужны, заваливают на первый слой мелкого лома. Известь и твёрдые окислители загружают после завалки первой бадьи. Следует иметь в виду, что твёрдые окислители и науглероживатели несовместимы, их совместная завалка чревата выбросами из печи в период плавления.

Бывают случаи, когда из-за низкой насыпной плотности лома вся шихта сразу не помещается в объёме печи. Тогда по ходу плавления, после оседания шихты в результате оплавления, осуществляют подвалку: снова открывают свод и загружают остаток металлошихты. Это крайне нежелательно, так как увеличивается время плавки, возрастает расход электроэнергии, страдает от температурных перепадов футеровка.

В 90-е года немецкая фирма "Риспз-5у51ет1есптк" реализовала принципиально новый вариант загрузки лома. В специальных контейнерах или по наклонному транспортёру металлошихту сначала загружают в шахту, расположенную под печью. Далее она на- гревается до температуры 500-700°С отходящими газами предыдущей плавки, а также, дополнительно, газокислородными горелками, установленными в нижней части шахты. После этого нагретая металлошихта загружается в печь. Этим обеспечивается сокращение периода плавления и на 20-25% снижается расход электроэнергии. Правда, следует отметить, что такой тип печей требует особо тщательной подготовки лома, особенно при конвейерной загрузке.

Период плавления составляет по продолжительности более половины длительности всей плавки. При этом расходуется до 80% всей электроэнергии, потребляемой за плавку.

Задача этого периода в основном теплотехническая: нагреть холодные шихтовые материалы, расплавить их и обеспечить нагрев расплава до заданной температуры. Этот период полностью можно считать энергетическим периодом электроплавки.

Весь период плавки шихты можно условно разделить на несколько стадий, которые различаются условиями протекания процессов и действующими ограничениями на величину подводимой к ДСП электрической мощности.

Стадия заглубления электродов в шихту.В начальный момент времени плавки при зажигании дуг, для уменьшения теплового излучения на элементы рабочего пространства ДСП (в основном на свод) работают на сравнительно коротких дугах. Эта стадия длится не долго, поскольку дуга достаточно быстро экранируется шихтой. Вследствие малой продолжительности очень часто эту стадию в реальных условиях не выделяют, принимая во внимание ограничения следующей стадии.

Проплавление колодцев. В эту стадию при условии проплавления дугами отдельных колодцев также нельзя еще подводить максимальную электрическую мощность к ДСП.

Если вести плавку на больших токах, т.е. на малых дугах, то в шихте проплавляются узкие колодцы. Электроды проходят колодцы быстро, при этом образуется мало жидкого металла (особенно при плавках на «сухую» подину). Для предотвращения повреждения подины электрической дугой движение электродов ограничивается конечным выключателем и при выпуске плавки в ДСП оставляется часть.

Кроме того, узкие колодцы могут привести к поломке электродов при возможном обвале шихты. Поэтому на этой стадии работают на длинных дугах, чтобы диаметр проплавляемых колодцев был на 25-30% больше диаметра электродов.

Если в шихте дуги проплавляют один общий колодец, что обычно встречается на мощных ДСП, то работают на максимальной подводимой к печи электрической мощности.

Стадия закрытых дуг.На этой стадии обеспечивается возможность подвода к ДСП максимальной электрической мощности. Дуги вполне устойчиво горят на жидкий металл, а элементы рабочего пространства экранированы шихтой. Шихта интенсивно расплавляется как за счет теплового излучения дуг, так и за счет тепла, поднимающегося уровня жидкого расплава. Это самая энергоемкая стадия процесса электроплавки.

После проплавления колодцев и осадки шихты обычно производят операцию подвалки шихты, которая включает заливку жидкого чугуна и загрузку второй бадьи с шихтовыми материалами. В этом случае стадии проплавления колодцев и закрытых дуг повторяются.

Стадия открытых дуг.По мере расплавления шихты и подъема электродов при повышении уровня расплава электрические дуги обнажаются. Поскольку шихта уже не экранирует тепловое излучение дуг на элементы рабочего пространства, то для предотвращения перегрева огнеупорной футеровки и водоохлаждаемых панелей необходимо работать на коротких дугах.

Для уменьшения теплового излучения дуг на элементы рабочего пространства в этой стадии наводят пенистый шлак, поглощающий тепловое излучение дуги.

Также можно выделить и пятую стадию расплавления, в течение которой происходит нагрев расплава до заданной температуре при одновременном проведении технологических операций окисления примесей и дефосфорации расплава. На этой стадии поддерживается относительно небольшая длина дуги.

Для ускорения плавления шихты особенно на периферийной части рабочего пространства применяют дополнительное отопление ДСП за счет сжигания природного газа в газокислородных горелках - фурмах, установленных в стенах рабочего пространства печи. За счет тепла, выделяющегося от сжигания газа обеспечивается до 30-40% подвода требуемой тепловой мощности.

После расплавления шихты осуществляется отбор пробы металла на содержание различных примесей, прежде всего углерода и фосфора. По полученным данным принимается решение о последовательности проведения окислительного периода плавки.

Окислительный период как часть технологического процесса получения расплава в ДСП проводится с целью решения следующих технологических задач:

• обезуглероживание металла до содержания углерода, соответствующего верхнему пределу в готовой стали;

• дефосфорация металла до содержания фосфора в расплаве на 0,010-0,015% ниже требуемого в готовой стали;

• нагрев расплава до температуры, превышающей температуру плавления на 100-130°С;

• удаление из расплава серы, водорода и азота в той мере, в какой это возможно.

Обезуглероживание расплава осуществляется с использованием присадок твердых окислителей с одновременной продувкой металла газообразным кислородом, подаваемым через специальные горелки - фурмы в виде высокоскоростных (когерентных) струй.

С целью интенсификации процесса удаления газов и неметаллических включений необходимо обеспечить достаточно интенсивное «кипение» ванны, вызываемое окислением углерода до СО и СО₂. В этом случае для экономии тепловой энергии важно обеспечить дожигание СО в пределах рабочего пространства ДСП.

В окислительный период для предотвращения перегрева металла снижают на 25-40% подводимую к печи электрическую мощность по сравнению с первоначальной в период расплавления.

Наиболее сложной технологической задачей, решаемой в этот период является дефосфорация металла. Эту задачу решают путем обновления шлака, которое осуществляют одним или двумя скачиваниями, либо непрерывным самотеком.

Поскольку шлак в электропечах плохо вспенивается, то для интенсификации его вспенивания, а следовательно и процесса дефосфорации в ДСП подают шлакообразующую смесь следующего состава: известь - твердый окислитель -плавиковый шпат в соотношении 7:3:1.

Высокая эффективность процесса дефосфорации достигается при вдувании такой смеси в ванну в порошкообразном состоянии. Степень дефосфорации при этом достигается 90-95%. Обновление шлака также в какой-то мере способствует и десульфации металла.

Удаление фосфора из металла в основном определяется основностью шлака и температурой металла. Увеличение основности шлака повышает его дефосфорирующую способность, но только до величины не более 2,4 - 2,6. При дальнейшем увеличении основности шлака это уже не оказывает заметного влияния на удаление фосфора. Для увеличения дефосфорирующей способности шлака необходимо увеличивать содержание в нем монооксида железа (FеО). Повышение температуры металла ухудшает условия окисления фосфора. В ДСП удаление фосфора частично происходит еще в период расплавления, когда температура ванны недостаточно высока. Очевидно, поэтому содержание фосфора в первичном шлаке обычно выше.

Кремний в окислительный период практически полностью окисляется и переходит в шлак еще в начале окислительного периода.

Окисление марганца определяется температурой металла и содержанием оксидов железа, марганца, кальция и кремния в шлаке.

При выплавке сталей в ДСП важно определять окисление (угар) дорогостоящих легирующих элементов: хрома, вольфрама, ванадия и др.

Окисление хрома увеличивается с увеличением температуры металла и основности шлака. Окисление вольфрама и ванадия происходит интенсивнее с увеличением основности шлака.

Во всех случаях в окислительный период большое значение имеет получение оперативной и достоверной информации о текущем (непрерывном) температурном состоянии металла и огнеупорной кладки рабочего пространства ДСП и составе расплавленного металла.

Если по технологии процесс доводки стали осуществляется непосредственно в ДСП, то после окислительного периода начинается восстановительный период.

Восстановительный период электродуговой плавки в ДСП осуществляется если выплавляемый металл не подвергается дальнейшей внепечной доводки для решения следующих задач:

диффузионное раскисление металла;

завершение десульфации металла;

легирование металла;

нагрев металла до заданной температуры выпуска.

После завершения окислительного периода проводят максимально полное скачивание шлака, чтобы вывести из металла фосфор, содержащийся в нем.

Затем в печь загружают в кусковом виде или вдувают в виде порошка шлакообразующую смесь, состоящую из извести, плавикого шпата и шамота в соотношении 5:1:1. Из этой смеси в течение 10-15 минут формируется начальный шлак, содержащий до 60% СаО, 10-15% CaF2, 5-10% SiO2, 3-5% FeO.

Для раскисления этого шлака на него подают коксик, что приводит к снижению FeO приблизительно до 1,5%. При этом шлак меняет цвет и становится серым. Дальнейшее раскисление шлака осуществляется смесью коксика и ферросилиция ФС-75. Это приводит к снижению содержания FeО до 0,5%. При этом шлак становится белого цвета.

В случае выплавки легированных сталей в восстановительный период производится легирование металла различными элементами.

Никель и молибден практически не окисляются в процессе электроплавки и вводятся в начальный момент окислительного периода. Хром, марганец, вольфрам вводят в металл в начале восстановительного периода после слива окислительного шлака. Кремний, ванадий, титан, алюминий обладают достаточно большим сродством к кислороду и легко окисляются в процессе электродуговой плавки. Поэтому эти элементы вводят в печь за несколько минут до выпуска стали.

Потребление тепла в восстановительный период не велико, поэтому работа ведется на пониженных ступенях напряжения, т.е. на пониженной мощности. Рекомендуется работать на коротких дугах, поскольку при этом меньше тепла передается излучением или на длинных дугах погруженных в пенистый шлак.

Для улучшения перемешивания шлака и металла, а также для интенсификации медленно протекающих процессов перехода серы в шлак, удаления кислорода и неметаллических включений из металла рекомендуется продувать металл аргоном через донные пористые пробки или использовать электромагнитное перемешивание ванны. Последнюю рекомендацию реализовать на большинстве ДСП технически очень сложно.