§ 21. Производство стали в электропечах

Плавка стали в электропечах имеет некоторые преимущества по сравне­нию с процессами конвертирования чугуна или плавки в мартеновских печах, а именно:

возможность получения стали с минимальным количеством вредной примеси - закиси железа; возможность использовать скрап легированных сталей при незначитель-­ ной потере, легирующих элементов вследствие угара;

возможность получения более высокой температуры, чем в какой-либо другой плавильной печи, что позволяет, получать специальные стали с боль­шим содержанием таких тугоплавких легирующих примесей, как вольфрам,

возможность использования шихтовых материалов с содержанием вред-­ ных примесей, которые можно удалить при плавке;

возможность быстро привести печь в рабочее состояние и ведения ра­боты с перерывами, что является преимуществом в случае получения фасон­ного стального литья; возможность получения различных высококачественных сталей;

малый расход электрической энергии на плавку.

Устройство электропечей для плавки сталей

Для плавки стали наиболее широко применяют два типа электропечей — дуговые (фиг. 21, а) и индукционные высокой частоты (фиг. 21,6).

Дуговые электропечи построены по принципу использования тепла от горения электрической дуги. Дуговые печи разделяются на печи с не­зависимой и зависимой электрической дугой.

Фиг. 21. Схема устройства электроплавильных печей для плавки стали:

а — трехфазная электродуговая печь: /—загрузочное окно; 2 — реечный механизм с электродвигателем для поворота печи; 3 — электрододержатели с механизмом для подъема и опускания; 4 —твердая шихта; 5 — кусок кокса; в — расплавленный металл; 7 — расплавленный шлак; 8 — электроды; 9 — свод; Ю — под: б — индук­ционная печь высокой частоты: / — огнеупорный тигель; 2 — обмотка из медной трубки; 3 — медная трубка, охлаждаемая водой; 4 — расплавленный металл; 5 — корка твердого шлака

В печах с зависимой дугой (фиг. 21, а) электроды располагаются вер­тикально. Ток направляют из одного электрода в металл, а во второй электрод ток поступает через металл. Таким образом, цепь замыкается. Электрическая дуга образуется между электродами 8 и загруженным в печь металлом 4. Печи с зависимой дугой получили, наибольшее распростране­ние в сталеплавильном и литейном производстве. В электропечах с неза­висимой электрической дугой электродуга горит между электродами.

Современные электродуговые печи работают на трехфазном токе и имеют три графитовых или угольных электрода. Плавильное пространство печи ограничено внизу подом 10, а вверху сводом 9. Через отверстия в своде пропущены три электрода. Электроплавильные печи могут быть с кислой и основной футеровкой.

Наибольшее применение в промышленности имеют печи с основной футеровкой.

Индукционные бессердечниковые печи работают на токе высокой ча­стоты. Для этих печей необходим специальный генератор, дающий требуе­мую частоту.

Печь (фиг. 21, б) состоит из огнеупорного тигля /, вокруг которого снаружи имеется обмотка 2 в виде медной трубки 3, охлаждаемой водой. По обмотке идет ток высокой частоты. В металле 4, находящемся в тигле, возбуждаются вихревые токи большой силы, которые быстро нагревают металл до плавления. Эти печи нашли широкое применение для плавки качественных сталей.

Металлы и шлакообразующие материалы для выплавки стали в электропечах

В состав шихты для плавки *в дуговой электропечи входят стальной лом, чугун, железная руда, флюсы, раскислители и добавочные материалы (ферросплавы).

Стальной лом является основным видом сырья для электроплавки. Из всех видов стального лома наиболее подходящими здесь являются куско­вой лом, отходы кузнечного производства, брак слитков, обрезки проката и др. Лом легированных сталей можно переплавлять в электропечи без больших потерь легирующих элементов.

Для выплавки высококачественных сталей в отдельных случаях в шихту вместо скрапа дают слитки стали, специально выплавленной в основных мартеновских печах с содержанием 0,1—0,2% С, 0,15—0,25% Мn и 0,025% Р.

Чугун применяют для электроплавки в качестве шихтового материала с целью науглероживания металла. Чугун вводят в количестве 5—10% веса шихты.

Железную руду добавляют, чтобы окислить примеси в металле. Руда не должна содержать вредных примесей (серы и фосфора).

В современной практике при плавке в электропечах нержавеющих и других сталей для окисления примесей применяют технически чистый кислород.

Флюсы. Для образования шлака с основными свойствами в печь загру­жают известь. Кроме извести, добавляют фтористый кальций CaF₂ для разжижения шлака с высоким содержанием СаО. Для образования шлаков с кислыми свойствами в качестве флюса применяют кварцевый песок.

Раскислители и ферросплавы. При электроплавке применяют раскисли­тели — ферромарганец, ферросилиций, алюминий и в зависимости от выплавляемого сорта стали добавляют в металл различные ферросплавы — феррохром, ферротитан, ферромолибден, ферровольфрам и др.

Процесс плавки зависит от характера перерабатываемых материалов и может быть трех видов: с полным окислением всех примесей, с частич­ным окислением и без окисления.

Процесс получения стали в электропечи с основной футеровкой

Наиболее характерным является процесс плавки с полным окислением примесей. Плавку с полным окислением примесей проводят в тех случаях, когда нужно переработать шихтовые материалы с повышенным содержа­нием вредных примесей или получить конструкционные стали с очень низ­ким содержанием вредных примесей (фосфора и серы).

Процесс плавки с полным окислением состоит из нескольких периодов: загрузки, плавления, окисления примесей и раскисления.

Шихту загружают с большой тщательностью, так чтобы вместить все материалы в один прием. Подгрузка шихты во время плавки удлиняет срок плавки. Чтобы облегчить и ускорить процесс загрузки, своды отдель­ных печей делают съемными. В этом случае шихту загружают бадьей. По окончании загрузки шихты к ее поверхности приближают электроды и вклфчают ток.

Каждый электрод, постепенно опускаясь вниз, проплавляет металл. В это время на поду печи собирается жидкий металл. Когда электроды опустятся до жидкого металла, их поднимают и шихту сталкивают под электроды, затем включают ток и плавят металл. Металл, лежащий на откосах, сталкивают в жидкую ванну.

Окисление примесей во время расплавления осуществляют кислородом, содержащимся в атмосфере печи, и железной рудой, доба­вляемой в печь по расплавлении шихты. Получаемая при этом FeO раство­ряется в расплавившейся части металла и является источником окисления примесей по реакциям

Si + 2FeO 2Fe + Si0₂ + 76 600 кал;

Mn + FeO Fe+ MnO + 28 600 кал;

2P + 5FeO 5Fe + P₂0₅ + 46 900 кал;

С + FeO Fe + CO - 37 930 кал.

Реакции окисления углерода в этот период замедлены вследствие невы­сокой температуры металла и недостатка тепла.

После расплавления металла образуется железистый шлак, способ­ствующий удалению фосфора из ванны. Закись железа соединяется с Р₂0₆ и образует соль (Fe0)₃P₂0₅, переходящую в шлак. Эта соль при повышен­ных температурах разлагается. Поэтому железистые шлаки надо скачивать с поверхности металла и наводить новые, пока ванна не нагрелась до зна­чительной температуры. Для образования более прочных соединений фос­фора в шлак добавляют известь. При наличии в шлаке избытка извести фосфорножелезная соль переходит в фосфорнокальциевую по реакции

4СаО + (FeO)₃P₂0₅ (Са0)₄Р_а0₅ + 3FeO + 112 400 кал.

Чтобы форсировать окисление примесей и возбудить кипение ванны, после расплавления шихты в печь добавляют железную руду отдельными порциями по 10—12 кг на 1 m жидкого металла.

Получающийся пенистый железистый шлак удаляют с поверхности металла. После двух-трехкратного скачивания шлака в ванне остается весьма малое количество фосфора (до 0,01%).

После удаления фосфора снова добавляют железную руду для продол­жения кипения ванны, но уже меньшими порциями (4—6 кг на 1 га). Вместе с железной рудой добавляют известь, для того чтобы перевести возможный остаток фосфора в шлак в виде соли (СаО)₄Р2О₅ и предупре­дить таким образом обратный переход фосфора в металл при дальнейшем кипении ванны. Для поддержания кипения металла температуру ванны повышают.

После кипения ванны через 20—30 мин. окислительный, шлак удаляют. Остатки шлака сгущают известью, добавляя 10—12 кг извести на 1 т металла.

Примерный состав шлака, получающегося после окончания периода окисления для углеродистой стали с 0,3% С; 21,90% Si0₂; 11,26% FeO; 9,16% MnO; 41,30% CaO; 7,88% AlO; 0,27%. P₅0₅; 2,57% AI₂0₃; 4,90% Fe₂O_s. В этом шлаке содержится большое количество FeO, поэтому его скачивают.

Науглероживание металла. После окисления и снятия окислительного шлака металл науглероживают. Этот процесс. Применяют при выплавке высокоуглеродистых сталей или в тех случаях, когда неправильно прове­- ден первый период плавки и содержание углерода сильно снизилось. Для науглероживания металла применяют электродный бой, кокс и в отдель-­ ных случаях древесноугольный чугун. Науглероживатели вводят в требуе­- мом количестве на очищенную от. шлака поверхность металла,, затем плотно закрывают дверцы загрузочного окна, подсыпав тщательно зазоры, и дают выдержку 5—7 мин. Этот способ имеет отрицательные стороны: понижается температура металла, поглощаются металлом газы из атмосферы печи, окисляется ванна за счет кислорода воздуха и удлиняется срок плавки. Поэтому плавильщик должен вести плавку так, чтобы не применять науглероживания.

После окончания науглероживания в печь добавляют шлаковую смесь, состоящую из 80% извести и 20% плавикового шпата, в количестве 4% веса плавки. Образующийся шлак вначале содержит 5—8% (FeO + MnO). Для снижения содержания этих окислов в шлак присаживают раскисли - тельную смесь, состоящую из мелкокусковой извести,» молотых ферроси­лиция и кокса. Под действием раскислительной смеси в шлаке протекают реакции:

FeO + С Fe + СО;

MnO + С Мn + СО;

2FeO + Si 2Fe + Si0₂;

2MnO + Si r 2Mn + Si0₂.

После раскисления получается так называемый белый шлак следую­щего примерного состава: 15—20% Si0₂; до 1,0% FeO; до 0,4% MnO; около 60% СаО; 10—12% MgO; около 1,0% CaS; 2,0—3,0% AI₂Q₃; 5—10% CaF₂.

Под белым шлаком создаются благоприятные условия для удаления серы, из металла в шлак по реакциям:

в жидком металле

FeS + Мn + MnS + Fe; в шлаке

MnS + СаО + С Мn + CaS + СО.

Обработка металла белым раскислительным шлаком достаточна для получения раскисленного металла. В такой металл добавляют легирую­щие элементы для доводки его до заданного состава.

Легирующие элементы вводят в металл с соблюдением следующих правил. Никель и молибден практически не угорают, и их можно вводить в ванну в течение окислительного периода плавки. Ферровольфрам и фер­рохром вводят в раскисленный металл в период рафинирования. Ферро­ванадий вводят за 8—-10 мин. перед выпуском готовой плавки.

После нагрева металла до заданной температуры его выпускают в "ковш для разливки.

В отдельных случаях восстановление металла ведут под слоем кар­бидного шлака. Преимущество способа рафинирования под карбидным шлаком состоит в улучшении свойств стали. Инструментальные стали, выплавленные под карбидным шлаком, меньше расположены к трещино - образованию, обладают лучшим изломом, более широким интервалом закалки, большей стойкостью в работе и т. д.

При восстановлении под карбидным шлаком в печь загружают шлако­вую смесь, состоящую из извести, плавикового шпата, молотого кокса. Кокс рассыпают по всей поверхности ванны, после чего заслонку загру­зочного окна закрывают, а все зазоры засыпают мелкой известью.

При этих условиях в области горения электродуги образуется карбид кальция СаС₂ по реакции

CaO + ЗС = СаС₂ + СО.

Плотно закрытую печь выдерживают в' течение 20—25 мин. Образо­вавшийся за это время карбидный шлак с содержанием СаС₂ до 5% реаги­рует с FeO и МnО по уравнениям

3FeO -f- CaO₂ = CaO + 2СО + 3Fe; ,

ЗМnО + СаС₂ = CaO + 2CO + ЗМn.

В результате высоких раскислительных свойств карбидного шлака содержание FeO и МnО в нем понижается до десятых долей процента. Получаем карбидный шлак следующего состава: 10—15% Si0₂; 0,3—0,5% FeO; 0,1—0,2% МnО; 55—65% CaO; 1,5—2% CaS; 2—5% CaC₂; 2—3% A1₂0₃; 8—10% CaF₂; 8—10% MgO.

Удаление серы из металла происходит еще успешнее, чем под белым шлаком; при достаточной выдержке ванны под карбидным шлаком (1,0—1,5 часа) содержание серы в металле уменьшается до следов. Уда­ление серы происходит по реакциям

СаС₂ -f- 3FeS -j- 2CaO = 3CaS + 3Fe + 2CO;

CaC₂ + MnS + 2CaO = 3CaS + ЗМn + 2СО.

Плавку стали под карбидным шлаком применяют реже, чем под вос­становительным шлаком, так как на плавку требуется большее время.

Для получения легированной стали в конце плавки для более полного раскисления добавляют необходимое количество раскислителей — ферро­силиция и алюминия. После этого дают для легирования присадки ферро­сплавов и металл быстрo нагревают до требуемой температуры, выдержи­вают в течение 10—15. мин. и выпускают в ковш для разливки.

Процессы получения стали с частичным окислением

примесей и без окисления

Плавку стали с частичным окислением примесей ведут в печах с кислой и основной футеровкой на чистых исходных материалах, содержащих допу­- скаемое количество вредных примесей (серы и фосфора). Процесс плавки включает короткий период окисления, так как при, плавке с частичным окислением необходимо понизить содержание углерода, кремния, марганца (частично можно понизить также содержание фосфора и серы, удалить газы). После короткого окислительного периода плавки скачивают окисли­ тельный шлак и переходят на восстановительный период плавки под белым или карбидным шлаком.

Большое значение имеет плавка стали без окисления примесей, в кото­рой окислительный период совершенно отсутствует. Этот вид плавки широко используют при переработке собственных отходов металлургического про­изводства. Содержание элементов в исходных материалах не должно пре­вышать заданного содержания их в готовом металле, так как эти элементы не удаляются из металла. Содержание углерода должно быть меньшим, так как оно увеличивается за счет кокса, имеющегося в восстановитель­ном шлаке. Шлак, образовавшийся после расплавления углеродистых сталей, скачивают, уменьшая тем самым на 50% содержание фосфора. При плавке легированных сталей первые шлаки не скачивают, так как они содержат окислы легирующих элементов, которые целесообразно восстанавливать белым шлаком и раскисляющими смесями, В этих случаях для образо­вания белого шлака в печь добавляют известь, фтористый кальций, молотый кокс и раскислители (ферросилиций) и продолжают восстановление до полу­чения металла надлежащего качества. Применение этого процесса для пере­плавки отходов легированных сталей экономит в народном хозяйстве зна­чительное количество ферросплавов и электрической энергии.

Особенности плавки стали в электропечах с кислой футеровкой

Футеровку кислых печей изготовляют из кислых огнеупорных материа­лов. Шлак кислых печей содержит до 60°/₀ SiO₂. Образующиеся закиси железа и марганца могут взаимодействовать с кремнеземом пода, образо­вывать соединения и переходить в шлак. Печи с кислой футеровкой нахо­дят наиболее широкое применение при плавке стали для фасонного литья и для выплавки высококачественных сталей.

В электропечах с кислой футеровкой можно частично удалять фосфор, создавая в них на короткое время основные шлаки после расплавления всей шихты. Металл выдерживают под основным шлаком, скачивают его и наводят кислый шлак.

Для окисления примесей (углерода, кремния и марганца) добавляют малыми порциями железную руду. Перед раскислением скачивают окисли­тельный шлак и добавляют в печь восстановительный шлак. В период раскисления металла при высоких температурах кремний можно восста­новить углеродом:

Si0₂ + 2C 2СО + Si.

Для уменьшения восстановления кремния из шлака к концу плавки добавляют СаО, которая связывает Si0₂ в более прочное химическое соеди­нение и повышает окислительную способность шлака.

Для раскисления металла в печах с кислой футеровкой вводят рас­кислители.

В электроплавильных печах можно применять два способа раскисле­ния металла.

По первому способу раскисление ведут непосредственно в металле, забрасывая ферросплавы. Вместе с раскислителями в металл вводят и дру­гие элементы; кроме того, сам раскислитель дает продукты раскисления, которые могут оставаться в металле.

По второму способу в электропечах широко применяют раскисление шлака 75%-ным ферросилицием. С уменьшением количества FeO в шлаке по закону подвижного равновесия уменьшается количество FeO в металле. При этом способе, получившем название диффузионного (или экстракцион­ного) раскисления, раскисление в электроплавильных печах может быть легко осуществлено.

Плавка стали в электропечах с применением кислорода

Кислород является эффективным средством повышения производитель­ности электропечей, а для отдельных марок сталей не только интенсификатором, но и необходимым технологическим средством, без которого нельзя получить сталь надлежащего качества, как, например, нержавеющие стали с низким содержанием углерода.

Применение кислорода значительно сокращает время плавления шихты и нагрева металла.

Присадка железной руды для окисления примесей с успехом заменяется продувкой ванны кислородом. Основное преимущество продувки состоит в том, что при добавке руды температура ванны снижается, а при продувке кислородом повышается на 100—120°, что дает возможность увеличить скорость окисления углерода и сократить длительность окислительного периода. В результате при выплавке нержавеющих сталей можно повысить производительность электропечей за счет кислорода на 30—40% и значи­тельно снизить расход электрической энергии.

В настоящее время кислород применяют при выплавке не только высоко­легированных нержавеющих сталей, но и ряда конструкционных сталей, где он используется в периоды расплавления металла и окисления в нем примесей. В результате продолжительность плавления и нагревания металла по сравнению с обычной плавкой сокращается на 20—30%, а расход элек­троэнергии на 15—20°/₀.

Весьма большой интерес представляет применение кислорода в круп­ных электропечах емкостью 100—200 т. В этих печах благодаря примене­нию кислорода используется в шихте большое количество чугуна — до 60—80% (в обычной плавке не более 10%). При использовании значитель­ного количества жидкого чугуна в электропечах выплавленная нелегиро­ванная конструкционная сталь получается дешевле мартеновской.

Кислород вводится в металл, так же как и в мартеновских печах, при помощи стальных труб с футеровкой и без футеровки или при помощи спе­циальных водоохлаждаемых медных фурм.

Особенности плавки стали в высокочастотных печах

В высокочастотных печах перерабатывают чистые, тщательно подобран­ные материалы. Шихту загружают с таким расчетом, чтобы после рас­плавления получить заданный состав металла. В конце плавки добавляют небольшое количество присадок и раскислители. Плавку ведут быстро, поэтому металл не успевает сильно окислиться. Шлак не нагревается индуктированными токами, и в отличие от других способов плавки шлак в этом процессе нагревается за счет тепла, получаемого от металла. На­личие толстого слоя шлака нежелательно, так как он образует твердую корку на поверхности металла.

Окисление металла за счет атмосферы незначительно даже без защит­ного шлака, так как зеркало ванны по отношению к объему металла мало. В печах с тиглем из основных огнеупорных материалов можно проводить рафинирование металла под белым шлаком.

Высокочастотные печи применяют для изготовления высококачествен­ных слитков и особенно в производстве фасонного стального литья. Эти печи наиболее рациональны для плавки высоколегированных сталей — нержавеющих, жароупорных, жаростойких и др. В высокочастотных печах можно выплавлять углеродистые стали с минимальным содержанием угле­рода, что трудно осуществить в дуговых электропечах, так как углерод из электродов частично поглощается металлом.