Лекция на тему Производство стали в электропечах

Производство стали в электропечах

Наиболее совершенные плавильные агрегаты — это электропечи, в которых электрическая энергия превращается в тепло для нагрева и расплавления металла.
Производство стали в электропечах имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами выплавки стали. Так, в электропечах можно получать температуру до 2000°С и расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких компонентов (хрома, вольфрама, молибдена и др.); иметь высокоосновной шлак (до 55—60% СаО); создавать восстановительную атмосферу или вакуум (индукционные печи) и добиваться хорошего раскисления и дегазации металла.
Для выплавки стали применяют электропечи двух типов — дуговые и индукционные. Дуговые печи особенно широко применяют в металлургической промышленности.
Устройство электропечи
В этой печи (рис. 1) нагревание и расплавление шихты осуществляется за счет тепла, излучаемого тремя электрическими дугами. Электрические дуги образуются в плавильном пространстве печи между вертикально подвешенными электродами и металлической шихтой.
Печь состоит из цилиндрического сварного или клепаного кожуха 9 со сфероидальным днищем; подины с огнеупорной футеровкой и стенок 8; съемного арочного свода 6 с отверстиями для электродов 5 ; механизма 4 для закрепления и вертикального перемещения электродов; двух опорных сегментов 10 для поддержки и перемещения печи по направляющим фундамента 11;механизма 8 для наклона печи при выпуске стали по желобу 7. Электрический ток поступает от понижающего трансформатора 1, находящегося в отдельном помещении. Для подвода тока к электродам использованы медные шины и гибкий кабель 2.
Свод печи обычно выполняют из динасовых кирпичей, иногда из хромомагнезитовых блоков. Подина печи может быть кислой или основной.
В печах применяют угольные и графитированные электроды. Последние оказывают меньшее сопротивление току и более устойчивы при высоких температурах, но дороже угольных.
Во время плавки электроды сгорают, поэтому их приходится постепенно опускать в печь и в случае надобности наращивать (свинчивать с новыми электродами). Каждый из электродов зажат в контактных щеках металлического электрододержателя, к которому подводится электрический ток от вторичной обмотки печного трансформатора. Первичная обмотка трансформатора питается током высокого напряжения (6000—30000В), который преобразуется в ток низкого напряжения (90—280В) в зависимости от выбранной ступени напряжения. Мощность печного трансформатора зависит от емкости печи и способа плавки. Дуговые электропечи имеют емкость от 3 до 270т и более.
Технология выплавки стали в дуговых печах
В электрических дуговых печах выплавляют высококачественную углеродистую или легированную сталь. Обычно для выплавки стали применяют шихту в твердом состоянии. Твердую шихту в дуговых печах с основной футеровкой используют при плавке стали с окислением шихты и при переплавке металла без окисления шихты.
Технология плавки с окислением шихты в основной дуговой печи подобна технологии плавки стали в основных мартеновских печах (скрап-процессам). После заправки падины в печь загружают шихту. Среднее содержание углерода в шихте на 0,5 -0,6% выше, чем в готовой стали. Углерод выгорает и обеспечивает хорошее кипение ванны. На подину печи загружают мелкий стальной лом, затем более крупный. Укладывать шихту в печи надо плотно. Особенно важно хорошо уложить куски шихты в месте нахождения электродов. Шихту в дуговые печи малой и средней емкости загружают мульдами или лотками через завалочное окно, а в печи большой емкости через свод, который отводят в сторону вместе с электродами. После загрузки шихты электроды опускают до легкого соприкосновения с шихтой. Подложив под нижние концы электродов кусочки кокса, включают ток и начинают плавку стали.

Рис. 1 - Схема устройства дуговой электропечи емкостью 80 т:
1 – электроприбор, 2 – провода, 3 – подъемник, 4 – подъемник электродов 5Ю, 6 – свод, 7 – летка, 8 – подпод, 9,10, 11 – устройства поворота печи
При плавки стали в дуговых печах различают окислительный и восстановительный периоды.
Во время окислительного периода расплавляется шихта, окисляется кремний, марганец, фосфор, избыточный углерод, частично железо и другие элементы, например хром, титан и образуется первичный шлак. Реакция окисления такие же, как и при основном мартеновском процессе. Фосфор из металла удаляется в течение первой половины окислительного периода, пока металл в ванне сильно не разогрелся. Образовавшийся при этом первичный фосфористый шлак в количестве 60 - 70% удаляют из печи.
Для получения нового шлака в основную дуговую печь подают обожженную известь и другие необходимые материалы. После удаления фосфора и скачивания первичного шлака металл хорошо прогревается и начинается горение углерода. Для интенсивного кипения ванны в печь забрасывают необходимое количество железной руды или окалины и шлакообразующих веществ.
Во время кипения ванны в течение 45-60 мин. избыточный углерод сгорает, растворенные газы и неметаллические включения удаляются. При этом отбирают пробы металла для быстрого определения в нем содержания углерода и марганца и пробы шлака для определения его состава. Основность шлака поддерживается равной 2-2,5, что необходимо для задержания в нем фосфора.
После удаления углерода скачивают весь шлак. Если в металле в период окисления углерода содержится меньше, чем требуется по химическому анализу, то в печь вводят куски графитовых электродов или кокс.
В восстановительный период плавки раскисляют металл, переводят максимально возможное количество серы в шлак, доводят химический состав металла до заданного и подготовляют его к выпуску из печи.
Восстановительный период плавки в основных дуговых печах при выплавке сталей с низким содержанием углерода проводится под белым (известковым) слоем шлака, а при выплавке высокоуглеродистых сталей - под карбидным шлаком.
Для получения белого шлака в печь загружают шлаковую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата. Через некоторое время на поверхности образуется слой шлака с достаточно высокой концентрацией FeO и МnО. Пробы шлака имеют темный цвет.
Перед раскислением металла в печь двумя-тремя порциями забрасывают второю шлаковую смесь, состоящей из кусковой извести, плавикового шпата, молотого древесного угля и кокса. Через некоторое время содержание FeO и МnО понижается. Пробы шлака становятся светлее, закись железа из металла начинает переходить в шлак. Для усиления раскисляющего действия к концу восстановительного периода в печь забрасывают порошок ферросилиция, под влиянием которого содержание FeO в шлаке понижается. В белом шлаке содержится до 50 - 60% СаО, а на поверхности его плавает древесный уголь, что позволяет эффективно удалять серу из металла.
Во время восстановительного периода плавки в металл вводят необходимые добавки, в том числе и легирующие. Окончательно металл раскисляют в печи алюминием.
Выплавка стали под карбидным шлаком на первой стадии восстановительного процесса происходит так же, как и под белым шлаком. Затем на поверхность шлака загружают карбидообразующую смесь, состоящую из кокса, извести плавикого шпата. При высоких температурах образующийся карбид кальция увеличивает раскислительную и обессеривающую способность карбидного шлака. Для ускорения образования карбидного шлака печь хорошо герметизируют. Карбидный шлак содержит 55 -65% СаО и 0,3 - 0,5% FeO; он обладает науглероживающей способностью.
При выплавке стали методом переплава в печь не загружают железную руду, условия для кипения ванны отсутствуют. Шихта состоит из легированных отходов с низким содержанием фосфора, поскольку его нельзя будет удалить в шлак. Для понижения содержания углерода в шихту добавляют 10-15% мягкого железа. Образующийся при расплавлении шихты первичный шлак из печи не удаляют. Это сохраняет легирующие элементы (Сг, Ті, V), которые переходят из шлака в металл.
Устройство и работа индукционных печей
Индукционные печи отличаются от дуговых способом подвода энергии к расплавленному металлу. Индукционная печь примерно работает так же, как обычный трансформатор: имеется первичная катушка, вокруг которой при пропускании переменного тока создается переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит во вторичной печи переменный ток, под влиянием которого нагревается и расплавляется металл. Индукционные печи имеют емкость от 50 кг до 100 т и более.
В немагнитном каркасе имеются индуктор и огнеупорный плавильный двигатель. Индуктор печи выполнен в виде катушки с определенным числом витков медной трубки, внутри которой циркулирует охлаждающая вода. Металл загружают в тигель, который является вторичной обмоткой. Переменный ток вырабатывается в машинных или ламповых генераторах. Подвод тока от генератора к индуктору осуществляется посредством гибкого кабеля или медных шин. Мощность и частота тока определяются емкостью плавильного тигля и состава шихты. Обычно в индукционных печах используется ток частотой 500 -2500 гц. Крупные печи работают на меньших частотах. Мощность генератора выбирают из расчета 1,0-1,4 квт/кг шихты. Плавильные тигли печей изготавливают из кислых или основных огнеупорных материалов.
Печь (рис. 2) состоит из огнеупорного плавильного тигля и индуктора 8. Индуктор выполнен в виде катушки из медной трубки, по которой циркулирует охлаждающая вода. Ток подается по гибким шинам 7 через печные конденсаторы 6 от рубильника 4, находящегося на щите управления 5. К щиту ток подается от пускателя 1 через преобразователь 2 и конденсатор 3.
Необходимый для питания индукционной печи переменный ток повышенной частоты вырабатывают в специальных машинных или ламповых генераторах. Ток от генераторов к индуктору подводится по гибкому кабелю или медным шинам. Обычно в индукционных печах используют ток частотой 500—2500 Гц.
В индукционных печах сталь выплавляют методов переплава шихты. Угар легирующих элементов при этом получается очень небольшим. Шлак образуется при загрузке шлакообразующих компонентов на поверхность расплавленного металла. Температура шлака во всех случаях меньше температуры металла, так как шлак не обладает магнитной проницаемости и в нем не индуцируется ток. Для выпуска стали из печи, тигель наклоняют в сторону сливного носка.
В индукционных печах нет углерода, поэтому металл не науглероживается. Под действием электромагнитных сил металл циркулирует, что ускоряет химические реакции и способствует получению однородного металла.
Индукционные печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов особого назначения, имеющих низкое содержание углерода и кремния.
 
Рис. 2 - Схема устройства индукционной высокочастотной печи