Насущными проблемами электроплавки являются насыщение металла азотом в зоне электрических дуг и повышенное остаточное содержание цветных металлов, вносимых металлоломом.

Обычно сталь, выплавленная в электродуговой печи, содержит до 80-120 ррm (0,008-0,0120%) азота в отличие от конвертерного металла, где концентрация этого элемента не превышает 30-40 ррm (0,003-0,004%). Использование пенистых шлаков и до 30-40% первородной шихты позволяет заметно снизить содержание азота в стали на выпуске из печи. Перспективным здесь может оказаться применение при внепечной обработке титаносодержащих шлаков с высокой нитридной емкостью и регулируемым уровнем окисленности. Использование таких смесей для рафинирования хорошо раскисленной стали позволяет удалить из жидкого металла до 40% азота и получать в условиях электросталеплавильных комплексов высококачественный листовой прокат с заданным уровнем служебных характеристик.

Цветные металлы в сталь вносятся исходными железосодержащими материалами, основным из которых при электроплавке стали является металлолом. Содержание суммы цветных металлов (Cu+Sn+Cr+Ni+Mo) в металлоломе колеблется от 0,35 до 1,2% в зависимости от марки, что значительно превышает пределы цветных металлов в первородных материалах (табл.1). Содержание этих элементов практически невозможно снизить в процессе электроплавки, поэтому они носят название «остаточных элементов». По степени чистоты в зависимости от содержания вредных примесей цветных металлов вся продукция может быть разделена на три класса. Распределение стали по классам по суммарному содержанию вредных примесей цветных металлов приведено в табл.2.

Таблица 1. Содержание остаточных элементов (Cu+Sn+Cr+Ni+Mo) в различных железосодержащих материалах

Шихтовый материал %
Железо прямого восстановления 0,02
Жидкий чугун / твердый чугун 0,06
Отходы металлообработки + оборотный лом 0,35
Свежий (неокисленный) лом 0,55
Свежий пакетированный лом 0,25
Тяжеловесный амортизационный лом 0,56
Дробленный очищенный лом 0,60
Амортизационный пакетированный лом 1,20

Как следует из приведенных данных металлургические предприятия полного цикла, где сталь выплавляют в конвертерах, в наибольшей степени обеспечивают производство листовой стали для глубокой вытяжки с высокой прочностью, пластичностью и вязкостью.

Таблица 2. Распределение конвертерной стали (А) и электростали (Б) по классам (I –III) в зависимости от суммарного содержания вредных примесей цветных металлов

 

Класс стали

А Б
1990 г. 1997 г. 1990 г. 1997 г.
I (< 0,1%) 45,2 71,9 2,5 4,7
II (0,1 – 0,5%) 41,4 25,4 46,9 25,7
III (> 0,5%) 13,4 2,7 50,6 69,6

В последние годы ужесточились требования к основным видам стальной продукции по «остаточным элементам» (табл.3).

Таблица 3. Требования по содержанию «остаточных» элементов (%, %).

Готовая продукция Cu Sn S(Cu+Sn+Cr+Ni+Mo)
Горячекатанная, листовая 0,1-0,15 0,01 0,40
Сорт, проволока 0,2-0,35 0,02 0,50
Прутки, катанка 0,25-0,4 0,025 0,60
Арматура 0,3-0,50 0,04 0,80
Специальная легированная сталь 0,08-0,13 0,01

Решение проблемы возможно путем разбавления жидкой стали первородными шихтовыми материалами, железом прямого восстановления или чугуном.

Электросталеплавильные комплексы встраиваются в структуру интегрированных металлургических заводов и работают со значительной долей жидкого чугуна в шихте или путем размещения на одной технологической линии с установками по производству металлизованного железа. Именно для этой технологии предложены печи, оборудованные шахтным подогревателем с удерживающими «пальцами», одна из которых поставлена заводу «Северсталь» и показала возможность экономии электроэнергии. Металлургические предприятия полного цикла, где сталь выплавляют в конвертерах, обеспечивают производство листовой стали для глубокой вытяжки с высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. Использование чугуна (твердого и жидкого) в шихте для дуговых сталеплавильных печей позволяет получить сталь высшего качества при снижении расхода электроэнергии, электродов и продолжительности плавки.

В зависимости от доли чугуна в шихте и соотношения твердой и жидкой составляющей чугуна изменяются показатели процесса. Современные технологические процессы обеспечивают максимальную экономию электроэнергии на каждый процент твердого и жидкого чугуна в завалке соответственно 3,4 и 4,8 кВт×ч. Так, при доле твердого чугуна в шихте электросталеплавильных печей от 20 до 50% экономия электроэнергии на одном из интегрированных заводов составила от 72 до 155 кВт×ч/т (рис.11.12) при расходе кислорода от 20 до 41 м3/т. Однако, при общем балансе энергетических и денежных затрат необходимо учитывать расход альтернативных источников энергии – кислорода, природного газа, коксика. Применение жидкого чугуна при электроплавке стали после замены мартеновских печей на предприятиях с полным металлургическим циклом позволяет уменьшить расход электроэнергии на 30-45 кВт×ч/т на каждые 10% чугуна, что экономически целесообразно, особенно при ограниченных мощностях трансформатора.

Применение сверхмощных ДСП и акценты на производство высококачественной металлопродукции обострили проблему качества металлошихты. В зависимости от качества металлошихты изменение производительности ДСП может достигать 10%. Причина – нестабильность горения электрических дуг в начале плавки (первые 12-15 мин). При оптимальном составе шихтовых материалов, исходя из потребительской стоимости, может быть не более 25% низкокачественного лома. Твердый чугун, как заменитель металлолома, выгодно отличается высокой плотностью и низкой температурой плавления, оказывает положительное влияние на электрический режим плавки. При выплавке высокоуглеродистой стали в 100- и 200-т дуговых печах обычно применяют 25-30% твердого чугуна. Опыт показывает, что применение твердого чугуна до 50% не вызывает особых технологических затруднений при электроплавке. Чистая шихта позволяет снизить содержание в стали вредных цветных элементов, а также азота, серы и фосфора (при десульфурации и дефосфорации чугуна или при использовании железа прямого восстановления), что повышает производительность печи и улучшает качество металлопродукции.

При окислении углерода ванны, особенно с применением жидкого чугуна, выделяется большое количество окиси углерода, которую следует дожигать до СО2 (тепловой эффект при окислении [C] до СО2 более чем в три раза выше (34012 кДж/кг) по сравнению с окислением [C] до СО – (10442 кДж/кг). Результирующий эффект от дожигания (с учетом степени дожигания и коэффициента передачи тепла металлу) составляет 35-60%.