yandex.metrica
Электрометаллургия

Технология выплавки стали в основных электродуговых печах

ДСП с основной футеровкой являются довольно универсальными агрегатами и позволяют реализовывать несколько вариантов технологий. Они отличаются видами шихтовых материалов, набором технологических операций, приёмов для экономии электроэнергии и так далее.

Главным, а иногда и единственным компонентом металлошихты является стальной лом (углеродистый или легированный). Кроме лома, в металлошихте обычно присутствует чугун в твёрдом, реже в жидком виде. Часть лома может быть заменена металлизованным сырьём.

Полный набор технологических операций: заправка печи, загрузка (завалка) шихты, плавление шихты, окислительный период, восстановительный период, выпуск.

Для выплавки сталей углеродистых и низколегированных марок применяются следующие технологии:

  • классическая с полным набором периодов;
  • современная без восстановительного периода;
  • плавка с применением металлизованного сырья;
  • плавка с использованием жидкого чугуна.

Классическая технология сложилась в 50-60-е годы и максимально использует преимущества электроплавки в раскислении и легировании металла, а также его десульфурации непосредственно в печи.

Заправка печи

Заправка печи производится сразу после выпуска предыдущей плавки и начинается с тщательного осмотра рабочего пространства.

Боковые стенки разрушаются (смываются) шлаком, участки так называемого “шлакового пояса” восстанавливают забрасыванием порошка обожжённого магнезита, реже доломита. Если боковые стенки выше уровня жидкого металла оснащены водоохлаждаемыми панелями, то они практически не нуждаются в уходе.

Подина печи может как разрушаться, так и зарастать. Разрушенные участки обычно представляют ямы разных размеров, из которых с помощью сжатого воздуха предварительно удаляют остатки металла и шлака. После этого их забрасывают магнезитовым порошком. Заросшие участки подины разрушают (травят) песком. Если зарастание небольшое, то на этот участок заваливают железорудные материалы.

Продолжительность заправки 5-10 мин, при большей длительности охлаждается футеровка, а это снижает качество заправки (огнеупорный порошок плохо приваривается к футеровке, и возрастает расход электроэнергии).

Завалка (загрузка) шихты в печь

Основную часть шихты составляет металлошихта — лом и твёрдый чугун, иногда доля лома доходит до 100%. При необходимости, вместе с ломом и чугуном в завалку дают металлические материалы, содержащие легирующие элементы, имеющие низкое сродство к кислороду — Ni и Cu, иногда Mo и Co. 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 (на современных печах) 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 “Fuchs-Systemtechnik» реализовала принципиально новый вариант загрузки лома. В специальных контейнерах или по наклонному транспортёру металлошихту сначала загружают в шахту, расположенную под печью. Далее она нагревается 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.

Плавление шихты

Основной задачей этого периода является максимально быстрое расплавление металлошихты. Поэтому, за исключением первых 5-10 мин (время образования колодцев), максимально используют мощность трансформаторов. Ускорению плавления способствуют повороты корпуса печи в одну и другую стороны на 40-45° вокруг своей оси, что позволяет получить не три, а девять колодцев. Кроме того, современные печи оснащены несколькими газокислородными горелками, что помимо интенсификации нагрева даёт экономию 10-15% электроэнергии.

Продолжительность периода правления определяется прежде всего удельной мощностью трансформатора и при классической технологии составляет 35-65% от времени всей плавки.

К моменту окончания периода расплавления ванна должна быть покрыта слоем шлака основностью 1,5-2. Его количество в основном зависит от содержания кремния в металлошихте и может колебаться в пределах 5-10%. Примерный состав этого шлака: 35- 45% CaO; 15-25% SiO2; 5-10% MnO; 10-12% MgO; 4-7% Al2O3; 10 -15% ∑FeO; до 0,5% P2O5.

После окончания плавления берут пробу металла, определяют содержание примесей, прежде всего углерода и фосфора. По ним принимают решение о проведении окислительного периода.

Окислительный период

Окислительный период проводится для решения следующих задач:

  • Обезуглероживание металла до содержания углерода, соответствующего требованиям готовой стали.
  • Дефосфорация металла до содержания фосфора на 0,010- 0,015% ниже требуемого в готовой стали.
  • Нагрев металла до температуры, превышающей температуру плавления на 100-130°С.
  • Удаление из металла серы и газов (водорода и азота) в той мере, в какой это возможно.

Для контроля над течением окислительного периода по его ходу два-три раза отбирают пробы металла и шлака, замеряют температуру.

Обезуглероживание металла проводится с помощью присадок твёрдых окислителей и продувки газообразным кислородом. Нагрев металла проводится синхронно с обезуглероживанием. В современных ДСП, оборудованных мощными трансформаторами с многоступенчатым регулированием напряжения и фурмами для подачи кислорода с удельной интенсивностью 0,5-2,0 м3/(т мин), эти две задачи решаются относительно просто. Исключение составляет выплавка низкоуглеродистых сталей, так как сложно получить [C]<0,10% в условиях, когда с ванной постоянно контактируют графитовые электроды.

Наиболее сложной задачей является дефосфорация металла, особенно если в металлошихте было высокое содержание фосфора. Её решают обновлением шлака, при этом фосфор, удалённый из металла, выводится из процесса окончательно. Обновление шлака проводят одним или двумя окачиваниями, либо почти непрерывным спуском самотёком. Это бывает непросто обеспечить, так как шлак в электропечах плохо вспенивается. Для интенсификации вспенивания шлака, а следовательно, и для дефосфорации, в печь подают шлакообразующую смесь известь — твёрдый окислитель — плавиковый шпат в соотношении 7:3:1. Высокий эффект достигается при вдувании такой смеси в ванну в порошкообразном состоянии, степень дефосфорации при этом достигает 90-95%.

Обычный состав шлака конца окислительного периода таков: 40-50% CaO; 10-20% SiO2; 10-20% ∑FeO; 5-10% MnO; 4-8% MgO; 2-4% Al2O3; 0,5-2,0% P2O5. Его основность составляет 2,5-4,0.

Обновление шлака также способствует десульфурации металла, степень которой может достигать 50%. Окончательно же задача по удалению серы из металла решается в следующем периоде плавки — восстановительном.

Дегазация металла обеспечивается выделяющимися из ванны в результате окисления углерода пузырями СО. Для успешной дегазации необходимо поддерживать скорость окисления углерода не менее 0,4% в начале окислительного периода, не менее 0,2% — в конце.

Этому способствует продувка ванны кислородом, которая позволяет увеличить скорость окисления углерода до 0,7-0,8 %/ч.

По ходу окислительного периода берут несколько проб металла (не менее двух) для определения содержания углерода и фосфора и измеряют температуру. После прекращения подачи твёрдых окислителей и продувки кислородом ванну выдерживают в течение не менее 10 мин аналогично “чистому кипению» в мартеновском процессе. Общая продолжительность окислительного периода 30-70 мин, она определяется удельной мощностью трансформатора, наличием и мощностью продувочных устройств.

Восстановительный период

Название этого периода связано с характером шлака. Здесь плавка ведётся под восстановительным белым шлаком, содержащим к концу периода FeO<0,5%. Это позволяет решить ряд задач, основными из которых являются:

  • диффузионное раскисление металла;
  • завершение десульфурации металла, то есть достижение остаточного содержания серы согласно требованиям к химическому составу стали;
  • легирование металла;
  • регулирование температуры металла.

Диффузионное раскисление металла — отличительная черта восстановительного периода плавки. Оно основано на свойстве FeO растворяться как в шлаке, так и в металле, то есть на известной способности кислорода распределяться между шлаком и металлом. Этот процесс можно представить: (FeO) ⇔ [О] + [Fe].

Равновесное содержание кислорода в металле прямо пропорционально концентрации FeO в шлаке. При уменьшении концентрации FeO в шлаке создаются идеальные условия раскисления, когда продукты раскисления не остаются в металле.

Низкое содержание FeO в шлаке, как известно, благоприятно сказывается и на десульфурации металла. Коэффициент распределения серы к концу восстановительного периода достигает 40-70. При этом удаётся обеспечить остаточное содержание серы в металле < 0,010%.

Восстановительный период является весьма удобным для легирования металла элементами, имеющими относительно высокое сродство к кислороду. Причём ферросплавы, содержащие туго-плавкие элементы (Cr, W, Mn), присаживают в начале периода, а легкоплавкие (V, Si и др.) — в конце. Элементы, имеющие самое сильное сродство к кислороду (Al, Ti, Cu и т.п.), обычно присаживают на выпуске в ковш.

Переход к восстановительному периоду осуществляется следующим образом: после завершения окислительного периода проводят максимально полное скачивание шлака, чтобы вывести из процесса фосфор, содержащийся в нём; далее в печь или загружают в кусковом виде, или вдувают в виде порошка смесь из извести, плавикового шпата и шамота в соотношении 5:1:1 в количестве 2-3,5%. Из этой смеси в течение 10-15 мин формируется начальный шлак, содержащий до 60% CaO, 10-15% CaF2, 5-10% SiO2, 3,5-5,0% FeO. Для раскисления этого шлака на него загружают коксик и снижают содержание FeO примерно до 1,5%. При этом шлак меняет цвет: из чёрного становится серым. Дальнейшее раскисление шлака осуществляют смесью коксика и ферросилиция ФС 75. Содержание FeO снижают до 0,5% и менее, при этом шлак становится белого цвета. Для получения такого восстановительного шлака расходуется 1,0-1,5% ФС 75.

Выпуск плавки

При классической технологии во время выпуска ещё раз используют раскисляющую и десульфурирующую способность белого печного шлака. Для этого в сталеразливочный ковш по возможности полно сливают шлак, а затем на него выпускают металл. Наклоном печи регулируют время выпуска металла из печи от 5 до 10 минут, при необходимости в ковш дают материалы, содержащие элементы с сильным сродством к кислороду (Al, Ti, Ca и т.д.). После окончания выпуска металла наклоном печи в противоположную сторону через рабочее окно сливают остатки шлака.

Как видно из изложенного выше, классическая технология весьма сложна и требует много времени на реализацию. Общая продолжительность плавки здесь составляет 3-5 часов. В основном это связано с проведением восстановительного периода. В настоящее время задачи глубокой десульфурации, а также раскисления и легирования металла успешно решаются при ковшевой обработке стали. Поэтому современная технология выплавки стали имеет несколько вариантов, существенно отличающихся от классического.

Наиболее распространённая из них — технология без восстановительного периода. Для её реализации лучше всего подходят печи, во-первых, с трансформатором удельной мощностью 0,7-0,8 МВт/т и дополнительными топливно-кислородными горелками, что позволяет максимально форсировать нагрев и плавление лома, во-вторых, с кислородными фурмами, способными вдувать в ванну 0,3—0,8 м3/(т-мин) кислорода, а также порошковые материалы, что даёт возможность сократить до минимума окислительный период; в-третьих, с донным выпуском металла, что обеспечивает отсечку окислительного печного шлака.

При такой технологии успешно решаются вопросы обезуглероживания, дефосфорации, а также нагрева металла. Остальное — раскисление и легирование, а также глубокая десульфурация стали — осуществляется в ковше. Наилучшим способом это реализуется в агрегате печь-ковш.

В современных ДСП общая продолжительность плавки достигла 1,0-1,5 ч, а удельный расход электроэнергии — 360-400 кВт-ч/т. Ещё дальше пошли инженеры немецкой фирмы “ФУКС-Системтехник”. Их способ позволяет сделать продолжительность плавки менее одного часа, а удельный расход электроэнергии сократить до 310-330 кВт ч/т.

Своими особенностями отличаются плавки в ДСП при применении в шихте металлизованного сырья или жидкого чугуна.

Однородный гранулометрический и химический состав металлизованного сырья (как правило, это восстановленные окатыши) позволяет организовать дозированную и непрерывную его подачу во время периода плавления. При этом горение дуг более устойчивое, увеличивается полезное использование мощности трансформатора печи, а акустический шум уменьшается. Плавление металлизованного сырья сопровождается образованием жидкоподвижного, пенистого первичного шлака, который непрерывно, самотёком уходит из печи. Это обеспечивает быструю и глубокую дефосфорацию. В отличие от лома металлизованное сырьё отличается низким содержанием серы (до 0,025%) и, особенно, цветных металлов, например, меди (менее 0,005%).

Практика работы дуговых печей (ОЭМК) выявила, что наилучшие технико-экономические показатели достигаются при доле металлизованных окатышей в металлошихте в 40-50%. Дальнейшее увеличение этой доли вызывает некоторое уменьшение производительности.

В металлизованном сырье содержится 2-5% пустой породы, для её офлюсования, а также нормального шлакообразования в печь через свод подают известь, расход которой удваивается против обычного. После полного расплавления проводят короткий (10-15 мин) окислительный период, фактически доводку. Затем металл выпускают в ковш и подвергают внепечной обработке.

Следует отметить, что из-за дополнительного расхода тепла на расплавление пустой породы и флюсов расход электроэнергии увеличивается на 10-15%. Для компенсации этого разрабатываются способы предварительного подогрева металлизованного сырья перед завалкой в печь, подобно подогреву лома в ДСП системы “ФУКС-Системтехник».

Появление ДСП, приспособленных для интенсивной продувки ванны кислородом, позволило использовать в их шихте жидкий чугун. Заливка чугуна осуществляется примерно в середине периода плавления через специальную заливочную воронку в своде печи. Сразу же после этого начинается продувка ванны кислородом. Представляется интересной, наряду с верхней, подача кислорода с помощью горизонтальных стационарных фурм под уровень ванны. Естественно, что продувка сопровождается нагревом ванны за счёт окисления примесей чугуна и интенсивным образованием пенистого шлака, который самотёком частично уходит из печи. Таким образом обеспечиваются успешные обезуглероживание и дефосфорация металла.

Раскисление и легирование металла также осуществляются в ковше на выпуске и при внепечной обработке.

Полученные результаты свидетельствуют, что продолжительность плавки с применением жидкого чугуна может быть менее одного часа, а удельный расход электрической энергии за счёт физического и химического тепла чугуна может быть снижен до 200 — 240 кВт-ч/т и менее.