Реферат: Электрометаллургия

Производствостали в электрических печах.

                В электоропечиможно получать легированную сталь с низким содержанием серы и фосфора,неметаллических включений, при этом потери легирующих элементов значительноменьше.

В процессе электроплавки можноточно регулировать температуру металла и его состав, выплавлять сплавы почтилюбого состава.

                Электрическиепечи обладают существенными преимуществами  по сравнению с другимисталеплавильными агрегатами, поэтому высоколегированные инструментальныесплавы, нержавеющие шарикоподшипниковые, жаростойкие и жаропрочные, а такжемногие конструкционные стали выплавляют только в этих печах.

                Мощныеэлектропечи успешно применяют для получения низколегированных ивысокоуглеродистых сталей мартеновского сортамента. Кроме того, в электропечахполучают различные ферросплавы, представляющие собой сплавы железа сэлементами, которые необходимо выводить в сталь для легирования и  раскисления.

Устройстводуговых электропечей.

                Первая дуговаяэлектропечь в России была установлена в 1910 г. на Обуховском заводе. За годыпятилеток были построены сотни различных печей. Вместимость наиболее крупнойпечи в СССР 200 т. Печь состоит из железного кожуха цилиндрической формы со сферическимднищем. Внутри кожух имеет огнеупорную футеровку. Плавильное пространство печизакрывается съемным сводом.

Печь имеет рабочее окно ивыпускное отверстие со сливным желобом. Питание печи осуществляется трехфазнымпеременным током. Нагрев и плавление металла осуществляются электрическимимощными дугами, горящими между концами трех электродов и металлом, находящимсяв печи. Печь опирается на два опорных сектора, перекатывающихся по станине.Наклон  печи в сторону выпуска и рабочего окна осуществляется при помощиреечного механизма. Перед загрузклй печи свод, подвешенный на цепях, поднимаютк порталу, затем портал со сводом и электродами отворачивается в сторонусливного желоба и печь загружают бадьей.

Механическое оборудование дуговой печи.

Кожух печи должен выдерживать нагрузку от массы огнеупоров и металла.Его делают сварным из листового железа толщиной 16–50 мм в зависимости отразмеров печи. Форма кожуха определяет профиль рабочего пространства дуговойэлектропечи. Наиболее распространенным в настоящее время является кожух коническойформы. Нижняя часть кожуха име­ет форму цилиндра, верхняя часть—конусообразнаяс расширением кверху. Такая форма кожуха облегчает за­правку печи огнеупорнымматериалом, наклонные стены увеличивают стойкость кладки, так как она дальше расположена отэлектрических дуг. Используют также ко­жухи цилиндрической формы с водоохлаждаемыми па­нелями. Для сохранения правильнойцилиндрической формы кожух усиливается ребрами и кольцами жестко­сти. Днищекожуха обычно выполняется сферическим, что обеспечивает наибольшую прочностькожуха и мини­мальную массу кладки. Дни­ще выполняют из немагнит­ной стали дляустановки под печью электромагнитного пе­ремешивающего устройства.

Сверхупечь закры­та сводом. Свод набирают из огнеупорного кирпича в металлическом водоохлаждаемом сводовом кольце, ко­торое выдерживаетраспираю­щие усилия арочного сферического свода В нижней части кольца имеется выступ – нож, которыйвходит в песчаный затворкожуха печи. В кирпичной кладке свода оставляют триотверстия для электродов. Диаметр от­верстий больше диаметра электрода, поэтомуво время плавки в зазор устремляются горячие газы, которые раз­рушают электрод и выносят тепло из печи. Для предотвращения этого насводе устанавливают холодильники или  экономайзеры,служащие для уплотнения электрод­ных отверстий идля охлаждения кладки свода. Газодинамическиеэкономайзеры обеспечивают уплотнение с помощьювоздушной завесы вокруг электрода. В своде имеется также отверстие для отсоса запыленныхгазов и отверстие для кислородной фурмы.  Длязагрузки шихты в печи небольшой емкости и подгрузки легирующих и флюсов в крупные, печи скачиванияшлака, осмотра, заправки и ремонта печи имеется загрузочное окно, обрамленноелитой ра­мой. К раме крепятся направляющие, покоторым сколь­зит заслонка. Заслонку футеруют огнеупорным кирпи­чом. Дляподъема заслонки используют пневматический,гидравлический или электромеханический привод.Спротивоположной стороны кожух имеет окно для выпускастали из печи. К окну приварен сливной желоб.Отверстие для выпуска стали может быть круглым диа­метром 120—150 мм иликвадратным 150 на 250 мм. Слив­ной желоб имееткорытообразное сечение и приварен к кожуху под углом 10—12° к горизонтали.Изнутри же­лоб футеруют шамотным кирпичом, длина его составля­ет 1—2 м./>Электрододержатели служат дляподвода тока к элек­тродам и для зажима электродов. Головки электрододер-жателей делают из бронзы или стали иохлаждают во­дой, так как они сильно нагреваются как теплом из пе­чи, так иконтактными токами. Электрододержатель долженплотно зажимать электрод и иметь небольшое контактное сопротивление. Наиболеераспространенным в настоящее время является пружинно-пневматическийэлектрододержатель. Зажим электрода осуще­ствляется при помощи неподвижногокольца и зажимной плиты, которая прижимается к электроду пружиной. Ог-жатие плиты от электрода и сжатие пружины происхо­дятпри помощи сжатого воздуха. Электрододержатель крепится на металлическом рукаве– консоли, который скрепляется с Г-образнойподвижной стойкой в одну же­сткую конструкцию. Стойка может перемещаться вверхили вниз внутри неподвижной коробчатой стойки. Три неподвижные стойки жесткосвязаны в одну общую кон­струкцию, которая покоится на платформе опорной люль­кипечи. Перемещение подвижных телескопических стоек происходит или с помощьюсистемы тросов и противо­весов, приводимых в движение электродвигателями, или спомощью гидравлических устройств. Механизмы пере­мещения электродов должныобеспечить быстрый подъ­ем электродов в случае обвала шихты в процессе плав­ления,а также плавное опускание электродов во избе­жание их погружения в металл илиударов о нераспла­вившиеся куски шихты. Скорость подъема электродов составляет2,5—6,0 м/мин, скорость опускания 1,0— 2,0 м/мин.Механизмнаклона печидолжен плавно наклонять печь в сторону выпускного отверстия на угол 40—45° длявыпуска стали и на угол 10—15 градусов в сторону рабочего окна для спускашлака. Станина печи, или люлька, на кото­рой установлен корпус, опирается надва – четыре опор­ных сектора, которые перекатываются по горизонталь­нымнаправляющим. В секторах имеются отверстия, а в направляющих – зубцы, припомощи которых предот­вращается проскальзываниесекторов при наклоне печи. Наклон печи осуществляется при помощи рейки и зубча­тогомеханизма или гидравлическим приводом. Два цилиндра укреплены на неподвижных опорах фундамента, аштоки шарнирно связаны с опорными секторами люль­ки печи.Системазагрузки печибывает двух видов: через за­валочное окно мульдозавалочноймашиной и через верх при помощи бадьи. Загрузку через окно применяют только нанебольших печах.Призагрузке печи сверху в один-два приема в тече­ние 5мин меньше охлаждается футеровка, сокраща­ется время плавки; уменьшается расходэлектроэнергии; эффективнее используется объем печи. Для загрузки пе­чи сводприподнимают на 150—200 мм над кожухом печи и поворачивают в сторону вместе сэлектродами, полностьюоткрывая рабочее пространство печи для введения бадьи с шихтой. Свод печиподвешен к раме. Она соеди­нена с неподвижными стойками электрододержателей в одну жесткую конструкцию,покоящуюся на поворотной консоли, которая укреплена на опорном подшипнике.Крупные печи имеют поворотную башню, в которой со­средоточены все механизмыотворота свода. Башня вра­щается вокруг шарнира накатках по дугообразному рельсу. Бадья представляет собой стальной цилиндр,диаметр которого меньше диаметра рабочего простран­ства печи. Снизу цилиндраимеются подвижные гибкие сектора, концы которых стягиваются через кольца тро­сом.Взвешивание и загрузка шихты производятся на шихтовом двореэлектросталеплавильного цеха. Бадья на тележке подается в цех, поднимаетсякраном и опус­кается в печь. При помощи вспомогательного подъема крана тросвыдергивают из проушин секторов и при подъеме бадьисектора раскрываются и шихта вывали­вается в печь в том порядке, в каком онабыла уложе­на в бадье. Прииспользовании в качестве шихты металлизован-ныхокатышей загрузка может производиться непрерыв­но по трубопроводу, которыйпроходит в отверстие в сво­де печи.Вовремя плавления электроды прорезают в шихте три колодца, на дне которыхнакапливается жидкий ме­талл. Для ускорения расплавленияпечи оборудуются поворотным устройством, которое поворачивает корпус в одну идругую сторону на угол в 80°. При этом элек­тродыпрорезают в шихте уже девять колодцев. Для по­ворота корпуса приподнимают свод,поднимают электро­ды выше уровня шихты и поворачивают корпус при по­мощизубчатого венца, прикрепленного к корпусу, и шестерен. Корпус печи опирается наролики.

Очистка отходящих газов.

Современныекрупные сталеплавильные дуговые печи во время работы выделяют в атмосферубольшое коли­чество запыленных газов. Применение кислорода и по­рошкообразныхматериалов еще более способствует это­му. Содержание пыли в газахэлектродуговых печей достигает 10 г/м^3 изначительно превышает норму. Для улавливания пыли производят отсос газов израбочего пространства печей мощным вентилятором. Для этого в своде печи делаютчетвертое отверстие с патрубком для газоотсоса. Патрубок через зазор,позволяющий накло­нять или вращать печь, подходит к стационарному тру­бопроводу.По пути газы разбавляются воздухом, необ­ходимым для дожигания СО. Затем газыохлаждаются водяными форсунками в теплообменнике и направляют­ся в систему трубВентури, в которых пыль задержива­ется в результатеувлажнения. Применяют также тка­невые фильтры, дезинтеграторы и электрофильтры.Ис­пользуют системы газоочистки, включающие полностью весьэлектросталеплавильный цех, с установкой зонтов дымоотсосапод крышей цеха над электропечами.

Футеровкапечей.

Большинство дуговых печей имеетосновную футеров­ку, состоящую из материалов на основе MgO.Футеров­ка печи создает ванну для металла и играет роль теп-лоизолирующего слоя, уменьшающего потери тепла. Основные части футеровки–  подина печи, стены, свод. Температура в зоне электрических дуг достигаетнесколь­ких тысяч градусов. Хотя футеровка электропечи отде­лена от дуг, онавсе же должна выдерживать нагрев до температуры 1700°С.В связи с этим применяемые для футеровки материалы должны обладать высокой огне­упорностью,механической прочностью, термо- и химиче­скойустойчивостью. Подину сталеплавильной печи на­бирают в следующем порядке. Настальной кожух укла­дывают листовой асбест, на асбест—слой шамотного порошка,два слоя шамотного кирпича и основной слой из магнезитового кирпича. Намагнезитовой кирпичной подине набивают рабочий слой из магнезитового порош­касо смолой и пеком — продуктом нефтепереработки.Толщина набивного слоя составляет 200 мм. Общая толщина подины равна примерноглубине ванны и мо­жет достигать 1 м для крупныхпечей. Стены печи выкладываютпосле соответствующей прокладки асбеста и шамотного кирпича из крупноразмерногобезобжигового магнезитохромитового кирпича длинойдо 430 мм. Кладка стен может выполняться из кирпичей в же­лезных кассетах,которые обеспечивают сваривание кир­пичей в один монолитный блок. Стойкостьстен достига­ет 100—150 плавок. Стойкость подины составляет один-два года. В трудных условиях работает футеровкасво­да печи. Она выдерживает большие тепловые нагрузки от горящих дуг и тепла,отражаемого шлаком. Своды крупных печей набирают из магнезитохромитового кир­пича.При наборе свода используют нормальный и фа­сонныйкирпич. В поперечном сечении свод имеет форму арки, что обеспечивает плотноесцепление кирпичей ме­жду собой. Стойкость свода составляет 50 – 100 плавок.Она зависит от электрического режима плавки, от дли­тельности пребывания в печижидкого металла, состава выплавляемых стали, шлака. В настоящее время широ­коераспространение получают водоохлаждаемые своды истеновые панели. Эти элементы облегчают службу фу­теровки.

Ток в   плавильноепространство печи подается через электроды, собранные из секций, каждая изкоторых представляет собой круглую заготовку диаметром от 100 до 610 мм идлиной до 1500 мм. В малых электропе­чах используют угольные электроды, вкрупных– графитированные. Графитированныеэлектроды изготавливают из малозольных углеродистых материалов: нефтяногококса, смолы, пека. Электродную массу смешивают ипрессуют, после чего сырая заготовка обжигается в га­зовых печах при 1300градусах и подвергается дополнительно­му графитирующемуобжигу при температуре 2600– 2800 градусах вэлектрических печах сопротивления. В процес­се эксплуатации в результатеокисления печными газами и распыления при горениидуги электроды сгорают. По мере укорачивания электрод опускают в печь. При этомэлектрододержатель приближается к своду. Наступаетмомент, когда электрод становится настолько коротким, что не может поддерживатьдугу, и его необходимо на­ращивать. Для наращивания электродов в концах сек­цийсделаны отверстия с резьбой, куда ввинчивается переходник-ниппель, при помощикоторого соединяются отдельные секции. Расход электродов составляет 5—9 кг натонну выплавляемой стали.

Электрическаядуга—один из видов электрического разряда, при котором ток проходит черезионизирован­ные газы, пары металлов. При кратковременном сбли­жении электродовс шихтой или друг с другом возника­ет короткое замыкание. Идет ток большойсилы. Концы электродов раскаляются добела. При раздвиганииэлек­тродов между ними возникает электрическая дуга. С рас­каленного катодапроисходит термоэлектронная эмиссия электронов, которые, направляясь к аноду,сталкивают­ся с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. Отрицательныеионы направляются к аноду, положи­тельные к катоду. Пространство между анодом икато­дом становится ионизированным, токопроводящим.Бом­бардировка анода электронами и ионами вызывает сильный его разогрев.Температура анода может дости­гать 4000 градусов. Дуга может гореть напостоянном и на пе­ременном токе. Электродуговые печи работают на пере­менномтоке. В последнее время в ФРГ построена элек­тродуговая печь на постоянномтоке.

В первуюполовину периода, когда катодом является электрод, дуга горит. При переменеполярности, когда катодом становится шихта — металл, дуга гаснет, так как вначальный период плавки металл еще не нагрет и его температура недостаточна дляэмиссии электронов. Поэтому в начальный период плавки дуга горит неспо­койно,прерывисто. После того как ванна покрывается слоем шлака, дуга стабилизируетсяи горит более ровно.

Электрооборудование.

Рабочеенапряжение электродуговых печей составля­ет 100 – 800 В, а сила тока измеряетсядесятками тысяч ампер. Мощность отдельной установки может достигать 50 – 140 МВ*А. К подстанции электросталеплавильного цеха подаютток напряжением до 110 кВ. Высоким на­пряжениемпитаются первичные обмотки печных транс­форматоров. На показана упрощеннаясхема электрического питания печи. В электрическое оборудо­вание дуговой печивходят производства ремонтных ра­бот на печи. следующие приборы:

1. Воздушныйразъединитель, предназначен для от­ключения всей электропечной установки отлинии высо­кого напряжения во время

2. Главныйавтоматический выключатель, служит для отключения под нагрузкой электрическойцепи, по кото­рой протекает ток высокого напряжения. При неплотной укладкешихты в печи в начале плавки, когда шихта еще холодная, дуги горят неустойчиво,происходят обва лышихты и возникают     короткие замыкания междуэлектродами. При этом си латока резко возрастает. Это приводит к большим перегрузкам трансформатора, который может выйти из строя. Когдасила тока превысит   установленный предел, выключатель автоматически отключает установку, для чего имеется релемаксимальной силы тока.

3. Печнойтрансформа­тор необходим для преобразования высокого напряжения в низкое (с 6—10 кВ    до100—800 В). Обмотки высокого и низкого напряжения имагнитопроводы, на которых они помещены,располагаются в баке с маслом, служащим для охлаждения обмоток. Ох­лаждение создается  принудительным  перекачива­нием масла из трансформаторногокожуха в бак теплообменника, в котором масло охлаждается водой. Трансформаторустанавливают рядом с электропечью в специальном помещении. Он имеетустройство, позволяющеепереключать обмотки по ступеням и таким об­разом ступенчато регулироватьподаваемое в печь на­пряжение. Так, например, трансформатор для 200-т оте­чественной печи мощностью 65 МВ*А имеет 23 ступени напряжения, которыепереключаются под нагрузкой, без отключения печи.

Участок электрическойсети от трансформатора до электродов называется короткой сетью. Выходящие изстены трансформаторной подстанции фидеры при помо­щи гибких, водоохлаждаемых кабелей подают напряже­ние на электрододержатель.Длина гибкого участка дол­жна позволять производить нужный наклон печи иотворачивать свод для загрузки. Гибкие кабели соединя­ются с медными водоохлаждаемыми шинами, установ­ленными на рукавах электрододержателей. Трубошины непосредственноприсоединены к головке электрододер-жателя,зажимающей электрод. Помимо указанных основных узлов электрической сети в нее входит различ­наяизмерительная аппаратура, подсоединяемая к ли­ниям тока через трансформаторытока или напряжения, а также приборы автоматического регулирования процес­саплавки.

Автоматическоерегулирование.

По ходу плавки вэлектродуговую печь требуется по­давать различное количество энергии. Менятьподачу мощности можно изменением напряжения или силы то­ка дуги. Регулированиенапряжения производится пере­ключением обмоток трансформатора. Регулированиесилы тока осуществляется изменением расстояния меж­ду электродом и шихтой путемподъема или опускания электродов. При этом напряжение дуги не изменяется.Опускание или подъем электродов производятся автома­тически при помощиавтоматических регуляторов, уста­новленных на каждой фазе печи. В современныхпечах заданная программа электрического режима может быть установлена на весьпериод плавки.

Устройстводля электромагнитного перемешивания металла.

Дляперемешивания металла в крупных дуговых пе­чах, для ускорения и облегченияпроведения технологи­ческих операций скачиванияшлака под днищем печи в коробке устанавливается электрическая обмотка, кото­раяохлаждается водой или сжатым воздухом. Обмотки статора питаются от двухфазногогенератора током низ­кой частоты, что создает бегущее магнитное поле, кото­роезахватывает ванну жидкого металла и вызывает дви­жение нижних слоев металлавдоль подины печи в на­правлении движения поля. Верхние слои металла вместе сприлегающим к нему шлаком движутся в обратную сторону. Таким образом можнонаправить движение ли­бо в сторону рабочего окна, что будет облегчать выходшлака из печи, либо в сторону сливного отверстия, что будет благоприятствоватьравномерному распределению легирующих и раскислителейи усреднению состава ме­талла и его температуры. Этот метод в последнее времяимеет ограниченное применение, так как в сверхмощных печах металл активноперемешивается дугами.Плавкастали в основной дуговой электропечи.Сырые материалы.Основнымматериалом для электроплавки является стальной лом. Лом не должен быть сильноокисленным, так как наличие большого количества ржавчины вносит в стальзначительное количество водо­рода. В зависимости от химического состава ломнеобходимо рассор­тировать на соответствующие группы. Основное количество лома,предназначенное для плавки в электропечах, должно быть компакт­ным итяжеловесным. При малой насыпной массе лома вся порциядля плавки не помещается в печь. Приходится прерывать процесс плавки иподгружать шихту. Это увеличивает продолжительность плавки, приводит кповышенному расходу электроэнергии, снижает производительность электропечей. Впоследнее время в электропечах используют металлизованныеокатыши, полученные методом прямого восстановления. Достоинством этого видасырья, содержащего 85— 93 % железа, является то, что оно не загрязнено медью идругими примесями. Окатыши целесообразно применять для выплавки высо-копрочных конструкционных легированных сталей,электротехниче­ских, шарикоподшипниковых сталей.Легированныеотходы образуются в электросталеплавильномце­хе в виде недолитыхслитков, литников; в обдирочном отделении в виде стружки, в прокатных цехах ввиде обрези и брака и т, д.;кро­ме того много легированного лома поступает от машиностроитель­ных заводов.Использование легированных металлоотходов позволя­етэкономить ценные легирующие, повышает экономическую эффек­тивностьэлектроплавок.Мягкоежелезо специально выплавляют в мартеновских печах и конвертерах и применяют длярегулирования содержания углерода в процессе электроплавки. В железе содержится0,01—0,15 % С и <0,020 % Р. Поскольку в электропечах выплавляют основное коли­честволегированных сталей, то для их производства используют раз­личные легирующиедобавки; электролитический никель или МЮ, феррохром,ферросилиций, ферромарганец, ферромолибден, ферро­вольфрам и др. В качестве раскислителяпомимо ферромарганца и ферросилиция применяют чистый алюминий. Для науглероживания используют передельный чугун,электродный бой; для наведения шлака применяют свежеобожженную известь,плавиковый шпат, ша­мотный бой, доломит и MgO в виде магнезита.Подготовкаматериалов к плавке.Всеприсадки в дуговые печи необходимо прокаливать для уда­ления следов масла ивлаги. Это предотвращает насыщение стали водородом. Ферросплавы подогревают дляускорения их проплавле-ния. Присадка легирующих,раскислителей и шлакообразующих в современной печиво многом механизирована. На бункерной эстака­де при помощи конвейеровпроисходит взвешивание и раздача мате­риалов по мульдам, которые загружаются впечь мульдовыми маши­нами. Сыпучие для наводкишлака вводят в электропечи бросатель­ными машинами.Технологияплавки.Плавкав дуговой печи начинается с заправки печи. Жидкоподвижныенагретые шлаки сильно разъедают футеровку, которая может быть повреждена и при загруз­ке.Если подина печи во время не будет закрыта слоем жидкого металла и шлака, тоона может быть повреж­дена дугами. Поэтому перед началом плавки производятремонт – заправку подины. Перед заправкой с поверх­ности подины удаляют остаткишлака и металла. На по­врежденные места подины и откосов – места переходаподины в стены печи – забрасывают сухой магнезито­вый порошок, а в случаебольших повреждений – порошок с добавкой пека илисмолы.Заправкупроизводят заправочной машиной, выбрасывающей через. насадку при помощи сжатоговоздуха заправочные материалы, или, разбрасывающейматериалы по окружности с быстро вращающего­ся диска, который опускается воткрытую печь сверху.Загрузка печи. Длянаиболее полного использования рабочего пространства печи в центральную еечасть бли­же к электродам загружают крупные куски(40 %), ближе к откосам средний лом (45%), на подинуи на верх загрузки мелкий лом (15%). Мелкие куски долж­ны заполнять промежуткимежду крупными кусками.Периодплавления. Расплавление шихты в печи зани­мает основное времяплавки. В настоящее время многие операциилегирования и раскисления металла переносят в ковш.Поэтому длительность расплавления шихты в основномопределяет производительность печи. После окончания завалки опускают электродыи включают ток. Металл под электродамиразогревается, плавится и сте­кает вниз, собираясь в центральной части подины.Элек­троды прорезают в шихте колодцы, в которых скрыва­ются электрические дуги.Под электроды забрасыва­ют известь для наведения шлака, который закрываетобнаженный металл, предохраняя его от окисления. По­степенно озеро металла подэлектродами становится все больше. Оно подплавляеткуски шихты, которые пада­ют в жидкий металл и расплавляются в нем. Уровеньметалла в печи повышается, а электроды под действием автоматического регулятораподнимаются вверх. Про­должительность периода расплавления металла равна 1—3 чв зависимости от размера печи и мощности уста­новленного трансформатора. Впериод расплавлени» трансформатор работает с полнойнагрузкой и даже с 15 % перегрузкой, допускаемой паспортом, на самой вы­сокойступени напряжения. В этот период мощные дуги не опасны для футеровки свода истен, так как они за­крыты шихтой. Остывшая во время загрузки футеровка можетпринять большое количество тепла без опасности ееперегрева. Для ускорения расплавления шихты ис­пользуют различные методы.Наиболее эффективным яв­ляется применение мощных трансформаторов. Так, на печахвместимостью 100 т будут установлены трансфор­маторы мощностью 75,0 МВ-А, на 150-т печахтрансфор­маторы 90—125 МВ*А и выше.Продолжительность плавления при использовании мощных трансформаторовуменьшается до 1–1,5 ч. Кроме того, для ускорения рас­плавления применяюттопливные мазутные или газовые горелки, которые вводят в печь либо черезрабочее ок­но, либо через специальное устройство в стенах. Приме­нение горелокускоряет нагрев и расплавление шихты, особенно в холодных зонах печи.Продолжительность плавления сокращается на 15—20 мин.Эффективнымметодом является применение газооб­разного кислорода. Кислород подают в печькак через стальные футерованные трубки в окно печи, так и при помощи фурмы,опускаемой в печь сверху через отвер­стие в своде. Благодаря экзотермическимреакциям окис­ления примесей и железа выделяется дополнительно большоеколичество тепла, которое нагревает шихту, ускоряет ее полное расплавление.Использование кисло­рода уменьшает длительность нагрева ванны. Периодрасплавления сокращается на 20—30 мин, а расход элек­троэнергии на 60—70 кВт-ч на 1 т стали.Традиционнаятехнология электроплавки стали пре­дусматривает работу по двум вариантам: 1) насвежей шихте, т.е. с окислением; 2) переплав отходов. При плавке по первомуварианту шихта состоит из простых углеродистых отходов, малоуглеродистого лома,метал-лизованных окатышей с добавкой науглероживателя. Избыточное количество углеродаокисляют в процессе плавки. Металл легируют присадками ферросплавов дляполучения стали нужного состава. Во втором варианте состав стали почтиполностью определяется составом от­ходов и легирующие добавляют только длянекоторой корректировки состава. Окисления углерода не произ­водят.Плавка сокислением. Рассмотрим ходплавки с окис­лением. После окончания периода расплавления начи­наетсяокислительный период, задачи которого заклю­чаются в следующем: окислениеизбыточного углерода, окисление и удаление фосфора; дегазация металла; уда­лениенеметаллических включений, нагрев стали.Окислительныйпериод плавки начинают присадкой железнойруды, которую дают в печь порциями. В ре­зультате присадки руды происходитнасыщение шлака FeO и окисление металла по реакции: (FeO)=/>Fe+[O]. Растворенныйкислород взаимодействует с рас­творенным в ванне углеродом по реакции [C] +[O]=CO. Происходит бурное выделение пузырей CO,ко­торые вспенивают поверхность ванны, покрытой шлаком. Поскольку в окислительныйпериод на металле наводят известковый шлак с хорошей жидкоподвижностью,то шлак вспенивается выделяющимися пузырями газа. Уро­вень шлака становитсявыше порога рабочего окна и шлак вытекает из печи. Выход шлака усиливают, накло­няяпечь в сторону рабочего окна на небольшой угол. Шлак стекает в шлаковик), стоящую под рабочей пло­щадкой цеха. За времяокислительного периода окисля­ют 0,3—0,6 % C со среднейскоростью 0,3—0,5 % С/ч. Для обновления состава шлака одновременно с рудой впечь добавляют известь и небольшие количества плави­кового шпата дляобеспечения жидкоподвижности шлака.Непрерывноеокисление ванны и скачивание окисли­тельногоизвесткового шлака являются непременными условиями удаления из стали фосфора.Для протекания реакции окисления  фосфора  2[P]+5[O]=(P2O5); (Р2O5)+4(СаО)==(СаО)4*P2O5 необходимы  высокое содержание кислорода в металле ишлаке, повышенное содержание CaO в шлаке и пониженная температура.В электропечипервые два условия полностью выпол­няются. Выполнение последнего условияобеспечивают наводкой свежего шлака и постоянным обновлением шлака, так как шлак, насыщенный (СаО)4*P2O5скачи­вается из печи. По ходу окислительного периода проис­ходит дегазация стали—удалениеиз нее водорода и азо­та, которые выделяются в пузыри СО, проходящие черезметалл.Выделениепузырьков СО сопровождается также и удалением из металла неметаллическихвключений, ко­торые выносятся на поверхность потоками металла или поднимаютсянаверх вместе с пузырьками газа. Хоро­шее кипение ванны обеспечиваетперемешивание метал­ла, выравнивание температуры и состава.Общаяпродолжительность окислительного периода составляет от 1 до 1,5 ч. Дляинтенсификации окисли­тельного периода плавки, а также для получения стали снизким содержанием углерода, например хромоникелевойнержавеющей с содержанием углерода <=0,1 %, ме­таллпродувают кислородом. При продувке кислородом окислительные процессы резкоускоряются, а темпера­тура металла повышается со скоростью примерно 8— 10С/мин. Чтобы металл не перегрелся, вводят охлаж­дающие добавки в виде стальныхотходов. Применение кислорода является единственнымспособом получения низкоуглеродистой нержавеющей стали без значитель­ных потерьценного легирующего хрома при переплаве.Окислительныйпериод заканчивается, когда содер­жание углерода становится ниже заданногопредела, со­держание фосфора 0,010%, температура металла не­сколько вышетемпературы выпуска стали из печи. В кон­це окислительного периода шлакстараются полностью убирать из печи, скачивая его споверхности металла.Восстановительныйпериод плавки. Послескачивания окислительного шлака начинаетсявосстановительный пе­риод плавки. Задачами восстановительного периода плав­киявляются: раскисление металла, удаление серы.коррек-тирование химического состава стали,регулирование температуры ванны, подготовка жидкоподвижногохоро­шо раскисленного шлака для обработки металлаво вре­мя выпуска из печи в ковш. Раскисление ванны, т. е. уда­ление растворенного в ней кислорода,осуществляют при­садкой раскислителей в металл и нашлак. В начале восстановительного периода металл покрывается слоем шлака. Дляэтого в печь присаживают шлакообразующие смеси наоснове извести с добавками плавикового шпата, шамотного боя, кварцита. Вкачестве раскисли­телей обычно используют ферромарганец, ферросили­ций, алюминий. При введении раскислителей происходятследующие реакции:[Mn]+[O]=(MnO);[Si]+2 [О] = (SiO2); 2[Al]+ 3[O]-(Al2O3).Врезультате процессов раскисления большая частьрастворенного кислорода связывается в оксиды и удаля­ется из ванны в виденерастворимых в металле неметал­лических включений. Процесс этот протекаетдостаточно быстро и продолжительность восстановительного периода в основномопределяется временем, необходимым для образования подвижного шлака. В малых исредних пе­чах при выплавке ответственных марок сталей продолжа­ют применятьметод диффузионного раскисления стали через шлак, когда раскислители в виде молотого электродного боя, порошка ферросилиция присаживают нашлак. Содержание кислорода в шлаке понижается и в соответствии с закономраспределения кислород из ме­талла переходит в шлак. Метод этот, хотя и неоставля­ет в металле оксидных неметаллическихвключений, тре­бует значительно большей затраты времени. В восстано­вительныйпериод плавки, а также при выпуске стали под слоем шлака, когда происходит хорошееперемешивание металла со шлаком, активно происходитдесульфурация металла. Этому способствует хорошее раскисление ста­ли и шлака, высокое содержание известив шлаке и вы­сокая температура. В ходе восстановительного периода вводятлегирующие– ферротитан, феррохром и др., анекоторые, например никель, присаживают вместе с ших­той. Никель не окисляетсяи не теряется при плавке. Добавки тугоплавких ферровольфрама, феррониобия производят в начале рафинирования, так какнужно зна­чительное время для их расплавления. Внастоящее вре­мя большинство операций восстановительного периода переносят изпечи в ковш. Например, в кош вводят пор­ции легирующих или дают их на струюстали, вытекаю­щей из печи при ее наклоне. Присаживают по ходу вы­пуска раскислители. Целью восстановительного периодаявляется обеспечение нагрева стали до заданной темпе­ратуры и создание шлака, десульфурирующая способ­ность которого используетсяпри совместном выпуске из печи вместе со сталью.Одношлаковыйпроцесс.Всвязи с интенсификацией процесса электроплавки в последние годы получил боль­шоераспространение метод плавки в дуговой печи под одним шлаком. Сущность этогометода заключается в следующем: дефосфорацияметалла совмещается с пе­риодом расплавления. Во время расплавления из печискачивают шлак и производят добавки извести. В окис­лительный период выжигаютуглерод. По достижении в металле << 0,035 % Р производят раскисление стали без скачивания шлака ферросилицием и ферромарганцем. Затемприсаживают феррохром и проводят сокращенный (50—70 мин) восстановительныйпериод с раскислени-ем шлака порошками ферросилицияи кокса и раскисле-нием металла кусковыми раскислителями. Окончатель­ное раскисление производятв ковше ферросилицием и алюминием. В некоторых случаях вообще не проводят раскисления шлака в печи порошкообразными раскисли­телями.Переплав отходов.Назаводах специальных сталей количество образую­щихся отходов достигает 25—40 %от выплавляемой стали. Часть отходов поступает с машиностроительных заводов,поэтому в электросталеплавильных цехах 50 % легированных сталей выплавляют изшихты, состоящей только из них. Рациональное использование отходов да­етбольшую экономию легирующих, электроэнергии, по­вышает производительностьэлектропечей. В СССР ле­гированные отходы разделяют на 82 группы. При расчетешихты стремятся использовать максимальное количе­ство отходов данной маркистали или наиболее близких марокШихтусоставляют с таким расчетом, чтобы содержа­ние углерода в ванне по расплавлении было на 0,05— 0,10 % ниже заданного маркойстали. Необходимые ле­гирующие, неокисляющиеся добавки Ni Cu, Mo, W за­гружают вместе с шихтой, а прочие – V, Тi, Cr, Mn, Al, Si, Nb –стремятся вводить как можно позднее на раз­ных стадиях плавки, в том числе и вовремя выпуска в ковш. Металл заданного состава получают в процессе рафинировки или в ковше. Во время плавки наводят вы-сокоосновной, жидкоподвижныйшлак, который частично скачивают из печи. Это позволяет удалить до 30 % фос­фора.Если состав металла близок к расчетному, то, не скачивая шлака, приступают к раскислению шлака мо­лотым коксом, ферросилицием иалюминием. При этом легирующие элементы восстанавливаются из шлака и пе­реходятв металл, например так восстанавливается оксид хрома: 2(Cr2O3)+3(Si)=3(SiO2)+4 [Cr]. Продолжи­тельность восстановительного периода в этомварианте технологии такая же, как и в плавках с окислением. Плавка на отходахзначительно короче (примерно на 1 ч) по сравнению с плавкой на свежей шихте засчет окислительного периода. Это увеличивает производи­тельность электропечейна 15—20 % и сокращает расход электроэнергии на 15 %.Методыинтенсификации электросталеплавильного процесса.Применениекислорода. Использование газообразного кислорода в окислительный период плавкии в периодрасплавления позволяет значительноинтенсифицировать процессы расплавления и окисления углерода.

Применение синтетического шлака.

Этот метод пре­дусматривает перенесение рафинирования металла изэлектропечи в разливочный ковш. Для рафинирования металла выплавляютсинтетический шлак на основе из­вести (52–55%) и глинозема (40%) в специальной электродуговой печи с угольнойфутеровкой. Порцию, жидкого, горячего, активного шлака (4–5 % от массы стали,выплавленной в электропечи) наливают в основ­ной сталеразливочныйковш. Ковш подают к печи и в него выпускают сталь. Струя стали, падая с большойвы­соты, ударяется о поверхность жидкого шлака, разбива­ется на мелкие капли ивспенивает шлак. Происходит перемешивание стали со шлаком. Это способствует ак­тивномупротеканию обменных процессов между метал­лом и синтетическим шлаком. В первуюочередь проте­кают процессы удаления серы благодаря низкому содер­жанию FeO в шлаке и кислорода в металле; повышенной концентрацииизвести в шлаке, высокой температуре и перемешиванию стали со шлаком.Концентрация серы может быть снижена до 0,001 %.При этом происходит значительное удаление оксидныхнеметаллических вклю­чений из стали благодаря ассимиляции, поглощению этихвключений синтетическим шлаком и перераспределению кислорода между металлом ишлаком.

Обработка металла аргоном.

После выпуска стали из печи через объем металла в ковше продуваютаргон, который подают либо через пористые пробки, зафутеро-ванныев днище, либо через швы кладки подины ковша. Продувка стали в ковше аргономпозволяет выровнять температуру и химический состав стали, понизить содер­жаниеводорода, удалить неметаллические включения, что в конечном итоге позволяетповысить механические и эксплуатационные свойства стали.

Применениепорошкообразных материалов.

 Продув­ка стали в дуговой электропечи порошкообразными ма­териалами втоке газаносителя (аргона или кислорода) позволяет ускорить важнейшие процессырафинирования стали: обезуглероживание, дефосфорацию,десульфурацию, раскислениеметалла.

В струе аргона или кислорода в ванну вдуваются по­рошки на основеизвести, плавикового шпата. Для рас-кисленияметалла используют порошкообразный ферро­силиций. Для окисления ванны и дляускорения удаленияуглерода и фосфора добавляют оксиды железа. Мел-кораспыленные твердые материалы, попадая в ваннуме­талла, имеют большую поверхность контакта с метал­лом, во много разпревышающую площадь контакта ван­ны со шлаковым слоем. При этомпроисходитинтенсивное перемешивание металла с твердыми частицами. Все этоспособствует ускорению реакций рафинирования стали. Кроме того, порошкообразныефлюсы могут ис­пользоваться для более быстрого наведения шлака.

Плавка в кислой электропечи.

Кислые электропечи футеруют огнеупорными материалами на ос­новекремнезема. Эти печи имеют более глубокие ванны и в связи с этим меньшийдиаметр кожуха, меньшие тепловые потери и расход электроэнергии. Стойкостьфутеровки свода и стен кислой печи зна­чительно выше, чем у основной. Этообъясняется малой продолжи­тельностью плавки. Печи с кислой футеровкойвместимостью 1—3 т применяются в литейных цехах для производства стальноголитья и отливок из ковкого чугуна. Они допускают периодичность в работе, т. е. работу с перерывами. Известно,что основная футеровка быстро изнашивается при частом охлаждении. Расходогнеупоров на 1 т стали в кислой печи ниже. Кислыеогнеупоры дешевле, чем основ­ные. В кислых печах быстрее разогревают металл довысокой тем­пературы, что необходимо для литья. Недостатки кислых печей свя­заны прежде всего с характером шлака. В этих печахшлак кис­лый, состоящий в основном из кремнезема. Поэтому такой шлак непозволяет удалять из стали фосфор и серу.Для того чтобы иметь содержание этих примесей в допустимых пределах, необходимопод­бирать специальные шихтовые материалы, чистые по фосфору и по сере. Крометого, кислая сталь обладает пониженными пластически­ми свойствами по сравнениюс основной сталью вследствие присут­ствия в металле высококремнистыхнеметаллических включений.Технологияплавки в кислой электропечи имеет следующие осо­бенности. Окислительный периодплавки непродолжителен, кипение металлаидет слабо, так как кремнезем связывает РеО в шлаке итем самым скорость перехода кислорода в металл для окисления угле­родаснижается. Кислый шлак более вязкий, он затрудняет кипение. Шлак наводятприсадками песка, использованной формовочной зем­ли. Известь присаживают досодержания в шлаке не более 6—8 % СаО. Раскислениекислой стали проводят, как правило, присадкой кускового ферросилиция. Частичносталь раскисляется кремнием, ко­торый восстанавливаетсяиз шлака или из футеровки по реакциям: (SiO2)+2Fe=2(FeO)+[Si]; (SiO2)+2[C]=2CO+[Si]. В отличие отосновного процесса при кислом ферромарганец присаживают в конце плавки враздробленном виде в ковш. При таком способе усваивает­ся до 90 % марганца.Конечное раскисление проводят алюминием.

Получение низкоуглеродистой коррозионностойкой стали (процессы AOD и VOD).

Широкое распространение получают методы производстванизко­углеродистой коррозионностойкой стали вне электропечи.

Метод AOD. В электропечи выплавляют основу нержавеющейстали, содержащей заданное количество хрома и никеля, с использо­ваниемнедорогих, высокоуглеродистых ферросплавов. Затемсталь вместе с печным шлаком заливают в конвертер, профиль которого представленна рис. 81. Футеровка конвертера изготовлена из магнезитохромитовогокирпича. Стойкость футеровки до 200 плавок. В нижней зоне футеровки, в третьемряду кирпичной кладки от днища конвертера. Фурмы  представляютсобой конструкцию из медной внут­ренней трубы и наружной тру­бы из нержавеющейстали, внутренний диаметр фурмы 12—15 мм. Начальноесодер­жание углерода в стали может быть для ферритныххромистых сталей 2,0—2,5 %, а для аустенитных  сталей    1,3—1,7 %. В первые 35 мин сталь проду­вают смесью кислорода иарго­на в соотношении 3: 1. Во из­бежаниеперегрева металла в о, конвертер присаживают лом — данной марки стали,ферро­хром и т. п. Затем в течение 9 мин стальпродувают смесью кислорода и аргона в соотно­шении 1:1.В это время кон­центрация углерода снижается до 0,18%. В третьем периоде впродувочном газе еще более уменьшают отношение кисло­рода к аргону до 1:2, продувку продолжают еще 15 мин. За это времясодержание углерода снижается до 0,035%. Температура по­вышается до1720°С. В конце продувки присаживают известь и фер­росилиций для восстановленияхрома из шлака. После восстановле­ния шлак, содержащий 1 % Cr2O3, скачивается и после наведения но­вого шлака проводятокончательную продувку аргоном. При этом в шлак переходит сера, ее содержание вметалле снижается до 0,010 %.

В результате процесса AODполучают высококачественную не­ржавеющую сталь с низким содержанием углерода,серы, азота, кис­лорода, сульфидных и оксидныхнеметаллических включений, с вы­сокими механическими свойствами. Для повышенияэкономичности процесса аргон частично заменяют азотом. Средняя продолжитель­ностьпродувки составляет 60—120 мин, расход аргона составляет 10—23 м^3/т, кислорода 23 м^3/т.На рис. 82 представлено изменение температуры и состава металла. Степеньизвлечения хрома состав­ляет 98%.

Метод VOD. Этот метод вакуумно-кислородного обезуглерожи­ванияс продувкой аргоном. В основе метода лежит осуществление реакции [C]+[O]=CO, равновесие которой ввакууме сдвигается в правую сторону. Чем ниже парциальное давление СО, тем нижедолжна быть остаточная концентрация углерода встали. При этом создаются благоприятные условия для восстановления оксида хромауглеродом, что позволяет проводить процесс обезуглероживания без заметныхпотерь хрома со шлаком. Коррозионностойкую сталь вы­плавляютв электропечи с достаточно высоким содержанием угле­рода (0,3—0,5 % ); сталь выпускают в специальный ковш с хромомагнезитовой футеровкой, имеющим в днище фурмудля подачи аргона. Ковш устанавливают в вакуумную камеру, откачивают воздух ина­чинают продувку кислородом сверху через водоохлаждаемуюфурму, которую вводят в камеру через крышку. Одновременно производится продувкааргоном через дно ковша. После окончания продувки про­водятприсадку раскислителей и легирующих длякорректировки со­става. Расход аргона в этом способе значительно ниже чем в AOD (всего0,2 м^3/т). Получаемая сталь содержит очень низкиеконцен­трации углерода (0,01 %) при низком содержании азота. Окисле­ние хроманезначительное. Для удаления серы в ковш загружают известь, что позволяет послераскисления и кратковременного пе­ремешивания аргономснизить концентрацию серы в металле до не­обходимых пределов. По сравнению спроцессом AOD этот метод более сложен и применяется дляпроизводства сталей ответственно­го назначения с низким содержанием углерода. Кдостоинствам того и другого процесса следует отнести экономию дорогогонизкоуглеро­дистого феррохрома, обычно использовавшегося при получении не­ржавеющейстали в дуговых печах, а также достижение низких со­держаний углерода беззначительных потерь хрома.

 Индукционныепечи и плавка в них.

В настоящее время индукционные печи находят ши­рокое применение вметаллургии и машиностроении. В лабораториях используют высокочастотные печи ем­костьюот нескольких грамм до 100 кг, в литейных цехах низко- и среднечастотные печи до 2—6 т; наиболее круп­ные печиимеют емкость до 60 т. По сравнению с дуго­выми электропечами в индукционныхпечах отсутствие электродов и электрических дуг дает возможность полу­чатьстали и сплавы с низким содержанием углерода и газов. Плавка характеризуетсянебольшим угаром ле­гирующих элементов, высоким электрическим к. п. д„ точнымрегулированием температуры металла.

Недостатком печей является холодный, плохо пере­мешиваемыйшлак, что не позволяет так же интенсивно, как в дуговых печах, проводитьпроцессы рафинирования. Стойкость футеровки в печах невысокая.

Основной тип современных высокочастотных или ин­дукционныхпечей — это печи без сердечника. Такая печь состоит из индуктора-катушки, навитойиз медной труб­ки с водяным охлаждением. Внутрь индуктора вставля­ется либоготовый огнеупорный тигель, либо тигель наби­вается порошкообразным огнеупорнымматериалом. При наложении на индуктор переменного электрического то­ка частотойот 50 до 400 кГц образуется переменное маг­нитноесиловое поле, пронизывающее пространство вну­три индуктора. Это магнитное поленаводит в металличе­ской садке вихревые токи.

Устройство индукционных печей

В центре печи помещен индуктор. Он имеет видсоленоида и изготовлен из профилированной медной трубы. По трубе идет вода дляее охлаждения. Внутри индуктора набит огнеупорный тигель. Ток подается погибким кабе­лям. Печь заключена в металлический кожух. Сверху тигельзакрывается сводом. Поворот печи для слива ме­талла осуществляется вокруг оси,расположенной у слив­ного носка. Поворотные цапфы печи покоятся на опор­ныхподшипниках станин. Наклон печи проводится при помощи реечного механизма черезподвижные шарниры-цапфыили гидроприводом. Небольшие печи накло­няют при помощи тали.

Футеровка печей может быть кислой или основной,набивной или кирпичной. Для набивки используют ог­неупорные материалы различнойкрупности от долей миллиметра до 2—4 мм. Для основной футеровки применяют порошокмагнезита с добавками хромомагнезита и борной кислоты для связки. Кислые смесиготовят на основе молотого кварцита. Набивку тигля ведут послой­но вокруг металлического шаблона, форма которого со­ответствуетпрофилю тигля.

После окончания набивки футеровку спекают и об­жигают. В железныйшаблон загружают чугун, вклю­чают ток, металл постепенноразогревается и нагревает футеровку. Затем металл доводят до плавления. В пер­войплавке расплавляют мягкое железо, что позволяет достичь высокой температуры дляобжига футеровки. Крупные печи футеруют фасонным огнеупорным кирпи­чом.

Электрическоеоборудование

Индукционные печи питаются током высокой частоты отламповых генераторов или током средней частоты (2500 Гц) от машинныхпреобразователей. Крупные пе­чи работают на токе промышленной низкой частоты(50Гц от сети). Эти печи часто служат в качестве миксеров жидкого металла влитейных цехах.

В схему входят машинный генератор, батареяконденсаторов и автоматический ре­гулятор, плавильный контур.Преобразовательный агре­гат состоит из асинхронного электродвигателя, вращаю­щегогенератор и динамомашину, которая дает ток вобмотки возбуждения генератора.

Для компенсации реактивной мощности и созданияэлектрического резонанса устанавливают батарею кон­денсаторов. Частьконденсаторов может быть отключе­на для изменения емкостной составляющей. Резонанс бывает при условии ωL=1/ωC (L–коэффициентсамо­индукции печи, C – емкость конденсатора, ω –угловая частота). Подбирая переменную емкость, можно рабо­тать в условиях, близкихк резонансу, т.е. поддерживатьcosφ близкий к единице. Автоматический регуля­торэлектрического режима поддерживает оптимальную электрическую мощностьвзаимосвязанным регулированием cosφ,напряжения и силы тока.

Технологияплавки ста­ли в индукционной пе­чи.

Плавку проводят на высококачественном ломе спониженным содержа­нием фосфора и серы. Крупные и мелкие куски так укладывают втигель или бадью, с помощью которой загружают крупные печи, чтобы они плот­нозаполняли объем тигля. Тугоплавкие ферроспла­вы укладывают на дно тигля. Послезагрузки включают ток на полную мощность. По мере проплавленияи осе­дания скрапа подгружают шихту, не вошедшую сразу в тигель. Когдапоследние куски шихты погрузятся в жид­кий металл, на поверхность металлазабрасывают шлакообразующие материалы: известь,магнезитовый поро­шок, плавиковый шпат. Шлак защищает металл от кон­такта сатмосферой, предотвращает тепловые потери. По ходу плавки шлак раскисляют добавками порошка кок­са, молотогоферросилиция. Металл раскисляют куско­выми ферросплавами и в конце алюминием.По ходу плавки дают добавки легирующих. Поскольку угара ле­гирующих практическине происходит, то в индукцион­ных печах можно выплавлять сплавы сложногосостава.

Списокиспользованной литературы.

Металлургия черных металлов; Б.В. Линчевский, А.Л.Соболевский, А.А.Кальменев

еще рефераты
Еще работы по металлургии