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