» » Выплавка стали в дуговых печах
29.04.2015

Конструкция дуговой сталеплавильной печи

От емкости печи зависят технико-экономические показатели ее работы и в первую очередь себестоимость стали, В связи с этим емкость печей в последние годы непрерывно увеличивают. В России максимальная емкость печей составляет 80-т, но будут построены печи емкостью 180-т. В США на одном из заводов работают 180-т печи, в ФРГ 150-т.
Форма и размеры ванны. Оптимальная форма ванны — сфероконическая; футеровка ванны указана на рис. 46. Коническая часть имеет уклон 45°, что облегчает заправку и позволяет поддерживать необходимую форму ванны в процессе работы.
Выплавка стали в дуговых печах

Глубина ванны H (рис. 46) у больших печей составляет 700—1300 мм; отношение диаметра зеркала ванны D к глубине ванны должно быть порядка 5; высота сферической части ванны h1 составляет 1/5Н. Отношение Н1/D=0,42—0,44 и h3/Dп*п = 1/8 / 1/9, где Dп.п — диаметр плавильного пространства.
Ниже приведены основные технические данные для печей емкостью 80 и 180 т.
Выплавка стали в дуговых печах

На рис. 47 представлены зависимости между основными характеристиками современных дуговых печей: внутренним диаметром кожуха и средней емкостью, мощностью печного трансформатора и максимальным вторичным напряжением.
Выплавка стали в дуговых печах

Особенность конструкции больших печей — завалка сверху Преимущество завалки сверху перед завалкой через окна заключается в резком сокращении (в 8—10 раз) ее продолжительности, а значит и в сокращении продолжительности всей плавки.
Для загрузки печей сверху применяют загрузочные бадьи с секторами, связанными канатом, механически открывающиеся бадьи и загрузочные устройства грейферного типа.
Существует несколько конструкций печей с загрузкой сверху: печи с откатывающимся сводом, с отворачивающимся сводом и с выкатывающимся корпусом.
В печах с откатывающимся сводом корпус неподвижен, а своя вместе с электрододержателями подвешен к портальному мосту, перемещающемуся по рельсам, уложенным по сторонам печи.
В печах с выкатывающимся корпусом свод подвешен к неподвижному порталу, корпус печи откатывается с помощью рольганга в сторону печного пролета.
Наиболее рациональная и распространенная в последнее время конструкция печи — с отворачивающимся сводом. Основные преимущества печи этой конструкции — значительно меньшие механические сотрясения кладки печи при подъеме и отводе свода, меньший вес печи, меньшее количество механизмов и удешевление конструкции.
В 80-г печи с отворачивающимся сводом (рис. 48) основной несущей конструкцией служит двухсекторная люлька. На люльке смонтирован кожух печи, механизм поворота консольного моста и механизм вращения ванны вокруг вертикальней оси. Свод подвешен на четырех цепях к консольному мосту, смонтированному на поворотной опоре люльки, и поворачивается вместе с порталом. Подъем и поворот свода осуществляется раздельными механизмами с электроприводами.
Наклон печи (на угол 40—45° в сторону выпуска и 10—15° в сторону рабочего окна) производится двумя зубчатыми рейками, приводимыми в движение двумя элeктpoдвигaтeлями. Для электромагнитного перемешивания ванны имеется статор, укрепленный под центральной частью сферического днища (из нержавеющей стали).
Зажим электрода производится пружинным механизмом; отжим — пневматическим цилиндром с дистанционным управлением. Применение таких электрододержателей значительно сокращает простои печи.
Для подъема каждого из трех электродов имеется лебедка с ручьевым канатным барабаном. Ход электродов 3000 мм; скорость перемещения 1,75 м/мин. Обычно у различных печей скорость при подъеме электродов 1,7—2,0 м/мин, при опускании 1,0—1,5 мм/мин.
Выплавка стали в дуговых печах

Перемещение электродов автоматическое. Для автоматического управления электродами применяются регуляторы трех типов: релейноконтактные, электрогидравлические и электромашинные. На наших заводах распространены релейно-контактные регуляторы, состоящие из реле, реагирующего на отклонение от заданного электрического режима, и контакторов, связанных с реле, управляющих двигателями привода электрододержателей.
Футеровка печи (см. рис. 46). Подина основной печи в большинстве случаев набивная. На наших заводах для набивки применяют магнезитовый порошок (88—91,5% MgO, не более: 3% CaO, 4% SiO2, 3—5% Al2O3+Fe2O3) с добавками в качестве связующих 10% смолы и ~1% каменноугольного пека. Толщина набивки 180—300 мм. Кирпичное основание подины выполнено из слоя магнезитового кирпича (~360 мм), слоя шамотного кирпича и легковесного шамота. Последний уложен на слой молотого диатомита или трепела, который засыпан на днище корпуса печи. Общая высота футеровки подины (700—900 мм) приблизительно равна глубине ванны. Стойкость набивной подины около 1300 плавок.
На заводах США для набивки подин применяют синтетические массы (рамикс, магнамикс и др.), состоящие из «намертво» обожженного магнезита в смеси с жидким стеклом и других связующих добавок. Для выплавки нержавеющих сталей применяют хромитовые подины.
Футеровка стен печи выполнена из крупных блоков (3—4 шт.), набиваемых вне печи, из смеси магнезитового порошка с песком или выложена из большемерного безобжигового хромомагнезитового кирпича в обоймах из листового железа толщиной 1,5 мм. Такие железные кассеты обеспечивают сваривание отдельных кирпичей в прочный монолит. Стойкость стен, выполненных подобным способом, превышает 100 плавок. В Англии и Италии стены выкладывают из доломитовых блоков, армированных металлом.
Для футеровки сводов наиболее распространенный материал — динас. Свод набирают из фасонного кирпича или из нормального кирпича с некоторым количеством фасонного; толщина свода у печей большей емкости 300—460 мм.
Применение кислорода для продувки ванны и использование более мощных трансформаторов вызывает необходимость в более стойких огнеупорах. На наших заводах начали применять для сводов магнезито-хромитовый кирпич с прокладками из листового железа. Стойкость подобных сводов достигает 90—100 и более плавок. Стойкость же динасовык сводов у больших печей составляет 40—60 плавок.
В США в ряде случаев применяют для футеровки сводов высоко-глиноземистый (муллитовый и силлиманитовый) кирпич с 60% Al2O3 огнеупорность которого около 1790°. Применяют также комбинированные своды: из динасового, особого шамотного и муллитового кирпича. Для повышения стойкости сводов их подогревают до 540—580° перед установкой на печь. Повышению срока службы свода способствует также применение утопленных в своде холодильников в месте ввода электродов.
Технология плавки в дуговых печах

Основными материалами для производства электростали служат стальной и железный лом, легированные металлоотходы, мягкое железо (с 0 04—0,15% С и не более 0,02% Р), чугун передельный коксовый и древесиоугольный, шлакообразующие (известняк, известь, плавиковый шпат, шамотный бон), окислители (железная руда, агломерат, окалина, газообразный кислород), науглероживатели (электродный бой и кокс), легирующие добавки и раскислители.
Большее значение для хода плавки и качества получаемого металла имеет подготовка шихтовых материалов. Во избежание повышенного содержания водорода железную руду и плавиковый шпат подвергают прокаливанию, кокс и древесный уголь — сушке.
Технология плавки в основных дуговых печах имеет две главных разновидности: плавка с окислением и плавка без окисления (переплавом)
При плавке с окислением, получившей наибольшее распространение, в окислительный период задают кислородсодержащие добавки (руду, агломерат, окалину) или вводят газообразный кислород. Для дефосфорации металла прибегают к скачиванию шлака. Этим способом можно выплавлять сталь с малым содержанием фосфора при повышенном его содержании в шихте.
При плавке без окисления окислительный период отсутствует. Шихта состоит преимущественно из легированных отходов с низким содержанием фосфора.
Процесс плавки с окислением состоит из шести последовательных стадий заправки печи, загрузки шихты плавления шихтовых материалов, окислительного периода, восстановительного периода и выпуска плавки.
Заправка печи производится магнезитовым порошком, доломитом или их смесью либо вручную, либо заправочной машиной. Состав шихты определяется химическим составом выплавляемой стали.
При плавке с окислением в качестве шихтовых материалов применяют отходы углеродистых и низколегированных сталей и чугун.
Для плотной укладки шихты и быстрейшего ее расплавления применяют лом различных размеров. Оптимальным соотношением считается: 35—45% тяжеловесного лома, 30—40% среднего лома и 10— 25% мелкого лома. На подину сначала загружают легковесный лом, затем тяжелый лом — в центр, под электроды; далее — средний и на него — снова легковесный лом. Таким же образом материалы располагаются в бадье при загрузке сверху. В шихту целесообразно вводить до 2% извести, а при высоком содержании Si, Mn и С в шихте — руду.
После окончания завалки опускают электроды и включают ток. Плавление шихты ведут при максимальной мощности и наивысшем напряжении Постепенно электроды опускаются, проплавляя в шихте колодцы, диаметр которых на 30—40% больше диаметра электродов. При этом в центр печи для образования основного шлака забрасывают известь или известняк (2—3%); наличие шлака повышает устойчивость дуг.
По мере плавления шихты вокруг электродов уровень жидкого металла повышается, электроды поднимаются. Автоматические регуляторы поддерживают необходимую постоянную длину дуг. Постепенно плавление охватывает шихту между электродами, а затем и расположенную у откосов.
В конце периода плавления, когда электрические дуги не закрыты шихтой, снижают мощность, переключая печь на более низкую степень напряжения (рис. 49).
Выплавка стали в дуговых печах

Для ускорения плавления шихты печи оборудуют устройством для поворота корпуса на ±40°. Последовательно поворачивая корпус печи на 40 от нормального положения, возвращая в нормальное положение и снова поворачивая на 40° в другую сторону, добиваются значительного расширения зоны непосредственного действия электрических дуг, а следовательно, улучшения условий расплавления шихты. Длительность периода плавления может быть сокращена также при вдувании кислорода, так как в результате окисления железа, марганца, кремния и других элементов газообразным кислородом выделяется большее количество тепла. При применении кислорода длительность периода плавления сокращается на 10—15% при расходе кислорода 5—10 мд/т стали.
В период плавления практически полностью окисляются кремний, алюминий и титан, около половины марганца, частично углерод и фосфор. Шлак в конце периода расплавления содержит 35—45% CaO, 15—25% SlO2, 8—15% MgO, 7—10% MnO, 10—15% FeO, 0,5—1,0% P2O5.
Окислительный период преследует следующие цели; максимальное снижение концентраций фосфора в металле, удаление газов, растворенных в стали, нагрев металла, а также окисление углерода, марганца, хрома, ванадия и других элементов.
По расплавлении отбирают пробу металла и в печь присаживают руду и известь, а затем скачивают большую часть шлака (70—80%). Co скачиваемым шлаком удаляется основная часть фосфора, окислившегося в период плавления. Дальнейшее снижение содержания фосфора достигается скачиванием шлака, вновь наведенного присадками извести и руды, а в случае необходимости — присадками плавикового шпата или шамотного боя. Состав скачиваемого шлака: 40—50% CaO, 10— 20% SiO2, 15—20% FeO, 6—10% MgO, 5—12% MnO, 2—3% Al2O3.
Содержание фосфора в конце окислительного периода составляет 0,01—0,012%, а при более частом скачивании шлака 0,005—0,007%. Выгорание углерода в начале окислительного периода протекает со скоростью 0,4—0,6% углерода в час, в конце периода 0,2—0,3% углерода в час.
В процессе кипения окисляется 0,3—0,5% углерода и в конце периода содержание углерода становится на 0,03—0,1% ниже заданного содержания его в стали При кипении ванны из металла удаляется азот и водород.
В период расплавления и в окислительный период удаляется до 25% серы, отношение (S)/[S] в этот период составляет около 4.
После достижения необходимого содержания углерода и фосфора (ниже 0,015%) из печи удаляют окислительный шлак. Продолжительность окислительного периода на больших печах составляет около 1,5 час.
Для сокращения окислительного периода иногда совмещают плавление с процессом окисления примесей. С этой целью в зава тку дают повышенное количество руды и извести и, кроме того, добавляют руду и известь по ходу плавления. Длительность окислительного периода сокращается также при применении кислорода. Кислород вводят или по железным трубкам (диаметром 1/4—3/4'') через завалочное окно непосредственно в жидкий металл на глубину 150—200 мм, или водоохлаждаемой фурмой через свод над поверхностью шлака (100—150 мм); давление кислорода 8—12 ати.
Применение кислорода позволяет окислить углерод при выплавке малоуглеродистых сталей до очень низких значений (до 0,02—0 03%), сократить длительность окислительного периода на 15—25 мин и улучшить условия нагрева металла. Расход кислорода составляет 3—5 м3/т. При этом производительность печей повышается на 5—10% и расход электроэнергии сокращается на 10—15%.
В восстановительный период происходит раскисление металла, удаление серы и окончательное корректирование химического состава и температуры стали.
После удаления окислительного шлака в ванну присаживают ферромарганец (из расчета получения содержания марганца на нижнем заданном пределе) и в случае необходимости науглероживают металл (коксом или электродным боем). Затем вводят шлакообразующую смесь (около 2% от веса металла), состоящую из извести (75—60%), плавикового шпата (15%) и шамотного боя (10—25%). После образования сильно основного шлака приступают к диффузионному раскислению, которое проводится под белым, карбидным или магнезиально-глиноземистым шлаком.
При диффузионном раскислении под белым шлаком после образования шлакового покрова в печь вводят смесь, состоящую из извести, плавикового шпата и молотого кокса или электродного боя в соотношении примерно 8:2:1. Чтобы не произошло науглероживания металла, применяют другой способ наводки белого шлака, вводят на шлак, полученный в результате добавки увеличенного количества шлакообразующих (2,5—3%), молотый кокс, затем постепенно присаживают новые порции кокса. Раскисление производят до тех пор, пока шлак не посветлеет (-1,5% FeO), а затем в состав раскислительной смеси вводят 75%-ный ферросилиций.
Углерод и кремний восстанавливают FeO и MnO шлака, при этом равновесие между металлом и шлаком нарушается и происходит диффузия кислорода в металле к поверхности раздела шлак — металл и переход его в шлак
Выплавка стали в дуговых печах

По ходу восстановительного периода уменьшается содержание закиси железа в шлаке и содержание кислорода в металле до 0,004—0,010% в зависимости от содержания углерода и кремния в стали.
При диффузионном раскислении под карбидным шлаком на шлак задают раскислительную смесь около 1 % от веса металла с увеличенным количеством кокса, состоящую из извести (-60%), плавикового шпата (15%) и молотого кокса (25%). Затем плотно закрывают заслонку печи, добиваясь герметичности, и подают ток большой мощности. Под электродами в зоне высоких температур образуется карбид кальция
Выплавка стали в дуговых печах

Образовавшийся карбид кальция наряду с углеродом раскисляет шлак:
Выплавка стали в дуговых печах

происходит также и восстановление кремния (до 0,10—0,15%)
Выплавка стали в дуговых печах

содержание закиси железа в шлаках понижается до 0,5%.
Содержание карбида кальция в шлаке составляет от 1 до 5%. Перед выпуском обычно карбидный шлак переводят в белый, добавляя шамотный бой, известь и плавиковый шпат. Недостаток карбидного шлака — повышенное науглероживание металла в процессе раскисления.
Под белым шлаком выплавляют конструкционные малоуглеродистые (до 0,35% С) стали, под карбидными — средне- и высокоуглеродистые, под магнезиально-глиноземистыми — нержавеющие и другие В восстановительный период создаются благоприятные условия для удаления серы: высокая основность, низкое содержание закиси железа в шлаке, понижение содержания кислорода в металле, высокая температура металла и шлака Увеличение степени раскислеиности сопровождается увеличением обессеривания металла. Отношение (S)/[S] в восстановительный период составляет 15—40, а иногда доходит и до 70. Можно снизить содержание серы в рядовых плавках до 0,020—0,025% и даже до 0,01% и ниже.
В этот период производят также и легирование металла, а в конце периода — дополнительное раскисление, в основном алюминием.
Длительность восстановительного периода составляет 1,0—2,0 часа. Ускорение восстановительного периода достигается электромагнитным
перемешиванием (рис. 50) металла. Под ванной располагается статор; переменный ток, питающий его обмотки, создает бегущее поле, которое индуктирует токи в жидком металле. Благодаря взаимодействию между магнитными потоками обмоток и токами ванны металл приходит в движение. В результате электромагнитного перемешивания ускоряются реакции между металлом и шлаком, уменьшается содержание серы и кислорода в стали и сокращается продолжительность восстановительного периода. Кроме того, при электромагнитном перемешивании облегчается скачивание шлака, выравнивается температура и равномерно распределяются легирующие добавки и повышаются скорости их растворения.
Выплавка стали в дуговых печах

Плавка без окисления методом переплава отходов применяется при выплавке конструкционной, инструментальной и других сталей. Шихтой в основном служат легированные отходы, иногда для снижения содержания углерода и фосфора в шихту вводят малоуглеро дистую заготовку. Содержание фосфора в шихте — не более 0,015—0,020%. Окислительный период отсутствует, поэтому не удаляется угле род, фосфор и водород из шихты. В процессе плавления происходит частичное окисление легирующих элементов. Ориентировочно угар составляет, алюминия 100%, титана 80—90%, кремния 40—60%, ванадия 15—25%, марганца 15—25%, хрома 10—15%, вольфрама 5—15%. Для ошлакования окислов при плавлении вводят некоторое количество извести или прокаленный известняк. После расплавления часть шлака удаляют. Раскисление, обессеривание и легирование проводят подобно тому, как и при плавке с окислением.
Плавка без окисления позволяет в наибольшей степени использовать легирующие элементы, содержащиеся в шихте, значительно уменьшить стоимость шихты и снизить расход дорогих ферросплавов. Наряду с этим повышается производительность печей на 10—20% и снижается расход электроэнергии на 12—15%.
Нержавеющую сталь (составы этих сталей приведены в приложении) выплавляют из шихты, состоящей из нелегированных отходов и отходов нержавеющей стали При выплавке нержавеющей стали широко применяется продувка ванны кислородом, при этом становится возможным перерабатывать шихту, содержащую до 100% отходов высокохромистых и хромоникелевых сталей, что при обычном ведении процесса трудно из за науглероживания металла в период расплавления. Возможно получение стали с содержанием углерода ниже 0,03%.
Кислород вводят в ванну в период расплавления и в окислительный период. Для уменьшения угара хрома целесообразно вводить кислород в конце периода расплавления.
После продувки производят диффузионное раскисление ферросилицием или силикохромом; при этом происходит также восстановление из шлака хрома и марганца. Извлечение хрома из отходов составляет до 85—95%.
Показатели плавки в дуговых электропечах. Производительность электрических дуговых печей зависит от веса металлической шихты (емкости печи), продолжительности плавки, выхода годного и длительности простоев. Простои составляют 6—9% от календарного времени. Продолжительность плавки колеблется в широких пределах. Для печей более 20 т она составляет 4—7 час (заправка 15—25 мин., загрузка сверху 5—10 мин, загрузка завалочными машинами 20—40 мин., расплавление 1,5—3 час., окислительный период 30—70 мин., восстановительный период 1—2 час). При плавке на жидком полупродукте (дуплекс-процесс конвертер — электропечь) длительность плавки сокращается до 2,5—3,5 час.
Применение кислорода, как уже указывалось выше, сокращает период плавления и окислительный период на 10—20%; выход годного составляет 89—91% (одна половина потерь — угар, другая половина — литники, недоливки и скрап).
Емкость печей в большинстве случаев составляет 20—50 т, но имеются печи от 80 до 180 т. Производительность крупных электрических печей не уступает производительности современных мартеновских печей и составляет при выплавке нелегированной стали до 25 т/час. Производительность печей средней емкости составляет 12—15 т/сутки на 1000 ква мощности трансформатора.
Расход электроэнергии в печах средней емкости (30—50 г) составляет 650—750 квт*ч/т, расход электродов около 7 кг/т стали.