Технология производства стали в электрических печах

Процессы выплавки стали  осуществляют в три этапа.

Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.

Температура металла  сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.

Наиболее важная задача этапа – удаление фосфора. Для  этого желательно проведение плавки в основной печи, где шлак содержит . Фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение . Оксид кальция – более сильное основание, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает и переводит его в шлак:

.

Для удаления фосфора  необходимы невысокие температура  ванны металла и шлака, достаточное  содержание в шлаке  . Для повышения содержания в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак, содержание фосфора в шлаке увеличивается. Поэтому необходимо убрать этот шлак с зеркала металла и заменить его новым со свежими добавками .

Второй этап – кипение  металлической ванны – начинается по мере прогрева до более высоких температур.

При повышении температуры  более интенсивно протекает реакция  окисления углерода, происходящая с  поглощением теплоты:

.

Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны». При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам , а также газы, проникающие в пузырьки . Все это способствует повышению качества металла. Следовательно, этот этап - основной в процессе выплавки стали.

Также создаются условия  для удаления серы. Сера в стали  находится в виде сульфида ( ), который растворяется также в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество сульфида железа растворяется в шлаке и взаимодействует с оксидом кальция :

Образующееся соединение растворяется в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

Третий этап – раскисление  стали заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле.

При плавке повышение  содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород – вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Сталь раскисляют двумя  способами: осаждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо.

В результате раскисления  восстанавливается железо и образуются оксиды: , которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак.

Диффузионное раскисление  осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и алюминий в измельчённом виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. Следовательно, оксид железа, растворённый в стали переходит в шлак. Образующиеся при этом процессе оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, при этом в стали снижается содержание неметаллических включений и повышается ее качество.

В зависимости от степени  раскисления выплавляют стали:

а) спокойные,

б) кипящие,

в) полуспокойные.

Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше.

Кипящая сталь раскислена в печи неполностью. Ее раскисление  продолжается в изложнице при  затвердевании слитка, благодаря  взаимодействию оксида железа и углерода: ,

Образующийся оксид  углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспокойная сталь  имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в  ковше, а частично – в изложнице, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, у  которых сродство к кислороду  меньше, чем у железа ( ), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа ( ), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш. 

Чугун переделывается в сталь в  различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических печах.

Мартеновский  процесс (1864-1865, Франция) в период до семидесятых годов XX века являлся основным способом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла – стального скрапа. Вместимость печи составляет 200…900 т. Способ позволяет получать качественную сталь.

Мартеновская печь по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.

Температура факела пламени достигает 1800 ⁰C. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

Продолжительность плавки составляет 3…6 часов, для крупных  печей – до 12 часов.

В зависимости от состава  шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

- скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25…45 % чушкового передельного чугуна, процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но много металлолома.

- скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55…75 %), скрапа и железной руды, процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

Футеровка печи может  быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали, в шлаке преобладают основные оксиды, то процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые – кислым.

Наибольшее количество стали производят скрап-рудным процессом  в мартеновских печах с основной футеровкой.

В основных мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в плавильных электропечах.

В кислых мартеновских печах  выплавляют качественные стали. Применяют  шихту с низким содержанием серы и фосфора.

В мартеновских печах в нашей стране выплавляют до 20 % всей стали. Доля мартеновского способа производства стали в последние годы сократилась за счет развития кислородно-конвертерного и электросталеплавильного производства.  

Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Первые опыты в 1933-1934 – Мозговой.

В промышленных масштабах  – в 1952-1953 на заводах в Линце  и Донавице (Австрия) – получил название ЛД-процесс. В настоящее время способ является основным в массовом производстве стали.

Кислородный конвертер  – сосуд грушевидной формы  из стального листа, футерованный основным кирпичом.

Вместимость конвертера – 130…350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360 ⁰ для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами  кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит и плавиковый шпат для разжижения шлака.

Кислород через водоохдлаждаемую фурму проникает в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Под фурмой развивается температура 2400 ⁰C. В зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо. Оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Растворенный кислород окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и их содержание падает. Происходит разогрев металла теплотой, выделяющейся при окислении.

В кислородных конвертерах  выплавляют стали с различным  содержанием углерода, кипящие и  спокойные, а также низколегированные  стали. Легирующие элементы в расплавленном  виде вводят в ковш перед выпуском в него стали.

Плавка в конвертерах  вместимостью 130…300 т заканчивается  через 25…30 минут.

Кислородно-конвертерный процесс наиболее высокопроизводительным способом выплавки стали. Его другие достоинства: простота устройства конвертера, отсутствие топлива, меньшие затраты на строительство цехов.

Производство  стали в электропечах. Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей.

Различают дуговые и  индукционные электропечи.

Выплавка в дуговых  электрических печах – главный  способ производства высококачественных конструкционных, коррозионностойких и других сталей и сплавов. Более  высокое по сравнению с мартеновской и конвертерной качество электростали объясняется ее более высокой чистотой по сере и фосфору и неметаллическим включениям, хорошей раскисляемостью.

Вместе с этим электросталь стоит дороже, чем мартеновская и  конвертерная.

Применение кислорода  повышает производительность на 15-25 % и  снижает расход электроэнергии на 10-15 %.

Преимуществами индукционных печей по сравнению с дуговыми является возможность выплавки сталей с очень низким содержанием углерода (так как нет науглероживания  от электродов), очень малый угар легкоокисляющихся элементов; сталь  характеризуется пониженным содержанием азота и высокой чистотой по неметаллическим включениям. Индукционные печи имеют высокую производительность и высокий -электрический к. п. д.

Недостатками индукционных печей являются их малая вместимость  по сравнению с дуговыми печами, высокая стоимость электрооборудования, низкая стойкость основных тиглей (10-100 плавок).

 

 

 

 

РАЗДЕЛ 2. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В ЭЛЕКТРОПЕЧАХ

 

Тема 2.1. Электрометаллургия стали

Плавильные электропечи  имеют преимущества по сравнению  с другими плавильными агрегатами:

а) легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры  тока;

б) можно получать высокую температуру металла,

в) возможность создавать  окислительную, восстановительную, нейтральную  атмосферу и вакуум, что позволяет  раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений.

Первая дуговая сталеплавильная печь в России была установлена в 1910 г., а в конце 1917 г. под Москвой стал работать электрометаллургический завод с несколькими электропечами.

В основе превращения  электрической энергии в тепловую могут лежать процессы теплогенерации, происходящие:

1) при прохождении электрического тока через газ;

2) при воздействии  электрического тока на магнитное  поле и создании вихревых токов  в металле;

3) при перемагничивании  и поляризации диэлектриков;

4) при прохождении  электрического тока через твердое  (а иногда и жидкое) тело, обладающее электропроводностью;

5) за счет кинетической  энергии электронов среды, участвующей  в процессе.

Обычно в печах передача тепла происходит двухступенчато –  от теплоносителя (электрической дуги и др.) к поверхности материала  и от поверхности внутрь его. Первая ступень соответствует так называемой внешней задаче, вторая – внутренней задаче.

В условиях внешней задачи теплопередача осуществляется главным  образом в результате теплового  излучения и конвекции.

В условиях внутренней задачи теплообмен происходит главным образом в результате теплопроводности (кондукции). Однако в последнем случае при нагреве жидкости преобладает конвективный теплообмен. Ниже несколько подробнее рассматриваются режимы, характерные для внешнего теплообмена.

В связи  с тем, что основным способом выплавки стали является кислородно-конвертерный, потребляющий меньшее количество лома по сравнению с мартеновским, возникли предпосылки для более быстрого развития электросталеплавильного производства, работающего на твердой шихте. Вторая важная причина развития выплавки стали в электропечах – все возрастающая потребность в легированных сталях и чистом металле из металлизованных окатышей. Развитие электросталеплавильного способа производства стали будет идти параллельно с кислородно-конвертерным.

На металлургических предприятиях с большим объемом  производства низколегированной и  трансформаторной сталей в основном применяют дуговые трехфазные электропечи  вместимостью 50, 100 и 200 т. На специализированных заводах по производству высококачественной и специальной сталей применяют дуговые электропечи вместимостью 3-100 т, индукционные электропечи обычных конструкций и вакуумные.

Высококачественные слитки (по структуре и поверхности) получают в вакуумных электропечах с расходуемым  электродом и в печах электрошлакового переплава. В последнее время для получения сталей для атомной и ракетной техники применяют электронно-лучевые плазменные печи. Ферросплавы выплавляют в дуговых электропечах на специализированных заводах.