Шихтовые материалы электроплавки
Основной составляющей шихты (75—100%) электроплавки является стальной лом. Лом не должен содержать цветных металлов и должен иметь минимальное количество никеля и меди; желательно, чтобы содержание фосфора в ломе не превышало 0,05 %. При более высоком содержании фосфора продолжительность плавки возрастает. Лом не должен быть сильно окисленным (ржавым). Ржавчина — гидрат оксида железа, с ней вносится в металл много водорода. Лом должен быть тяжеловесным, чтобы обеспечивалась загрузка шихты в один прием (одной корзиной). При легковесном ломе после частичного расплавления первой порции шихты приходится вновь открывать печь и подсаживать шихту, что увеличивает продолжительность плавки.
В последние годы расширяется применение металлизованнных окатышей и губчатого железа — продуктов прямого восстановления обогащенных железных руд. Они содержат 85-93 % Fe, основными примесями являются оксиды железа, Si02 и А1203.
Отличительная особенность этого сырья — наличие углерода от 0,2-0,5 до 2 % и очень низкое содержание серы, фосфора, никеля, меди и других примесей, обычно имеющихся в стальном ломе. Это позволяет выплавлять сталь, отличающуюся повышенной чистотой от примесей.
Переплав отходов легированных сталей позволяет экономить дорогие ферросплавы. Поэтому эти отходы собирают и хранят рассортированными по химическому составу в отдельных закромах. Их используют при выплавке сталей, содержащих те же легирующие элементы, что и отходы.
Для повышения содержания углерода в шихте используют чугун, кокс и электродный бой.
Основное требование к чугуну - минимальное содержание фосфора; с тем, чтобы не вносить много фосфора в шихту малых (< 40 т) печей вводят не более 10% чугуна, а в большегрузных не более 25 %.
В качестве шлакообразующих в основных печах применяют известь, известняк, плавиковый пшат, боксит, шамотный бой; в кислых печах — кварцевый песок, шамотный бой, известь.
В качестве окислителей используют железную руду, прокатную окалину, агломерат, железорудные окатыши, газообразный кислород.
К шлакообразующим и окислителям предъявляются те же требования, что и при других сталеплавильных процессах. В частности, известь должна содержать более 90 % СаО, менее 2 % Si02, менее 0,1 % S и быть свежеобожженной, чтобы не вносить в металл водород. Железная руда должна содержать менее 8 % Si02, поскольку он понижает основность шлака, менее 0,05 % S и менее 0,2 % Р; желательно применять руду с размером кусков 40-100 мм, поскольку такие куски легко проходят через слой шлака и непосредственно реагируют с металлом.
В плавиковом шпате, применяемом для разжижения шлака, содержание CaF2 должно превышать 85 %.
В электросталеплавильном производстве для легирования и раскисления применяются практически все известные ферросплавы и легирующие.
Традиционная технология с восстановительным периодом
Технология плавки с окислительным, и восстановительным периодами или традиционная технология применяется в течение десятилетий на печах вместимостью < 40 т для выплавки высококачественных легированных сталей. Эту технологию называют также двухшлаковой, а процесс плавки -двухшлаковым, поскольку по ходу плавки вначале в печи наводят окислительный шлак, т.е. содержащий много оксидов железа, а затем его сливают и в восстановительном периоде наводят новый (второй) шлак, не содержащий оксидов железа. До недавнего времени плавка в электродуговых печах по этой технологии была единственным способом получения легированных высококачественных сталей и такие стали назывались сталями "электропечного сортамента". Высокое качество металла обеспечивалось за счет того, что в окислительном периоде создавались условия для удаления до очень низких содержаний фосфора и для дегазации металла (удаления растворенных водорода и азота за счет кипения ванны), а в восстановительном периоде — условия для получения низких содержаний кислорода и серы и соответственно оксидных и сульфидных неметаллических включений, а также для ввода в металл легирующих добавок без их значительного угара.
Плавка состоит из периодов: 1) заправка печи; 2) загрузка шихты; 3) плавление; 4) окислительный период; 5) восстановительный период; 6) выпуск стали.
Окислительный период. Задачи окислительного периода плавки: а) уменьшить содержание в металле фосфора до 0,01-0,015 %; б) уменьшит! содержание в металле водорода и азота; в) нагреть металл до температуры близкой к температуре выпуска (на 120-130°С выше температуры ликвидуса); г окислить углерод до нижнего предела его требуемого содержания; выплавляемой стали. Особо важную роль в этом периоде играет процесс окисления углерода, поскольку с образующимися при этом пузырями С(удаляются растворенные в металле водород и азот, и пузыри вызываю перемешивание ванны, ускоряющее нагрев металла и удаление в шлак фосфора.
Окисление примесей ведут, используя либо железную руду (окалину), либо газообразный кислород.
Шлак в конце окислительного периода имеет примерно следующий соста %: 35-50 СаО; 10-20 Si02; 4-12 МпО; 6-15 MgO; 3-7 А12Оэ; 6-30 FeO; 2-6 Fe2C 0,4-1,5 P2Os. Содержание оксидов железа в шлаке зависит от содержания углерода в выплавляемой марке стали; верхний предел характерен для низкоуглеродистых сталей, нижний — для высокоуглеродистых.
Окислительный период заканчивается тогда, когда углерод окислен нижнего предела его содержания в выплавляемой марке стали, а содержать фосфора снижено до 0,010-0,015 %. Период заканчивают сливом окислительных шлака, который производят путем наклона печи в сторону рабочего окна, а та» вручную с помощью деревянных гребков, насаженных на длинные желез! прутки. Полное скачивание окислительного шлака необходимо, чтс содержащийся в нем фосфор не перешел обратно в металл во время восстановительного периода. Окислительный период длится от 30 до 90 мин.
Восстановительный период. Задачами периода являются: а) раскисление металла; б) удаление серы; в) доведение химического состава стали до заданного г) корректировка температуры. Задачи решаются параллельно в течение в восстановительного периода; раскисление металла производят одновременно осаждающим и диффузионным методами.
После удаления окислительного шлака в печь присаживают ферромарганец в количестве, необходимом для обеспечения содержания марганца в металле н; нижнем пределе для выплавляемой стали, а также ферросилиций из расчета введения в металл 0,10-0,15% кремния и алюминий в количестве 0,03-0,1 %. добавки вводят для обеспечения осаждающего раскисления металла.
Далее наводят шлак, вводя в печь известь, плавиковый пшат и шамотный бой в соотношении 5:1:1 в количестве 2-4 % от массы металла. Через 10-15 мин шлаковая смесь расплавляется, и после образования жидкоподвижного шлака приступают к диффузионному раскислению ванны. Периодически, через 10-12 мин, в печь вводят порции раскислительной смеси из извести, плавикового пшата и раскислителя. Первые 15-20 мин в качестве раскислителя в этой смеси используют молотый кокс (углерод), далее вместо него молотый ферросилиций; иногда допускается дача порций чистого кокса или ферросилиция. На некоторых марках стали в конце восстановительного периода в состав раскислительной смеси вводят более сильные раскислител и — молотый силикокальций и порошкообразный алюминий.
Обычно расход кокса на раскисление под белым шлаком составляет 1-2 кг/т металла. Расход ферросилиция определяют с учетом того, что около 50 % кремния переходит в металл; в течение восстановительного периода содержание кремния в металле за счет присадок на шлак порошкообразного ферросилиция доводят до 0,25-0,35 %.
Во время восстановительного периода успешно идет десульфурация, что объясняется высокой основностью шлака (CaO/Si02 = 2,7-3,3) и низким (< 0,5 %) содержанием в нем FeO, обеспечивающими сдвиг равновесия реакции десульфурации
[S] + Fe + (СаО) = (CaS) + (FeO) вправо (в сторону более полного перехода серы в шлак). Коэффициент распределения серы между шлаком и металлом (S)/[S] составляет 20-60.
В конце восстановительного периода, когда шлак и металл раскислены, проводят легирование металла элементами, имеющими значительное химическое сродство к кислороду (подробнее см. ниже).
Для улучшения перемешивания шлака и металла и интенсификации медленно идущих процессов перехода в шлак серы, кислорода и неметаллических включений в восстановительный период рекомендуется применять электромагнитное перемешивание металла.
Длительность восстановительного периода составляет 40-100 мин. За 10-20 мин до выпуска проводят, если это необходимо, корректировку содержания кремния в металле, вводя в печь кусковой ферросилиций. Для конечного раскисления за 2-3 мин до выпуска в металл присаживают 0,4-1,0 кг алюминия на 1 т стали, расход алюминия в этих пределах возрастает при снижении содержания углерода в выплавляемой стали. Выпуск стали из печи в ковш производят совместно со шлаком. Интенсивное перемешивание металла со шлаком в ковше обеспечивает дополнительное рафинирование — из металла в белый шлак переходят сера и неметаллические включения. По ходу плавки в экспресс-лаборатории контролируют изменение состава металла и шлака, измеряют температуру металла термопарами погружения.
Иногда восстановительны й период проводят не под белым, а под карбидным шлаком, который отличается от белого наличием карбида кальция (СаС2) и более высокой основностью. При этом наведенный в начале восстановительного периода шлак раскисляют повышенным количеством кокса (2-3 кг/т), после чего печь герметизируют. При таких условиях в зоне электрических дуг идет реакция
СаО + ЗС = СаС2 + СО. Образующийся карбид кальция является энергичным раскислителем, и наличие его в шлаке обеспечивает более полное, чем под белым шлаком, раскисление и десульфурацию. Выдержка под карбидным шлаком, который содержит 1,5-2,5 % СаС2, составляет 30-40 мин. Карбид кальция хорошо смачивает металл, поэтому при выпуске плавки в ковш под карбидным шлаком, металл загрязняется мелкими частичками шлака. Для предотвращения этого карбидный шлак за 20-30 мин до выпуска переводят в белый. Для этого в печь открывают доступ воздуху, открывая рабочее окно. Кислород воздуха окисляет карбид кальция с образованием СаО и СО, в результате чего карбидный шлак превращается в белый.