Материал: Процесс выплавки стали в дуговых печах

Чистый (белый) фосфор имеет температуру плавления 44 °С, температуру кипения 280 °С. С железом фосфор образует фосфиды Fе3Р, Fе2Р, FeP и FeP2, из которых в жидком железе устойчивым является Fe2P (температура плавления 1365°С), в затвердевшем металле может находиться и Fe3P (~ 1170°С).

Из постоянных примесей стали фосфор образует соединение только с марганцем - фосфид марганца Мn5Р2, имеющий температуру плавления 1370 °С и обладающий способностью смачивать металл, поэтому присутствие марганца и других постоянных примесей заметно не уменьшает отрицательного влияния фосфора на свойства стали. При содержании остаточного алюминия 0,05-0,1 % и более образуется фосфид алюминия АlР, который имеет температуру плавления ~ 1700°С и выделяется в виде случайных неметаллических включений. Это улучшает свойства стали, содержащей 0,04-0,06 % Р и более.

Установлено, что ванадий препятствует диффузии фосфидов в твердом железе. Если это влияние существенно, то оно также может быть использовано для некоторого ослабления вредного влияния фосфора на свойства стали.

С кислородом фосфор образует ряд соединений, но характерным для сталеплавильных процессов является пентаоксид Р2О5 (фосфорный ангидрид). Температура плавления Р2О5 569°С, температура кипения 590°С. Вследствие низкой температуры кипения фосфора и фосфорного ангидрида в жидком металле фосфор и в жидком шлаке Р2О5 могут находиться только в виде соединений, имеющих температуру кипения выше температуры ванны. Такими соединениями являются в металле фосфиды железа, а в шлаке - фосфаты кальция и железа.

7.      Хром. Имеет температуру плавления 1825°С, неограниченную растворимость как в жидком, так и в твердом железе, причем не образует с железом прочных соединений, поэтому смешение жидкого хрома с жидким железом происходит практически без выделения тепла. Хром, растворенный в твердом железе, существенно изменяет его физические, механические, химические и технологические свойства.

Хром широко используется в качестве легирующей примеси, особенно в сочетании с никелем и некоторыми другими элементами: более 80 % марок легированных сталей в том или ином количестве (от 1-2 % в низколегированных до 25-30 % в высоколегированных) содержат хром. Однако в некоторых сталях хром является нежелательной примесью, и его содержание обычно ограничивают пределами 0,15-0,2%. В канатной стали содержание хрома должно быть не более 0,05-0,1 %, так как при более высоких содержаниях наблюдается ухудшение пластичности стали, что приводит к уменьшению срока службы канатов.

Хром, обладая сравнительно высоким химическим сродством к кислороду, в сталеплавильных ваннах окисляется довольно интенсивно, особенно при умеренно низких температурах начала плавки. Оксиды хрома и их соединения имеют высокую температуру плавления (1800-2000 °С) и ограниченную растворимость в сталеплавильных шлаках, поэтому при значительном содержании хрома в исходной металлической шихте (чугуне или ломе) получаются гетерогенные, малоподвижные, склонные к пенообразованию шлаки, резко ухудшающие условия ведения плавки. В связи с этим имеются пределы допустимого содержания хрома в исходной шихте не только в случае производства стали, в которой хром является нежелательной примесью, но и при производстве легированной хромом стали. Эти пределы зависят от конкретных условий ведения плавки.

8.     

9.      Никель. Достаточно легко получить в очень чистом виде (99.99 % Ni); иногда в него вводят специальные легирующие присадки (кремний, марганец и др.). К положительным свойствам никеля можно отнести достаточную механическую прочность после отжига. Легко поддается механической обработке: ковке, штамповке, прессовке и т. п. Наиболее ценный и в то же время наиболее дефицитный легирующий элемент. Его вводят в количестве от 1 до 5 %. Никель понижет порог хладноломкости, хотя при полностью вязком разрушении, т. е. выше порога хладноломкости он как и другие элементы понижает пластичность. Никель, в отличии от других элементов, одновременно углубляет прокаливаемость.

Высокие механические свойства при улучшении возможны лишь при обеспечении требуемой прокаливаемости. Кроме прокаливаемости важно получить мелкое зерно и не допустить развития отпускной хрупкости. Механические свойства определяются температурой отпуска, так как в зависимости от легирования разупрочнение при отпуске одних сталей идёт быстрее, других - медленнее.

Хромоникелевые стали 40ХН, 45ХН, 50ХН обеспечивают высокий комплекс механических свойств в деталях сечением 40 - 50 мм. Из-за присутствия никеля эти стали в отличие от хромистых, имеют более высокий температурный запас вязкости и меньшую склонность к хрупкому разрушению. Валки рельсобалочных и крупносортных станов для горячей прокатки металла. Улучшаемые легированные стали применяют для большой группы не только при статических, но и в условиях циклических и ударных нагрузок, концентрации деталей машин, работающих и напряжений, а в некоторых случаях и при пониженных температурах.

.Титан.В металлурги титан применяют для легирования, раскисления и дегазации стали и сплавов. При выплавке нержавеющей и жаропрочной стали титан используют как стабилизатор, Связывая углерод в прочные карбиды и препятствуя образованию карбидов хрома, титан уменьшает интеркристаллитную коррозию и улучшает свариемость нержавеющих хромникелевых сталей. Свойства титана приведены ниже:

Атомный номер ……………..22

Атомная масса ..……………..47,90

Плотность, кг/м3……………..4,51

Температура, К:

плавления……………..1941

кипения……………….3533

Теплота, кДж/г-атом:

плавления ……………7.37

испарения…………….114.80

сублимации…………...130.01

С кислородом титан образует следующие оксиды: TiO2-амфотерный оксид (температура плавления 2128 К, температура кипения 3200 К, при 3200 разлагается с образованием Ti2O5); Ti2O5- плавится при 2450 К и кипит при 3600 К; Ti2O3- плавится при 2400 К и кипит при 3300 К; TiO - плавится при 2010 К. Все эти оксиды образуют ряд кристаллических модификаций. Термически устойчивыми оксидами являются: TiO, Ti3O5 (при высоких температурах) и Ti2O3.

В природе в наиболее чистом виде встречается оксид Ti2O, который образует три минерала: рутил, брукит, анатаз. Основное количество титана в природе находится вместе с оксидами железа.

Титан легко окисляется, поэтому ферротитан вводят в ванну перед выпуском плавки из печи - за 3-8 мин. Он имеет меньшую плотность, чем жидкая сталь, и плавает на поверхности '('частично или полностью). Угар титана доходит до 50%. Титан дают и в ковш в виде 70%-ного ферротитана.

3.2     Выбор вида процесса выплавки заданной марки металла

На основе сопоставления состава заданной марки металла и состава сталей, входящих в шихту, я выбираю основной процесс с частичным окислением по нескольким причинам:

1.      Шихтовые материалы содержат большее количество серы и фосфора, чем в выплавляемой стали, поэтому выбираем основной процесс. В основной печи легко регулировать состав стали, а серу и фосфор удалять до заданного уровня.

2.      Требуется получить легированную сталь с большим содержанием марганца, а в основной печи при выплавке легированных сталей меньше расход ферросплавов и особенно ферромарганца.

.        Качество ряда высоколегированных сталей, полученных в основных печах, выше, чем при плавке в кислых печах.

.        Так как шихта состоит из отходов легированных сталей, близких по химсоставу к заданной марке, то экономии ферросплавов и сокращения периода продолжительности плавки выбирают процесс с частичным окислением газообразным кислородом( что наиболее характерно для многих нержавеющих сталей). Поэтому для данных составов сталей плавку ведут с частичным окислением.

3.3     Этапы технологического процесса

1)      ПОДГОТОВКА ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ К ПЛАВКЕ

Материалы в печь загружают в мульдах; мульды имеют отверстия для лучшего удаления испаряющейся влаги. Прогрев металла длится около 2 ч. Более производительным является прокаливание во вращающихся трубчатых печах, где материал перемешивается. Дробление и размол в настоящее время сосредоточивают в специальных отделениях подготовки материалов. Здесь дробят доломит для заправки, ферросилиций, старые магнезитовые блоки, отходы кирпича (магнезит, динас, шамот), мелят ферросилиций, кокс и отходы огнеупоров.

В бадьи шихту загружают магнитным краном.

При погрузке не разрешается грузить закрытые баллоны коробки и т. п.; наличие в последних воды или снега может вызвать взрыв при нагреве в печи.

Для загрузки крупных печей шихта подается в цех в контейнерах объемом до 14 м3 на железнодорожных платформах. Из контейнеров скрап выгружается прямо в бадьи. Это намного ускоряет загрузку шихты в бадьи.

Очень важной операцией является точное взвешивание шихты. Неточное взвешивание приводит к непопаданию плавки в анализ; количество жидкого металла в ковше может оказаться недостаточным для заполнения последнего сифонного куста, слитки получатся без прибылей (недоливки) или с низкими прибылями. При избытке металла при выпуске сталь и шлак могут не поместиться в ковше, шлак сольется через его края; обнаженный металл будет охлаждаться. Избыток или недостаток металла по сравнению с установленным весом плавки приводит к снижению выхода годного, к увеличенному расходу ферросплавов и повышенному удельному расходу электроэнергии.

В шихте используем легированную сталь 1Х13 и для уменьшения процентного содержания легирующего элемента хрома используем 10 - 30% мягкого железа. Он содержит от 0.01 до 0.15% С и не выше 0.020% P.

2)      ЗАПРАВКА ПЕЧИ

Процесс плавки проходит с жидкоподвижными нагретыми до высокой температуры химически активными шлаками, которые изнашивают откосы печи на уровне шлака. Футеровка подины может быть повреждена при загрузке, когда тяжелые куски шихты врезаются в подину, не защищенную подстилкой из мелкой шихты. В подине могут образоваться ямы.

До заправки необходимо удалить с подины и откосов шлак, а также металл, если он остался в ямках подины. Шлак удаляют во избежание зарастания подины, приводящего к уменьшению емкости ванны и приближению зеркала ванны своду, а следовательно, к ускорению износа свода.

Остатки металла на подине недопустимы, когда приходится менять марку выплавляемой стали; из-за остатка металла предыдущей плавки следующая плавка может не соответствовать заданному составу.

Кроме того, не удаленный из ямки металл не позволит доброкачественно заправить, выровнять ямку. Если магнезитовый порошок насыпать поверх металлической скрапины, то магнезит заправки не приварится к набойке. Во время плавки металл под слоем заправки расплавится, заправка всплывет. Это приводит к увеличению размеров ямы и к повышению содержания магнезии в шлаке, т. е. к нежелательному загущению шлака.

Работа по очистке ванны упрощается, если шлак перед выпуском достаточно жидкоподвижен; такой шлак практически полностью сойдет в ковш при выпуске.

Шлак и металл в печи быстро застывают, поэтому операцию чистки подины стараются выполнить в кратчайшее время; высокая температура печи необходима также для приваривания заправочного материала. Для сохранения тепла заправку можно производить при опущенных электродах.

На поврежденные места подины и откосов забрасывают сухой магнезитовый порошок, а в случае значительного повреждения подины - порошок, смоченный жидким стеклом или пеком, используют также хромомагнезитовый бой доломит.

Зарастание пода печи также нежелательно. Кроме ускоренного износа свода и стен, в этом случае есть опасность прорыва металла через откосы или порог загрузочного окна.

3)      ЗАГРУЗКА ШИХТЫ В ПЕЧЬ

Для быстрого расплавления садки большое значение имеет соотношение мелкого, крупного и среднего по габаритности лома и порядок загрузки.

Оптимальным соотношениям различных видов лома по габаритности для печи большой емкости можно считать следующее: 15% мелочи, 40% крупного лома и 45% среднего.

Порядок завалки рекомендуется следующим. На подину загружают половину мелочи для защиты ее от ударов тяжелой шихты. В центр печи под электроды загружают крупную шихту; ближе к откосам и на крупный лом загружают лом средней величины и на самый верх вторую половину мелочи. При таком расположении материалов более устойчивое горение дуг

При загрузке шихты бадьями следует опускать бадью возможно I ниже, чтобы уменьшить силу удара шихты о подину. Чтобы ослабить ударное действие падающих кусков рекомендуется предварительно загрузить на подину 2-3 мульды мелочи. Для совмещения удаления фосфора с плавлением шихты рекомендуется присаживать в печь одновременно с завалкой металлической шихты 2-3% извести.

При загрузке бадьей известь следует загрузить в бадью на металлический лом. Если из-за легковесности лома шихту подгружают после оседания и частичного проплавления первой завалки, то известь, железную руду или окалину загружают в печь перед подвалкой шихты.

4)      Плавление шихты

После окончания завалки электроды опускают вниз и включают ток. Под действием высокой температуры дуг шихта под электродами плавится, жидкий металл стекает вниз, накапливаясь в центральной, наиболее низкой части подины. Электроды опускаются, прорезая в шихте колодцы, диаметр которых на 30-40% больше диаметра электродов. Обычно через 30 мин после включения тока электроды достигают самого нижнего положения и останавливаются на некотором расстоянии от жидкого металла, определяемом величиной вторичного напряжения. Ещё при опускании электродов из присаженной извести и внесённых шихтой окалины и ржавчины на поверхности металла образуется шлак. При наличии на металле шлакового покрова дуги горят спокойнее.

Металл стараются покрыть шлаком для того, чтобы предохранить его от охлаждения, насыщения газами, науглероживания электродами.

Продолжительность периода плавления зависит в первую очередь от мощности трансформатора, а также от параметров печи, размещения шихты в печи. Продолжительность плавления тем меньше, чем выше полезная мощность трансформатора и чем ниже тепловые потери печи

Другим важным фактором является электрический режим плавления. Чем выше применяемое напряжение, тем длиннее дуги и соответственно меньше ток, тем меньше электрические потери, пропорциональные квадрату силы тока, и тем выше электрический к. п. д. Чем длиннее дуга, тем на большую площадь распространяется ее излучение. Поэтому наиболее выгодной является работа на самой высокой ступени напряжения трансформатора.

Длинные мощные дуги не опасны для футеровки в этот период, так как они закрыты шихтой. Футеровка печи, остывшая за время загрузки, может принять значительное количество тепла без опасности перегрева. Поэтому оптимальным является следующий ступенчатый электрический режим: первые 8-10 мин плавка идет на более низкой (второй или третьей) ступени напряжения, пока дуги не скроются в колодцах, затем на первой, самой высоткой ступени напряжения в течение приблизительно 1,25 ч, снова на второй ступени около 30 мин, и заканчивают расплавление на третьей ступени.

Быстрая загрузка печи сокращает продолжительность плавления и снижает расход энергии, так как печь меньше теряет тепла.

Неравномерность нагрева шихты связана с охлаждающим влиянием окон, большим охлаждением стенки, противоположной стойкам, и неравномерной отдачей мощности электродами разных фаз.

Длительность плавления сокращают путем вдувания кислорода в жидкий металл после расплавления части шихты. Окисление железа, фосфора, кремния, углерода и других элементов, содержащихся в шихте, протекает с большим выделением тепла; вдуванием кислорода продолжительность расплавления можно уменьшить на 10-20 мин. Реакции окисления элементов