Материал: Процесс выплавки стали в дуговых печах

[Fe] + [O] = {FeO},               2[Fe] + 3[O] = {Fe2O3},

[P] + 5[O] = {P2O5},   [Si] + 2[O] = {SiO2},

[C] + [O] = {CO},                  2[Cr] + 3[O] = {Cr2O3},

[Mn] + [O] = {MnO}.

Во время плавления кремний, фосфор и марганец окисляются. Одним из путей интенсификации процесса электроплавки является совмещение дефосфорации с плавлением.

Уже во второй период плавления часть шлака спускают самотеком и наводят новый шлак присадками извести и руды.

В конце плавления в результате продувки газообразным кислородом окисляется 0,20- 0,25% С. Кипение ванны ускоряет нагрев металла, перемешивание ванны благоприятствует дефосфорации и дегазации. В процессе продувки кислородом шлак должен сходить из печи самотеком.

После расплавления всей шихты ошлакованной ложкой берут пробу металла для определения экспресс-анализом содержания С, Мn, Р, Сr, Ni, Сu.

Отбором первой пробы металла заканчивается плавление шихты и начинается восстановительный период плавки.

5)      восстановительный период плавки

Задачами восстановительного периода плавки в основной электропечи являются: а) раскисление металла; б) удаление серы; в) доведение химического состава стали до заданного; г) регулирование температуры ванны; д) подготовка жидкоподвижного высокоосновного хорошо раскисленного шлака для обработки металла во время выпуска из печи в ковш.

Раскисление ванны

Раскисление металла осуществляется двумя методами: присадкой раскислителей непосредственно в металл и присадкой их на шлак с целью раскисления его.

При присадке в ванну раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия и др.) в виде кусков реакции раскисления протекают в металле на большей или меньшей глубине, которая зависит от удельного веса раскислителя и размеров кусков его (глубинное раскисление). Процесс раскисления в этом случае непродолжителен, но имеет тот недостаток, что продукты реакции могут оставаться в металле в виде неметаллических включений.

При втором, так называемом диффузионном, методе раскисления добиваются раскисления металла через шлак. При этом методе используется закон распределения кислорода между двумя соприкасающимися несмешивающимися жидкостями - металлом и шлаком, по которому в условиях равновесия отношение концентрации закиси железа в шлаке к концентрации кислорода в металле для данной температуры и основности шлака является величиной постоянной.

При диффузионном раскислении реакции идут преимущественно в шлаке и на поверхности раздела металл-шлак, загрязнение металла включениями - продуктами реакций раскисления - уменьшается (особенно при раскислении шлака углеродом). Отрицательной стороной диффузионного раскисления является его продолжительность.

Т. к. процесс без окисления, то содержание кислорода в жидкой фазе незначительная. Тем не менее, раскисление может происходить следующими элементами

Ø Раскисление углеродом

Протекает по реакции [C] + x×[O] = COxг.

Константа равновесия и зависимость константы равновесия от температуры:

.

Ø Раскисление кремнием

Основными реакциями в восстановительный период определяющими поведение кремния в сталеплавильных ваннах являются SiO2т = [Si] + 2[O], FeO×SiO2т = [Si] + 3[O] + Feж.

Константа равновесия и зависимость константы равновесия от температуры для первого уравнения:

.

Константа равновесия и зависимость константы равновесия от температуры для второго уравнения:

.

Ø Раскисление марганцем

Раскисление марганцем в восстановительный период может протекать по реакциям МnОт = [Мn] + [О].

Константа равновесия и зависимость константы равновесия от температуры

металл плавка печь шихта

Ø Раскисление хромом

Раскисление в восстановительный период может протекать по реакции

Сr2О3т = 2[Сr] + 3[О], [CrO] + Сr2О3т = 3[Сr] + 4[О], 0.5FeO×Сr2О3т = 0.5Feж + [Сr] + 2[О].

Константа равновесия и зависимость константы равновесия от температуры для первого уравнения

.

Константа равновесия и зависимость константы равновесия от температуры для второго уравнения

.

Константа равновесия и зависимость константы равновесия от температуры для третьего уравнения

.

Ø Раскисление алюминием

Протекает по реакции FeO×Al2O3 = 2[Al] + 4[O] + Feж

Константа равновесия и зависимость константы равновесия от температуры

.

Десульфурация.

На удаление серы из металла в электропечи влияют раскисленность металла и шлака, основность шлака, содержание углерода в металле, кратность шлака, температура, перемешивание металла и шлака, выдержка металла под восстановительным шлаком, вторичное напряжение, содержание серы в извести и других шлакообразующих материалах.

На скорость и полноту десульфурации влияет основность шлака. Чем выше основность шлака, тем больше полнота десульфурации и тем выше скорость перехода серы из металла в шлак. По закону действующих масс повышение концентрации CaS в шлаке уменьшает полноту реакций десульфурации. С этой точки зрения желательно было бы иметь большой объем шлака. С другой стороны, толстый слой шлака затрудняет нагрев металла, ведет к увеличению продолжительности плавки и расхода электроэнергии.

Благоприятные условия для удаления серы создаются при высоком нагреве металла и шлака и активном перемешивании ванны.

На скорость удаления серы влияет напряжение, при котором восстановительный процесс. данным. При низком напряжении шлак находится в движении, он раздувается дугой; новые слои шлака постоянно приходят в химически активную зону. Следовательно, предпочтение надо отдать низкой ступени напряжения.

В дуговой электропечи в восстановительный период плавки сера может быть внесена коксом, применяемом для раскисления шлака, известью, плавиковым шпатом и ферросплавами. При выплавке сплавов и сталей с весьма низким содержанием серы поступление серы со шлакообразующими материалами следует свести до минимума. Для этого вместо каменноугольного кокса следует применять нефтяной. Плавиковый шпат должен быть отборным - без сернистых включений (пирита).

Упрощенно перенос серы из металла в шлак можно осуществляться с помощью сульфида железа или марганца по реакциям:

[FeS] + (MnO) = (MnS) + (FeO);

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO).

Если считать коэффициенты активности реагентов равными 1, то константа равновесия второй реакции записывается следующим образом

.

Технология восстановительного периода

После наведения белого или известково-глиноземистого шлака его раскисляют силикохромом или ферросилицием, затем дают алюминий на штанге и легируют металл хромом, никелем, молибденом. Перед введением хрома шлак на 40% убирают. Во время проплавления феррохрома на шлак дают порошок ферросилиция, после расплавления феррохрома, шлак полностью скачивают, присаживают необходимое количество феррохрома, никеля, молибдена и марганца и наводят новый шлак из извести и плавикового .шпата..

Свежеобожженная известь (СаО) является наиболее важной составной частью шлаковых смесей в основной печи. Для удаления из металла вредных элементов - фосфора и серы - необходима высокая концентрация в шлаке окиси кальция. Известь получается из известняка путем обжига при 800-1000° С в шахтных или трубчатых печах.

Обожженная известь имеет следующий химический состав: 88-93% СаО; 2% MgO; 2% SiO2; 3% (Fe2O3 + А12О3); не более 0,10% S. Чем выше содержание окиси кальция и ниже содержание кремнезема и серы, тем выше качество извести.

Как правило, высококачественная сталь должна содержать мало серы - 0,005-0,008%. Чтобы удалить из металла серу до столь низкого содержания, известь должна содержать возможно меньше серы, во всяком случае не выше 0,10%.

Обожженная известь жадно поглощает влагу из воздуха. При хранении на воздухе известь рассыпается в порошок - гасится по реакции СаО + Н2О = Са(ОН)2. Применение пылеватой извести - «пушонки» - совершенно недопустимо при выплавке высококачественной стали, потому что влага, внесенная известью, вызывает обогащение стали водородом, являясь причиной пороков в стали, в частности образования флокенов.

Для плавки в электропечах следует применять только свежеобожженную известь; ее необходимо транспортировать и хранить в железных герметичных контейнерах. Не рекомендуется создавать запасов извести в электросталеплавильном цехе.

Плавиковый шпат состоит в основном из фтористого кальция (85-95% CaF2). Плавиковый шпат при электроплавке стали применяется для снижения температуры плавления высокоосновных шлаков. Для удаления фосфора и серы содержание СаО в шлаках электропечи поднимают до 50-60 %. Шлаки должны быть активными, жидкоподвижными, чтобы способствовать быстрому протеканию реакций между металлом и шлаком; присадка плавикового шпата разжижает шлак.

Кварцит содержит 96-97% SiO2, используется в кусках размером до 50 мм.

Приблизительный состав шлака начала восстановительного периода приведён в таблице 2.

Таблица 2

Состав шлака конструкционной стали дуговой электропечи в начале восстановительного периода

Шлак раскисляют присадками молотого ферросилиция с коксом в несколько приёмов. Возможно за 15-20 мин до выпуска проводить раскисление стали 75 % -ым ферросилицием.

Изменение содержания азота и водорода в металле

Источниками поступления газов в металл в восстановительный период плавки являются атмосферный воздух, влага извести, плавикового шпата и кокса, азот кокса, древесного угля, азот и водород легирующих металлов.

Молотые углеродистые материалы могут содержать значительное количество влаги. Только электродный бой может без ущерба для качества храниться в течение нескольких дней в молотом виде. Обычно применяемый для раскисления шлака молотый кокс следует употреблять вскоре после сушки и размола.

Высокая температура электрических дуг способствует диссоциации молекул газов на атомы и растворению их в металле.

В восстановительный период плавки ванна не кипит, металл относительно спокоен, следовательно, отсутствует основной фактор, благоприятствующий удалению газов. Естественно ожидать поэтому, что в восстановительный период содержание водорода и азота в дуговой печи будет возрастать. В этом отношении исключительно важно предотвратить попадание в печь влаги со шлакообразующими материалами и легирующими добавками и держать охлаждающие устройства печи в полной исправности. Основные шлаки проницаемы для водорода и способны растворять водяные пары.

Содержание водорода в металле основной дуговой печи в результате углеродного кипения уменьшается до 2,4 см3/100 г, при наведении восстановительного шлака повышается на 1-3 см3/100 г. Выдержка металла в основной печи в течение 30 мин после присадки ферросилиция и ферромарганца сопровождалась повышением содержания водорода на 3- 6 см3/100 г.

Порядок введения легирующих металлов

Никель практически не окисляется. Основную часть его дают в конце окислительного периода в жидкий металл и корректируют его содержание в рафинировочный период.

Усвоение никеля металлом при выплавке малолегированной стали можно считать равным 100%.

Кремний и марганец. Легирование кремния и марганца производят ферросилицием марки ФС18 и силикомарганцем марки СМн10 за 10-20 мин до выпуска плавки.

Доводка плавки до заданного химического состава

В начале восстановительного периода, как только на металле образуется шлаковый покрова берут пробу металла и проверяют в экспресс-лаборатории содержание углерода, марганца, хрома и никеля. Ферромарганец присаживают из расчета получения в металле среднего содержания марганца для заданной марки стали.

Содержание углерода в стали проверяют во время восстановительного периода несколько раз, имея в виду, что металл науглероживают электроды, восстановительный шлак и легирующие добавки.

Содержание никеля, можно откорректировать в начале восстановительного периода. По никелю можно проверить массу садки, так как никель не окисляется. Для этого сопоставляют содержание никеля в стали до и после корректировочной присадки, а разницу сверяют с расчетной.

В восстановительный период перед выпуском плавки проверяют содержание FeO и СаО в шлаке.

Тепловой и электрический режимы восстановительного периода

Одной из задач восстановительного периода является поддержание оптимальной температуры, обеспечивающей, эффективное раскисление металла, выделение неметаллических включений - продуктов раскисления, десульфурация, возможность хорошо разлить сталь по изложницам. Загрузка большого количества шлакообразующих и ферросплавов также требует тепла на расплавление. Чтобы не затрачивать времени специально на подогрев металла для выпуска, сталевар и мастер должны внимательно следить за температурой металла в течение всей плавки.

Нагрев металла контролируют термопарами погружения.

Регулирование размеров зерна аустенита

Установлено, что качество стали сильно зависит от величины первичного зерна. Для физических свойств величина зерна столь же важна, как и состав стали; особенно это относится к ударной вязкости.

Сталь с крупным первичным зерном при термической обработке прокаливается глубоко, зерна аустенита при нагреве испытывают большой рост. Мелкозернистая сталь более устойчива против роста зерна при температурах термической обработки и прокаливается меньше, сохраняя высокую вязкость сердцевины.

Размер зерна регулируют введением в предварительно раскисленную ванну алюминия в количестве, достаточном для полного раскисления металла. Сверх этого в мелкозернистой стали должно присутствовать 0,02-0,05% А1.

В крупнозернистой стали, раскисленной кремнием, включения состоят из силикатов; величина зерна 1-2 балла. Если в стали остались следы металлического алюминия, то получают смешанное зерно аустенита (1-4 балла). Включения в этом случае состоят из силикатов и глинозема. Если в стали имеется 0,02- 0,05% металлического алюминия, зерно стали оценивается баллом 7-8, включения преимущественно глиноземные.