Процесс дуговой плавки металла: производство стали в электрических печах

Процесс дуговой плавки металла

Дуговая плавка металла в электрических печах является самым совершенным способом ее производства. Угар металла и, особенно, легирующих элементов при выплавке стали в электрических печах значительно меньше, чем при других способах ее производства. В электрических печах можно выплавлять стали высочайшего качества, поэтому в наше время в них выплавляют большинство марок легированных сталей.

Исходные материалы для плавки стали в электрических печах такие:

  • стальной лом,
  • чугун,
  • железная руда,
  • флюсы,
  • раскислители,
  • ферросплавы.

Основной вид сырья — это лом углеродистых и легированных сталей. Чугун составляет 5-10% всей шихты. Железную руду используют ограничено — для окисления примесей в металле. Как флюс в основных печах применяется свежее выпаленная известь, а в кислых — кварцевый песок. Раскислители и ферросплавы применяют такие же, как и при производстве стали в мартеновских печах.

к содержанию ↑

Строение электрических печей для плавки металла

Электродуговая плавка металла производится в электропечи вместимостью от 0,5 до 200 т. Разрабатываются печи на 300 и 400 т. Принципиальная схема устройства дуговой электрической печи показана на рис. 1.

Корпус печи имеет форму цилиндра со сферическим или плоским днищем. Внешне он имеет защитный кожух из стального листа толщиной 10…40 мм, внутренняя поверхность футерована основными или кислыми огнеупорами. Угольные или графитовые электроды пропускаются через отверстия в своде печи. В стенке корпуса имеется рабочее окно, через которое сливают шлак, загружают ферросплавы, отбирают пробы металла.

Дуговая электропечь

Применяют два типа сталеплавильных электропечей: дуговые, и индукционные высокой частоты. Дуговые печи, в которых шихтовые материалы расплавляются теплом электрической дуги, наиболее распространенные благодаря высокому коэффициенту полезного действия, возможности выплавлять в них стали различных марок, простоте строения и удобства обслуживания.

Футеруют печи основными или кислыми огнеупорными материалами. Более распространены печи с основной футеровкой, так как в них можно удалять из жидких сталей серу и фосфор. Современные электродуговые печи оборудованы специальными устройствами, чтобы подводить кислород, используемый для окисления примесей во время плавления стали.

к содержанию ↑

Технология плавки стали в основной дуговой электропечи

В зависимости от состава шихты в электрических печах с основной футеровкой можно плавить сталь тремя методами:

  • с полным окислением примесей,
  • с частичным их окислением,
  • без окисления.

Первые два метода плавления применяют для плавления высококачественной стали, если нет сырьевых материалов с нужным содержанием углерода и вредных примесей. За первым методом плавления удаляют вредные примеси и газы и уменьшают содержание углерода вследствие интенсивного кипения металла. По второму методу интенсивного кипения не допускают, а снижают содержание углерода и фосфора присадкой железной руды. Плавка без окисления, или метод переплавки, широко применяют, переделывая собственные отходы металлургического производства и особенно отходы легированных сталей, состав которых соответствует составу выплавляемой стали. Чтобы снизить содержание углерода в металл вводят отходы низкоуглеродистой стали.

Устройство дуговой печи

Особенности процесса плавления первыми двумя методами заключаются в следующем. При повышении температуры начинается выгорание углерода, то есть период кипения металла, скорость которого регулируют периодическим добавлением железной руды. После достижения нужного содержания углерода и фосфора, кипение прекращают, скачивают окислительный шлак и приступают к раскислению металла, которое ведут диффузионным методом, то есть через шлак. Реакции раскисления происходят в шлаке и на поверхности, которая разделяет шлак и металл, через что продукты процесса почти не проникают в металл. В этом отличие и преимущество раскисления стали в электропечах над процессом производства стали в конвертерах, где раскислители погружают непосредственно в металл и продукты раскисления в значительном количестве остаются в нем в виде неметаллических включений.

Иногда раскисления металла ведут под слоем карбидного шлака, для чего в печь загружают смесь, состоящую из извести, плавикового шпата и молотого кокса. В зоне горения электродуги в смеси образуется 2-5% карбида кальция СаС2. Этот шлак имеет сильную восстановительную способность, чем белый.

Если в электропечи является восстановительная атмосфера и белый или карбидный шлак, то при высокой температуре происходит интенсивное удаление серы при невозвратной реакции FеS + СаО + С = Fе + СаЅ + СО-Q.

Выпуск металла и введение раскислителей

Завершают раскисления стали за 2-3 мин до выпуска, вводя 0,4—1 кг/т алюминия. При плавке легированных сталей для доведения до заданного химического состава в раскисленный металл вводят легирующие ферросплавы.

Дуговая плавка металла в кислых дуговых электропечах по сравнению с плавлением ее в основных печах имеет следующие преимущества:

  • более высокую производительность;
  • в 2,5-3,0 раза большую устойчивость и в столько же раз меньшую стоимость футеровки;
  • на 30 — 40% меньшие затраты энергии и электродов;
  • меньшие потери легирующих элементов;
  • ниже стоимость переработки.

Недостатком является большой расход электроэнергии.

Однако кислый процесс не приобрел большого распространение для плавки высококачественных сталей и конечно применяется в производстве фасонного стального литья.

Объясняется это тем, что при плавлении высококачественной стали предъявляются высокие требования к содержанию фосфора и серы в шихтовых материалах. В кислых электропечах примеси окисляются окалиной и ржавчиной на кусках шихты, а во время плавления окислением — железной рудой, которую вводят. Раскисляют сталь так, как в кислой мартеновской печи, или диффузионным способом. Диффузионное раскисление ведут при плавлении стали повышенного качества, применяя предварительное скачивание окислительного шлака и наведение нового — из ферромарганца, песка, шамотного боя и молотого ферросилиция, кокса или древесного угля.

к содержанию ↑

Вакуумно-дуговая, плазмо-дуговая и электронно-лучевая переплавка

 

Вакуумно-дуговую переплавку (ВДП) проводят в вакуумных дуговых печах с электродом 6, что переплавляется (рис. 4, б), при этом слиток 3 образуется, как и в охлаждаемом водой кристаллизаторе 2. В корпусе 7 печи поддерживается вакуум около 1,5 Па, что способствует качественному очищению металла от газов, а направлена кристаллизация обеспечивает удаление неметаллических примесей, образование плотной структуры и исключает образование усадочной раковины. Вместимость печей для ВДП достигает 60 т.

Схемы переплавов

  • а — электрошлаковая;
  • б — вакуумно-дуговая;
  • в – плазмо-дуговая;
  • г — электронно-лучевая;
  1. — охлаждаемый водой поддон;
  2. — кристаллизатор;
  3. — слиток;
  4. — металлическая ванна;
  5. — расплавленный шлак;
  6. — заготовка (электрод);
  7. — вакуумная камера;
  8. — плазмотрон;
  9. — электронная пушка;
  10. — устройство для извлечения слитка.

Плазмо-дуговую переплавку (ПДП) применяют для производства сталей и сплавов особо высокой чистоты. Источником нагрева является плазменная дуга с температурой 10 000-15 000 °С (рис. 4, в).

Переплавка производится в вакуумных установках, подобных тем, что используются для ПДП при остаточном давлении 0,001 Па (рис. 4, г).

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *