в шихту, не оказывая на футеровку заметного воздействия. В этом случае расплавление с самого начала можно вести на максимальной мощности.
Дуги прожигают в твердой шихте колодцы диаметром на 30— 40% больше диаметра электродов. В процессе прожигания колодцев тепловосприятне шихты максимально, так как дуга горит непосред ственно в твердой шихте, а боковое излучение дуг воспринимается стенками колодцев. Через 30—40 мин, считая от начала плавления, электроды опускаются в крайнее нижнее положение — до поверх ности скопившегося на подине жидкого металла (рис. 95, б). С этого момента скорость плавления несколько замедляется, так как тепло аккумулируется в основном жидким металлом, он перегревается
Рис. 95. Этапы плавления шихты:
а — начало плавления; б — проплавление |
колодца; в — конец плавления |
и в нем растворяется твердая шихта. |
Лишь небольшая часть тепла |
дуги передается твердой шихте излучением на стенки колодцев. Для более быстрого расплавления шихты после прожигания
колодцев современные крупные печи оборудуют механизмом вра щения ванны. Это позволяет прожигать не три, а девять колодцев, в результате чего скорость плавления на вращающихся печах выше, чем на печах со стационарной ванной. Однако усложнение конструк ции печи, перерывы в ее работе, вызываемые подъемом электродов и свода на время вращения ванны, а также большие тепловые по тери, связанные с охлаждением свода и электродов, ставят под сом нение целесообразность вращения ванны.
Ускорение плавления шихты вне зоны действия дуг может быть достигнуто применением газо-кислородных горелок. При их исполь зовании продолжительность плавления и расход электроэнергии сокращаются примерно на 15—20%, хотя общий расход топлива
на плавку несколько |
увеличивается. Положительный экономический |
|
эффект достигается |
вследствие более низкой стоимости |
топлива |
по сравнению со стоимостью электроэнергии и электродов, |
а также |
|
врезультате увеличения производительности печи. Водоохлаждаемые газо-кислородные горелки в рабочее простран
ство вводят либо тангенциально и под углом примерно 15° к гори-
J5 За и. (134 |
? -£ |
зонту через отверстия в стенах либо через свод (рис. 96). Тангенци альное расположение горелок менее удобно, так как они быстро забрызгиваются шлаком. Сводовые горелки в окислительный период используют как фурмы для вдувания кислорода. В период плавле ния для предотвращения чрезмерного окисления шихты соотноше ние между кислородом и газом поддерживается в пределах 1,0— 1,5.
Для сокращения периода плавления на некоторых заводах практи куют предварительный подогрев шихты в бадьях до 400—700° С газо-кислородными горелками. Удельные энергетические затраты на плавку в стоимостном выражении могут быть при этом снижены
Рис. 96. Схема расположения боковых (а) и сводовых (б) газокислород ных горелок
на 15—2596. Однако этот процесс широкого распространения не получает из-за трудностей его осуществления в крупных высоко производительных цехах.
Широко пользуются интенсификацией в период плавления при помощи газообразного кислорода, вводимого через водоохлаждае мую фурму или футерованные трубы (d = 3/4") непосредственно в жидкий металл. Выделение значительного количества тепла при окислении железа, марганца, кремния, углерода и других примесей способствует быстрому повышению температуры жидкого металла (табл. 12) и растворению в нем оставшейся шихты.
Чем раньше начать продувку, тем больше интенсивность пла вления, но вместе с тем и больше угар железа и окисляемых элемен тов. Применение кислорода для интенсификации оправдано, если стоимость кислорода и повышенный угар компенсируются экономией от ускоренного плавления.
В период плавления кислород целесообразно также применять для подрезки шихты. В процессе плавления отдельные куски шихты свариваются между собой, образуя мосты. При растворении нижних кусков может произойти обвал шихты и вызвать поломку электродов. Часть шихты застревает на откосах и не растворяются в жидкой ванне, а ее расплавление требует значительного времени. И в том и в другом
226 ■
Таблица 12
ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ И РАСЧЕТНОЕ ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВАННЫ ПРИ ОКИСЛЕНИИ 1% ЭЛЕМЕНТА ГАЗООБРАЗНЫМ КИСЛОРОДОМ
|
|
Реакция |
Тепловой эффект |
Повышение |
|
|
|
Мдж/кг |
Мкал/кг |
температуры, |
|
|
|
|
°С |
||
[С] + |
О., = со„ |
32,2 |
7,69 |
340 |
|
[С] + |
V..O., = СО |
11,1 |
2,64 |
118 |
|
[Fe] + |
V„б2 = |
FeO |
3,99 |
0,95 |
43 |
[Mn] -!- V..O.. = |
МпО |
6,35 |
1,52 |
67 |
|
[Sil + |
О., = SiO, |
25,4 |
6,06 |
270 |
|
2 ICrl -|- :i/„0.. - |
Cr..O., |
10,9 |
2,60 |
115 |
|
случае необходимо шихту периодически обваливать. Обычно это делается с помощью завалочной машины, но при этом печь прихо дится отключать, поднимать электроды и через рабочее окно вводить на хоботе завалочной машины мульду и, пользуясь ею, обваливать шихту.
Эта операция значительно упрощается при подрезке шихты кисло родом. Для этого струю кислорода направляют под основание за стрявших кусков шихты, они оплавляются и шихта погружается
врасплавленный металл.
Впроцессе плавления происходит окисление примесей, вносимых шихтой. Практически полностью окисляются алюминий, титан, кремний, значительное количество хрома, марганца и других при месей. С целью сокращения длительности окислительного периода
впериод плавления целесообразно создавать условия, благоприят
ные для окисления фосфора. Для этого количество руды и извести в завалку надо рассчитывать таким образом, чтобы к концу периода плавления основность шлака была более 1,6, а содержание закиси железа превышало 12%. При соблюдении этих условий в период плавления окислится более половины внесенного шихтой фосфора.
После полного расплавления шихты и тщательного перемеши вания ванны отбирают пробу металла на полный химический анализ и на 3/4 скачивают шлак, вместе с которым удаляется значительная часть окислившегося фосфора. В случае получения в первой пробе пониженного содержания углерода шлак скачивают начисто и, поль зуясь коксом или электродным боем, проводится науглероживание металла. Затем в печь присаживают известь с плавиковым шпатом в количестве 1,5—2,0% от массы металла и после их растворения приступают к окислительному периоду.
ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД
В окислительный период необходимо реализовать следующие основные мероприятия: 1) понизить содержание фосфора ниже допустимых пределов в готовой стали; 2) возможно полнее удалить
* |
227 |
15: |
|
растворенные в |
металле газы (водород и азот); 3) нагреть металл |
до температуры, |
на 120— 130° С превышающей температуру ликви |
дуса; 4) привести ванну в стандартное по окисленности состояние. Одновременно окисляются другие примеси: углерод, кремний, мар ганец, хром и др. Если плавка ведется, минуя восстановительный период, в окислительный период нужно также удалить серу из металла до содержания ниже допустимого предела.
Окисление фосфора осуществляют присадками железной руды с известью. Начинать присадку руды следует после предваритель ного подогрева металла, чтобы сразу же после введения руды нача лось окисление углерода и кипение металла. Руду и известь надо давать равномерными порциями, поддерживая энергичное кипение металла. Шлак в этот период должен быть пенистым, жидкоподвиж ным и самотеком сходить через порог рабочего окна.
Обеспечение самопроизвольного стекания и обновления шлака необходимо для эффективного удаления фосфора. По мере окисления углерода повышается температура плавления металла и уменьшается скорость окисления углерода. Скорость окисления к концу окисли тельного периода уменьшается почти в два раза: примерно с 0,6%
вначале периода до 0,3% С/ч в конце. Для поддержания энергич ного кипения необходимо повышать температуру металла, что затруд няет окисление фосфора, и поэтому снижения содержания фосфора
вметалле можно достигнуть лишь при постоянном обновлении шлака.
Присаживать очередную порцию руды и извести необходимо при уменьшении интенсивности кипения металла, образовавшегося из предыдущей порции руды. Введение крупных порций руды неже лательно, так как это может вызвать охлаждение металла и кипение будет слабым. Избыток в ванне непрореагировавшей руды при последующем повышении температуры может вызвать очень бурное окисление углерода и привести к выбросу металла и шлака из печи. Во избежание этого руду надо присаживать так, чтобы скорость окис ления углерода поддерживалась в пределах 0,4—0,6% в начале пе риода и 0,2—0,3% С/ч в конце.
Для контроля за ходом окислительных процессов регулярно через каждые 5— 10 мин отбирают пробы металла, в которых про веряют содержание фосфора и углерода. При содержании фосфора менее 0,020%, если не оговорено его более низкие концентрации, окисление рудой можно прекратить. Правильно организованный температурный режим окислительного периода, постоянное обновле ние шлака при поддержании его основности в пределах 2,7—3 и вы соком содержании в нем закиси железа (15—20%) позволяют без особых затруднений понизить содержание фосфора до 0,010—0,012% и менее.
Кроме режима фосфора, в окислительный период регламенти руется режим углерода. Технологическими инструкциями пре дусматривается, чтобы за период кипения было окислено не менее 0,3% углерода при выплавке высокоуглеродистой стали, содержа щей 0,6% углерода и более, и не менее 0,5% при выплавке средне
г о
углеродистой и нмзкоуГлеродистой стали. В случае крупных печей эти количества могут быть несколько уменьшены. Окисление такого количества углерода необходимо для дегазации металла. Интенсив ное кипение ванны, вызванное окислением углерода, является един ственным эффективным средством снижения содержания азота в элек тропечи, причем эффективность дегазации возрастает с увеличением скорости окисления углерода.
Поэтому после понижения до необходимых значений концентра ции фосфора окисление углерода целесообразно интенсифицировать. Очень высокие, скорости выгорания углерода позволяет получить продувка металла газообразным кислородом. Так, в печи емкостью 40 т и при расходе кислорода 1200 м3/ч скорость окисления углерода
составляет |
3—4% С/ч при содержании его в пределах 0,9—1,0% |
и 0,7-—0,8% |
С/ч при содержании 0,20%С, причем надо иметь в виду, |
что скорость обезуглероживания возрастает с увеличением интен сивности продувки.
Окисление углерода газообразным кислородом позволяет сокра тить длительность периода, благодаря чему при расходе кислорода
4— |
7 м3/т на 5— 10% увеличивается производительность печей и на |
5— |
12% снижается расход электроэнергии. |
Для уменьшения угара железа продувку ванны кислородом следует начинать после нагрева металла и проводить ее при вклю ченной печи. После начала окисления углерода вследствие большого теплового эффекта этой реакции (см. табл. 11) температура металла быстро возрастает, поэтому в момент появления пламени печь необ ходимо отключить.
В процессе продувки отбираются пробы металла, в которых конт ролируется содержание углерода. К концу продувки содержание углерода должно быть немного ниже нижнего предела для заданной марки, в результате чего с учетом вносимого ферросплавами угле рода и науглероживания от электродов обеспечивается получение заданного содержания его в металле. Однако, чтобы предотвратить переокисление металла, содержание углерода к концу окисления не должно быть ниже 0,1%, за исключением случая выплавки стали, в которой углерод является нежелательной примесью. Для стали таких марок ГОСТами устанавливается только верхний предел со держания углерода.
Режим марганца в окислительный период обычно не регламенти руется. Реакция окисления марганца в окислительный период близка к равновесию, поэтому нормальный ход плавки с необходи мым повышением температуры к концу периода сопровождается восстановлением марганца из шлака.
В окислительный период окисляется и хром, причем значитель ное его количество окисляется еще в процессе плавления. Скачива ние шлака в период плавления и постепенное его обновление в тече ние окислительного периода способствуют дальнейшему окислению хрома и потере его со шлаком.
Тугоплавкие окислы хрома сильно понижают текучесть шлака и затрудняют процесс окисления фосфора. Поэтому использование
229
хромистых отходов на плавках с полным окислением нецелесообразно. И тем не менее иногда с целью использования содержащихся в шихте никеля п молибдена в завалку дают некоторое количество хромоникелевых и хромонпкельмолнбденовых отходов в таком количестве, чтобы содержание хрома в первой пробе не превышало 0,4%.
Интенсификация окисления газообразным кислородом позволяет быстро поднять температуру металла до необходимого уровня. Однако при продувке кислородом металл легко н перегреть, что нежелательно, так как перегрев отрицательно влияет на состояние футеровки, ухудшает условия дефосфорацпи н может привести к увеличению в металле содержания азота. Поэтому при продувке нельзя допускать перегрева ванны, охлаждая ее при необходимости железной рудой.
Достижением нужного содержания фосфора, углерода и необ ходимой температуры исчерпываются основные задачи окислитель ного периода. После присадки последней порции руды пли оконча ния продувки кислородом, делают выдержку в течение не менее 10 мин, во время которой отбирают пробу па анализ п замеряют тем пературу металла. Общая продолжительность окислительного пе риода составляет 40—70 мин, а в случае применения газообразного кислорода она может быть сокращена до 30 мин.
Длительность окислительного периода определяется в основном скоростью окисления фосфора. На некоторых заводах для ускорения этого процесса вместе с кислородом вводят смесь порошков извести п плавикового шпата. Порошкообразные материалы в зоне реакции снижают перегрев металла и создают благоприятные условия для окисления фосфора, в результате чего длительность окислительного периода может быть дополнительно сокращена.
В окислительный период удаляется 40—60% серы, вносимой шихтой. Успешной десульфурации способствует высокая основность шлака (не менее 2,7—2,8) и его постоянное обновление. Благоприят ные условия для удаления серы в окислительный период создаются при введении вместе кислородом порошкообразной извести.
РАСКИСЛЕНИЕ. ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД
По окончании окислительного периода сталь раскисляют. При этом возможны два варианта выполнения этой технологической
операции: 1) глубинное раскисление без |
наводки |
восстановитель |
ного шлака, т. е. без восстановительного |
периода; |
2) раскисление |
в восстановительный период. |
|
|
Глубинное раскисление без скачивания окислительного и наводки восстановительного шлака начали применять в последние годы и толч ком к развитию этого метода послужило значительное увеличение мощности печных трансформаторов, которая в восстановительный период используется в малой степени. Минуя восстановительный период выплавляют главным образом углеродистую и низколеги рованную конструкционную сталь.
При выплавке стали под одним шлаком (без наводки восстанови тельного шлака) после окончания окислительного периода в печь
230