Выплавка стали в электрических дуговых печах

1.Выплавка стали в электрических дуговых печах

Процесс электродуговой выплавки стали  появился в конце ХIХ - начале ХХ века. В этих печах в качестве источника  тепла используют электрическую  дугу, возникающую между электродами  и металлической шихтой.

Емкость дуговых печей колеблется от 0,5 до 400 т. Рабочее напряжение в малых печах 100-200 В, в больших - 400-600 В. Сила тока - до десятков тысяч ампер. Длина дуги регулируется автоматически. Электропечи бывают с основной и кислой футеровкой.

В металлургических цехах обычно используют печи с основной футеровкой, в литейных - с кислой. Однако большая доля электростали выплавляется в основных печах. Применяют два вида технологии плавки в основных печах: на углеродистой шихте и на легированной.

Дуговая электросталеплавильная печь (рис. 1.7) питается трехфазным переменным током, имеет три электрода 9, изготовленных из графитизированной массы. Электрический ток от трансформатора подается гибкими кабелями 7 к электрододержателям 8. Между электродами и шихтой 3 горят дуги 13. Рабочее напряжение 180-600 В, сила тока 1-10 кА. Во время работы печи длина дуги регулируется автоматически путем вертикального перемещения электродов.

 
Рис. 1.7. Схема дуговой электрической  плавильной печи

Снаружи печь имеет стальной кожух 4, изнутри футерована огнеупорным  кирпичом 1 (основным - магнезитовым, или  кислым - динасовым). Подина печи набивается огнеупорной массой 12. Печь имеет  стенки 5 и свод 6 (съемный). Для ведения плавки имеется рабочее окно 10, для слива металла - желоб 2. Печь можно наклонять с помощью механизма 11.

Плавка на углеродистой шихте чаще применяется для производства конструкционных углеродистых сталей и имеет много общего с мартеновским скрап-процессом.

Шихта состоит из 90 % стального скрапа и 10 % передельного чугуна М1 или М2. Флюс - известь. Шихта должна быть чистой по сере и фосфору.

Плавка  состоит из следующих периодов:

1. Заправка печи.

2. Завалка шихты. В старых печах шихту загружают через рабочие окна завалочными машинами. В новых крупных печах шихта загружается сверху. Для этого свод поднимается и отводится в сторону.

После загрузки электроды опускают, под  них подкладывают куски кокса (для  облегчения зажигания дуги) и включают ток. При опускании электродов в шихте проплавляются колодцы.

3. Образуется шлак, как и в мартеновской  печи:

Si + O₂ = SiО₂;

Мn + O₂ = 2МnO.

4. Окислительный период (в мартеновском  процессе это - период кипения).

После расплавления металла и шлака и нагрева ванны до 1500 ° С в печь загружают железную руду и известь. Содержащийся в руде кислород интенсивно окисляет углерод и вызывает кипение ванны: С + О₂ = 2СО.

Шлак  вспенивается, уровень его повышается. Для выпуска шлака печь наклоняют  в сторону рабочего окна, шлак стекает в шлаковую чашу. Кипение ускоряет нагрев ванны, удаление из металла газов, неметаллических включений, способствует удалению фосфора.

Шлак удаляют, руду и известь  добавляют 2-3 раза, пока не доведут содержание фосфора в стали до 0,01 %.

5. Восстановительный период плавки  включает раскисление металла  и удаление серы, а также доводку  химического состава стали до  заданного. Раскисление электростали, в отличие от мартеновской  и конверторной стали, производят  комбинированным путем: глубинным (осаждающим) и диффузионным.

Для глубинного раскисления в печь загружают ферромарганец, ферросилиций и алюминий.

Затем металл раскисляют диффузионным способом. Сущность его заключается в следующем: раскисляют не металл, а шлак, восстанавливая в нем FеО:

2FеО + Si = 2Fе + SiО₂;

FеО + С = Fе+ СO.

В соответствии с законом действующих  масс, уменьшение содержания оксида FеО в шлаке вызывает его интенсивный  диффузионный переход из металла  в шлак, чем и обеспечивается раскисление  металла. Этот метод позволяет почти полностью раскислить металл. Процесс протекает в шлаке и на границе шлак - металл. При этом металл не загрязняется неметаллическими включениями. Удаление серы в виде СаS обеспечивается значительно лучше, чем в мартеновской печи. Это объясняется высокой основностью шлака и хорошей раскисленностью шлака и металла. Эти условия необходимы, чтобы протекала реакция рафинирования металла:

FеS + Са = FеО + СаS.

По  ходу восстановительного периода берут  пробы для определения химического  состава стали. После этого следует выпуск металла из печи в ковш.

При выплавке легированных сталей по этой технологии в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов. Порядок  ввода определяется сродством легирующих элементов к кислороду.

Никель, молибден, вольфрам и другие не окисляющиеся в ходе плавки элементы вводят в период плавления или в окислительный период. Хром - легко окисляющийся элемент - вводят в восстановительный период. Кремний, ванадий, титан - наиболее сильно окисляющиеся элементы - вводят перед выпуском в ковш.

Плавку на легированной шихте производят из отходов легированных сталей (например, быстрорежущую сталь выплавляют из отходов быстрорежущей стали; нержавеющую сталь - из отходов нержавеющей стали). По сути, это переплав. После расплавления шихты металл доводят (если требуется) до химического состава (добавляют углерод, ферросплавы). В процессе плавки в жидкую сталь может попасть кислород из воздуха и из загрязненной шихты. Производят его удаление путем раскисления ферромарганцем, ферросилицием, алюминием, ферротитаном и выпускают сталь в ковш, т. е. нет периодов кипения, дефосфорации, рафинирования, восстановления.

Кислый процесс в электродуговых печах имеет те же особенности, что и кислый процесс в мартеновских печах, т. е. для выплавки используют чистую по сере и фосфору шихту. В качестве флюса используют песок SiО₂.

Кислая футеровка обладает значительно  большей стойкостью и дешевле  основной. Кислые печи применяются, главным образом, в литейных цехах.

 Технико-экономические показатели выплавки стали в электрических дуговых печах

Эти показатели плавки зависят от емкости печи и технологии плавки. К показателям, характеризующим  эффективность электроплавки, относятся: производительность - т/сутки на каждые 1000 Вт, мощность трансформатора, расход электроэнергии на 1 т выплавленной стали и расход электродов на тонну стали.

Производительность дуговых печей  составляет 12-15 т/кВт сутки. Расход электроэнергии на 1 т стали с увеличением емкости печи уменьшается. Например, для печи емкостью 25 т расход составляет 750 кВт? ч., а для печи емкостью 100 т - 575 кВт? ч. Расход графитизированных электродов составляет 6-9 кг/т выплавленной стали.

 

 

Область применения:

Выплавка в электродуговых печах применяется на металлургических и крупных машиностроительных заводах для всех марок сталей и специальных сплавов, но главным образом - для получения высококачественных легированных сталей и сплавов.

2.Предварительные операции при ковке металла

Надрезка — это углубление на прокате, получаемое путем сдвига пилой, резцом и др. для последующего отделения заготовки по этой надрезке, например, при отделении заготовок от проката на хладноломе.

Надрубка — операция, при которой формируют небольшие углубления на заготовках зубилами и пережимками. Надрубкой намечаются места для образования в поковках переходов в виде уступов, выступов, выемок и т.п., которые выполняются последующими основными кузнечными операциями. Кузнец должен знать, что надрубку нельзя делать слишком близко около конца заготовки, так как при последующей протяжке короткого хвостовика может образоваться вогнутость и поковка будет забракована.

Отрезка — операция, при которой заготовка полностью отделяется от проката путем сдвига, например, при отделении части металла от проката на заготовку ножовкой, пилой, на токарном станке и др.

Отрубка — операция, при которой заготовку полностью отделяют от исходного металла по незамкнутому контуру кузнечным инструментом. Здесь и далее контур рассматривается в плоскости, перпендикулярной направлению движения инструмента.

Отрубку, как правило, выполняют в горячем  состоянии заготовки, т.е. при ковочной или близкой к ней температуре. Однако от тонких и узких полос или от толстых полос и прутков небольшого сечения из мягкой стали заготовки можно отрубать в холодном состоянии.

Отрубку металла в холодном состоянии (рис. 1) осуществляют следующим образом. Мелом намечают место отрубки. Затем кузнец плотно укладывает кусок проката на наличник наковальни и удерживает его левой рукой. Правой рукой устанавливает на место отрубки зубило для холодной рубки. Зубило должно быть установлено строго вертикально. Ударами кувалды зубило внедряется в прокат примерно на половину толщины (рис. 1, а). Затем его поворачивают на 180° и зубило устанавливают над местом надрубки. Ударами кувалдой по зубилу надрубается вторая половина сечения и отделяется заготовка (рис. 1, б). Окончательное отделение заготовки от проката желательно выполнять не ударом, а оставлять возможно тонкую перемычку и переламывать ее на краю наличника. При отрубке кузнец должен постоянно следить, чтобы металл всегда плотно лежал на наковальне.

Рис. 1, а, б, в. Способы отрубки металла  в холодном и горячем состоянии

При большой  толщине и высокой твердости металла делают четыре надрубки, поворачивая разрубаемый прокат на 90°. При отрубе полосовой стали под нее на наковальню кладут лист из мягкой стали, что предохраняет наличник наковальни и режущую кромку зубила от повреждения.