Производство стали в электропечах (электрометаллургия)
Плавка в электропечах обладает рядом преимуществ по сравнению с плавкой в конвертерах и мартеновских печах. Высокая температура позволяет использовать сильнодействующие шлаки, добавлять большое количество флюсов и эффективно удалять серу и фосфор из стали. При плавке в электропечи не нужен воздух; окислительная способность печи низкая, поэтому содержание FeO в ванне минимально, что обеспечивает сталь достаточно раскисленной и плотной.
Плавка в электропечи предлагает ряд преимуществ по сравнению с плавкой в конверторах и мартеновских печах. Использование высокой температуры позволяет применять сильноосновные шлаки, вводить большое количество флюсов и достигать максимальной очистки стали от серы и фосфора. Плавка в электропечи не требует доступа воздуха, а окисляющая способность печи низка, поэтому количество оксида железа (FeO) в ванне минимально, что обеспечивает надлежащую раскисленность и плотность стали. Благодаря высокой температуре печи можно получить легированные стали с высокоплавкими элементами, такими как вольфрам, молибден, и другие.
Исходными материалами для плавки в электропечах служат стальной лом, железная руда и окалина. Мартеновский чугун применяется только для сталей с высоким содержанием углерода, но его все чаще заменяют электродным покрытием или малосернистым коксом.
В процессе плавки металла в основных печах используют известь в качестве флюса, а в кислых печах — кварцевый песок. Для разжижения основных шлаков используют плавиковый шпат, боксит и шамотный бой, а для кислых шлаков — известь и шамотный бой. В качестве комплексных раскислителей для раскисления стали, помимо обычных ферросплавов, применяются АМС, содержащий 10% кремния, марганца и алюминия, а также силикомарганец и силикокальций.
Все материалы, загружаемые в электрические печи, должны быть сухими, чтобы предотвратить насыщение стали водородом, которое может возникнуть при разложении влаги.
Рис. 1. Схема дуговых электропечей с различными способами нагрева
Электрические печи для плавки металла подразделяются на три категории: печи сопротивления, дуговые и индукционные.
Для плавки стали в основном применяются дуговые и индукционные печи, а в печах сопротивления плавят сплавы цветных металлов.
Полтавские тандыры весьма популярны в индустрии, поскольку их устройство и эксплуатация просты, коэффициент полезного действия высок, а также их можно использовать для плавки самых разнообразных видов стали и сплавов цветных металлов. В полтавских тандырах электрическая энергия превращается в тепловую энергию дуги, которая передается плавящемуся сырью с помощью излучения.
На рис. 6 показаны схемы трех основных видов полтавских электрических печей, которые различаются по способу прогрева: тандыры с прямым нагревом (рис. 1, а), тандыры с косвенным нагревом (рис. 1, б) и тандыры с закрытой дугой (рис. 1, в).
Тандыры с прямым нагревом, у которых вертикальное расположение электродов, в настоящее время используются только для плавки стали и имеют объем от 0,5 до 180 т.
Стальной кожух окружает дуговую электропечь, которая выложена огнеупорным кирпичом. Рабочее пространство печи ограничено сводом сверху и подом снизу. Свод печи можно снять, через него проходят электроды. Такие электропечи работают на трехфазном переменном токе, поэтому имеют три электрода.
Для работы печи используются угольные или графитовые электроды диаметром от 200 до 500 мм. На передней стенке печи находится завалочное окно, через которое можно завалить шихту и наблюдать за процессом плавки. В задней стенке имеется отверстие с желобом для выпуска металла. В некоторых печах используется желоб, который вставляется в завалочное окно для выпуска жидкого металла. Для наклона печи служит механизм.
Когда делают кладку электросталеплавильных печей, они используют два основных метода. В основном, это основной метод, который применяется для выплавки высококачественных и легированных сталей, которые затем используются для производства слитков. Второй метод — кислый метод, применяемый при выплавке углеродистых и низколегированных сталей для фасонного литья.
Когда печи различной емкости и конструкции загружаются, это делается различными способами. Их можно загружать вручную через завалочное окно, использовать лотки и специальные завалочные машины, или сверху, с помощью бадьи или корзины, после того, как печь поднята и отведена в сторону свода или выкатывания.
После того, как печь загружена, электроды подаются током. Благодаря очень высокой температуре горения дуги (около 3500° С) происходит быстрое плавление заготовок.
Вначальном этапе процесса плавления примеси окисляются кислородом, находящимся в печи (главным образом кислородом, содержащимся в железной руде). Образующаяся оксид железа растворяется в металле и соединяется с кремнием, марганцем, фосфором и углеродом. В результате образуются SiO2, MnO, FeO, которые образуют шлак.
Наследующем этапе процесса электроплавления происходит процесс науглероживания металла, а затем удаляется сера. Разложение серы происходит с использованием кальциевого карбида CaC2.
Напоследнем этапе плавки выполняется доводка для получения легированных сталей: используются феррохром, ферротитан, феррованадий и другие ферросплавы.
Индукционные печи используют для плавления сталей с высоким содержанием сплавов и низким углеродом, а также для производства фасонного литья различных форм (например, модельного литья и литья под давлением). Принцип работы индукционной печи заключается в том, что переменный ток, подводимый к первичной катушке (индуктору) 2 (см. рисунок 2), индуцирует ток в расплаве (металл 1, находящийся в тигле 3), и энергия этого тока создает высокую температуру. Благодаря этому шихта быстро плавится, и процесс плавки ускоряется. Существуют два типа таких печей: с железным сердечником и без сердечника (высокочастотные печи). Печи с железным сердечником используют в цехах по литью для получения сплавов цветных металлов. В производстве стали широко используются индукционные высокочастотные печи без железного сердечника. Они используются для плавки стали и специальных высоколегированных сплавов. Емкость высокочастотных печей составляет от 10 кг до 10 тонн.
Тигель, предназначенный для высокочастотной печи, может быть изготовлен либо из кислых, либо из основных материалов (реже).
Рис 2. На рисунке показана индукционная электропечь.
Сталь можно переплавить с использованием метода обработки электрошлаком. Этот метод является новым и позволяет получать высококачественные легированные стали, включая быстрорежущие. Он был разработан Институтом электросварки им. Е. О. Патона Академии наук УССР.
Суть процесса заключается в том, что слитки стали, полученные в обычных печах, подвергаются переработке в электроды для последующей переплавки в электрошлаковой печи. Плавка электродов осуществляется не с использованием тепла электрической дуги, а за счет высвобождающегося тепла в расплавленном слое шлака, который служит сопротивлением для прохождения электрического тока через него. Принцип электрошлаковой переплавки очень прост. Электрод-слиток 1 (рис. 3), диаметром до 150 мм и длиной от 2 до б м, вводится в медный водоохлаждаемый кристаллизатор 2, который является полым цилиндром. На дно кристаллизатора прикреплен поддон 5 с затравкой 4 — это шайба из переплавляемой стали. На затравку насыпается электропроводной флюс, состоящий из порошка алюминия с магнием. В зазор между слитком-электродом и стенкой кристаллизатора насыпается рабочий флюс 3, состоящий из Al2O3, CaFe2 и СаO. Плавка происходит следующим образом.
