Шихтовые материалы для получения стали в дуговых печах

Шихтовые материалы

Для получения стали в электропечах необходимы следующие шихтовые материалы: металлическая часть, шлакообразующие, окис­лители, добавочные материалы (раскислители и легирующие) и науглероживатели.

Металлическая часть

Основу шихты для электро­печей составляет металлический лом: на одну тонну выплавляемой в электропечах стали в среднем расходуется около 950 кг лома. Примерно треть этого количества составляют брак, литейные от­ходы, обрезь слитков, отходы при прокатке и ковке, а также стружка от обдирки слитков, т. е. собственные отходы металлургических за­водов. Остальная часть складывается из отходов, возвращаемых заводами-потребителями, направляемого в переплав изношенного и устаревшего оборудования и инструмента и лома, собранного отделениями Вторчермета. Кроме того, в ограниченных количествах используется специально выплавляемая шихтовая заготовка — мяг­кое железо, а также передельный чугун и металлизованные ока­тыши.

Металлический лом делится на две категории: группа нелегиро­ванных (А) и легированных (Б) отходов.

Нелегированный (углеродистый) лом не должен быть загрязнен цветными металлами (свинцом, цинком, оловом и др.), особенно ни­келем, медью и мышьяком, которые практически полностью пере­ходят из шихты в металл и могут оказать существенное влияние на его свойства. Нежелательно также, чтобы в углеродистых отходах содержалось фосфора более 0,05%, так как удаление таких коли­честв фосфора потребует продолжительного окислительного периода.

Поэтому металлический лом должен быть освобожден от лома цвет­ных металлов и рассортирован по происхождению. Знание проис­хождения лома позволяет примерно оценить его состав и более пра­вильно использовать его.

На заводах качественных сталей в электросталеплавильных цехах выплавляют сотни различных марок легированной стали. Часть из них содержит элементы, не поддающиеся окислению и трудно уда­ляемые при пользовании обычными процессами. Отходы, содержащие такие элементы, могут быть использованы при выплавке стали опре­деленного сортамента. Отходы легированных сталей должны быть рассортированы в группы, близкие по составу марок, и храниться отдельно от других отходов. Отходы некоторых наиболее сложно ле­гированных марок следует хранить помарочно.

Металлический лом должен иметь определенные габариты. Мел­кий лом, как правило, более окислен, замусорен и загрязнен маслом. Значительная окисленность лома не позволяет точно оценить долю угара металла, что чревато непопаданием в заданный химический состав готовой плавки. Разложение в зоне дуг ржавчины (гидрата окиси железа) и масла приводит к появлению в атмосфере печи ато­марного водорода, интенсивно поглощаемого металлом.

Малая насыпная масса мелкого лома не позволяет завалить в печь всю шихту в один прием, вследствие чего, после расплавления первой порции шихты, приходится осуществлять подвалку. Это снижает производительность печи и увеличивает потери тепла.

Особые заботы доставляет переплав стружки. Длинная витая стружка затрудняет загрузку; как правило, она сильно загрязнена маслом и уже на месте получения смешивается с отходами стали дру­гих марок, а часто и со стружкой цветных металлов. По этим при­чинам стружку следует переплавлять на заводах Вторчермета и элек­тросталеплавильным цехам поставлять изготовленные из нее пас­портные болванки с известным химическим составом. Стружка, по­ставляемая непосредственно в электросталеплавильные цеха, должна быть спрессована и обожжена. Дополнительные затраты на под­готовку стружки вполне окупаются экономией, получаемой при ис­пользовании доброкачественной шихты.

Нежелательно, чтобы в шихте были чрезмерно крупные куски — бракованные слитки, недоливки и т. п. В дуговой печи можно рас­плавлять крупногабаритный лом, но продолжительность плавления при этом увеличивается, длительное время приходится работать на высокой мощности, что отрицательно сказывается на стойкости фу­теровки. По этой причине максимальная масса отдельных кусков не должна превышать одной пятидесятой массы всей садки.

Для производства стали некоторых марок в состав шихты вводят специально выплавленную предварительно заготовку. Чаще всего она по своему составу представляет собой низкоуглеродистую сталь с ограниченным содержанием углерода, фосфора и серы, т. е. мягкое железо, полученное методом плавки на свежей шихте.

Мягкое железо должно быть в менее крупных кусках, чем леги­рованные отходы, так как в связи с низким содержанием углерода оно плавится при более высокой температуре. Поэтому слитки мяг­кого железа прокатывают на заготовку, которую затем рубят на куски определенного размера.

Мягкое железо намного дороже углеродистого лома и его исполь­зование отрицательно сказывается на себестоимости стали. Исполь­зование в шихте мягкого железа может быть оправдано только серьез­ными технологическими затруднениями выплавки стали нужной марки.

Следует отметить, что для электропечной плавки характерен постоянно наблюдаемый недостаток качественного лома. В связи с этим в течение длительного времени изыскивают материалы, ко­торые могли бы заменить лом. В частности, неоднократно предпри­нимались попытки заменить часть лома передельным чугуном. Однако все эти попытки заканчивались, как правило, неудачно.

Передел чугуна в сталь заключается в окислении находящихся в нем в избыточных количествах углерода, кремния, фосфора. Элек­тропечи, плохо приспособлены для про­ведения окислительных процессов, поэтому использование их для передела значительного количества чугуна нецелесообразно.

Обнадеживающие результаты получены при использовании в шихте электропечей полупродукта — предварительно продутого в реакторе чугуна. Однако появление и совершенствование кисло­родно-конвертерного процесса сделали более целесообразным пере­работку чугуна в сталь монопроцессом в конвертере. В последние годы проводятся интенсивные всесторонние исследо­вания плавки стали в электропечах с использованием высокометаллизированных окатышей (90—95% Fе_общ, 85—90% Fе_мет). По­строены промышленные комплексы для работы с непрерывной за­грузкой окатышей в дуговую печь и с непрерывной разливкой ме­талла. Использование чистых по сере, фосфору и сопутствующим примесям металлизованных окатышей позволяет при обычном качестве шихты выплавлять, применяя этот процесс, качественные стали.

Плавка металлизированных окатышей в электропечах (бездоменный процесс) при успешном решении проблемы эффективного вос­становления окатышей может оказаться более эффективной по всем показателям, чем выплавка стали из чугуна в конвертерах.

Шлакообразующие

При выплавке стали в основных дуговых печах для образования основного шлака используют из­весть, известняк, плавиковый шпат, шамотный бой и песок. В кислых печах шлак наводят из песка, шамотного боя и извести.

Наиболее важной составляющей шлаковых смесей является из­весть, которую получают обжигом известняка в шахтных печах при температуре 1100— 1300°С. При обжиге углекислый кальций из­ вестняка разлагается на окись кальция и углекислый газ СаС0₃ → CaO + СО_2.

Химический состав обожженной извести приведен в таблице 1.

Содержание серы в известняке в большинстве случаев низкое, однако оно возрастает после обжига за счет серы топлива. Повышенное со­держание серы в шлаке затрудняет процесс десульфурации металла.

Содержание других окислов в извести ограничивают по следующим соображениям: кремнезема, чтобы при заданной основности шлака количество его было меньше; окиси магния, чтобы шлак был более жидкотекучим и активным; окислов железа, чтобы не затруднять процесс десульфурации.

Для выплавки высококачественной стали используют только свежеобожженную известь. При хранении известь интенсивно погло­щает влагу из воздуха с образованием гидроокиси кальция [СаО +  Н₂О → Са (ОН)₂], которая рассыпается в порошок. Влага, вне­сенная известью, в печи разлагается на кислород и водород, вызывая обогащение стали водородом. Поэтому применение пылеватой из­вести, так называемой «пушонки», в электропечах совершенно не­ допустимо.

Вместо извести в окислительный период можно пользоваться не­ обожженным известняком. Применяют известняк, содержащий не менее 97% СаСО₃ (не менее 54% СаО). Известняк не гигроскопичен, его можно длительное время хранить. Разложение углекислого кальция в электропечи вызывает выделение пузырьков СО₂, которые обеспечивают перемешивание металла и шлака и способствуют дега­зации металла. Окислительный углекислый газ окисляет примеси в металле, в частности углерод.

Отрицательной стороной применения известняка вместо извести является дополнительная затрата электроэнергии на разложение карбоната кальция.

Для разжижения высокоосновных шлаков применяют плавико­вый шпат, песок и шамотный бой. Особенно сильно понижает его вязкость CaF_2. К тому же использование CaF₂ позволяет разжижать высокоосновные шлаки без уменьшения их основ­ности, что чрезвычайно важно для эффективного удаления серы.

Поэтому широкое применение для наводки шлака получил плавико­вый шпат, который в случае его использования при электроплавке должен содержать 90—95% CaF₂, не более 3,0% SiO₂ и не более 0,2 % S.

Песок также понижает температуру плавления основных шлаков, но при этом понижается и основность шлака. Поэтому в основных печах песок находит ограниченное применение, в то время как в кис­лых печах он является главным шлакообразующим материалом.

Основное требование, предъявляемое к песку, — высокое (минимум 95%) содержание SiO₂.

При выплавке нержавеющих сталей и для разжижения густых магнезиальных шлаков иногда используют бой шамотных огнеупоров, содержащих примерно 60% SiO₂ и 35% Аl₂O₃.

Окислители

Для интенсификации окислительных про­цессов в металл необходимо вводить кислород. Источниками кисло­рода служат железная руда, окалина и агломерат. Широкое распро­странение получила продувка металла газообразным кислородом.

Железную руду применяют при выплавке стали методом полного окисления. Присадка руды небольшими порциями обеспечивает дли­тельное равномерное кипение металла без повышения его темпера­туры, так как присаживаемая руда постоянно охлаждает металл. Это имеет особое значение для эффективного удаления фосфора.

Руду используют в завалку и в окислительный период. Руда, присаживаемая в окислительный период через шлак, должна быть в кусках определенного размера, желательно 50— 100 мм в диаметре.

Мелкая руда растворяется в шлаке, а крупные куски вызывают бурное вспенивание металла и шлака. Кроме соответствия требованиям, касающимся определенного раз­мера кусков, руда должна удовлетворять и требованиям по хими­ческому составу: в ней должно содержаться много окислов железа и мало кремнезема, серы и фосфора (таблица 1). Наиболее богатой яв­ляется криворожская руда, но в ней содержится довольно много фосфора и серы. Чистая по сере и фосфору бакальская руда харак­теризуется повышенным содержанием пустой породы, что вызывает понижение основности шлака, увеличение его количества и требует дополнительных затрат электроэнергии.

Иногда вместо руды используют заменители — агломерат и ока­лину от проката. Окалина от проката углеродистых сталей является наиболее чистым окислителем, но вследствие малого удельного веса она задерживается в шлаке. Необходимо учитывать также, что про­катная и кузнечная окалина может содержать легирующие элементы, которые целесообразно использовать.

Для интенсификации окисления углерода во время окислитель­ного периода плавки на свежей шихте, а также для быстрого повыше­ния температуры металла, окисления избыточного углерода и со­путствующих примесей при переплаве легированных отходов широко применяют продувку металла кислородом. Газообразный кислород чистотой около 99,5% подают в ванну под давлением 1—2 МПа (10— 12 ат).

Основное требование, предъявляемое к газообразному кислороду, низкое содержание влаги (не более 1 г/м³). Поэтому перед продув­кой кислород должен быть осушен в специальных поглотителях влаги.

Раскислители и легирующие

Для раскисления стали и ее легирования раскислители и легирующие элементы при­меняют в чистом виде или в виде сплавов с железом или друг с дру­гом.

Наибольшее распространение для раскисления и легирования стали получили металлические алюминий, никель, хром, марганец, молибден, кобальт и титан, ферросплавы — ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферровольфрам, феррованадий, ферромолиб­ден, ферротитан, феррониобий, ферробор и другие, а также комплекс­ные сплавы— силикомарганец, силикокальций, силикоцирконий, силикоалюминий, сплавы алюминия, марганца и кремния, кремния, кальция и алюминия и другие.

Сплавы, применяемые в качестве раскислителей и легирующих, должны удовлетворять ряду требований:

1. Содержание основного легирующего элемента в сплаве должно быть максимальным. При низком содержании легирующих элементов увеличивается масса присадки, что удлиняет время ее проплавления и ведет к увеличению расхода электроэнергии и снижению произво­дительности печи. Исключение составляют ферросплавы тугоплав­ких металлов — ферровольфрама и ферромолибдена, для более быстрого растворения которых желательно иметь более низкое их содержание в сплаве.
2. Сплавы должны быть чистыми от вредных для стали примесей, шлаковых включений и газов. Это особенно важно, потому что значительную часть их присаживают в печь лишь к концу плавки, когда рафинирование ванны уже закончено.
3. Куски сплавов должны быть определенного габарита. Наличие крупных кусков удлиняет время их растворения, затрудняет точ­ность взвешивания и может быть причиной повышенного расхода сплава.

Науглероживатели

К числу науглероживателей при­надлежат материалы, содержащие углерод и используемые для уве­личения содержания углерода в металле. Они входят либо в состав шихты, либо их вводят в жидкий металл. Для науглероживания в электросталеплавильных цехах используют главным образом кокс и электродный бой, в редких случаях (вследствие дефицита) — дре­весный уголь и сажу.

Основное требование, предъявляемое к науглероживателям, за­ключается в том, что они должны быть чистыми по вредным приме­сям (главным образом иметь низкое содержание серы) и вносить мало золы.