Химический состав металлической шихты.
| Шихта | Марка | Массовая доля, % | |||
| C | Mn | Si | P | ||
| Углеродистый лом | А2-1 | 0,25 | 0,5 | 0,3 | 0,05 |
| Марганцевый лом | Б2-2 | 0,4 | 16,0 | 0,5 | 0,1 |
| Чугун | ПВК3 | 3,0 | 0,2 | 0,45 | 0,035 |
Плавление шихты и последующее окисление примесей.
Во время плавления шихты в электропечи при ведении процесса с окислением примесей кремний, фосфор и марганец окисляется. Для интенсификации процесса электроплавки стремятся совместить дефосфорацию с плавлением. Необходимую основность шлака обеспечивают загрузкой вместе с металлической частью шихты до 6% руды и 2% извести, необходимую степень окисленности шлака обеспечивают присадкой в печь в середине периода плавления железной руды в количестве 1% от массы шихты и кратковременной (5-6 мин) продувкой металла кислородом. Во второй период плавления часть шлака спускают самотеком и наводят новый шлак присадками извести и руды.
Оба эти показатели подлежат тщательному контролю по ходу процесса плавления. Шлаковый и электрический режимы в процессе плавления должны быть такими, чтобы содержание фосфора в первой пробе металла по расплавлении при работе по способу окисления примесей на углеродистом металлоломе не превышало 0,015%. Целью окислительного процесса является снижение содержания фосфора в металле до 
, дегазации металла (уменьшение содержания водорода и азота), снижение количества неметаллических включений, приведение ванны в стандартное по окислительности состояние, улучшающее условия протекания восстановительных реакций, повышения температуры металла до уровня, превышающего температуру выпуска на определенный интервал. После отбора первой пробы металла, не включая тока скачивают 60-70% шлака. С первым шлаком уда-
ляется из печи большая часть фосфора, окислившегося в период плавления.
Удалив шлак, в ванну печи присаживают 1 — 1,5 % массы садки свежеобожжен-
ной извести, а также разжижители шлака (боксит, шамот, шпат, отработанные
флюсы ЭШП и т.п.). При совмещении периода плавления с окислительным
шлак скачивают, а обновляют его позднее. Тепловой режим для окислительно-
го периода имеет очень важное значение, так как лишь в достаточно нагретой
ванне удается эффективно окислить углерод, обеспечить интенсивное кипение
ванны, позволяющее провести снижение содержания газов в металле, в частно-
сти водорода.
Температура металла в окислительный период должна повы-
шаться в соответствии со снижением содержания углерода. К концу периода
окисления металл должен быть нагрет по крайней мере на 120 — I 30" выше тем-
пературы ликвидуса. Нагрев металла необходимо тщательно контролировать.
После образования жидкоподвижного шлака и нагрева металла до заданного
уровня печь наклоняют в сторону загрузочного окна и в ванну порциями при-
саживают железную руду или агломерат в кусках размером < 100 мм и известь.
Для окисления 0,01 % С необходимо ввести в ванну 0,6 — 1,0 кг руды на 1 т ме-
талла. Чем выше температура ванны, тем меньше требуется расходовать руды.
Добавка руды в нагретую ванну вызывает интенсивное кипение ее, вызванное
образующимися в металле и удаляющимися из него пузырями моно оксида уг-
лерода (СО). Под воздействием СО шлак вспенивается, его уровень становится
выше и он стекает через порог загрузочного окна в шлаковую чашу. Самопро-
извольное удаление шлака необходимо для дальнейшего снижения содержания
фосфора. Поскольку температура металла непрерывно повышается, а при более
высокой температуре константа распределения фосфора уменьшается, то даль-
нейшее снижение содержания его возможно при повторных обновлениях шлака путем многократного его смачивания и наведения нового. В процессе кипения
ванны должно удалиться 0,3 — 0,5 % С со средней скоростью 0,3 — 0,5 % С. Ко-
гда содержание углерода достигает заданного предела, а содержание фосфора
окажется не выше 0,01 %, скачивают до 80% шлака и выдерживают ванну в те-
чение 10 мин в условиях чистого кипения без введения каких-либо присадок.
В окислительный период модно применить продувку ванны кислородом,
подаваемым под давлением 0,8 — 1,9 Мпа через железные трубки или водоох-
лаждаемые фурмы. В процессе продувки температура ванны и концентрация
кислорода в металле регулируется интенсивностью подачи кислорода, снижая
ее или даже прекращая на некоторое время подачу кислорода. 11родувка кисло-
родом высокоуглеродистой стали (0,5 — 1,0 % С) позволяет поддерживать ско-
рость обезуглероживания 1,5 — 2,0 % с/ч. За время окислительного периода тем-
пература металла возрастает на 100 - 120'С. При вдувании кислорода в жидкий
металл температура ванны повышается на 8 — 10 С за 1 мин продувки или 1,8-
2,0 'С на 0,01% окислившегося углерода, поэтому продолжительность обезуглероживания можно уменьшить до 12 — 15 мин при окислении 0,5 — 0,6 % С.
Применение кислорода для продувки при расходе 5 — 7 м/т в место железной руды позволяет уменьшить длительность окислительного периода до 30 — 50
мин при длительности продувки 20 мин вместо 40 — 100 мин без продувки.
Окисление углерода и нагрев металла, особенно в период продувки ванны, тре-
буют контроля соответствия этих параметров друг другу.
Не следует допускать
чрезмерной интенсивности обезуглероживания, при которой нагрев металла
окажется недостаточным.
Операция удаления шлака из печи хотя и очень трудоемка, связанная с
дополнительным тепловыделениями, однако шлак необходимо удалять как
можно полнее, так как в восстановительный период из оставшегося шлака фос-
фор полностью переходит в металл.
В окислительный период кремний окисляется полностью. Окисление
марганца, имеющего меньшее химическое сродство к кислороду, чем кремний, происходит не полно. За время плавления при отсутствии руды окисляется до
60 % марганца. С увеличением содержания углерода в металле возрастает оста-
точное количество марганца. При продувке металла кислородом угар марганца
примерно такой же, однако, если ванну переокислить, т.е. допустить снижение
углерода до низких значений, то угар марганца может достигнуть >80 %.
Полезно в этот период использовать результаты анализа контрольных
проб металла, чтобы судить по содержанию марганца и его поведению о пра-
вильности теплового режима процесса. Горячий ход окислительного периода,
необходимый для интенсивного кипения металла, а также для его подготовки к
восстановительному периоду, способствует восстановлению марганца и под-
держанию его концентрации на уровне 0,2 — 0,25 %. Снижение содержания
марганца в металле за уровень 0,2 % свидетельствует о «холодном» ходе окис-
лительного процесса, о низком уровне теплового режима, когда марганец окис-
ляется интенсивно, а углерод — очень слабо. Слабое кипение ванные не обеспе-
чивает нормальную дегазацию металла и снижение содержания в нем неметал-
лических включений, что приводит к снижению качества металлоизделий.
Несмотря на то, что для удаления серы создаются условия в восстанови-
тельный период, тем не менее есть возможность частичной десульфурации в
течение окислительного периода. С этой целью необходимо снять кинетические
затруднения этого процесса наведением жидкоподвижного шлака с основно-
стью 3,0 и поддерживать высокую температуру, т.е. «горячий» ход окислитель-
ного периода. Электросталь содержит больше азота, чем мартеновская сталь.
Причиной является высокая температура в зоне электрических дуг и диссоциа-
ция молекул Х~ на атомы. Атомарный азот поглощается металлом. Для этого
процесса создаются дополнительные условия, когда обнажена поверхность ме-
талла, когда отсутствует шлак, обладающий газозащитными свойствами. Сни-
жение содержания азота достижимо при интенсивном и длительном кипении
ванны.
Но и в этом случае значительная часть азота остается в стали и допол-
нительное снижение его содержания возможно путем продувки жидкого металла аргоном. Уменьшение содержания азота в стали возможно также при введе-
нии в нее титана или циркония, образующих нитриды, из которых часть удаля-
ется в шлак, а часть остается в металле в виде включений. В окислительный пе-
риод удалению газов способствует низкое парциальное давление водорода, во-
дяных паров и азота в атмосфере печи, что необходимо соблюдать, принимая
соответствующие меры. Так, источником водорода могут являться не только
кислород, применяемый для продувки. Содержание водорода в ванне зависит
от разности скоростей поглощения и выделения из металла. В результате пра-
вильно проведенного окислительного периода содержание водорода в стали
можно понизить с 5 — 8 до 2 — 4 см'/100 г, а азота с 0,015 — 0,018 до 0,007-
0,008 %. Условия, создаваемые для успешного удаления газов, необходимо
подвергать контролю. Углеродное кипение ванны необходимо для снижения в
металле неметаллических включений, как перешедших в сталь из шихтовых
материалов (SiO3 и А12О3) и футеровки печи (MgO), так и образовавшихся в ре-
зультате окисления примесей металла кремния, марганца, алюминия и т.п.
Мелкие включения SiO2 и А10з очень медленно всплывают из стали. Моноок-
сиды марганца и железа офлюсовывают и А12О3, образу жидкие продукты,
которые укрупняются в результате коалесценции. Кипение ванны способствует
протеканию градиентной коагуляции и ускорению удаления их из металла. Пу-
зыри монооксида углерода, возникающие на поверхности пода, при всплыва-
нии увлекают часть включений, прилипающих к поверхности пузырей.
Кипение ванны в окислительный период имеет важное значение для на-
грева металла. Высокая температура металла и выравнивание ее под действием
кипения необходимы для правильного ведения процесса производства стали и
качественной ее разливки. Если к моменту смачивания окислительного шлака
металл нагрет даже несколько выше температуры выпуска, то восстановитель-
ный период проходит легко, быстро формируется новый шлак, с большой ско-
ростью протекают реакции раскисления, успешно идет десульфурация, меньше
времени требуется для легирования стали. При скачивании шлака с относительно холодного металла создается опасность некачественного проведения
восстановительного периода. Для нагрева металла в восстановительный период
необходимо поддерживать большую мощность установки, т.е. иметь длинные
дуги. При этом перегревается футеровка и происходит ее оглавление. В шлаке
повышается содержание (MgO) и оксидов железа, вносимых футеровкой. На-
грев ванны в этот период может вызвать насыщение металла газами. Кроме то-
го, для нагрева металла в восстановительный период требуется больше времени
в связи с отсутствием перемешивающего фактора — кипения ванны.
В конце окислительного периода нередко приходится проводить повтор-
ное кипение путем добавки в ванну чугуна до 6 кг/т. Углерод, кремний, марга-
нец, содержащиеся в чугуне, осуществляют предварительное раскисление ван-
ны, образуют легкоплавкие продукты, всплывающие на поверхность металла.
Такая мера может быть вызвана тем, что к концу периода углерода в ванне оказалось меньше, чем необходимо, а металл не нагрелся. Введение чугуна или
другого науглероживателя, например вдувание коксовой мелочи, вызовет не
только увеличение продолжительности периода, но и усиление микронеодно-
родности металла. Науглероживать ванну в некоторых случаях приходится и
после смачивания окислительного шлака. В качестве науглероживателя приме-
няют электродный бой или кокс, загружаемый на поверхность незащищенного
металла. К такой мере приходится прибегать при производстве стали с высоким
(>1 %) содержанием углерода и отсутствием среднеуглеродистого ферромарганца для легирования стали. Отрицательным следствием такого науглероживания является понижение температуры ванны, поглощение металлом газов из
атмосферы печи, а также затягивание процесса во времени. Рекомендуется вести процесс таким образом, чтобы не возникла необходимость науглероживания
незащищенного металла углеродом.
Присадка железной руды в печь в конце периода расплавления и в начале
окислительного периода в достаточно нагретую ванну заметно интенсифицирует процесс окисления фосфора, приводит к снижению температуры металла и нарушению имеющегося равновесного состояния. Понижение температуры и
увеличение концентрации оксидов железа в результате присадки в ванну железной руды вызывает развитие экзотермических реакций с одновременным
увеличением концентрации вещества, образующегося с выделением тепла; это
значит, что в первый период будет бурно развиваться процесс окисления фосфора. По мере повышения температуры ванны возможен обратный переход
фосфора из шлака в металл, поэтому обязательным условием дефосфорации
металла в окислительный период является непрерывное и возможно полное
удаление из печи железистых шлаков. В практических условиях количество
фосфора в металле в конце окислительного периода должно быть не более
0,015 %.
Во избежание чрезмерного насыщения металла кислородом окислитель-
ный период необходимо заканчивать при содержании в ванне углерода не ниже
0,15 — 0,20 в случае применения высокоуглеродистого ферромарганца и не ни-
же 0,35 — 0,40 % при использовании кристаллического марганца. Последняя
порция руды должна вводиться в печь не позднее, чем за 10 мин до окончания
окислительного периода. Не следует уменьшать продолжительность периода
кипения даже при работе на низкофосфористой шихте.
Целесообразно по рас-
плавлении иметь повышенное содержание углерода и форсировать плавку за
счет большей скорости окисления углерода, особенно в начальный период ки-
пения и дефосфорации стали. В этот период скорость окисления углерода можно не лимитировать.
Если содержание серы в конечном металле должно быть низким
(<0,01%), то имеет смысл проведение десульфурации в окислительный период
для улучшения условий последующего восстановительного периода.
После окончания окислительного периода и получения результатов экспресс-анализа металла второй пробы на содержание в нем углерода и фосфора
процесс переводят в период предварительного раскисления и кеширования. После удаления из печи окислительного шлака на зеркало металла (обнаженную ванну) дают кусковой 45 %-ный ферросилиций и ферромарганец в таком количестве, чтобы получить в стали 0,20 — 0,25 % Si и 1,5 % Мп; затем наводят восстановительный шлак с основностью 2,5 — 3,5 из извести (известняка) и плавикового шпата с добавлением раскислителей — мелко дробящего 45 %-ного
ферросилиция или силикокальция, электродного боя или молотого кокса. Далее
проводят предварительное раскисление стали алюминием.
Оптимальной долей шлака от массы металла в восстановительный период считают 4-5%. Согласно законам кинетики удаления серы из металла целесообразно поддерживать в период десульфурации высокую температуру металла
и осуществлять перемешивание ванны. Существенных результатов по удалению серы из металла достигают при обработке металла рафинировочным шлаком при выпуске стали в ковш в условиях эмульгирования жидких фаз.
Восстановительный период сталеплавильного процесса
Во время восстановительного периода сталеплавильного процесса в ос-
новной дуговой печи необходимо провести раскисление металла осаждающим
методом, удаление серы, доведение химического состава стали до заданного
путем легирования, регулирование температуры ванны, наведение жидкопо-
движного высокоосновного хорошо расчисленного шлака для обработки метал-
ла во время выпуска из печи в ковш. Раскисление металла экстракционным
способом через шлак позволяет получить в шлаке содержание монооксида железа <0,5 %, а в металле в соответствии с законом распределения содержание
кислорода <0,005 %. Это свидетельствует о хороших условиях для раскисления
металла в электропечи, где можно создать сильно восстановительную атмосфе-
ру, в которой достижимо содержание монооксида углерода 70 %, а также обес-
печить положительное давление, предотвращающее подсос атмосферного воз-
духа.
Из раскислителей, применяемых при этом, модно назвать углерод, карбид
кальция, ферромарганец, ферросилиций, алюминий, ферротитан и комплексные
сплавы, такие как силикомарганец, силикокальций, силикоалюмимарганец и др.
Углерод применяют в виде молотого кокса, древесного угля, ферросилиций, силикокальций и алюминий в порошке, карбид кальция — образуется в печи в
результате взаимодействия углеродистого материала и извести. Применяют для
раскисления также готовый карбид кальция. Во избежание образования пузы-
рей в металле при разливке необходимо после раскисления углеродом приме-
нять более сильные раскислители, позволяющие понизить содержание кисло-
рода до более низкого значения, чем равновесное с углеродом. Такого полного
удаления серы из металла, как в основной дуговой электропечи, не протекает
ни в одном сталеплавильном агрегате. Сталь, выплавленная таким образом, со-
держит < 0,010 % S. При использовании специальных методов можно еще
меньше получить серы в электростали, доведя ее содержание ло тысячных до-
лей процента. На полноту удаления серы из металла в электропечи влияют сте-
пень раскисления металла и шлака, выдержка стали под восстановительным
шлаком, содержание серы в извести и других шлакообразующих материалах.
Практика показывает, что концентрация серы в металле начинает заметно сни-
жаться только при определенной степени расчисленности металла и шлака.
На скорость и полноту удаления серы влияет и основность шлака, с уве-
личением которой эти характеристики возрастают. Оптимальным количеством
шлака в восстановительный период печей малой вместимости (5 -10 т) можно
считать 7 - 9 % от массы металла, для печей средней вместимости (20 — 30 т)-4-5 %.
Основное количество марганца при выплавке высокомарганцовистой ста-
ли методом окисления примесей можно загружать в печь в начале рафинирова-
ния, а при выплавке методом переплава можно легировать с~ аль в период за-
грузки в печь твердой шихты.
Задачей предварительного раскисления при выплавке высокомарганцевой
стали является получение металла, содержащего минимальное количество лег-
коплавких оксидных неметаллических включений, обогащенных монооксидом
марганца Мп0. Применение для этой цели кремнийсодержащих раскислителей
ведет к образованию легкоплавких трудноудаляемых из металла силикатов марганца и к повышению содержания кремния в готовой стали, что отрица-
тельно влияет на ее механические свойства. Предварительное раскисление ста-
ли алюминием способствует получению тугоплавких легкоудаляемых из жид-
кого металла неметаллических включений, поэтому можно окидать, что пред-
варительное раскисление высокомарганцевой стали алюминием
перед ее леги-
рованием марганцем положительно влияет на качество этой стали вследствие
уменьшения количества, изменения формы и характера расположения в метал-
ле неметаллических включений. При этом количество алюминия — раскислите-
ля должно определяться из условия сохранения в металле такого остаточного
содержания кислорода, которое препятствует образованию марганцовистым
включениям при последующем легировании металла марганцем. Общее коли-
чество алюминия для предварительного раскисления находят из условия сни-
жения содержания кислорода в жидком металле с 0,07 до 0,003 % и оно состав-
ляет (с учетом непредвиденных потерь) примерно 2,0 — 2,2 кг/т жидкой стали.
Введение алюминия в сталь для предварительного раскисления увеличивает ес
плотность и улучшает износостойкость.
После проведения предварительного раскисления металла и достижения
необходимой температуры его легируют марганцем. Во избежание местного
переохлаждения ванны легирующую дозу ферромарганца вводят в печь в не-
сколько приемов. При этом куски ферромарганца по массе не должны превы-
шать 5-7 кг. Длительность промежутков между присадками отдельных порций
ферромарганца должна быть не менее 7-10 мин. После введения каждой порции
ферромарганца ванну тщательно перемешивают. Каждую последующую пор-
цию ферромарганца присаживают только после полного усвоения предыдущей
и хорошего перемешивания металла. В течение всего восстановительного пе-
риода шлак обрабатывают раскислительной смесью (для предотвращения окис-
ления марганца), позволяющей поддерживать основность этого шлака не менее
2,5-3,0. Тепловой и шлаковый режимы плавки в этот период должны обеспечивать вать непрерывное восстановление или, по крайней мере, стабилизацию содер-
жания марганца в металле после его легирования.
Через 12-18 мин после присадки последней порции ферромарганца и тща-
тельного перемешивания ванны отбирают третью пробу металла для определе-
ния в нем содержания углерода, марганца и кремния и первую пробу шлака на
содержание FeO и МпО.
После получения результатов анализа металла третьей пробы производят
предварительную корректировку стали по марганцу, затем ванну тщательно пе-
ремешивают, отбирают четвертую пробу металла на содержание в нем марган-
ца, углерода и кремния. В зависимости от результатов анализа металла этой
пробы химический состав стали перед ее выпуском окончательно корректиру-
ют присадкой соответствующего количества ферромарганца или кристалличе-
ского марганца необходимой марки. Для получения в стали требуемого содер-
жания алюминия загружают в печь первичный алюминий не позднее, чем за 5-
7 мин до выпуска плавки. Алюминий вводят на голое зеркало металла в виде
чушек (слитков) из расчета получения необходимого содержания Al с учетом
угара.
После растворения в металле последней порции присадок ванну вновь
тщательно перемешивают и отбирают последнюю (контрольную) пробу металла. Отбор металла этой пробы рекомендуется производить между порогом и
электродом первой фазы с середины ванны по ее глубине.
Окончательное раскисление и легирование высокомарганцевой стали
45Г17ЮЗ осуществляют при ее выпуске путем введения в ковш алюминия в
количестве 2,0 — 2,5 кг/т металла.