Основной процесс

Плавку стали можно осуществлять с окислением или без окисления металла. Особенностью первого варианта является наличие периода активного кипения металла, являющегося следствием окисления углерода кислородом железной руды. Кроме углерода, окисляются кремний, марганец, хром, фосфор и другие элементы. Плавку с окислением применяют при использовании стального лома неизвестного происхождения, засоренного фосфором, а также при выплавке мягких сортов стали. Плавку без окисления, называемую переплавом, осуществляют на качественной шихте, чистой по фосфору и другим примесям.

Плавка с окислением технологически сложнее. Она состоит из следующих этапов: заправки печи, загрузки шихты, плавления, дефосфорации, кипения, скачивания окислительного шлака, науглероживания, раскисления, десульфурации и доводки.

Заправку печи производят после выпуска стали и удаления остатков шлака. В качестве заправочных материалов используют магнезитовый порошок (первого класса), обожженный доломит, сырой доломит, хромистый железняк и др.

Этапы дефосфорации, кипения и скачивания шлака называют окислительным периодом; этапы науглероживания, раскисления, десульфурации и доводки — восстановительным периодом.

Заправку печи производят после каждой плавки. Заправка печей емкостью 0,5...1,5 т продолжается 5...10 мин, емкостью 3...5 т – 10…15 мин. Только после тщательной заправки приступают к загрузке шихты.

Шихту подбирают исходя из того, чтобы содержание в ней углерода примерно на 0,5% было выше его содержания в готовой стали. Основным компонентом шихты обычно является стальной лом А2-1 (по ГОСТу 2787–63). При выплавке хромистых сталей допускается использование в шихте до 50% хромистых отходов. Содержание хрома в этом случае не должно превышать 1,2%.

Отходы, содержащие никель и молибден, могут быть использованы в шихте в любых количествах, необходимых для плавки. Отходы, содержащие вольфрам и ванадий, из-за их большого угара применяют только для плавок без окисления. При загрузке печи должен быть соблюден определенный, установленный практикой порядок. На под печи загружают чистую дробленую стружку и половину мелочи. Ближе к центру под электроды загружают наиболее крупные куски шихты; ближе к откосам и на крупные куски загружают средний лом. Сверху насыпают оставшуюся мелочь или чистую дробленую стружку (10…12%).

Плавление состоит из проплавления колодцев в шихте под электродами, с образованием на поду озерка металла, расплавления шихты в середине ванны, т. е. в зоне действия электрических дуг, расплавления шихты на откосах и сталкивания ее на середину ванны. Сразу же после начала движения электродов вниз в центр печи забрасывают (5...6 лопат на 1 т) известь для ускорения шлакообразования. В практике скорост­ных плавок наводку окислительного шлака производят за 30...60 мин до полного расплавления. Для этой цели в печь вводят железную руду, обожженную известь и плавиковый шпат соответственно в количествах 4...9, 5...9 и 2...3 кг на 1 т металлической шихты. Благодаря этому к моменту полного расплавления ванна оказывается покрытой жидкоподвижным и химически активным шлаком.

После полного расплавления шихты и контрольного химиче­ского анализа стали в печь загружают железную руду и известь. После их расплавления и прореагирования с металлом скачивают, не выключая электрического тока, 60…70% шлака. При уменьшении мощности на дугах можно обеспечить самопроизвольное стекание шлака из печи через порог загрузочного отверстия. Присадка руды и последующий спуск шлака могут повторяться до 3 раз с доведением при этом содержания фосфора в стали до 0,01 %.

После дефосфорации приступают к обезуглероживанию. Отметим, что граница между окончанием процесса дефосфорации и началом окисления углерода ясно не проявляется. Чтобы предупредить переход фосфора из шлака обратно в сталь, производят присадку извести. Периодическими присадками кусковой сухой и прокаленной руды (порциями 0,5% веса металла) вызывают и поддерживают энергичное кипение.

Постепенным повышением температуры и снижением порций руды ванну доводят до чистого кипения. Признаком перехода к чистому кипению является восстановление марганца из шлака. Чистое кипение начинается, когда содержание углерода соответствует нижнему пределу заданного состава стали и фосфора не более 0,020%. Перед чистым кипением, не включая электрического тока, скачивают около 80% шлака.

Скачиваемый шлак окислительного периода обычно содержит 40—50% СаО; 10…25% SiО₂; 12…15% FeO; 4…10% MgO; 5…10% MnO; 2…4% Al₂O₃ и 0,5…2% P₂O₅.

При выплавке марок сталей ответственного назначения скорость выгорания углерода составляет в начале окислительного периода 0,7% в час и в конце до 0,3% в час. Окислительный период плавки успешно интенсифицируется применением газообразного кислорода, вдуваемого в жидкий металл. Во время окислительного периода должно быть удалено не менее 0,35% С при выплавке углеродистых сталей и не менее 0,45% С при выплавке большинства легированных сталей.

Применение кислорода не только сокращает время окисления углерода, но и позволяет сократить расход электроэнергии, уменьшает расход руды и электродов. Продолжительность окислительного периода в печах емкостью 3…5 т составляет около 35...45 мин (при плавке без кислорода).

Перед началом восстановительного периода содержание углерода в стали должно быть на 0,02...0,03% меньше нижнего предела, заданного в готовой стали; содержание фосфора не более 0,015%, а температура стали на 15...20° С выше температуры ее выпуска.

Окислительный шлак в большинстве случаев скачивается только при выплавке высокоответственных марок сталей. После удаления окислительного шлака в печь вводят ферромарганец из расчета доведения его содержания в стали до норм, установленных для нижнего предела данной марки стали. Угар марган­ца при этом составляет около 10%. Если плавку проводят без скачивания шлака, в него добавляют раскисляющие смеси (известь, молотый кокс и плавиковый шпат в соотношении 5:2:1).

Восстановительный (или рафинировочный) период является последним и наиболее ответственным. Во время восстановительного периода требуется раскислить сталь, провести десульфурацию, довести сталь до нужного химического состава и ее температуру до требуемой при выпуске.

Все это обычно осуществляется параллельно.

Восстановительный период можно вести одним из следующих способов:

– под карбидным шлаком с применением кускового ферросилиция для раскисления стали перед выпуском;

– под слабокарбидным шлаком с использованием молотого ферросилиция для раскисления шлака во второй половине периода;

– под белым шлаком с раскислением жидкой стали ферросплавами в начале периода. Этот вариант чаще других применяют при выплавке стали для отливок;

– под белым шлаком (с использованием в течение всего периода молотого ферросилиция);

– под полукислым шлаком – рафинирование. Это экономически целесообразно при выплавке кислотоупорной и нержавеющей стали.

Доводка и плавка завершаются введением в сталь металлических раскислителей.

Показатель успешного проведения восстановительного периода – содержание серы в стали. Если оно не превышает 0,02%, можно считать, что восстановительный период проведен успешно.