Реферат: Электрометаллургия

Содержание

• Производство стали в электрических печах.
• Сверху печь закры­та сводом. Свод набирают из огнеупорного кирпича в металлическом водоохлаждаемом сводовом кольце, ко­торое выдерживает распираю­щие усилия арочного сферического свода В нижней части кольца имеется выступ – нож, который входит в песчаный затвор кожуха печи. В кирпичной кладке свода оставляют три отверстия для электродов. Диаметр от­верстий больше диаметра электрода, поэтому во время плавки в зазор устремляются горячие газы, которые раз­рушают электрод и выносят тепло из печи. Для предотвращения этого на своде устанавливают холодильники или экономайзеры, служащие для уплотнения электрод­ных отверстий и для охлаждения кладки свода. Газодинамические экономайзеры обеспечивают уплотнение с помощью воздушной завесы вокруг электрода. В своде имеется также отверстие для отсоса запыленных газов и отверстие для кислородной фурмы.
• Для загрузки шихты в печи небольшой емкости и подгрузки легирующих и флюсов в крупные, печи скачивания шлака, осмотра, заправки и ремонта печи имеется загрузочное окно, обрамленное литой ра­мой. К раме крепятся направляющие, по которым сколь­зит заслонка. Заслонку футеруют огнеупорным кирпи­чом. Для подъема заслонки используют пневматический, гидравлический или электромеханический привод.
• С противоположной стороны кожух имеет окно для выпуска стали из печи. К окну приварен сливной желоб. Отверстие для выпуска стали может быть круглым диа­метром 120—150 мм или квадратным 150 на 250 мм. Слив­ной желоб имеет корытообразное сечение и приварен к кожуху под углом 10—12° к горизонтали. Изнутри же­лоб футеруют шамотным кирпичом, длина его составля­ет 1—2 м.
• Электрододержатели служат для подвода тока к элек­тродам и для зажима электродов. Головки электрододер-жателей делают из бронзы или стали и охлаждают во­дой, так как они сильно нагреваются как теплом из пе­чи, так и контактными токами. Электрододержатель должен плотно зажимать электрод и иметь небольшое контактное сопротивление. Наиболее распространенным в настоящее время является пружинно-пневматический электрододержатель. Зажим электрода осуще­ствляется при помощи неподвижного кольца и зажимной плиты, которая прижимается к электроду пружиной. Ог-жатие плиты от электрода и сжатие пружины происхо­дят при помощи сжатого воздуха. Электрододержатель крепится на металлическом рукаве – консоли, который скрепляется с Г-образной подвижной стойкой в одну же­сткую конструкцию. Стойка может перемещаться вверх или вниз внутри неподвижной коробчатой стойки. Три неподвижные стойки жестко связаны в одну общую кон­струкцию, которая покоится на платформе опорной люль­ки печи. Перемещение подвижных телескопических стоек происходит или с помощью системы тросов и противо­весов, приводимых в движение электродвигателями, или с помощью гидравлических устройств. Механизмы пере­мещения электродов должны обеспечить быстрый подъ­ем электродов в случае обвала шихты в процессе плав­ления, а также плавное опускание электродов во избе­жание их погружения в металл или ударов о нераспла­вившиеся куски шихты. Скорость подъема электродов составляет 2,5—6,0 м/мин, скорость опускания 1,0— 2,0 м/мин.
• Механизм наклона печи должен плавно наклонять печь в сторону выпускного отверстия на угол 40—45° для выпуска стали и на угол 10—15 градусов в сторону рабочего окна для спуска шлака. Станина печи, или люлька, на кото­рой установлен корпус, опирается на два – четыре опор­ных сектора, которые перекатываются по горизонталь­ным направляющим. В секторах имеются отверстия, а в направляющих – зубцы, при помощи которых предот­вращается проскальзывание секторов при наклоне печи. Наклон печи осуществляется при помощи рейки и зубча­того механизма или гидравлическим приводом. Два цилиндра укреплены на неподвижных опорах фундамента, а штоки шарнирно связаны с опорными секторами люль­ки печи.
• Система загрузки печи бывает двух видов: через за­валочное окно мульдозавалочной машиной и через верх при помощи бадьи. Загрузку через окно применяют только на небольших печах.
• При загрузке печи сверху в один-два приема в тече­ние 5 мин меньше охлаждается футеровка, сокраща­ется время плавки; уменьшается расход электроэнергии; эффективнее используется объем печи. Для загрузки пе­чи свод приподнимают на 150—200 мм над кожухом печи и поворачивают в сторону вместе с электродами, полностью открывая рабочее пространство печи для введения бадьи с шихтой. Свод печи подвешен к раме. Она соеди­нена с неподвижными стойками электрододержателей в одну жесткую конструкцию, покоящуюся на поворотной консоли, которая укреплена на опорном подшипнике. Крупные печи имеют поворотную башню, в которой со­средоточены все механизмы отворота свода. Башня вра­щается вокруг шарнира на катках по дугообразному рельсу. Бадья представляет собой стальной цилиндр, диаметр которого меньше диаметра рабочего простран­ства печи. Снизу цилиндра имеются подвижные гибкие сектора, концы которых стягиваются через кольца тро­сом. Взвешивание и загрузка шихты производятся на шихтовом дворе электросталеплавильного цеха. Бадья на тележке подается в цех, поднимается краном и опус­кается в печь. При помощи вспомогательного подъема крана трос выдергивают из проушин секторов и при подъеме бадьи сектора раскрываются и шихта вывали­вается в печь в том порядке, в каком она была уложе­на в бадье.
• При использовании в качестве шихты металлизован-ных окатышей загрузка может производиться непрерыв­но по трубопроводу, который проходит в отверстие в сво­де печи.
• Во время плавления электроды прорезают в шихте три колодца, на дне которых накапливается жидкий ме­талл. Для ускорения расплавления печи оборудуются поворотным устройством, которое поворачивает корпус в одну и другую сторону на угол в 80°. При этом элек­троды прорезают в шихте уже девять колодцев. Для по­ворота корпуса приподнимают свод, поднимают электро­ды выше уровня шихты и поворачивают корпус при по­мощи зубчатого венца, прикрепленного к корпусу, и шестерен. Корпус печи опирается на ролики.
• Современные крупные сталеплавильные дуговые печи во время работы выделяют в атмосферу большое коли­чество запыленных газов. Применение кислорода и по­рошкообразных материалов еще более способствует это­му. Содержание пыли в газах электродуговых печей достигает 10 г/м^3 и значительно превышает норму. Для улавливания пыли производят отсос газов из рабочего пространства печей мощным вентилятором. Для этого в своде печи делают четвертое отверстие с патрубком для газоотсоса. Патрубок через зазор, позволяющий накло­нять или вращать печь, подходит к стационарному тру­бопроводу. По пути газы разбавляются воздухом, необ­ходимым для дожигания СО. Затем газы охлаждаются водяными форсунками в теплообменнике и направляют­ся в систему труб Вентури, в которых пыль задержива­ется в результате увлажнения. Применяют также тка­невые фильтры, дезинтеграторы и электрофильтры. Ис­пользуют системы газоочистки, включающие полностью весь электросталеплавильный цех, с установкой зонтов дымоотсоса под крышей цеха над электропечами.
• Для перемешивания металла в крупных дуговых пе­чах, для ускорения и облегчения проведения технологи­ческих операций скачивания шлака под днищем печи в коробке устанавливается электрическая обмотка, кото­рая охлаждается водой или сжатым воздухом. Обмотки статора питаются от двухфазного генератора током низ­кой частоты, что создает бегущее магнитное поле, кото­рое захватывает ванну жидкого металла и вызывает дви­жение нижних слоев металла вдоль подины печи в на­правлении движения поля. Верхние слои металла вместе с прилегающим к нему шлаком движутся в обратную сторону. Таким образом можно направить движение ли­бо в сторону рабочего окна, что будет облегчать выход шлака из печи, либо в сторону сливного отверстия, что будет благоприятствовать равномерному распределению легирующих и раскислителей и усреднению состава ме­талла и его температуры. Этот метод в последнее время имеет ограниченное применение, так как в сверхмощных печах металл активно перемешивается дугами.
• Плавка стали в основной дуговой электропечи.
• Сырые материалы.
• Основным материалом для электроплавки является стальной лом. Лом не должен быть сильно окисленным, так как наличие большого количества ржавчины вносит в сталь значительное количество водо­рода. В зависимости от химического состава лом необходимо рассор­тировать на соответствующие группы. Основное количество лома, предназначенное для плавки в электропечах, должно быть компакт­ным и тяжеловесным. При малой насыпной массе лома вся порция для плавки не помещается в печь. Приходится прерывать процесс плавки и подгружать шихту. Это увеличивает продолжительность плавки, приводит к повышенному расходу электроэнергии, снижает производительность электропечей. В последнее время в электропечах используют металлизованные окатыши, полученные методом прямого восстановления. Достоинством этого вида сырья, содержащего 85— 93 % железа, является то, что оно не загрязнено медью и другими примесями. Окатыши целесообразно применять для выплавки высо-копрочных конструкционных легированных сталей, электротехниче­ских, шарикоподшипниковых сталей.
• Легированные отходы образуются в электросталеплавильном це­хе в виде недолитых слитков, литников; в обдирочном отделении в виде стружки, в прокатных цехах в виде обрези и брака и т, д.; кро­ме того много легированного лома поступает от машиностроитель­ных заводов. Использование легированных металлоотходов позволя­ет экономить ценные легирующие, повышает экономическую эффек­тивность электроплавок.
• Мягкое железо специально выплавляют в мартеновских печах и конвертерах и применяют для регулирования содержания углерода в процессе электроплавки. В железе содержится 0,01—0,15 % С и
• Подготовка материалов к плавке.
• Все присадки в дуговые печи необходимо прокаливать для уда­ления следов масла и влаги. Это предотвращает насыщение стали водородом. Ферросплавы подогревают для ускорения их проплавле-ния. Присадка легирующих, раскислителей и шлакообразующих в современной печи во многом механизирована. На бункерной эстака­де при помощи конвейеров происходит взвешивание и раздача мате­риалов по мульдам, которые загружаются в печь мульдовыми маши­нами. Сыпучие для наводки шлака вводят в электропечи бросатель­ными машинами.
• Технология плавки.
• Плавка в дуговой печи начинается с заправки печи. Жидкоподвижные нагретые шлаки сильно разъедают футеровку, которая может быть повреждена и при загруз­ке. Если подина печи во время не будет закрыта слоем жидкого металла и шлака, то она может быть повреж­дена дугами. Поэтому перед началом плавки производят ремонт – заправку подины. Перед заправкой с поверх­ности подины удаляют остатки шлака и металла. На по­врежденные места подины и откосов – места перехода подины в стены печи – забрасывают сухой магнезито­вый порошок, а в случае больших повреждений – порошок с добавкой пека или смолы.
• Заправку производят заправочной машиной, выбрасывающей через. насадку при помощи сжатого воздуха заправочные материалы, или, разбрасывающей материалы по окружности с быстро вращающего­ся диска, который опускается в открытую печь сверху.
• Загрузка печи.
• Для наиболее полного использования рабочего пространства печи в центральную ее часть бли­же к электродам загружают крупные куски (40 %), ближе к откосам средний лом (45%), на подину и на верх загрузки мелкий лом (15%). Мелкие куски долж­ны заполнять промежутки между крупными кусками.
• Период плавления.
• Расплавление шихты в печи зани­мает основное время плавки. В настоящее время многие операции легирования и раскисления металла переносят в ковш. Поэтому длительность расплавления шихты в основном определяет производительность печи. После окончания завалки опускают электроды и включают ток. Металл под электродами разогревается, плавится и сте­кает вниз, собираясь в центральной части подины. Элек­троды прорезают в шихте колодцы, в которых скрыва­ются электрические дуги. Под электроды забрасыва­ют известь для наведения шлака, который закрывает обнаженный металл, предохраняя его от окисления. По­степенно озеро металла под электродами становится все больше. Оно подплавляет куски шихты, которые пада­ют в жидкий металл и расплавляются в нем. Уровень металла в печи повышается, а электроды под действием автоматического регулятора поднимаются вверх. Про­должительность периода расплавления металла равна 1—3 ч в зависимости от размера печи и мощности уста­новленного трансформатора. В период расплавлени» трансформатор работает с полной нагрузкой и даже с 15 % перегрузкой, допускаемой паспортом, на самой вы­сокой ступени напряжения. В этот период мощные дуги не опасны для футеровки свода и стен, так как они за­крыты шихтой. Остывшая во время загрузки футеровка может принять большое количество тепла без опасности ее перегрева. Для ускорения расплавления шихты ис­пользуют различные методы. Наиболее эффективным яв­ляется применение мощных трансформаторов. Так, на печах вместимостью 100 т будут установлены трансфор­маторы мощностью 75,0 МВ-А, на 150-т печах трансфор­маторы 90—125 МВ*А и выше. Продолжительность плавления при использовании мощных трансформаторов уменьшается до 1–1,5 ч. Кроме того, для ускорения рас­плавления применяют топливные мазутные или газовые горелки, которые вводят в печь либо через рабочее ок­но, либо через специальное устройство в стенах. Приме­нение горелок ускоряет нагрев и расплавление шихты, особенно в холодных зонах печи. Продолжительность плавления сокращается на 15—20 мин.
• Эффективным методом является применение газооб­разного кислорода. Кислород подают в печь как через стальные футерованные трубки в окно печи, так и при помощи фурмы, опускаемой в печь сверху через отвер­стие в своде. Благодаря экзотермическим реакциям окис­ления примесей и железа выделяется дополнительно большое количество тепла, которое нагревает шихту, ускоряет ее полное расплавление. Использование кисло­рода уменьшает длительность нагрева ванны. Период расплавления сокращается на 20—30 мин, а расход элек­троэнергии на 60—70 кВт-ч на 1 т стали.
• Традиционная технология электроплавки стали пре­дусматривает работу по двум вариантам: 1) на свежей шихте, т.е. с окислением; 2) переплав отходов. При плавке по первому варианту шихта состоит из простых углеродистых отходов, малоуглеродистого лома, метал-лизованных окатышей с добавкой науглероживателя. Избыточное количество углерода окисляют в процессе плавки. Металл легируют присадками ферросплавов для получения стали нужного состава. Во втором варианте состав стали почти полностью определяется составом от­ходов и легирующие добавляют только для некоторой корректировки состава. Окисления углерода не произ­водят.
• Плавка с окислением.
• Рассмотрим ход плавки с окис­лением. После окончания периода расплавления начи­нается окислительный период, задачи которого заклю­чаются в следующем: окисление избыточного углерода, окисление и удаление фосфора; дегазация металла; уда­ление неметаллических включений, нагрев стали.
• Окислительный период плавки начинают присадкой железной руды, которую дают в печь порциями. В ре­зультате присадки руды происходит насыщение шлака FeO и окисление металла по реакции: (FeO)=Fe+[O]. Растворенный кислород взаимодействует с рас­творенным в ванне углеродом по реакции [C] +[O]=CO. Происходит бурное выделение пузырей CO, ко­торые вспенивают поверхность ванны, покрытой шлаком. Поскольку в окислительный период на металле наводят известковый шлак с хорошей жидкоподвижностью, то шлак вспенивается выделяющимися пузырями газа. Уро­вень шлака становится выше порога рабочего окна и шлак вытекает из печи. Выход шлака усиливают, накло­няя печь в сторону рабочего окна на небольшой угол. Шлак стекает в шлаковик), стоящую под рабочей пло­щадкой цеха. За время окислительного периода окисля­ют 0,3—0,6 % C со средней скоростью 0,3—0,5 % С/ч. Для обновления состава шлака одновременно с рудой в печь добавляют известь и небольшие количества плави­кового шпата для обеспечения жидкоподвижности шлака.
• Непрерывное окисление ванны и скачивание окисли­тельного известкового шлака являются непременными условиями удаления из стали фосфора. Для протекания реакции окисления фосфора 2[P]+5[O]=(P2O5); (Р2O5)+4(СаО)==(СаО)4*P2O5 необходимы высокое содержание кислорода в металле и шлаке, повышенное содержание CaO в шлаке и пониженная температура.
• В электропечи первые два условия полностью выпол­няются. Выполнение последнего условия обеспечивают наводкой свежего шлака и постоянным обновлением шлака, так как шлак, насыщенный (СаО)4*P2O5 скачи­вается из печи. По ходу окислительного периода проис­ходит дегазация стали—удаление из нее водорода и азо­та, которые выделяются в пузыри СО, проходящие через металл.
• Выделение пузырьков СО сопровождается также и удалением из металла неметаллических включений, ко­торые выносятся на поверхность потоками металла или поднимаются наверх вместе с пузырьками газа. Хоро­шее кипение ванны обеспечивает перемешивание метал­ла, выравнивание температуры и состава.
• Общая продолжительность окислительного периода составляет от 1 до 1,5 ч. Для интенсификации окисли­тельного периода плавки, а также для получения стали с низким содержанием углерода, например хромоникелевой нержавеющей с содержанием углерода
• Окислительный период заканчивается, когда содер­жание углерода становится ниже заданного предела, со­держание фосфора 0,010%, температура металла не­сколько выше температуры выпуска стали из печи. В кон­це окислительного периода шлак стараются полностью убирать из печи, скачивая его с поверхности металла.
• Восстановительный период плавки.
• После скачивания окислительного шлака начинается восстановительный пе­риод плавки. Задачами восстановительного периода плав­ки являются: раскисление металла, удаление серы.коррек-тирование химического состава стали, регулирование температуры ванны, подготовка жидкоподвижного хоро­шо раскисленного шлака для обработки металла во вре­мя выпуска из печи в ковш. Раскисление ванны, т. е. уда­ление растворенного в ней кислорода, осуществляют при­садкой раскислителей в металл и на шлак. В начале восстановительного периода металл покрывается слоем шлака. Для этого в печь присаживают шлакообразующие смеси на основе извести с добавками плавикового шпата, шамотного боя, кварцита. В качестве раскисли­телей обычно используют ферромарганец, ферросили­ций, алюминий. При введении раскислителей происходят следующие реакции:
• [Mn]+[O]=(MnO); [Si]+2 [О] = (SiO2); 2[Al]+ 3[O]-(Al2O3).
• В результате процессов раскисления большая часть растворенного кислорода связывается в оксиды и удаля­ется из ванны в виде нерастворимых в металле неметал­лических включений. Процесс этот протекает достаточно быстро и продолжительность восстановительного периода в основном определяется временем, необходимым для образования подвижного шлака. В малых и средних пе­чах при выплавке ответственных марок сталей продолжа­ют применять метод диффузионного раскисления стали через шлак, когда раскислители в виде молотого электродного боя, порошка ферросилиция присаживают на шлак. Содержание кислорода в шлаке понижается и в соответствии с законом распределения кислород из ме­талла переходит в шлак. Метод этот, хотя и не оставля­ет в металле оксидных неметаллических включений, тре­бует значительно большей затраты времени. В восстано­вительный период плавки, а также при выпуске стали под слоем шлака, когда происходит хорошее перемешивание металла со шлаком, активно происходит десульфурация металла. Этому способствует хорошее раскисление ста­ли и шлака, высокое содержание извести в шлаке и вы­сокая температура. В ходе восстановительного периода вводят легирующие – ферротитан, феррохром и др., а некоторые, например никель, присаживают вместе с ших­той. Никель не окисляется и не теряется при плавке. Добавки тугоплавких ферровольфрама, феррониобия производят в начале рафинирования, так как нужно зна­чительное время для их расплавления. В настоящее вре­мя большинство операций восстановительного периода переносят из печи в ковш. Например, в кош вводят пор­ции легирующих или дают их на струю стали, вытекаю­щей из печи при ее наклоне. Присаживают по ходу вы­пуска раскислители. Целью восстановительного периода является обеспечение нагрева стали до заданной темпе­ратуры и создание шлака, десульфурирующая способ­ность которого используется при совместном выпуске из печи вместе со сталью.
• Одношлаковый процесс.
• В связи с интенсификацией процесса электроплавки в последние годы получил боль­шое распространение метод плавки в дуговой печи под одним шлаком. Сущность этого метода заключается в следующем: дефосфорация металла совмещается с пе­риодом расплавления. Во время расплавления из печи скачивают шлак и производят добавки извести. В окис­лительный период выжигают углерод. По достижении в металле
• Переплав отходов.
• На заводах специальных сталей количество образую­щихся отходов достигает 25—40 % от выплавляемой стали. Часть отходов поступает с машиностроительных заводов, поэтому в электросталеплавильных цехах 50 % легированных сталей выплавляют из шихты, состоящей только из них. Рациональное использование отходов да­ет большую экономию легирующих, электроэнергии, по­вышает производительность электропечей. В СССР ле­гированные отходы разделяют на 82 группы. При расчете шихты стремятся использовать максимальное количе­ство отходов данной марки стали или наиболее близких марок
• Шихту составляют с таким расчетом, чтобы содержа­ние углерода в ванне по расплавлении было на 0,05— 0,10 % ниже заданного маркой стали. Необходимые ле­гирующие, неокисляющиеся добавки Ni Cu, Mo, W за­гружают вместе с шихтой, а прочие – V, Тi, Cr, Mn, Al, Si, Nb – стремятся вводить как можно позднее на раз­ных стадиях плавки, в том числе и во время выпуска в ковш. Металл заданного состава получают в процессе рафинировки или в ковше. Во время плавки наводят вы-сокоосновной, жидкоподвижный шлак, который частично скачивают из печи. Это позволяет удалить до 30 % фос­фора. Если состав металла близок к расчетному, то, не скачивая шлака, приступают к раскислению шлака мо­лотым коксом, ферросилицием и алюминием. При этом легирующие элементы восстанавливаются из шлака и пе­реходят в металл, например так восстанавливается оксид хрома: 2(Cr2O3)+3 (Si)=3(SiO2)+4 [Cr]. Продолжи­тельность восстановительного периода в этом варианте технологии такая же, как и в плавках с окислением. Плавка на отходах значительно короче (примерно на 1 ч) по сравнению с плавкой на свежей шихте за счет окислительного периода. Это увеличивает производи­тельность электропечей на 15—20 % и сокращает расход электроэнергии на 15 %.
• Методы интенсификации электросталеплавильного процесса.
• Применение кислорода. Использование газообразного кислорода в окислительный период плавки и в периодрасплавления позволяет значительно интенсифицировать процессы расплавления и окисления углерода.