Выплавка стали в дуговых печах

В электрической дуговой печи шихта нагревается теплом электрической дуги, возникающей между электродами и металлом.

Сталеплавильные печи строятся трехфазными, с непроводящей подиной. Ток в них протекает по цепи: электрод — дуга — шлак— металл — шлак — электрод. Печи этого типа наиболее распространены, емкость таких печей достигает 150 т, в зависимости от футеровки они могут быть основными или кислыми.

Печь представлена на рис. 82. Она состоит из следующих частей: кожуха, огнеупорной футеровки, съемного свода, устройства для крепления и передвижения электродов, опоры и механизма наклона.

Кожух выполняется из листового железа цилиндрической формы, с плоским или сферическим днищем. В нем имеется проем для загрузочного окна и желоб для выпуска металла.

Футеровка основной печи магнезитовая, а кислой — динасовая. Магнезитовая подина выдерживает до 2500, а стены — до 150 плавок, после чего требуют ремонта. Свод прогорает значительно быстрее, и поэтому делается съемным, сменным. Он набирается в опорном кольце и целиком ставится на печь при прогаре предыдущего. В своде имеются отверстия для прохода через него электродов.

Круглые электроды бывают графитированные и угольные.

Первые дороже, но значительно более устойчивы при эксплуатации. Отверстия в своде обрамлены водоохлаждаемыми кольцевыми холодильниками, уплотняющими вход электродов в свод и предохраняющими электроды от окисления. Диаметр электродов выбирается в зависимости от мощности печей (достигает 400 мм).

Для закрепления электродов и подвода к ним тока служат электрододержатели, позволяющие передвигать электроды в вертикальном направлении. С помощью гибких шин электрододержатели соединены с шинами питающего печь трансформатора. Иногда подвеска электродов и подвод тока выполняются раздельно. Обычно печи оборудуются понизительными трансформаторами, принимающими ток от сетей высокого напряжения (6000— 10 000 в) и преобразующими его до 90—280 в.

Расход электроэнергии для плавки достигает 600—1000 квт-ч на 1 т стали.

Днище печи сферической формы, обрамляющие его балки лежат на станине, укрепленной на фундаменте. С помощью мотора и редуктора печь может наклоняться на 45° в сторону слива металла и на 15° в сторону рабочего окна для слива через него шлака. Наибольшее применение получили печи с основной футеровкой.

Высокая стоимость электроплавки делает невыгодным проведение в электропечах скрап-рудного процесса для получения рядовой стали. Их используют обычно для выплавки стали ответственных марок из лома с добавкой необходимого количества чугуна.

Плавке подвергают обрезки проката, брак слитков, отходы кузнечных и прессовых цехов и другие материалы, к которым добавляют такие же флюсы, как и при мартеновском процессе. В качестве легирующих добавок используют как различные ферросплавы, так и чистые металлы — никель, кобальт и др.

Плавку ведут либо без окисления углерода — применительно к переплавке отходов легированной стали, либо с окислением углерода, подобно скрап-процессу в мартеновских печах. В последнем случае на подину печи загружают шихту, состав которой выбирают в соответствии с выплавляемой маркой стали, чтобы содержание в ней углерода было на 0,5—0,6% выше, чем в готовой стали, а содержание хрома минимальным. Загрузка печи осуществляется вручную или завалочной машиной.

На подину засыпают наиболее чистый и мелкий лом, на который укладывают крупные куски шихты, тщательно размещаемые под электродами. После этого электроды опускаются до шихты и включают печь в цепь трансформатора.

При этом загорается дуга, расплавляющая металл в первую очередь под электродами. Сталкивая в образующуюся ванну куски лома, можно достигнуть более быстрого расплавления всей садки. Далее, подобно скрап-процессу в мартеновской печи, следует кипение металла, его раскисление и доводка.

Для повышения основности шлака в печь добавляют известь, что способствует удалению из стали фосфора. Образующийся так называемый плавильный шлак частично сливается через загрузочное окно при небольшом наклоне печи, с этим шлаком удаляется основная часть фосфора; также сливается и окислительный шлак после периода кипения.

Раскисление и доводка при электроплавке, называемые рафинированием, протекают при восстановительной атмосфере и высокой температуре. Сталь с малым содержанием углерода выплавляют под белым шлаком (состоящим из 80% извести и 20% плавикового шпата), содержащим не более 1,5% FeO. Сталь с повышенным содержанием углерода получают под карбидным шлаком, получаемым за счет добавки некоторого количества углерода, образующего карбид кальция. В печь, наряду с известью и шпатом, вводят молотый кокс и древесный уголь, при этом содержащаяся в шлаке закись железа восстанавливается, и шлак светлеет. Карбидный шлак содержит не более 0,5% FeO. Процесс восстановления ускоряется добавкой в печь ферросилициевого порошка, при этом белый шлак содержит до 65% извести. Снижение содержания закиси железа в шлаке сопровождается снижением ее содержания в металле. Такое раскисление называется диффузионным и основано на законах распределения вещества между двумя несмешивающимися жидкостями. Такими несмешивающимися жидкостями являются металл и шлак. В том и другом растворена закись железа, причем при каждой определенной температуре отношение концентраций закиси железа в металле и шлаке оказывается постоянным и называется коэффициентом распределения.

где CFeO и CFeO — концентрации закиси железа в шлаке и металле.

При понижении концентрации закиси железа в шлаке закись железа, растворенная в металле, начинает переходить в шлак до тех пор, пока концентрация ее в металле не снизится до величины, обеспечивающей постоянство коэффициента распределения. Таким образом, меняя концентрацию закиси железа в шлаке, можно менять ее в металле. На этом же принципе основано и удаление серы из металла, так как сера содержится в стали в виде сернистого железа, растворимого до некоторой степени в металле и шлаке.

Применение кислорода при электроплавке стали получило распространение преимущественно при выплавке в дуговых печах нержавеющих сталей из отходов, так как производство их без кислорода сильно затрудняется науглероживающим действием электродов. Кислород является при этом не только интенсификатором плавки, но и необходимым технологическим фактором, позволяющим получать металл требуемого качества.

Применение кислорода позволило получать в дуговых печах высоколегированную сталь с содержанием углерода не более 0,03—0,07%, которую до этого получали только в индукционных печах небольшой емкости.

He менее эффективно применение кислорода в производстве конструкционных, инструментальных и других массовых сталей.