Шлаковый режим выплавки конструкционной стали в ДСП

2 КОНСТРУКЦІЯ Й ПАРАМЕТРИ  ДУГОВИХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНИХ ПЕЧЕЙ.  ОСНОВНІ МЕХАНІЗМИ ДСП

2.1 Конструкція й параметри  дугових сталеплавильних печей

Основним фактором, що визначає головні конструктивні особливості існуючих дугових сталеплавильних печей, є спосіб завантаження металевого брухту.

Існують два способи завантаження шихти:

• через робоче вікно мульдами;
• зверху через відкрите зведення завантажувальними кошиками або баддями.

Завантаження зверху має  безсумнівні переваги, тому завантаження мульдами залишилося на деяких заводах у старих цехах, переважно ливарних. Як правило, печі із завантаженням мульдами мають невелику ємність. Вони встановлюються на опорні сектори, які кріплять безпосередньо до кожуха печі.

При завантаженні зверху піч монтують на несучій колисці, яка опирається на сектори. Портал (пристрій для підйому й опускання зведення печі) може кріпитися на колисці разом з піччю або опиратися на окремі сектори.

Залежно від схеми опор на фундамент, печі із завантаженням  зверху підрозділяють на чотири типи:

• печі з корпусом, що викочується; у печах цього типу механізмами, укріпленими на порталі, зведення піднімає, а корпус розташованого на фундаменті печі, викочується убік пічного прольоту під завантаження або для ремонту футерівки; портал печей такого типу опирається на два окремі сектори;
• печі з відкатним порталом, який переміщається для завантаження або ремонтних цілей або убік пічного, або убік розливного прольотів; відкіт порталу здійснюється за допомогою електромеханічного привода по спеціальних рейках – напрямним. У печах такого типу портал опирається на загальну з корпусом печі колиску;

Таблиця 2.1 - Характеристики дугової сталеплавильної печі

печі зі зведенням, що нахиляється; підняте зведення нахиляється разом з порталом убік розливного прольоту, для цього портал опирається на один або два незалежні від печі сектори;

• печі зі зведенням, що відвертаються; підняте зведення разом зі стійками й напівпорталом повертається в горизонтальній площині навколо вертикальної осі на 80 –90°, відкриваючи робочий простір, у таких печах напівпортал монтують на колисці разом з піччю або він опирається на окремий сектор.

У цей час більшість  ДСП – печі зі зведенням, що відвертаються. Для зручності організації робіт у цеху дугові сталеплавильні печі виготовляють у лівому або правому виконанні, що дозволяє групувати допоміжне устаткування на дві печі. Виконання печі визначається розташуванням струмопідводу від шин трансформатора до електродотримачів, якщо дивитися на піч із боку зливального жолобу [1].

2.2 Основні механізми дугової  сталеплавильної печі

Дугова сталеплавильна піч  являє собою складний агрегат, оснащений  великою кількістю вузлів і механізмів, основними з яких є:

• днище печі;
• кожух печі;
• звідне кільце;
• опорна конструкція для установки кожуха;
• механізм нахилу печі для зливу металу й скачування шлаку;
• електродотримачі;
• механізми затискача й пересування електродів;
• механізм підйому зведення;
• механізм викочування порталу зі зведення або корпуса печі або механізм закота зведення;
• пристрій для електромагнітного перемішування рідкого металу.

Кожух дугової  сталеплавильної печі

Кожух або каркас дугової  сталеплавильної печі служить для  підтримки вогнетривкої футерівки й кріплення різних механізмів. По геометрії верхньої частини кожуха ДСП можна класифікувати на наступні види:

• циліндричні;
• циліндроконічні;
• бочкоподібні.

Нижню частину кожуха печі роблять у вигляді усіченого  конуса або сферичною. До верхньої частини кожуха приварене лите кільце жолобчастого типу, яке одночасно відіграє роль твердої конструкції й служить пісковим затвором печі.

У кожусі передбачено два  отвори для робочого вікна й зливного жолоба. До нижньої частини кожуха кріпиться днище печі – сферичне, плоске або конічне. Найбільш раціональною формою днища є сферична. На електропечах ємністю більше 25 тонн зазвичай встановлюють пристрій електромагнітного перемішування сталі. У цьому випадку днище печі роблять із немагнітної сталі. Так як звичайна сталь, будучи магнітним екраном, послаблює магнітне зчеплення між статором пристрою, що перемішує, і ванною. Днище з немагнітної сталі кріплять до корпуса печі тільки болтами через різні коефіцієнти теплового розширення конструкційної сталі кожуха й немагнітної сталі днища [2].

Звідне кільце дугової сталеплавильної печі

Звідне кільце дугової сталеплавильної печі служить для формування вогнетривами зведення печі, а також для зняття й переміщення зведення при завалці печі. Останнім часом крім того служить для кріплення водоохолоджуємих секцій зведення.

Зведення на малих і середніх печах – зазвичай розпірної конструкції. На великих печах – розпірно - підвісної конструкції з підвіскою центральної частини.

Як правило звідне кільце водоохолоджуєме. До нього приварюється знизу по периметру ніж піскового затвора для поліпшення герметизації робочого простору печі при закритому зведенні.

У середині зведення є:

• три отвори для проходу графітизованих електродів, центри яких лежать на окружності із центром у центрі зведення;
• один отвір для відводу газів з робочого простору печі;
• одне або кілька отворів для фурм, що подають кисень (не обов'язково).

Опорна конструкція  для установки кожуха                                                дугової сталеплавильної печі

Опорна конструкція для  установки кожуха дугової сталеплавильної  печі служить для фіксації корпуса  печі при її русі. До нижньої частини кожуха приварюють кільцевий опорний брус, яким кожух опирається на чотири або вісім тумб із опорними й упорними роликами.

Тумби встановлюють на рамі двосекторної колиски, що опирається секторами на металеві фундаментні балки. Зрушення колиски при нахилі печі запобігається шипами, що входять при нахилі в отвори фундаментних балок.

Механізм нахилу дугової сталеплавильної печі

Механізм нахилу дугової  сталеплавильної печі призначений  для нахилу печі убік сталевипускного отвору на кут до 45° для зливу металу й шлаку наприкінці плавки й для нахилу печі убік робочого майданчика на кут до 15° при скачуванні шлаку або сходженні його з печі самопливом.

Вимоги до механізму нахилу печі:

• повинен забезпечувати плавний нахил з регульованою швидкістю;
• повинен бути захищений від влучення бризків металу й шлаку;
• повинен забезпечити нахил печі у випадку прориву металом подини.

Існують два типи виконання  механізму:

• бічний;
• нижній.

Бічний краще захищений  від бризків металу й шлаку і недоступний металу при прориві подини. Однак він дуже чутливий до перекосів у конструкції. Нижній тип механізму найпоширеніший.

По типу приводів механізми  нахилу печі діляться теж на два  типи:

• с електромеханічним приводом;
• с гідравлічним приводом.

Гідравлічний привід простіше й надійніше в експлуатації. У  цей час він застосовується на всіх нових печах.

Електродотримачі  дугової сталеплавильної печі

Електродотримачі дугової  сталеплавильної печі (ДСП) призначені для утримання електродів на заданій висоті й для підведення до них електричного струму.

Вимоги до конструкції  електродотримачів дугових сталеплавильних  печей:

• повинна забезпечувати надійне утримання електродів при всіх еволюціях печі;
• повинна забезпечувати мінімальні електричні втрати в місці контакту із графітизованим електродом;
• повинна забезпечити можливість перепуску електродів по вертикалі;
• повинна бути досить твердою для виключення прогину під вагою електрода й виникнення вібрації.

Електродотримач дугової сталеплавильної печі складається з:

• головки електродотримача;
• затискного пристрою;
• рукава;
• каретки або телескопічної стійки;
• твердої частини вторинного струмопідводу;
• механізму переміщення електрода.

Головка електродотримача складається  із двох частин:

• механічно міцного тримача;
• струмопідвідного пристрою з можливо більш малим електричним опором (як правило із бронзи).

У місці контакту щік струмопідвідного пристрою щільність струму не перевищує 2,6 А/см². Головка електродотримача водоохолоджуєма.

Механізм затискача  електродів дугової сталеплавильної  печі

На сучасних великих дугових  сталеплавильних печах застосовують три типи механізмів затискача електродів:

• пружинно-пневматичні;
• пружинно-гідравлічні;
• пневматичні.

У перших двох типах затискаючого пристрою затискання електрода здійснюється зусиллям пружини, переданим через важелі й тяги на хомут.

Електрод звільняється при  подачі в пневмо- або гідроциліндр повітря або робочої рідини, які  переміщають поршень і стискають  пружину. Зусилля пружин досягають 20 тонн.

На малих печах застосовують клинові й кліщові затискачі  електродів.

Механізм пересування  електродів                                                               дугової сталеплавильної печі

Механізм пересування  електродів у дуговій сталеплавильній  печі призначений для переміщення  всієї рухомої частини електродотримача разом з електродом щодо нерухомої частини електродотримача й, в остаточному підсумку, щодо корпуса печі, необхідне для підняття електродів під час завалки шихти й регулюванні довжини дуги.

У всіх механізмах використаний принцип руху електрода вниз за рахунок  власної ваги й використовуються противаги для компенсації ваги рухомої частини електродотримача разом з електродом для зниження потужності електромоторів і маси конструкції.

Механізми по конструкції  бувають двох типів:

• кареточний – рухома частина пересувається щодо нерухомої за допомогою каретки;
• телескопічний – рухома частина входить усередину нерухомої.

Переміщення каретки електродотримача по нерухомій стійці або переміщення телескопічної стійки електродотримача може здійснюватися електромеханічним або гідравлічним приводом.

Електромеханічний привод буває  двох типів:

• рейковий - зусилля електромотора передається через пружну муфту й черв'ячний редуктор на рейку рухомої частини електродотримача;
• з гнучким зв'язком – зусилля електромотора передається на каретку або телескопічну стійку за допомогою троса.

Переваги електромеханічного привода – простота конструкції, швидка заміна елементів, що вийшли з ладу. Недоліки електромеханічного привода – низька точність у регулюванні ходу.

Недоліки гнучкого зв'язку – тривалість часу запізнювання через  пружну деформацію троса, складність заміни троса.

Переваги гідроприводу –  мала інерційність, плавність ходу й малі габарити. Недоліки гідроприводу – складність устаткування, низький  ресурс ущільнюючих матеріалів, присутність  великого обсягу робочої рідини в  пожежонебезпечному місці.

Механізми підйому  й закота                                                                            зведення дугової сталеплавильної печі

Механізм підйому зведення дугової сталеплавильної печі призначений для підйому зведення на 120 - 150 мм при викочуванні ванни або відводу або закота зведення для завантаження шихти або ремонті печі й на 40 – 50 мм при обертанні корпуса під час розплавлення шихти. Існують три конструктивні схеми механізму підйому зведення:

• для рухомого порталу – механізм установлюється на порталі, який після підйому зведення відкочується убік робочого майданчика;
• для нерухомого порталу – механізм установлюється на нерухомому порталі, після підйому зведення піч викочується на робочий майданчик;
• на поворотному напівпорталі – механізм закріплений на потужному поворотному напівпорталі.

Складається як правило з одного або двох електромоторів, відповідного числа редукторів і двох систем з'єднання редукторів з ланцюгами підйому зведення. Зведення на ланцюгах Галля підвішене у чотирьох точках.

Механізм викочування  порталу зі зведенням або корпуса печі.                   Механізм закота зведення ДСП

Як правило, механізми  викочування порталу дугової  сталеплавильної печі – електромеханічні й зібрані на самому порталі.

Механізм викочування  корпуса печі – гідравлічний й оснащений захистом від влучення бризків металу й шлаку.

Механізм повороту зведення електромеханічний або гідравлічний, кріпиться в підстави напівпорталу. Напівпортал опирається через вал на роликові підшипники. Привод механізму йде безпосередньо на вал. Час закота зведення 30 сек.

Пристрій для  електромагнітного перемішування  рідкого металу                                  в дуговій сталеплавильній печі

Пристрій електромагнітного  перемішування рідкого металу в  дуговій сталеплавильній печі раніше застосовувалося в печах ємністю  більше 25 тонн і був призначений для перемішування металу й шлаку після розплавлення для активізації фізико-хімічних процесів, вирівнювання температури й складу металу за обсягом ванни й для полегшення операції скачування шлаку з печі.

Сутність електромагнітного  перемішування полягає в тому, що за допомогою розташовуваного  під днищем печі пристрою у ванні  рідкого металу наводяться індукційні струми. Взаємодія струму з електромагнітним полем, яке створюється пристроєм, викликає появу електродинамічних ефектів, що приводять нижні шари металу в рух.

Відомі два способи  електромагнітного перемішування:

• за допомогою поля, створюваного обертовим електромагнітом (ротором) – не знайшов широкого застосування, тому що виникаючий рух металу в печі носить некерований характер;
• за допомогою поля, що «що біжить», створюваного нерухомим електромагнітом «статором».

Механізм обертання  кожуха дугової сталеплавильної  печі

Призначений для повороту корпуса печі навколо вертикальної осі на кут 40° в один й в інший бік щодо нормального положення для пропалювання більшої кількості колодязів під електродами під час розплавлення шихти (на нерухомій печі 3 колодязя, на печі з рухомим корпусом – 9 колодязів). Практично у даний час зустрічається рідко й застосовується на старих печах у ливарних цехах [5].

2.3 Шихтові матеріали для  електроплавки сталі

Для одержання сталі в електропечах (електроплавки) необхідні наступні шихтові матеріали: металева частина, шлакоутворюючі, окиснювачі, розкислювачі, легуючі, навуглецьовувачі.

2.3.1 Металева частина шихти  електроплавки сталі

Основу шихти для електропечей становить металевий брухт: на 1 т виплавлюваній в електропечах сталі витрачається ~950 кг брухту. Приблизно третина цієї кількості становлять брак, ливарні відходи, обрізь злитків, відходи при прокатці й куванні, а також стружка від обдирання злитків, тобто власні відходи металургійних заводів. Інша частина складається з відходів, що повертаються заводами-споживачами, і брухту, зібраного відділеннями підприємствами збирачами брухту, у тому числі, і підприємствами Вторчермета.

Крім того, в обмежених  кількостях використовується спеціально виплавлювана шихтова заготовка  — м'яке залізо, а також передільний  чавун і губчате залізо у вигляді  металізованих обкотишів.

Металевий брухт ділиться на дві групи:

• нелегований – група А,
• легований – група Б, відходи.

Нелегований (вуглецевий) брухт не повинен бути забруднений кольоровими металами (свинцем, цинком, оловом і ін.), особливо нікелем, міддю й миш'яком, які практично повністю переходять із шихти в метал і можуть суттєво впливати на його властивості. Небажане також, щоб у вуглецевих відходах містилося >0,05% Р, тому що видалення таких кількостей фосфору збільшує тривалість окисного періоду, тому металевий брухт повинен бути відділений від брухту кольорових металів і розсортований за походженням.

На заводах якісних  сталей в електросталеплавильних цехах  виплавляють сотні різних марок  легованої сталі. Частина з них  містить елементи, що не піддаються окисненню, що важко видаляються при використанні звичайних процесів. Відходи, що містять такі елементи, можуть бути використані при виплавці сталі певного сортаменту. Відходи легованих сталей повинні бути розсортовані в групи марок, близьких по складу, і зберігатися окремо від інших відходів. Відходи складнолегованих сталей слід зберігати за марками.

Металевий брухт повинен мати певні габарити. Дрібний брухт, як правило, більш окиснений, засмічений і забруднений маслом. Значна окисленість брухту не дозволяє точно оцінити частку вигару металу, у результаті цього склад готової сталі може не відповідати заданому. Розкладання в зоні дуг іржі (гідрату оксиду заліза) і масла призводить до появи в атмосфері печі атомного водню, що інтенсивно поглинається брухтом.

Мала насипна щільність  дрібного брухту не дозволяє завалити в піч усю шихту в один прийом, внаслідок чого після розплавлення першої порції шихти доводиться робити підвалювання. Це знижує продуктивність печі й збільшує втрати тепла.

Особливі труднощі представляє  переплав стружки. Довга кручена  стружка ускладнює завантаження; як правило, вона сильно забруднена брухтом і вже на місці одержання змішується з відходами сталі інших марок, а часто й зі стружкою кольорових металів. Із цих причин стружку слід переплавляти на заводах Вторчермета й електросталеплавильним цехам поставляти виготовлені з неї болванки з відомим хімічним складом.

Стружка, що поставляється  безпосередньо в електросталеплавильні  цехи, повинна бути спресована й  випалена.

Небажане, щоб у шихті  були надмірно великі шматки (браковані  злитки, недоливи й т.п.). У дуговій печі можна розплавляти великогабаритний брухт, але тривалість плавлення при цьому збільшується, тривалий час доводиться працювати на високій потужності, що знижує стійкість футерівки.

Для одержання сталі деяких марок у складі шихти вводять попередньо виплавлену заготовку. Найчастіше ця заготовка являє собою низьковуглецеву сталь із обмеженим вмістом вуглецю, фосфору й сірки, тобто м'яке залізо, отримане методом плавки на свіжій шихті. М'яке залізо набагато дорожче вуглецевого брухту і його використання підвищує собівартість сталі. Уведення в шихту м'якого заліза може бути виправдане тільки технологічними ускладненнями при виплавці сталі заданого складу.

У зв'язку з дефіцитом  якісного брухту для електроплавки протягом тривалого часу вишукують матеріали, які могли б замінити брухт. Зокрема, неодноразово вживали спроби замінити частину брухту передільним чавуном. Однак усі ці спроби були безуспішні. При переділі чавуну на сталь необхідно окиснити значну кількість вуглецю, кремнію, фосфору, а електропечі погано пристосовані для проведення окисних процесів.

 Для плавки сталі в дугових печах усе більш широке застосування знаходить губчате залізо у вигляді металізованих обкотишів (90— 95 % Fe_заг, 85—90 % Fe_мет). Перевагами застосування губчатого заліза замість скрапу й брухту є: однорідність і надійність контролю хімічного складу, низький вміст кольорових металів, можливість безперервного автоматичного завантаження в піч, підвищення продуктивності печі, зменшення рівня шуму під час плавлення.

Ці переваги компенсують  недоліки використання губчатого заліза — підвищення витрати електроенергії, обумовлене ростом витрати вапна для нейтралізації порожньої породи губчатого заліза й, отже, збільшення кількості шлаку у печі [5].

2.3.2 Шлакоутворюючі матеріали, що застосовуються                                                         в дуговій сталеплавильній печі

При виплавці сталі в основних дугових печах для утворення основного шлаку використовують: вапно, вапняк, плавиковий шпат, шамотний бій, пісок.

 Найбільш важливою складовою шлакових сумішей є вапно, яке одержують випалом вапняку в шахтних печах при 1100—1300 °С. Хімічний склад випаленого вапна: СаО – 88 %, SiО₂ – 2 %, MgО – не більше 1,5 %, Fe₂O₃ + Al₂O₃ – не більше 1,5 %, S – не більше 0,15 %.

 Для виплавки високоякісної  сталі використовують тільки  свіжевипалене вапно. При зберіганні вапно інтенсивно поглинає вологу з повітря з утворенням гідрооксиду кальцію Са(ОН)₂, який розсипається в порошок. Волога, внесена вапном у піч, викликає збагачення сталі воднем, тому застосування пилуватого вапна (так званої «пушонки») в електропечах неприпустимо.

 Замість вапна в  окисний період можна використовувати  невипалений вапняк. Застосовують вапняк, що містить > 97% СаСО₃ (> 54% СаО). Вапняк не гігроскопічний, його можна зберігати тривалий час. Розкладання СаСО₃ в електропечі викликає виділення бульбашок СО₂, які забезпечують перемішування металу й шлаку і сприяють дегазації металу. Недоліком застосування вапняку замість вапна є додаткова витрата електроенергії на розкладання СаСО₂.

 Для зменшення в'язкості  високоосновного шлаку застосовують плавиковий шпат (СаF₂), пісок і шамотний бій. Особливо сильно знижує в'язкість СаF₂.

Використання СаF₂ дозволяє розріджувати високоосновний шлак без зменшення його основності, що особливо важливо для ефективного видалення сірки. Широко застосовуваний для наведення шлаку плавиковий шпат зазвичай містить 90—95% СаF₂, < 3,0% SiО₂ і < 0,2% S.

Пісок також знижує температуру  плавлення основного шлаку, але при цьому зменшується основність шлаку, тому в основних печах пісок має обмежене застосування, у той час як у кислих він є головним шлакоутворюючим матеріалом. Основна вимога щодо піску - високий (> 95%) вміст SiО₂. При виплавці нержавіючих сталей і для розрідження густого магнезіального шлаку іноді використовують бій шамотних вогнетривів, що містять 60% SiО₂ і 35% Al₂O₃.

2.3.3 Окиснювачі, що застосовуються в ДСП

Для інтенсифікації окисних  процесів у метал необхідно вводити  кисень. Джерелами кисню слугують: залізна руда, окалина, агломерат, газоподібний кисень.

Залізну руду застосовують при виплавці сталі методом повного окиснення. Присадження руди невеликими порціями забезпечує тривале рівномірне кипіння металу без підвищення температури металу, так як руда, що присаджується,  постійно охолоджує метал. Це має особливе значення для ефективного видалення фосфору.

Руду вводять під час  завалки й в окисний період. Руда, що присаджується в окисний період через шлак, повинна бути в шматках певного розміру, бажано 50 - 110 мм у діаметрі, так як дрібна руда розчиняється в шлаці, а великі шматки викликають бурхливе вспінення металу й шлаку. Руда повинна задовольняти й вимогам за хімічним складом, тобто містити багато оксидів заліза й мало кремнезему, сірки й фосфору.

Іноді замість руди використовують агломерат і окалину від прокату. Окалина від прокату вуглецевих сталей є найбільш чистим окиснювачем, але внаслідок малої щільності вона затримується в шлаці і погано засвоюється брухтом.

Для інтенсифікації окиснення  вуглецю під час окисного періоду  плавки на свіжій шихті, а також для  швидкого підвищення температури металу, окиснення надлишкового вуглецю  й супутніх домішок при переплаві легованих відходів широко застосовують продувку металу киснем.

Газоподібний кисень чистотою ~ 99,5% подають у ванну під тиском 1 - 1,2 МПа, Основною вимогою до газоподібного кисню, є низький вміст вологи (< 1 г/м³), тому перед продувкою кисень повинен бути осушений у спеціальних поглиначах вологи [2].

2.3.4 Розкислювачі й легуючі, що застосовуються в ДСП

Для розкислення сталі та її легування в дуговій сталеплавильній печі розкислювачі й легуючі елементи застосовують у чистому виді або у вигляді сплавів. Сплави, застосовувані в якості розкислювачів і легуючих, повинні задовольняти наступним вимогам:

Максимальний вміст основного легуючого елемента в сплаві. При низькому вмісті легуючих елементів зростає маса присадки, що збільшує тривалість її проплавлення, підвищується витрата електроенергії й знижується продуктивність печі. Для більш швидкого розчинення феросплавів тугоплавких металів (феровольфраму й феромолібдену) бажано мати більш низький їх вміст у сплаві.

Мінімальна кількість  у сплаві шкідливих для сталі  домішок, шлакових включень і газів. Це особливо важливо, так як значну частину їх присаджують у піч лише до кінця плавки, коли рафінування ванни вже закінчене.