книги / Снижение экологической нагрузки при обращении со шлаками черной металлургии

2.3.1. Дуговая плавильная печь

Дуговая электропечь состоит из рабочего пространства с электродами и токоподводами и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение электродов и загрузку шихты (рис. 2.8).

Плавку стали ведут в рабочем пространстве печи, ограниченном сверху куполообразным сводом, снизу сферическим по-

12 11

Рис. 2.8. Схема дуговой плавильной печи [2]

Дуговая печь питается трехфазным переменным током. Имеет три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы, закрепленных в электрододержателях 8, к которым подводится электрический ток по кабелям 7. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга. Корпус печи имеет форму цилиндра. Снаружи он заключен в прочный стальной кожух 4, внутри футерован основным или кислым кирпичом 1. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6. Съемный свод 6 имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса – рабочее окно 10 (для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке

61

заслонкой. Готовую сталь выпускают через сливное отверстие со сливным желобом 2. Печь опирается на секторы и имеет привод 11 для наклона в сторону рабочего окна или желоба. Печь загружают при снятом своде.

С помощью поворотного механизма печь может наклоняться в сторону сталевыпускного отверстия или рабочего окна. Вместимость дуговых печей может составлять 0,5–400 т.

Вметаллургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных – с кислой.

Восновной дуговой печи можно осуществить плавку двух

видов:

−без окисления примесей методом переплава шихты из легированных отходов;

−с окислением примесей на углеродистой шихте.

Плавка без окисления примесей. Шихта для такой плавки должна иметь низкое содержание фосфора и меньшее, чем в выплавляемой стали, содержание марганца и кремния. Производят нагрев и расплавление шихты. По сути это переплав. Однако в процессе плавки часть примесей окисляются (алюминий, титан, кремний, марганец).

После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак. При необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Затем проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак мелкораздробленный ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Плавкой без окисления примесей выплавляют стали из отходов машиностроительных заводов.

Плавка с окислением примесей. Плавку применяют для производства конструкционных сталей и ведут на углеродистой шихте. В печь загружают шихту, состоящую из стального лома (~90 %), чушкового передельного чугуна (до 10 %), электродного боя или кокса для науглероживания металла и извести (2–3 %). Затем опускают электроды, включают ток и начинают плавку. Шихта под действием тепла дуги плавится, металл накапливает-

62

ся на подине печи. Во время плавления шихты кислородом воздуха, оксидами шихты окисляются железо, кремний, фосфор, марганец и частично углерод. Оксид кальция и оксиды железа образуют основной железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла.

После прогрева металла и шлака до температуры 1500–1550 °С в печь загружают руду и известь; начинается период кипения. Когда содержание углерода становится меньше заданного на 0,1 %, кипение останавливают и удаляют из печи шлак. Затем проводят удаление серы и раскисление металла, доведение химического состава до заданного. Раскисление проводят осаждением и диффузионным методом. После удаления железистого шлака в печь подают раскислители (силикокальций, силикомарганец) для осаждающего раскисления. Затем в печь загружают известь, плавиковый шпат, шамотный бой для получения высокоосновного шлака. После расплавления флюсов и образования высокоосновного шлака на его поверхность вводят раскислительную смесь для диффузионного раскисления (известь, ферросилиций, плавиковый шпат, молотый кокс). Углерод кокса и кремний ферросилиция восстанавливают оксид железа в шлаке, и содержание его в шлаке снижается.

Вэтот период создаются условия для удаления из металла серы, что объясняется высоким содержанием СаО в шлаке (около 60 %), низким содержанием FeO (менее 0,5 %) и высокой температурой металла.

Чтобы определить химический состав металла, берут пробы

ипри необходимости в печь вводят ферросплавы для получения заданного химического состава металла. Затем выполняют конечное раскисление стали и выпускают ее из печи в ковш.

Вдуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали. Это конструкционные, инструментальные, жаропрочные и жаростойкие стали.

63

2.3.2. Индукционная плавильная печь

Индукционная плавильная печь состоит из водоохлаждаемого индуктора, внутри которого находится тигель с металлической шихтой (рис. 2.9). Через индуктор от генератора высокой частоты проходит переменный ток повышенной частоты. Ток создает переменный магнитный поток, пронизывая куски металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи, нагревающие металл до расплавления и необходимых температур перегрева. Тигель может быть изготовлен из кислых и основных огнеупоров. Емкость тигля составляет до 25 т.

1

4

5

Рис. 2.9. Схемы индукционных плавильных печей:

а – тигельная; б – канальная; 1 – индуктор; 2 – расплавленный металл; 3 – тигель; 4 – магнитный сердечник; 5 – подовый камень

сканалом тепловыделения [9]

Всоответствии с заданным химическим составом металла при загрузке тщательно подбирают состав шихты. Необходимое для этого количество ферросплавов загружают на дно тигля вместе с шихтой. После расплавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и угара легирующих элементов, а также для защиты его от насыщения газами.

64

При плавке в кислой печи после расплавления и удаления шлака наводят новый шлак с высоким содержанием SiO2. Металл раскисляют ферросилицием, ферромарганцем и алюминием перед выпуском его из печи. В печах с кислой футеровкой выплавляют конструкционные стали, легированные другими элементами.

В печах с основной футеровкой выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, никеля, титана, алюминия.

Индукционные печи имеют ряд преимуществ перед дуговыми. Основными из них являются:

−отсутствие электрической дуги, что позволяет выплавлять сталь с низким содержанием углерода, газов и малым угаром элементов;

−наличие электродинамических сил, которые перемешивают металл в печи, способствуют выравниванию химического состава и всплыванию неметаллических включений;

−небольшие размеры печей позволяют помещать их в камеры, где можно создать любую атмосферу или вакуум.

К недостаткам этих печей относятся:

−недостаточная температура шлака для протекания металлургических процессов между металлом и шлаком;

−малая стойкость футеровки, что приводит к частым ремонтам и остановкам.

Поэтому в индукционных печах выплавляют сталь из легированных отходов методом переплава или методом сплавления чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов.

Шлаки (табл. 2.6) представляют собой многокомпонентные системы, в которых окислами, определяющими состав, являются

CaO, SiO2, Al2O3, MgO, FeO. Кроме того, они содержат оксиды Mn, P, Cr, Ba, S, Fe, V, Ti и др. По химическому составу в сталеплавиль-

ных шлаках 70–85 % занимают CaO, SiO2 и оксиды железа. Кроме того, они содержат металла до 12 мас. %. В сталеплавильный шлак металл попадает главным образом в результате его переноса пузырямиприкипенииванныилиеепродувкеинертнымигазами.

65

Таблица 2 . 6

Химический состав сталеплавильных шлаков [7]

Металл на предприятиях извлекается только из твердых шлаков при первичной переработке их в шлаковых отделениях и при вторичной – на дробильно-сортировочных установках. При первичной переработке шлака, осуществляемой в шлаковых отделениях сталеплавильных цехов, извлекается крупный стальной скрап, который большей частью свободен от шлаковых включений и примесей и часто не нуждается в дополнительной очистке. Зашлакованность такого скрапа обычно составляет 5–7 %. Форма этого скрапа чаще всего соответствует форме внутренней поверхности нижней части шлаковой чаши. Масса скрапа нередко достигает 2–3 т и больше. Весь крупный скрап перед возвращением в плавку разбивается или разрезается на габаритные куски.

Электросталеплавильные шлаки являются не менее ценным сырьем для использования в металлургическом производстве в качестве вторичных ресурсов. Для них существует несколько направлений утилизации как в собственном, так и в аглодоменном производстве и в строительной промышленности. Электросталеплавильные шлаки содержат значительное количество металла (до 12 %), поэтому при любом направлении их использования по всей технологической линии необходимо организовать извлечение металла. При использовании в строительстве основными видами продукции из шлаков являются щебень и граншлак. Шлак также можно использовать в собственном производстве, добавляя его в плавку взамен шлакообразующих мате-

66

ный шлак широко используется в доменном производстве в качестве флюсующей добавки и металлосодержащего материала, что положительно влияет на ход доменной плавки и производительность доменной печи [10].

2.3.3. Влияние элементного состава чугуна на плавку стали

Рассмотрим влияние кремния (Si), марганца (Mn), фосфора

(P) и серы (S) на процесс выплавки стали.

Кремний (Si) при окислении выделяет тепло, но одновременно с увеличением окислившегося кремния увеличивается количество наводимого шлака и продолжительность плавки. При окислении 1 кг кремния в чугуне образуется 2 кг кремнезема, для ошлаковывания которого требуется 5 кг извести или 10 кг известняка. Повышение содержания кремния в чугуне вызывает увеличение расхода железной руды, а также уменьшение выхода годной стали (потеря металла в шлаке).

Марганец (Mn) способствует интенсификации процесса обессеривания и положительно влияет на тепловой баланс плавки.

Присутствие фосфора (P) в чугуне нежелательно, так как удаление его в процессе плавки стали затруднительно. Содержание в чугуне более 0,3 % P недопустимо, в сталях с высоким содержанием углерода – не более 0,2 % Р.

Окисление фосфора и удаление его из металла имеет большое практическое значение, особенно при производстве высококачественных сталей. Фосфор является вредной примесью в стали, и даже незначительное повышение его содержания приводит к снижению ударной вязкости металла.

При высоком содержании фосфора сталь приобретает склонность к хладноломкости, т.е. к образованию трещин при деформации стали в условиях пониженных температур.

67

Фосфор растворен в жидком металле в виде химического соединения – фосфида железа Fe3Р.

Пентаоксид фосфора Р2О5 – неустойчивое, легко диссоциирующее при высоких температурах соединение. Он не растворяется в металле и переходит в шлак, образуя в условиях процесса

восновных электрических печах прочное соединение с оксидом кальция шлака. Чем меньше содержание марганца в металле, тем легче происходит окисление фосфора. Повышенное содержание хрома или других элементов, обладающих большим сродством к кислороду, также препятствует процессу дефосфорации металла. Кремний препятствует окислению фосфора даже

втех случаях, когда его содержание в стали составляет сотые доли процента.

Вусловиях кислой электропечи фосфор не удаляется. Поэтому при выплавке стали в кислых электропечах применяют шихтовые материалы, флюсующие раскислители и ферросплавы

сминимальным содержанием фосфора.

Присутствие серы (S) в чугуне нежелательно, так как удаление ее связано с большими трудностями и требует дополнительных затрат времени, топлива, электроэнергии и добавочных материалов. Чугуны для литья должны содержать не более 0,06 % S для основного процесса и 0,025 % – для кислого [7].

Сера хорошо растворяется в железе и является источником сульфидных включений в стали. При малых содержаниях в металле марганца в основном образуется сульфид железа FeS, температура плавления которого – 1193 °С; температура эвтек-

тики (30,9 % S и 69,1 % Fe) – 985 °С.

При затвердевании слитков и литых заготовок сера вызывает значительную химическую неоднородность. Источником загрязнения металла серой при выплавке стали в электропечах являются шихтовые и шлакообразующие материалы: лом, чугун, кокс, известь, плавиковый шпат, ферросплавы и др.

68

Повышенное содержание серы в стали приводит к образованию тонких эвтектических пленок сульфидов вокруг первичных кристаллов при затвердевании слитков и заготовок. В процессе их нагрева, горячей прокатки и ковки связь между кристаллами нарушается и на поверхности металла образуются трещины. Этот порок стали носит название красноломкости. Иногда серу специально вводят в металл для повышения производительности металлорежущих станков и точности механической обработки стальных изделий. Однако допустимое содержание серы в электростали большинства марок не превышает 0,025 %.

Существенное ускорение перехода серы из металла в шлак и большая глубина ее удаления достигаются за счет значительного увеличения поверхности контакта металлической и шлаковой фаз. Для этого шлак, предназначенный для рафинирования стали, или выплавляют в специальной дуговой шлакоплавильной печи с угольной футеровкой и сливают порциями по 3–5 % от массы металла в сталеразливочный ковш перед выпуском стали из электропечи, или образуют расплавлением присадок шлакообразующих и раскислителей на поверхности ванны в самой дуговой печи и обеспечивают его преимущественный слив в сталеразливочный ковш перед выпуском плавки.

Сталь содержит определенное количество водорода, азота, кислорода и неметаллических включений в виде сульфидов, оксидов и нитридов различного состава. Как правило, высокие требования к качеству электростали означают в числе прочего и минимальное содержание в металле водорода, азота и кислорода. Существуют специальные марки стали, для которых азот используется как легирующий элемент, и его содержание в металле нормировано.

Газообразные водород, азот и кислород в твердой стали могут находиться в форме газовых пузырей или в виде твердого раствора и химических соединений. Азот для ряда сталей используют как легирующий элемент (до 0,5 %), так как он, по-

69

добно никелю, повышает ударную вязкость и сопротивление стали коррозии и способствует образованию в высокохромистых сталях аустенитной структуры. Легирование стали азотом осуществляют различными приемами: присадкой в металл кусков азотированных ферросплавов (содержание азота до 7 %); продувкой расплава в ковшах через погружные фурмы газообразным азотом или порошком цианамида кальция (19 % азота и 20 % углерода).

Как правило, сталь, выплавленная в дуговой печи, содержит азота больше, чем мартеновская и конвертерная сталь того же состава. Это связано с ионизацией воздуха в зоне электрических дуг и более интенсивным переходом азота в металл из шлака.

Источниками насыщения стали газами являются шихтовые материалы, легирующие (ферросплавы), раскислители, шлакообразующие и окислители (руда, агломерат и др.). Большое количество водорода вносит легковесный лом с ржавчиной, состоящей из Fe(OH)3.

Избыточное содержание в раскисленном металле перед разливкой водорода и азота приводит к образованию в слитках и непрерывно литых заготовках газовых пузырей, не заваривающихся в процессе горячей деформации металла на прокатных станах, прессах и молотах и в то же время недопустимых

вготовом прокате.

Спонижением температуры растворимость газов в металле резко уменьшается. При кристаллизации часть водорода удаля-

ется из металла в атмосферу, но частично водород остается в металле в виде пузырей и раствора. После затвердевания выделение растворенного водорода из стали продолжается, сопровождаясь образованием в металле различных дефектов (флокенов, трещин и др.), приводящих к браку металлопроката.

Повышенное содержание в стали азота приводит к увеличению загрязненности металла неметаллическими включениями, снижению механических свойств стали и ухудшению ее сва-

70