Раздел 3. Производство стали

Цель раздела 3:

Ознакомиться с современными технологиями при производстве стали

План раздела 3:

3.1. Конвертерное производство стали

3.2. Мартеновское производство стали

3.3. Выплавка стали в электрических печах

3.4. Внепечная обработка стали

3.5. Комплексные технологии внепечной обработки чугуна и стали

Цель подраздела 3.4:

Ознакомиться с современными технологиями при производстве стали в электрических печах

План подраздела 3.4:

3.3.1. Общая характеристика дуговых электропечей

3.3.2. Выплавка стали в основных дуговых электропечах

3.3.3. Выплавка стали в кислых дуговых электропечах

3.3.4. Электродуговые печи постоянного тока

3.3.5. Выплавка стали в индукционных печах

3.3.6. Современные технологии в электросталеплавильном производстве

3.3.1. Общая характеристика дуговых электропечей

В настоящее время для массовой выплавки стали применяют:

- дуговые электропечи, питаемые переменным током,

- индукционные печи,

- дуговые печи постоянного тока (получающие распространение в последние годы),

причем доля печей последних двух видов в общем объеме выплавки невелика.

В дуговых печах переменного тока в течение многих десятилетий выплавляли основную часть высококачественных легированных и высоколегированных сталей (сталей электропечного сортамента), которые было затруднительно либо невозможно выплавлять в конвертерах и мартеновских печах.

Основные достоинства дуговых электропечей заключаются в возможности:

- быстро нагреть металл, благодаря чему в печь можно вводить большие количества легирующих добавок;

- иметь в печи восстановительную атмосферу и безокислительные шлаки (в восстановительный период плавки), что обеспечивает малый угар вводимых в печь легирующих элементов;

- возможность более полно, чем в других печах, раскислять металл, получая его с более низким содержанием оксидных неметаллических включений, а также получать сталь с более низким содержанием серы в связи с ее хорошим удалением в безокислительный шлак;

- плавно и точно регулировать температуру металла.

3.3.2. Выплавка стали в основных дуговых электропечах

Основной составляющей шихты (75-100 %) электроплавки является стальной лом. Лом не должен содержать цветных металлов и должен иметь минимальное количество никеля и меди; желательно, чтобы содержание фосфора в ломе не превышало 0,05 %. При более высоком содержании фосфора продолжительность плавки возрастает. Лом не должен быть сильно окисленным (ржавым).

В электросталеплавильном производстве для легирования и раскисления применяются практически все известные ферросплавы и легирующие.

Технология плавки с окислительным и восстановительным периодами или традиционная технология применяется в течение десятилетий на печах вместимостью =s 40 т для выплавки высококачественных легированных сталей. Эту технологию называют также двухшлаковой, а процесс плавки – двухшлаковым, поскольку по ходу плавки вначале (периоды плавления и окислительный) в печи наводят окислительный шлак, то есть содержащий много оксидов железа, а затем его сливают и в восстановительном периоде наводят новый (второй) шлак, не содержащий оксидов железа. До недавнего времени (до широкого внедрения процессов внепечной обработки) плавка в электродуговых печах по этой технологии была единственным способом получения легированных высококачественных сталей и такие стали назывались сталями "электропечного сортамента". Высокое качество металла обеспечивалось за счет того, что в окислительном периоде создавались условия  для удаления до очень  низких  содержаний фосфора и для дегазации металла (удаления растворенных водорода и азота за счет кипения ванны), а в восстановительном периоде — условия для получения низких содержаний кислорода и серы и соответственно оксидных и сульфидных неметаллических включений, а также для ввода в металл легирующих добавок без их значительного угара.

Плавка состоит из периодов:

1) заправка печи;

2) загрузка шихты;

3) плавление;

4) окислительный период;

5) восстановительный период;

6) выпуск стали.

3.3.3. Выплавка стали в кислых дуговых электропечах

Электрические печи с кислой футеровкой обычно используют в литейных цехах при выплавке стали для фасонного литья. Емкость их колеблется от 0,5 до 6-10 т.

Широкое распространение кислых электропечей в литейных цехах   связано   с   тем,   что   кислая   футеровка   более   термостоика, чем основная, что позволяет эксплуатировать печь с перерывами, требуемыми по условиям работы многих литейных цехов (работа в одну или две смены).

Преимуществом кислых печей по сравнению с основными является более высокая стойкость футеровки; наряду с этим стоимость кислых огнеупоров примерно в 2,5 раза ниже стоимости основных. Поскольку при плавке стали для фасонного литья восстановительный период обычно отсутствует, длительность плавки в кислой печи меньше, чем в основной печи той же емкости; по этой причине, а также в связи с меньшей теплопроводностью кислой футеровки, более низким является и расход электроэнергии.

Основным недостатком кислых печей является то, что во время плавки из металла не удаляются сера и фосфор.

3.3.4. Электродуговые печи постоянного тока

Преимущества дуговых сталеплавильных печей постоянного тока:

- уменьшение удельного расхода электродов на 50-60 % (на большинстве зарубежных печей он составляет 1,1-1,3 кг/т);

- небольшое увеличение производительности печи (~ на 5 %) и снижение расхода электроэнергии (на 5 %) и угара металла при плавлении;

- облегчение ведения плавки в связи с тем, что протекание тока по объему ванны вызывает электромагнитное перемешивание металла;

- снижение уровня создаваемого дугами шума (на 10-15 дБ) благодаря отсутствию перерывов в горении дуги;

- при наличии одного верхнего электрода, располагаемого по оси печи, обеспечивается равномерный износ футеровки стенки по ее периметру и снижение расхода огнеупоров (~ на 10 %);

- почти нет вибрации электродов, вызываемой перерывами горения дуг на печах, питаемых переменным током; такая вибрация передается механическому оборудованию и вызывает поломки электродов;

- уменьшение примерно вдвое обратного отрицательного воздействия печи на питающую сеть (работа мощных печей переменного   тока   вызывает   мерцание   тока   и   напряжения   в питающих печь электросетях, что ведет к нарушению нормальной работы других потребителей энергии);

- некоторое упрощение конструкции печи в связи с наличием одного электрода.

Промышленное внедрение дуговых сталеплавильных печей постоянного тока началось в 1981-1985 гг., после того как были созданы мощные, недорогие и простые в эксплуатации выпрямители (преобразователи переменного тока в постоянный). В качестве последних в основном используют тири-сторные выпрямители (преобразователи).

В печах постоянного тока электрическая дуга горит между вводимым в рабочее пространство сверху графитированным электродом (одним, иногда тремя) и жидким металлом или твердой шихтой, к которым напряжение подводят с помощью располагаемых в подине специальных токопроводящих устройств (подовых электродов). К верхнему графитированному электроду от источника питания подводят отрицательный, а к металлической ванне — положительный электрический потенциал, т.е. графитированный электрод постоянно является катодом, а металлическая ванна г- анодом электрической цепи. Благодаря этому электрическая дуга постоянного тока горит более стабильно, так как нет ее затухания и зажигания, происходящих 50 раз в секунду в случае питания печи переменным током частотой 50 Гц.

3.3.5. Выплавка стали в индукционных печах

В индукционной бессердечниковой печи металл расплавляют в тигле, расположенном внутри индуктора, который представляет собой спираль с несколькими витками из токопроводяшего материала. Через индуктор пропускают переменный ток; создаваемый при этом внутри индуктора переменный магнитный поток наводит в металле вихревые токи, которые обеспечивают его нагрев и плавление.

Существуют также печи с железным сердечником, применяемые в цветной металлургии.

Важная особенность индукционных печей – интенсивная циркуляция жидкого металла, вызываемая взаимодействием электромагнитных полей, возбуждаемых, с одной стороны, токами, проходящими по индуктору и, с другой, вихревыми токами в металле.

Индукционные печи имеют следующие преимущества по сравнению с дуговыми:

1) отсутствуют высокотемпературные дуги, что уменьшает поглощение водорода и азота и угар металла при плавлении;

2)незначительный угар легирующих элементов при переплаве легированных отходов;

3)малые габариты печей, позволяющие поместить их в закрытые камеры и вести плавку и разливку в вакууме или в атмосфере инертного газа;

4) электродинамическое перемешивание, способствующее получению однородного по составу и температуре металла.

Основными недостатками индукционных печей являются малая стойкость основной футеровки и низкая температура шлаков, которые нагреваются от металла; из-за холодных шлаков затруднено удаление фосфора и серы при плавке.

Индукционные печи делят на два типа:

1) питаемые током повышенной частоты;

2) питаемые током промышленной частоты (50 Гц).

Важная особенность индукционных печей - интенсивная циркуляция жидкого металла, вызываемая взаимодействием электромагнитных полей, возбуждаемых, с одной стороны, токами, проходящими по индуктору и, с другой, вихревыми токами в металле.

Основные преимущества вакуумной индукционной плавки обусловлены наличием вакуума, обеспечивающего рафинирование от ряда примесей и раскисление углеродом, а также отсутствием контакта металла с окислительной атмосферой. Выплавляемые при этом сталь и сплавы содержат пониженные количества азота, примесей цветных металлов, кислорода и неметаллических включений, почти не содержат водорода; все это повышает целый ряд служебных свойств сталей.

Отсутствие контакта с кислородом атмосферы позволяет выплавлять стали и сплавы, содержащие легкоокисляющиеся элементы без их угара.

Недостатком вакуумных индукционных печей является следующий фактор: при длительной выдержке в результате реагирования с окислами футеровки металл загрязняется кислородом и неметаллическими включениями, а также восстанавливаемыми из футеровки элементами (кремнием, алюминием и др.).

3.3.6. Современные технологии в электросталеплавильном производстве

1. Процесс Consteel

2. Двухкорпусные печи

3. Шахтные электросталеплавильные печи

Процесс Consteel

Процесс Consteel является инновационным решением в электросталеплавильном производстве, которое позволяет значительно экономить энергоресурсы и повышает эффективность и экологичность производства стали в электропечах.

Особенностью этой технологии является непрерывная подача металлолома по конвейеру в электросталеплавильную печь. Таким образом, процесс плавки становится фактически непрерывным. При этом обеспечивается постоянное плоское зеркало металла, над которым горят электроды, а расплавление поступающего металлолома происходит в ванне жидкого металла, что приводит к повышению стабильности процесса. Емкость таких печей составляет от 40 до 320 т. Преимущества технологии Consteel:

- сокращение расхода электроэнергии на 80-120 кВт·ч/т и электродов за счет повышения стабильности процесса и подогрева шихты;

- повышение производительности печи за счет непрерывности процесса;

- лучшие условия для шлакообразования и более благоприятная атмосфера в печи.

- повышение стойкости футеровки печи;

- снижение более чем на 40% затрат на материально-техническое обеспечение, персонал и обработку отходов производства.

- пониженное содержание FeO в шлаке, снижение содержания азота, фосфора и водорода в стали;

- снижение уровня шума и повышение экологичности производства.

Двухкорпусные печи

Двухкорпусные печи в первую очередь характеризуются повышенной производительностью. Такая печь состоит из двух ванн (корпусов) и одной системы питания с одним (печь постоянного тока) или тремя (печь переменного тока) электродами, которые переставляются с одной ванны на другую.

Пока в одном корпусе идет плавка металла с помощью электродов в другом корпусе происходит подогрев шихты отходящими газами из первого корпуса или газовыми горелками. При этом время плавки сокращается на 40%, а за счет подогрева шихты достигается снижение расхода электроэнергии на 40-60 кВт·ч/т. Встречаются печи, в которых электроды установлены на двух ваннах, однако в этом случае теряется экономический эффект от сокращения капитальных затрат на строительство агрегата.

Преимуществом данного агрегата является возможность выплавки стали из жидкого чугуна и металлолома (или DRI) практически в любых пропорциях.

В целом, комбинация конвертера и дуговой печи в одном агрегате дает следующие преимущества по сравнению с обычной дуговой печью:

- широкий выбор металлошихты;

- высокая производительность;

- низкий расход электроэнергии в результате использования химической энергии окисления примесей металлошихты;

- уменьшение требуемой электрической мощности;

- снижение удельного расхода электродов;

- меньшее влияние на токоподводящие сети, возможность работы при маломощных электросетях;

- снижение затрат на электрооборудование.

Шахтные электросталеплавильные печи

Особенностью конструкции шахтной электросталеплавильной печи является наличие шахты, в которой производится подогрев металлолома перед загрузкой его в печь. Такая шахта устанавливается сверху над сводом обычной дуговой печи. Шахт может быть одна или две. Температура до которой можно подогреть металлолом составляет 800 °С. Экономия электроэнергии за счет такого предварительного подогрева металлолома составляет 70…100 кВт·ч/т. Через шахту загружается до 60% металлолома, остальной (например крупногабаритный) загружается в саму ванну печи, для этого шахта отодвигается в сторону. Цикл плавки составляет 35…50 минут от выпуска до выпуска. Кроме экономии электроэнергии обеспечивается также сокращение расхода электродов на 30% и повышение производительности на 40%.

Данный процесс появился сравнительно недавно (в конце 80-х годов 20 века), поэтому поиск оптимальных конструкции такой печи продолжается.

Преимущества системы EPС:

- энергосбережение до 100 кВт·ч/т;

- увеличение производительности на 20%;

- независимая завалка лома;

- минимальный выброс пыли;

- быстрая окупаемость (около 12 месяцев).