Производство стали в дуговой печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Производство стали в дуговой печи

Введение

Производство стали - это сложный физико-химический процесс, при котором протекают химические реакции в жидком металле и шлаке, а также на границах между жидким металлом и шлаком, между шлаком и газовой печной средой.

Сталь производят в мартеновских и электрических печах, а также в конвертерах. Если еще недавно 80% стали производили в мартеновских печах, сейчас производство стали идет по пути применения новых прогрессивных технологий.

В настоящее время электродуговые печи являются самыми эффективными и экологически чистыми сталеплавильными агрегатами, используемыми для массового производства стали с повышенными потребительскими свойствами.

Целью данного курсового проекта является ознакомление с методами производства стали в современных условиях и более подробное изучение производства стали в дуговой печи.

Для этого необходимо выполнить следующие задачи:

а) Изучить литературу по теме исследования;

б) Описать основные свойства стали и ее применение;

в) Сравнить основные промышленные способы производства стали;

г) Рассмотреть специфику промышленных методов получения стали в дуговой печи;

д) Описать технологию производства стали в дуговой печи;

е) Рассмотреть технику безопасности и охрану труда при получении стали, а также воздействия электросталеплавильных производств на окружающую среду;

ж) Выполнить материально-тепловые расчеты.

1. Общие сведения о классификации и производстве стали

1.1 Классификация и маркировка стали

дуговой сталь печь шихта

Сталь - это железоуглеродистый сплав, содержащий до 2,0% углерода, и ряд других элементов (марганец, кремний, фосфор, сера и др.).

Для улучшения качества стали и придания ей особых свойств в ее состав вводят легирующие элементы. Такие стали называются легированными и по содержанию легирующих компонентов они делятся на низко-, средне- и высоколегированные. В низколегированной стали содержится обычно до 2,5% легирующих элементов, в среднелегированной - от 2,5% до 10%, в высоколегированной - более 10%.

В нашей стране установлены единые условные обозначения химического состава стали. Обозначение марки стали состоит из букв, указывающих, какие компоненты входят в состав стали (табл. 1) и цифр, характеризующих среднее содержание этих компонентов.

Первые две цифры маркировки стали обозначают среднее содержание углерода, выраженное в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях - для инструментальных и нержавеющих сталей.

Таблица 1.1.-Условные обозначения компонентов стали

Название компонента	Химический символ	Условное обозначение	Название компонента	Химический символ	Условное обозначение
Алюминий	Al	Ю	Медь	Cu	Д
Бор	B	Р	Молибден	Mo	М
Ванадий	V	Ф	Никель	Ni	Н
Вольфрам	W	В	Ниобий	Nb	Б
Кобальт	Co	К	Титан	Ti	Т
Кремний	Si	С	Углерод	C	У*
Марганец	Mn	Г	Хром	Cr	Х

*Обозначение используется лишь в марках качественной углеродистой инструментальной стали

Затем буквой указан легирующий элемент и цифрой справа от буквы - его содержание. Например, если сталь назначена маркой 3X13, это значит, что она содержит 0,3% углерода и 13% хрома. Если сталь легирована несколькими элементами, то все они указываются в обозначении марки: сталь 2Х17Н2 - 0,2% углерода, 17% хрома и 2% никеля. Если за буквой не стоят цифры, это значит, что содержание легирующего элемента не превышает 1,5%. Например, сталь 12ХНЗА содержит менее 1,5% хрома. Буква А в конце обозначения марки указывает на высокое качество стали.

По назначению стали делят на конструкционные; инструментальные; стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали применяют для изготовления ответственных строительных конструкций, деталей различных сложных машин, авиационных моторов, подшипников и других изделий. Эти стали могут быть углеродистыми или легированными. Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются хром и никель.

Инструментальные стали применяют для изготовления резцов, фрез, кувалд, калибров и другого режущего, ударно-штампового и мерительного инструмента. Стали этой группы также могут быть углеродистыми (содержание углерода - от 0,7 до 1,2%) или легированными. Важнейшие легирующие элементы инструментальных сталей - хром, марганец, кремний, вольфрам, ванадий.

К сталям и сплавам с особыми физическими свойствами относятся кислотостойкие, нержавеющие, жаропрочные, окалиностойкие, износоустойчивые, электротехнические стали, а также сплавы с высоким электрическим сопротивлением. Для химического состава сталей этой группы характерно низкое содержание углерода и высокое содержание легирующих элементов.

Помимо указанных элементов в стали находятся и растворенные в ней газы - кислород, водород, азот, которые ухудшают свойства стали, что проявляется в склонности к старению, то есть постепенному изменению механических свойств с течением времени (уменьшается пластичность и ударная вязкость с одновременным повышением пределов прочности, текучести и твердости металла).

1.2 Краткая характеристика способов производства стали

Получение стали из чугуна и скрапа происходит путем удаления (окисления) примесей из расплавленных шихтовых материалов. Такие процессы имеют место при производстве стали в мартеновских и двухванных печах; в кислородных конвертерах с верхней, донной и комбинированной продувкой; в дуговых и индукционных печах при плавке с применением кислорода.

Дуплекс-процесс - это процесс производства стали, ведущийся последовательно в двух сталеплавильных агрегатах, позволяющий наиболее эффективно использовать возможности каждого из них. Например, основная мартеновская печь - дуговая печь, конвертер - дуговая печь, основная - кислая мартеновская печь. Особые условия плавки в кислой мартеновской печи требуют очень низкого содержания серы и фосфора в шихте. Однако все дуплекс-процессы имеют наряду с преимуществами и существенные недостатки, выражающиеся в уменьшении производительности сталеплавильных агрегатов и в появлении организационных трудностей синхронизации работы различных сталеплавильных агрегатов.

Совершенствование внепечных способов обработки стали, обработка синтетическими шлаками, вакуумирование, продувка аргоном предопределяют развитие других видов дуплекс-процессов. Электропечь в этих процессах используется только как плавильный агрегат, доводка же металла осуществляется вне печи, в ковшах или реакторах конвертерного типа. Имеет перспективу развития и производство стали методом смешения, когда в одном из сталеплавильных агрегатов расплавляют углеродистый полупродукт, в другом - лигатуру, затем их сливают в один ковш.

В зависимости от назначения сталь производится одним из следующих способов. Стали массового назначения и часть низколегированных выплавляется, как правило, в конвертерах, мартеновских и двухванных печах. Это объясняется высокой производительностью указанных сталеплавильных агрегатов и большой потребностью народного хозяйства в таком металле.

Легированные и высоколегированные стали, в которых содержание легирующих элементов колеблется от нескольких сотых до нескольких десятков процентов, производят в основном в дуговых электропечах. Это объясняется меньшим угаром дорогостоящих легирующих элементов (наличие восстановительного периода), достижением высоких температур и получением более чистого металла по сере, фосфору и газам.

Стали, сплавы с особыми физическими свойствами выплавляют в дуговых сталеплавильных и индукционных печах. Для улучшения свойств этих сталей применяют методы переплава и специальной электрометаллургии, аргонно-кислородное (АОД) и вакуум-кислородное (ВОД) обезуглероживание.

2. Производство стали в дуговой печи

2.1 Виды и устройство дуговых печей

Дуговые печи нашли широкое применение в металлургии - главным образом для плавки стали и в несколько видоизменённом виде для выплавки ферросплавов и чугуна из руд, а также в химической промышленности - для производства карбида кальция, фосфора и др. продуктов. Электроэнергия в дуговую печь подаётся от трансформатора через медные шины и угольные или (чаще) графитированные электроды, большей частью круглого сечения. Наибольшее распространение получили трёхфазные дуговые печи, в которых дуги горят между тремя электродами и перерабатываемым материалом.

Рисунок 1. Схемы дуговых печей: а - прямого действия; б - косвенного действия; в-с закрытой дугой

Дуговые печи могут иметь основную или кислую футеровку. В металлургических цехах обычно используются дуговые электропечи с основной футеровкой, а в литейных цехах - с кислой.

Электрические печи с кислой футеровкой обычно используются в литейных цехах при выплавке стали для фасонного литья. Основным недостатком кислых печей является то, что во время плавки из металла не удаляются сера и фосфор.



Рисунок 2. Схема дуговой сталеплавильной печи прямого действия: 1 - электрод, 2 - футеровка, 3 - рабочая дверца; 4 - летка для выпуска жидкой стали, 5 - жидкая ванна, 6 - механизм наклона, 7 - электрододержатели

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

Плавку стали ведут в рабочем пространстве, ограниченном сверху куполообразным сводом, снизу сферическим подом и с боков стенками.

Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух. Съемный свод набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токопроводящие электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь питается трехфазным током.

Шихтовые материалы загружают на под печи, после их расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Плавление и нагрев осуществляется за счет тепла электрических дуг, возникающих между электродами и жидким металлом или металлической шихтой.

Выпуск готовой стали и шлака осуществляется через сталевыпускное отверстие и желоб путем наклона рабочего пространства. Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля за ходом плавки, ремонта пода и загрузки материалов.

Основной элемент конструкции дуговой печи - металлический корпус в виде кожуха, как правило, круглого сечения. Изнутри кожух футерован высокоогнеупорными материалами. Огнеупорная кладка съёмного свода печи выполнена в кольце.

Для загрузки шихты в печь свод обычно поднимают и отводят в сторону. В стенах дуговой печи имеются одно или два рабочих окна и одно выпускное отверстие с жёлобом для слива металла и шлака в ковш. В своде расположены отверстия для ввода электродов, снабжённые водоохлаждаемыми металлическими коробками (экономайзерами). Дуговая печь устанавливается на люльке для возможности наклона печи в сторону рабочего окна или выпускного отверстия при помощи механизма наклона с электрическим или гидравлическим приводом. Современные дуговые печи снабжены индукторами для электромагнитного перемешивания жидкой ванны. Дуговая печь строят различной ёмкости (до 250 т) с мощностью трансформатора до 85 000 кв.

2.2 Виды сырья для производства стали

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). С ржавчиной (гидратом окиси железа) вносится в металл много водорода. Лом должен быть тяжеловесным, чтобы обеспечивалась загрузка шихты в один прием (одной бадьей). При легковесном ломе после частичного расплавления первой порции шихты приходится вновь открывать печь и подсаживать шихту, что увеличивает продолжительность плавки.

В последнее время расширяется применение металлизованных окатышей и губчатого железа - продуктов прямого восстановления обогащенных железных руд. Они содержат 85-93% Fe, основными примесями являются окислы железа, SiO₂ и Al₂O₃. Отличительная особенность этого сырья - наличие углерода от 0,2 - 0,5 до 2% и очень низкое содержание серы, фосфора, никеля, меди и других примесей, обычно имеющихся в стальном ломе. Это позволяет выплавлять сталь, отличающуюся повышенной чистотой от примесей. Переплав отходов легированных сталей позволяет экономить дорогие ферросплавы. Эти отходы сортируют по химическому составу и используют при выплавке сталей, содержащих те же легирующие элементы, что и отходы.

Для повышения содержания углерода в шихте используют чугун, кокс и электродный бой. Основное требование к чугуну - минимальное содержание фосфора, поэтому чтобы не вносить много фосфора в шихту малых (40 т) печей не более 10% чугуна, а в большегрузных не более 25%.

В качестве шлакообразующих в основных печах применяют известь, известняк, плавиковый шпат, боксит, шамотный бой; в кислых печах - кварцевый песок, шамотный бой, известь. В качестве окислителей используют железную руду, прокатную окалину, агломерат, железные окатыши, газообразный кислород. К шлакообразующим и окислителям предъявляются те же требования, что и при других сталеплавильных процессах: известь не должна содержать более 90% CaO, менее 2% SiO₂, менее 0.1% S и быть свежеобоженной, чтобы не вносить в металл водород. Железная руда должна содержать менее 8% SiO₂, поскольку он понижает основность шлака, менее 0.05% S и мене 0.2% P; желательно применять руду с размером кусков 40-100 мм, поскольку такие куски легко проходят через слой шлака и непосредственно реагирует с металлом. В плавиковом шпате, применяемом для разжижения шлака, содержание CaF₂ должно превышать 85%. В электросталеплавильном производстве для легирования и раскисления применяются практически все известные ферросплавы и легирующие.

2.3 Заправка и плавление шихты в дуговой печи

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.

Горящая между концом электрода и холодным металлом дуга нестабильна, ее длина невелика и сравнительно небольшие изменения в положении электрода или металла (обвал, сдвиг подплавленного куска скрапа) вызывают либо обрыв дуги, либо, наоборот, короткое замыкание. 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.

Выплавка сталей включает следующие операции: расплавление металла, удаление содержащихся в нем вредных примесей и газов, раскисление металла, и выливание его из печи в ковш для разливки по изложницам или формам. Значение этих операций и требования, которые они предъявляют к дуговой печи, могут быть весьма различны.

Расплавление скрапа необходимо вести по возможности скорее и с минимальным расходом энергии. Зачастую длительность его превосходит половину продолжительности всей плавки и при этом расходуется 60-80% всей электроэнергии. Характерной особенностью периода является неспокойный электрический режим печи.

Рисунок 3. Этапы плавления шихты. а - начало плавления; б - опускание электрода; в-подъем электрода; с - окончание плавления

Ход плавления шихты в дуговой печи иллюстрируется рис. 3. Дуга загорается сначала между концом электрода и поверхностью шихты (рис. 3, а), причем для повышения ее устойчивости в первые минуты под электроды обычно подкладывают куски кокса или электродного боя. После сгорания последних начинает подплавляться металл и каплями стекать на подину.

В шихте образуются колодцы, в которые углубляются опускающиеся электроды (рис. 3 б) до тех пор, пока они не достигнут подины, на которой во избежание перегрева ее к этому моменту должна быть образована лужа расплавленного металла (рис. 3 в). Это самый беспокойный, неустойчивый период горения дуги; подплавляемые куски шихты падают на электрод, закорачивая дугу опускании куска шихты под торцом электрода может, наоборот, наступить обрыв тока. Горящая между электродом и расплавленным металлом дуга перегревает металл: начинается размыв и расплавление шихты, окружающей колодцы. Колодцы расширяются, уровень жидкого металла в ванне начинает повышаться, а электроды - подниматься (рис. 3в). В конце этого периода почти весь металл оказывается расплавленным; остаются лишь отдельные куски шихты на откосах («настыли», рис. 3г), расплавляющиеся последними. Чтобы не затягивать период расплавления, обычно эти «настыли» сбрасывают ломом в глубь ванны. Период расплавления считают законченным, когда весь металл в печи перешел в жидкое состояние. К этому моменту режим горения дуги становится более спокойным, так как температура в печи выше, поверхность металла покрыта слоем шлака, образованным заброшенными в печь в период расплавления кусками извести и всплывающими окислами; длина дуги по сравнению с началом расплавления увеличивается в несколько раз дуга горит устойчивее, количество толчков тока и обрывов уменьшается.

2.4 Окислительный период

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, стоящий под рабочей площадкой цеха. За время окислительного периода окисляют 0,3-0,6% углерода со средней скоростью 0,3-0,5% углерода в час. 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 металл продувают кислородом. При продувке кислородом окислительные процессы резко ускоряются, а температура металла повышается со скоростью примерно 8 - 10° С в мин. Чтобы металл не перегрелся, вводят охлаждающие добавки в виде стальных отходов. Применение кислорода является единственным способом получения низкоуглеродистой нержавеющей стали без значительных потерь ценного легирующего хрома при переплаве.

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.

2.5 Восстановительный период плавки

После скачивания окислительного шлака начинается восстановительный период плавки. Задачами восстановительного периода плавки являются: раскисление металла, удаление серы, корректирование 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 по уравнению FeS + CaO=FeO+ CaS. 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. 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.

2.6 Порядок легирования

При выплавке легированных сталей в электродуговых печах порядок легирования зависит от сродства легирующих элементов к кислороду. Элементы, обладающие меньшим сродством к кислороду, чем железо (никель, молибден) во время плавки не окисляются и их вводят в начальные периоды плавки - никель в завалку, а молибден в конце плавления или в начале окислительного периода.

Хром и марганец обладают большим сродством к кислороду чем железо. Поэтому металл легируют хромом и марганцем после слива окислительного шлака в начале восстановительного периода.

Вольфрам обладает большим сродством к кислороду, чем железо и его обычно вводят в начале восстановительного периода. Он очень тугоплавкий и поэтому ферровольфрам можно присаживать в ванну не позднее, чем за 30 мин. до выпуска.

2.7 Обработка металла аргоном

После выпуска стали из печи через объем металла в ковше продувают аргон, который подают либо через пористые пробки, зафутерованные в днище, либо через швы кладки подины ковша. Продувка стали в ковше аргоном позволяет выровнять температуру и химический состав стали, понизить содержание водорода, удалить неметаллические включения, что в конечном итоге позволяет повысить механические и эксплуатационные свойства стали.

2.8 Выплавка стали в кислых дуговых печах

Электрические печи с кислой футеровкой обычно используют в литейных цехах при выплавке стали для фасонного литья. 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 плаке стали для фасонного литья восстановительный период обычно отсутствует, длительность плавки в кислой печи меньше, чем в основной 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 удаляется сера и фосфор.

Завалка и расплавление шихты

Шихту составляют таким образом, чтобы содержание углерода после расплавления на 0,15-0,20% превышало содержание углерода в выплавляемой стали. Для повышения содержания углерода в шихту, наряду со стальным ломом, вводят кокс, электродный бой или чугун. Поскольку фосфор и сера под кислым шлаком не удаляются, используемый стальной лом должен содержать фосфора и серы примерно на 0.01% меньше, чем допускается в выплавляемой стали.

Металлический лом не должен быть ржавым, так как окислы железа, растворяя кремнезем футеровки пода, разрушают её. В остальном требования к шихтовым материалам и порядку загрузки в печь такие же, как и при основном процессе.

Плавление в кислой печи длится 50-70 мин и протекает примерно так же, как и в основной печи. В период плавления происходит окисление кремния, марганца, железа, углерода. Образующиеся окислы принимают участие в формировании шлака. Поскольку количество этих окислов сравнительно невелико, в печь во время плавления забрасывают шлак от предыдущей плавки, сухой песок, формовочную землю и известняк, чтобы покрыть металл шлаком и уменьшить угар составляющих шихты.

К моменту расплавления шихты шлак имеет следующий состав, %: 40-50 SiO₂; 15-30 FeO; 10-30 MnO; 2-6 Al₂O₃; 5-15 прочие окислы.

2.9 Обоснование эффективности процесса выплавки стали в дуговой печи

Существенным отличием получения стали в дуговых печах является возможность получения в плавильном пространстве восстановительной или нейтральной атмосферы и различного давления.

Восстановительная атмосфера в электродуговых печах позволяет получить шлак, содержащий в конце плавки не более 1% FeO, что примерно в 10 раз меньше, чем в обычном шлаке мартеновской печи.

Другим отличием является отсутствие в атмосфере печи кислорода. Поэтому ведение окислительных процессов возможно только за счет внешнего кислорода, источниками которого могут быть железная руда и газообразный кислород, вдуваемый в ванну.

По этой же причине имеют место меньшие потери металла на угар. Возможность ведения плавки на шлаке с более высокой температурой плавления и перегрева в условиях основного процесса облегчает осуществление десульфурации. При основном процессе плавки обеспечиваются все условия, необходимые для получения стали с минимальным содержанием серы. В тоже время процесс дефосфорации в электродуговых печах хуже.

В электродуговых печах имеются благоприятные условия для переплава высоколегированных отходов. Здесь потери дефицитных легирующих элементов минимальны.

Особенностью выплавки стали в электродуговых печах является возможность работы с одним шлаком, без специального восстановительного периода. Это значительно сокращает продолжительность плавки, расход электроэнергии и улучшает все технико-экономические показатели процесса.

В процессе электроплавки конечный результат предопределяется в основном взаимодействии двух фаз - металлической и шлаковой. В остальных процессах тремя металлической, газовой и шлаковой

Поэтому с точки зрения возможности использования влияния физико-химических факторов на конечные результаты электроплавка является более совершенной. Практически значительное количество дефектов в отливках и слитках из легированных сталей, получается, из-за плохого качества металла или вызываются и усугубляются четырьмя вредными примесями: кислородом, серой, водородом и фосфором. Электроплавка является наиболее гибким процессом для борьбы с тремя примесями: кислородом, серой и водородом.

Основное преимущество дуговой печи заключается в возможности раскисления и обессеривания металла и легкости его перегрева, поэтому в целях удешевления процесса иногда применяют так называемый «дуплекс-процесс», при котором расплавление скрапа и окисление ведут в более дешевом плавильном аппарате - мартеновской печи, а затем жидкий металл переливают в дуговую печь для рафинирования и доводки до нужного состава. Реже применяют дуплекс-процесс «конвертор-электропечь».

При дуплекс-процессах мощность печи может быть меньше, чем при работе на твердой завалке, так как расплавление скрапа в этом случае отсутствует. Проводящиеся время от времени плавки на твердой завалке выполняют при уменьшенном весе шихты; они из-за меньшей мощности более длительны, но так как проводятся не часто (главным образом после ремонта футеровки), то их удлинение не является существенным. Электрический режим печей, работающих на жидкой завалке, также значительно спокойнее. При наличии жидкого металла, покрытого слоем шлака, дуга горит более стабильно, и отсутствуют короткие замыкания из-за обвалов шихты.

Электродуговая печь может быть остановлена или пущена в эксплуатацию в любое время, удобное для производства, и при любом режиме работы. Капитальные затраты на установку электродуговых печей в среднем на 40% меньше, чем на установку мартеновских печей аналогичной производительности.

3. Основные расчеты по материально-тепловому балансу

3.1 Материальный баланс

Таблица 3.1 - Состав металла

Наименование	C, %	Si, %	Mn, %	P, %	S, %	Количество, %
Чугун	3,8	0,73	0,5	0,7	0,023	70
Скрап	0,12	0,11	0,38	0,04	0,05	30
Сталь до раскисления	0,10	-	0,10	0,02	0,025	-

Таблица 3.2 - Состав шлакообразующих материалов

Наименование	SiO	CaO	MgO	AlO	FeO	CrO	HO	CO
Известь	2	86	2	3	-	-	2	6
Боксит	20	4	-	52	18	-	6	-
Футеровка	5	2	70	3	8	12	-	-

Для расчета выбираю расход огнеупоров в пределах 0,2-0,4% или в среднем 2-4 кг/т стали в зависимости от емкости печи.

Расчет футеровки принимаю равным 0,3% от массы садки.

Технический кислород содержит 99,5% кислорода и 0,5% азота.

Определяю средний состав шихты при условии переработки 30% скрапа и 70% чугуна.

Таблица 3.3 - Средний состав шихты

Наименование	C, %	Si, %	Mn, %	P, %	S, %
Чугун вносит	2,660	0,511	0,350	0,490	0,016
Скрап вносит	0,036	0,033	0,115	0,012	0,015
Средний состав	2,696	0,544	0,465	0,502	0,031
Сталь до раскисления	0,100	-	0,100	0,020	0,025

Удаляется примесей из ванны на 100 кг шихты, кг:

С=2,696-0,100*0,9=2,606

Si =0.544

Mn=0.465-0.100*0.9=0.3725

P=0.502-0.020*0.9=0.484

S=0.031-0.025*0.9=0.0086

Fe (в дым) =1,500

Угар примесей 5,515

где 0,9 - выход стали

Принимаю, что при продувке ванны кислородом 10% серы выгорает до SO, т.е. окисляется 0,003 кг серы.

Расход кислорода на окисление примесей составит при окислении 10% углерода до CO и 90% до CO.

Расход кислорода, кг Масса окисла, кг

ССО.……0,2606*32/12=0,695 СО………………………. 0,9555

CCO ………2.3454*16/12=3.1272 CO…………………………5,4726

SiSiO……..0.544*32/28=0.622 SiO………………………1,166

MnMnO……0.3725*16/55=0.1084 MnO………………………0,4809

P PO…….0.484*80/62=0.625 PO………………………1,109

S SO………0.003*32/32=0.003 SO………………………. 0,006

FeFeO……1.500*48/112=0.643 FeO(в дым)……………2,143

5,8236 11,3322

В шлак переходит 0,0086-0,003=0,0056 кг серы.

При переходе серы в шлак освобождается 0,011 кг кислорода, поэтому расход кислорода составляет 5,8236-0,011=5,8126 кг.

Расход извести определяю по балансу СаО и SiO, для получения основности 3,5. Для формирования шлака принимаем расход боксита 0,6 кг. Расход извести обозначаю через у кг.

Количество СаО в конечном шлаке, кг, поступающее из:

Футеровки……………. 0,3*0,02=0,006

Боксита……………….. 0,6*0,04=0,024

Извести………………. 0,86у

0,030+0,86у

Количество SiO в конечном шлаке, кг, поступающее из:

Металлической

шихты…………………1,166

Футеровки……………. 0,3*0,05=0,015

Боксита……………….. 0,6*0,02=0,120

Извести……………….. __________ 0,02у

1,301+0,02у

Вместо СаО и SiO подставляю их значения и определяю расход извести:

откуда

у=5,726

В таблице 3.4 определяю составляющие шлака.

Таблица 3.4 - Составляющие шлака, кг

Источники	SiO	CaO	MgO	AlO	CrO	S	MnO	PO	FeO
Металлическая шихта	1,166	-	-	-	-	0,0056	0,4809	1,109	-
Футеровка	0,015	0,006	0,210	0,009	0,036	-	-	-	0,024
Боксит*	0,120	0,024	-	0,312	-	-	-	-	0,108
Известь**	0,114	4,924	0,114	0,114	-	-	-	-	-
ИТОГО	1,415	4,954	0,324	0,435	0,036	0,0056	0,4809	1,109	0,132
*В боксите содержится еще 0,035 кг HO **В извести содержится еще 0,143 кг HO и 0,0402 кг СО

Допускаю в I-м приближении, что соединения окислов Fe в шлаке при продувке металла сверху кислородом будет таким же, как и в мартеновском щлаке: 13% FeO и 4% FeO.

Тогда масса окислов шлака без FeO и FeO составит 83%, а масса шлака без окислов железа будет равна 8,7595 кг.

Масса шлака

L=8,7595/0,83=10,554 кг

Масса окислов железа в шлаке

10,554-8,7595 =1,7945 кг,

в том числе 1,372 кг FeO и 0,422 кг FeO.

Таким образом, состав шлака будет:

	SiO	CaO	MgO	AlO	CrO	S	MnO	PO	FeO	FeO	У
кг	1,415	4,954	0,324	0,435	0,036	0,0056	0,4809	1,109	0,422	1,372	10,554
%	13,41	46,94	3,07	4,12	0,34	0,053	4,56	10,51	4	13	100

Окисляется железа, кг:

до FeO………………….0.422-0.132=0.29

до FeO…………………………………..1.372

Поступит железа из металла в шлак

1,327*56/72+0,29*112/160=1,032+0,203=1,235 кг

Выход стали равен

100-5,8236-0,5-1,0-1,235=91,441 кг,

где 5,8236 - угар примесей, кг;

0,5 - количество железа, запутавшегося в шлаке в виде корольков, кг;

1,0 - потери железа с выбросами, кг;

1,235 - угар железа на образование окислов железа в шлаке, кг.

Потребуется кислорода на окисление железа

(1,372-1,032)+(0,29-0,203)=0,427 кг.

Всего потребуется кислорода на окисление примесей

5,8126+0,427=6,24 кг

Потребуется технического кислорода при 95%-ном усвоении

6,24*22,4/(0,995*0,95*32)=4,621 мі

На 1т садки расход технического кислорода 46,21 мі/т

Количество азота

4,621*0,005=0,023 мі, или 0,028 кг

Количество неусвоенного кислорода

(4,621-0,023)*0,05=0,23 мі, или 0,33 кг

Масса технического кислорода

6,24+0,028+0,33=6,598 кг.

Количество и состав получающихся газов приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Количество и состав получающихся газов

Составляющие	Содержание
	кг	мі	%
1	2	3	4
СО	0,402+0,9555=1,357	0,69	12,53
СО	5,4726	4,378	79,48
HO	0,035+0,114=0,149	0,185	3,36
О	0,33	0,231	4,19
N	0,028	0,0225	0,41
SО	0,006	0,002	0,03
ИТОГО:	7,3426	5,5085	100

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПЛАВКИ

Поступило, кг Получено, кг

Чугуна …………………..70 Стали ………91,441

Скрапа…………………..30 Корольков…….. 0,500

Боксита…………………. 0,600 Выбросов……………1,000

Извести…………………. 5,726 Шлака………………10,554

Футеровки………………0,300 Газов…………………7,3426

Итак, исходя из данных материального баланса можно сделать вывод, что из 100 кг сырья (чугун и скрап) было произведено 91,441 кг стали. То есть выход стали при электродуговом плавлении равен 91,44%. Потери происходят в виде газов, корольков, выбросов, Fe2O3 и перехода некоторых элементов в шлак. Неувязка по балансу + 0,2434 кг, что составляет 0,2%. Приемлемым расхождением в суммах баланса является 2-3%.

3.2 Тепловой баланс плавки

Приход тепла

1. Физическое тепло чугуна:

70 [0.737*1200+217.88+0.88 (1300-1200)]=83319,6кДж

где 0,737 - теплоемкость твердого чугуна, кДж/(кг-град);

1200-температура плавления чугуна, єС;

217,88 - теплота плавления чугуна, кДж/кг;

0,88 - теплоемкость жидкого чугуна, кДж/(кг-град);

1300-температура заливаемого чугуна, єС;

2. Тепло экзотермических реакций:

ССО …………………………………0,9555*9220=8809,71

CCO …………………………………. 5,4726*32810=179556,006

SiSiO…………………………………1,166*31310=36507,46

MnMnO………………………………. 0,4809*7010=3371,109

P PO…………………………………1,109*24990=27713,91

FeFeO(дым)………………………. 2,143*7360=15772,48

FeFeO…………………………………. 1,372*4770=6544,44

FeFeO(шлак)……………………… 0,422*7360=3105,92

Всего ……………………………………………….. 281381,035кДж

где множимое-количество окислившихся примесей чугуна, кг;

множитель - тепловые эффекты, отнесенные к 1 кг окисляющегося элемента.

3. Тепло шлакообразования:

SiO(СаО) * SiO……………………. 1,415*2321=3284,215

PO (СаО) * PO…………………1,109*4742=5258,878

Всего ………………………………………….. 8543,093кДж

где 1,415 и 1,109 количество SiOи PO в шлаке (кг), а 2321 и 4742 - тепловые эффекты ошлакования, отнесенные к 1 кг каждого из реагирующих окислов (кДж/кг). Общий приход тепла равен 373243,728 кДж.

Расход тепла

1. Физическое тепло жидкой стали:

92,441*[0.70*1500+259.78+0.84 (1620-1500)]=130395.426кДж;

где 92,441 - масса жидкой стали, корольков и выбросов, кг;

0,70 - теплоемкость твердой стали, кДж/(кг-град);

1500-температура плавления стали, є С;

259,78 - теплота плавления стали, кДж/(кг*град);

0,84 - теплоемкость жидкой стали, кДж/(кг*град);

1620 - температура стали на выпуске, єС

Из этого количества тепла на расплавление и нагрев скрапа расходуется

30*[0.70*1500+259.78+0.84 (1620-1500)]=42317,4кДж

2. Физическое тепло шлака:

10,554*(1,20-1620+209,50)=14873,75кДж,

где 10,554 - масса шлака, кг;

1,20 - теплоемкость шлака, кДж/(кг-град);

1620 - температура шлака, єС;

209,50 - теплота плавления шлака, кДж/(кг-град);

3. Тепло, уносимое газами:

СО………………………. 0,69*1,470*1500=1521,45

СО…………………………4,378*2,365*1500=15530,955

N…………………………0,0225*1,448*1500=48,87

HO ………………………0,185*1,840*1500=510,6

Всего …………………………………………17611,875кДж,

где первый столбик чисел - количество отходящих газов (мі);

второй - теплоемкость газов при температуре 1500єС (кДж/ мі) и 1500-средняя температура отходящих газов, єС.

4. Тепло, уносимое частицами FeO в дыме:

2,143 (1,20-1500+209,50)=2762,97кДж.

где 2,143 - количество FeO в дыме.

5. Тепло, затрачиваемое на восстановление FeO руды и боксита:

FeO до Fe………………………….0.29*824000/160=1493,5

FeO до FeО………………………..1.372*289725/160=2484,39

Всего ………………………………………………….. 3977,89кДж

где первый столбик чисел - количество восстановившегося FeO(кг),

второй - тепловой эффект реакций восстановления, отнесенный к 1 кмолю FeO(кДж/кмоль) и 160 - молекулярная масса FeO.

6. Потери тепла (на нагрев футеровки, лучеиспускание через горловину дуговой печи).

Эти потери тепла составляют от 3 до 6% от прихода тепла. В данном расчете принимаем величину потерь тепла, равной 3% от прихода:

0,03*373243,728=11197,31кДж.

Общий расход тепла равен 180819,221кДж.

Избыток тепла равен: 373243,728-180819,221=192424,507кДж.

Таблица 3.6 - Тепловой баланс плавки

Приход тепла	кДж	%	Расход тепла	кДж	%
Физическое тепло чугуна	83319,6	22,32	Физическое тепло стали	130395.426	34,9
Тепло экзотермических реакций	281381,035	75,39	В том числе на нагрев и расплавление скрапа	42317,4	11,34
Тепло шлакообразования	8543,093	2,29	Физическое тепло шлака	14873,75	3,98
			Тепло, отходящих газов	17611,875	4,72
			Тепло, уносимое частицами FeO	2762,97	0,74
			Тепло на восстановление FeO	3977,89	1,06
			Потери тепла	11197,31	3,0
			Избыток тепла	192424,507	51,6
Итого	373243,728	100	Итого	373243,728	100

Заключение

Развитие народного хозяйства требует увеличения производства стали, улучшения ее качества, увеличения ассортимента изделий.

Электросталеплавильные дуговые печи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами. В электропечах можно быстро нагревать, плавить и точно регулировать температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу. В этих печах можно выплавлять сталь и сплавы любого состава, более полно раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений - продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных сталей ответственного назначения, высоколегированных, инструментальных, коррозионностойких (нержавеющих) и других специальных сталей и сплавов. Инструментальная сталь - сталь, идущая на изготовление режущего, измерительного, штампового и другого инструмента. Легированная сталь - сталь, которая помимо обычных примесей (С, Mn, S, P), содержит и другие (легирующие) элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан и др.), либо кремний или марганец в повышенном против обычного количестве.

Электросталеплавильному способу принадлежит ведущая роль в производстве качественной и высоколегированной стали.

Литература

1. Горобец В.Г., Гаврилова М.Н. Производство стали в дуговой печи. М.: Металлургия, 1986. - 208 с.

2. Дубоделов В.И. Применение электротехнических систем в литейных и металлургических технологиях. // «Металлургические процессы и оборудование» №2, 2006. - С23 - 26

3. Жадан В.Т., Гринберг Б.Г., Никонов В.Я. Технология металлов и других конструкционных материалов. М.: В.ш., 1970. - 704 с.