[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. 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. Например, в кош вводят порции легирующих или дают их на струю стали, вытекающей из печи при ее наклоне. 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.
Одношлаковый процесс
В связи с интенсификацией процесса электроплавки в последние годы получил большое распространение метод плавки в дуговой печи под одним шлаком. Сущность этого метода заключается в следующем: дефосфорация металла совмещается с периодом расплавления. Во время расплавления из печи скачивают шлак и производят добавки извести. В окислительный период выжигают углерод. По достижении в металле << 0,035 % Р производят раскисление стали без скачивания шлака ферросилицием и ферромарганцем. Затем присаживают феррохром и проводят сокращенный (50—70 мин) восстановительный период с раскислением шлака порошками ферросилиция и кокса и раскислением металла кусковыми раскислителями. Окончательное раскисление производят в ковше ферросилицием и алюминием. В некоторых случаях вообще не проводят раскисления шлака в печи порошкообразными раскислителями.
Переплав отходов
На заводах специальных сталей количество образующихся отходов достигает 25—40 % от выплавляемой стали. Часть отходов поступает с машиностроительных заводов, поэтому в электросталеплавильных цехах 50 % легированных сталей выплавляют из шихты, состоящей только из них. Рациональное использование отходов дает большую экономию легирующих, электроэнергии, повышает производительность электропечей. В СССР легированные отходы разделяют на 82 группы. При расчете шихты стремятся использовать максимальное количество отходов данной марки стали или наиболее близких марок
Шихту составляют с таким расчетом, чтобы содержание углерода в ванне по расплавлении было на 0,05— 0,10 % ниже заданного маркой стали.
Необходимые легирующие, неокисляющиеся добавки Ni Cu, Mo, W загружают вместе с шихтой, а прочие – V, Тi, Cr, Mn, Al, Si, Nb – стремятся вводить как можно позднее на разных стадиях плавки, в том числе и во время выпуска в ковш. Металл заданного состава получают в процессе рафинировки или в ковше. Во время плавки наводят высокоосновной, жидкоподвижный шлак, который частично скачивают из печи. Это позволяет удалить до 30 % фосфора. Если состав металла близок к расчетному, то, не скачивая шлака, приступают к раскислению шлака молотым коксом, ферросилицием и алюминием. При этом легирующие элементы восстанавливаются из шлака и переходят в металл, например, так восстанавливается оксид хрома: 2(Cr2O3)+3 (Si)=3(SiO2)+4 [Cr]. Продолжительность восстановительного периода в этом варианте технологии такая же, как и в плавках с окислением. Плавка на отходах значительно короче (примерно на 1 ч) по сравнению с плавкой на свежей шихте за счет окислительного периода. Это увеличивает производительность электропечей на 15—20 % и сокращает расход электроэнергии на 15 %.
Методы интенсификации электросталеплавильного процесса
Применение кислорода. Использование газообразного кислорода в окислительный период плавки и в периодрасплавления позволяет значительно интенсифицировать процессы расплавления и окисления углерода.
Применение синтетического шлака
Этот метод предусматривает перенесение рафинирования металла из электропечи в разливочный ковш. Для рафинирования металла выплавляют синтетический шлак на основе извести (52–55%) и глинозема (40%) в специальной электродуговой печи с угольной футеровкой. Порцию, жидкого, горячего, активного шлака (4–5 % от массы стали, выплавленной в электропечи) наливают в основной сталеразливочный ковш. Ковш подают к печи и в него выпускают сталь. Струя стали, падая с большой высоты, ударяется о поверхность жидкого шлака, разбивается на мелкие капли и вспенивает шлак. Происходит перемешивание стали со шлаком. Это способствует активному протеканию обменных процессов между металлом и синтетическим шлаком. В первую очередь протекают процессы удаления серы благодаря низкому содержанию FeO в шлаке и кислорода в металле; повышенной концентрации извести в шлаке, высокой температуре и перемешиванию стали со шлаком. Концентрация серы может быть снижена до 0,001 %. При этом происходит значительное удаление оксидных неметаллических включений из стали благодаря ассимиляции, поглощению этих включений синтетическим шлаком и перераспределению кислорода между металлом и шлаком.
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.
Применение порошкообразных материалов
Продувка стали в дуговой электропечи порошкообразными материалами в токе газаносителя (аргона или кислорода) позволяет ускорить важнейшие процессы рафинирования стали: обезуглероживание, дефосфорацию, десульфурацию, раскисление металла.
В струе аргона или кислорода в ванну вдуваются порошки на основе извести, плавикового шпата. Для рас-кисления металла используют порошкообразный ферросилиций. Для окисления ванны и для ускорения удаленияуглерода и фосфора добавляют оксиды железа. Мелкораспыленные твердые материалы, попадая в ванну металла, имеют большую поверхность контакта с металлом, во много раз превышающую площадь контакта ванны со шлаковым слоем. При этом происходитинтенсивное перемешивание металла с твердыми частицами. Все это способствует ускорению реакций рафинирования стали. Кроме того, порошкообразные флюсы могут использоваться для более быстрого наведения шлака.
Плавка в кислой электропечи
Кислые электропечи футеруют огнеупорными материалами на основе кремнезема. Эти печи имеют более глубокие ванны и в связи с этим меньший диаметр кожуха, меньшие тепловые потери и расход электроэнергии. Стойкость футеровки свода и стен кислой печи значительно выше, чем у основной. Это объясняется малой продолжительностью плавки. Печи с кислой футеровкой вместимостью 1—3 т применяются в литейных цехах для производства стального литья и отливок из ковкого чугуна. Они допускают периодичность в работе, т.е. работу с перерывами. Известно, что основная футеровка быстро изнашивается при частом охлаждении. Расход огнеупоров на 1 т стали в кислой печи ниже. Кислые огнеупоры дешевле, чем основные. В кислых печах быстрее разогревают металл до высокой температуры, что необходимо для литья. Недостатки кислых печей связаны прежде всего с характером шлака. В этих печах шлак кислый, состоящий в основном из кремнезема. Поэтому такой шлак не позволяет удалять из стали фосфор и серу. Для того чтобы иметь содержание этих примесей в допустимых пределах, необходимо подбирать специальные шихтовые материалы, чистые по фосфору и по сере. Кроме того, кислая сталь обладает пониженными пластическими свойствами по сравнению с основной сталью вследствие присутствия в металле высококремнистых неметаллических включений. Технология плавки в кислой электропечи имеет следующие особенности. Окислительный период плавки непродолжителен, кипение металла идет слабо, так как кремнезем связывает РеО в шлаке и тем самым скорость перехода кислорода в металл для окисления углерода снижается. Кислый шлак более вязкий, он затрудняет кипение. Шлак наводят присадками песка, использованной формовочной земли. Известь присаживают до содержания в шлаке не более 6—8 % СаО. Раскисление кислой стали проводят, как правило, присадкой кускового ферросилиция. Частично сталь раскисляется кремнием, который восстанавливается из шлака или из футеровки по реакциям: