Опыт эксплуатации большегрузных (80-300 т) печей показал, что применение традиционной технологии не обеспечивает получения в этих печах сталей высокого качества. Это объясняется рядом причин.

В большегрузных печах приходиться использовать менее качественный стальной лом, который отличается легковесностью, загрязненностью ржавчиной и другими примесями, а также непостоянством упомянутых характеристик его качества. Это приводит к нестабильности протекания периода плавления и значительным колебаниям в количестве образующегося за время плавления шлака, его основности и окисленности, а также к значительным колебаниям в содержании углерода и фосфора в металле к моменту расплавления шихты. Это не позволяет иметь стабильную технологию окислительного периода: в частности, существенно возрастает расход окислителей, а в конце периода металл и шлак более окислены, чем в малых печах.

Другим важным фактором, определяющим выбор технологии плавки в большегрузных печах это малая эффективность восстановительного периода, что вызвано рядом причин.

Так из большегрузных печей не удается полностью удалить окислительный шлак, а поскольку эти печи снабжены мощными пылегазоотсасывающими устройствами, при их работе из-за подсоса воздуха в рабочем пространстве не удается создать восстановительную атмосферу. По этим причинам во время восстановительного периода трудно получить шлак с низким содержанием FeO даже при интенсивной его обработке порошкообразными раскислителями.

Условия проведения восстановительного периода ухудшаются также в связи с тем, что в крупных печах заметно меньше поверхность контакта шлак-металл, которая должна быть достаточно большой для обеспечения медленно протекающих процессов диффузии серы и кислорода из металла в шлак. Из-за большой глубины ванны удельная поверхность контакта шлак-металл для печи емкостью 100 т составляет около 0.2 м³/т, в то время как для 10-т печи – около 6 м³/т.

Еще одной неблагоприятной особенностью работы большегрузных печей является то, что при увеличении выдержки жидкого металла в печи наблюдается усиленное растворение в шлаке футеровки; шлак в результате этого содержит повышенное количество MgO и становиться густым, малореакционноспособным. Это обстоятельство снижает эффективность рафинирования метала и заставляет снижать длительность восстановительного периода.

Все это привело к тому, что в большегрузных печах вынуждены были отказаться от традиционной технологии с проведением длительного восстановительного периода и диффузионного раскисления. К настоящему времени разработаны и применяются целый ряд разновидностей упрощенной технологии плавки стали в большегрузных электропечах. Можно выделить две разновидности технологии:

а) выплавка сталей упрощенного сортамента одношлаковым процессом;

б) выплавка высококачественных сталей по упрощенной технологии с последующим внепечным рафинированием стали.

Общим для всех разновидностей второго направления технологии является стремление использовать крупные печи в основном для расплавления шихты, нагрева металла и проведения окислительных процессов – дефосфорации и обезуглероживания; иногда в печи проводят также легирование и формирование требуемого перед выпуском состава шлака.

Для большегрузных печей характерны следующие особенности начальной плавки:

- для обеспечения требуемого содержания углерода в металле и в связи с непостоянным его угаром в период расплавления в шихту вводят повышенное количество чугуна (до 30% от массы шихты при выплавке углеродистых сталей);

- с тем, чтобы совместить дефосфорацию с расплавлением и целью сокращения периодов плавления и окислительного в завалку вводят железную руду или агломерат в количестве до 2% от массы шихты и известь (до 3%);

- шихту загружают в два приема, в связи с тем, что весь легковесный лом обычно не умещается в загрузочной корзине; сначала загружают основную массу лома и после его частичного расплавления и оседания делают "подвалку" – корзиной загружают оставшуюся часть лома.

Одношлаковый процесс

Технологию выплавки стали под одним шлаком без восстановительного периода применяют для выплавки сталей упрощенного сортамента: углеродистые и низколегированные стали, легированные хромом, кремнием, марганцем, никелем.

В шихту в зависимости от требуемого содержания углерода в стали вводят до 25-30% чушкового чугуна. С тем, чтобы совместить дефосфорацию с расплавлением в завалку дают 2-3% извести и до 1.5% железной руды или агломерата.

После расплавления шихты из печи самотеком удаляют максимальное количество шлака и начинают продувку ванны кислородом, подаваемым через фурму, которую вводят в рабочее пространство печи через свод. При повышенном содержании фосфора в металле перед продувкой в печь загружают известь и плавиковый шпат.

Продувку ведут до получения заданного содержания углерода в металле. После прекращения продувки в печь загружают силикомарганец или ферромарганец и при необходимости феррохром в количеств, обеспечивающем получение заданного содержания в стали марганца и хрома. Затем сталь выпускают в ковш, куда для получения требуемого содержания кремния и для раскисления вводят ферросилиций и алюминий. С тем чтобы предотвратить переход из шлака в металл окислов железа и снизить угар кремния и марганца печь наклоняют так, чтобы металл в течение первой трети длительности выпуска шел без шлака. Никель вследствие низкого сродства к кислороду при плавке не окисляется и его можно вводить в завалку.

При выплавке легированных кремнием сталей применяют технологию плавки с частичным раскислением шлака. Сущность технологии заключается в следующем: после окончания продувки в печь вводят ферромарганец для получения заданного содержания марганца в стали и немного 65 %-ного ферросилиция (до 2 кг на 1 т стали) и дают раскислительную шлаковую смесь – известь (10 кг/т), плавиковый шпат (2 кг/т), кокс (1-2 кг/т). После непродолжительной выдержки металл выпускают в ковш, куда для окончательного раскисления и легирования дают ферросилиций и алюминий. При работе по такой технологии учитывают, что диффузионное раскисление шлака сопровождается рефосфорацией – переходом из шлака в металл фосфора.

Технология одношлакового процесса позволяет сократить длительность плавки, расход электроэнергии, огнеупоров и шлакообразующих.

Плавка с рафинированием металла в ковше печным шлаком

Технология применяется на печах емкостью 100-200 т. В завалку вводят до 25-30% чугуна; 1.5-2.0% руды и 2-3% извести. В конце периода плавления и окислительном периоде ведут продувку ванны кислородом, подаваемым через сводовую фурму. После получения требуемого для данной марки стали содержания углерода продувку заканчивают и сливают шлак окислительного периода (75-80% шлака).

Далее в печь загружают ферросилиций из расчета ввести в металл около 0.15% кремния, ферромарганец, вводя заданное количество марганца и, если необходимо, феррохром. Наводят новый шлак добавками извести, плавикового шпата и шамота (25; 5-10 и 5-10 кг/т соответственно). В середине периода на основании результатов анализа отбираемых проб металла в печь вводят корректирующие добавки ферросплавов.

За 8-10 мин до выпуска шлак разжижают добавкой плавикового шпата (~4 кг/т) так, чтобы содержание CaF₂ в шлаке было 10-15%. Столь высокое содержание CaF₂ необходимо для обеспечения малой вязкости и высокой рафинирующей способности шлака. Перед выпуском шлак дополнительно раскисляют порошкообразным алюминием (8.8 кг/т); необходимо, чтобы конечный шлак содержал менее 1% FeO и более 50% окиси кальция при основности 2.7-3.4.

При выпуске в ковш сначала сливают шлак, а затем металл, что обеспечивает их интенсивное перемешивание, десульфурацию и удаление неметаллических включений. Алюминий для окончательного раскисления вводят в ковш.

Плавка с рафинированием в ковше синтетическим шлаком

Технология применяется на крупнотоннажных печах емкостью 60-200 т в цехах, имеющих специальную печь для выплавки синтетического шлака.

В завалку вводят до 25% чугуна, известь (1.5-3.5%) и железную руду (2-3%). После расплавления проводят продувку ванны кислородом. Окислительный шлак сливают, в металл водят ферромарганец, рассчитывая на нижний предел содержания марганца в выплавляемой стали, и ферросилиций из расчета введения 0.15-0.20% кремния. Далее наводят небольшое количество (~ 1% от массы металла) известковистого шлака добавками извести, шамота, плавикового шпата. Восстановительный период, как таковой, отсутствует, вместо него проводиться кратковременная (~ 30 мин) доводка, в течение которой сталь доводят до заданных температуры и состава, вводя необходимые легирующие добавки. Раскисление шлак не производят.

Перед выпуском стали из печи сливают 80-90% шлака. Далее выпускают сталь в ковш с залитым туда синтетическим шлаком, который обеспечивает рафинирование металла от серы и неметаллических включений. Во время выпуска в ковш вводят ферросилиций и при необходимости ферротитан и феррованадий. После окончания выпуска в ковш вводят для окончательного раскисления. Обычно применяют синтетический известково-глиноземистый шлак (~ 55% CaO и 45% Al₂O₃), который заливают в ковш в количестве 4-6% с температурой 1650-1700 °С.

Технология с продувкой в ковше порошкообразными реагентами

Плавку ведут, как правило, по технологии одношлакового процесса, получая металл заданного состава и с требуемой температурой. Выпущенную в ковш слать продувают порошкообразными смесями, в состав которых входят активные по отношению к сере и кислороду элементы: карбид кальция, силикокальций, гранулированный магний. Порошкообразные реагенты вдувают в струе аргона, подавая их с помощью пневмонагнетателя через погружаемую в металл футерованную фурму.

Продувка в течение нескольких минут обеспечивает снижение содержания серы, кислорода, неметаллических включений. Кроме того, при обработке жидкой стали кальцием и магнием повышаются свойства металла в результате модифицирующего воздействия этих элементов.

Плавка с рафинированием и доводкой металла вне печи

Плавку ведут по следующей технологии: расплавляют стальной лом с добавкой чугуна и проводят окислительный период с продувкой ванны кислородом, обеспечивая дефосфорацию, обезуглероживание и нагрев металла до требуемой температуры. Далее металл без шлака выпускают в ковш и транспортируют его на специальную установку, где путем различных видов внепечной обработки жидкого металла получают сталь требуемого состава и свойств. Эти установки позволяют продувать металл различными порошкообразными реагентами с целью десульфурации, раскисления и удаления неметаллических включений; обработку вакуумом и продувку аргоном с введением при этом в металл раскислителей и корректирующих добавок ферросплавов; вдувание науглероживателей, замер и корректировку температуры расплава.