Работа сверхмощной печи по такой схеме, без отсечки окисленного шлака связана с некоторым увеличением расхода раскислителей вследствие раскисления окисленного шлака в ковше во время выпуска и может быть признана целесообразной лишь в случае полного отсутствия внепечной обработки стали или при использовании только внепечного порционного вакуумирования металла.
При заданном содержании в стали 0,01-0,02% десульфурацию металла при выплавке одношлаковым процессом в сверхмощной печи можно проводить в ковше во время выпуска шлаком, полученным в ковше при смешении части печного шлака со свежими шлакообразующими (известь и плавиковый шпат) и тщательно раскисленными присаженными в ковш раскислителями. На КМК при выплавке низколегированной конструкционной стали в 100-т высокомощной печи в конце окислительного периода часть шлака из печи удаляют, металл в печи раскисляют кремнием, присаживая его на 0,10- 0,14% (по расчету). Оставшийся в печи шлак вместе с 15-25 т жидкой стали выпускают в ковш, в который предварительно загружают известь, плавиковый шпат, порошкообразный и кусковой алюминий. Затем выпуск плавки прерывают на несколько минут до образования в ковше активного основного безжелезистого шлака, загружают в ковш недостающее количество раскислителей и сливают в него оставшийся в печи металл. За время выпуска плавки и продувки металла содержание серы в нем снижалось до 0,01-0,02% даже в тех случаях, когда содержание серы в шихте достигало 0,06- 0,07 %.
Более простой вариант внепечной десульфурации металла во время выпуска опробован при выплавке низколегированной стали в 100-т печах ЧМК. Сталь выплавляли одношлаковым процессом, окисленный шлак на 80-90 % удаляли перед выпуском из печи.
В ковше после выпуска опытных плавок распределение кислорода и фосфора между шлаком и металлом приближается к равновесию вследствие взаимодействия шлака с раскисленным металлом и в какой-то степени с раскислителями, присаживаемыми в ковш. Равновесие в распределении серы между шлаком и металлом во время выпуска не достигается и десульфурирующая способность печного шлака полностью не используется, так как при выпуске плавки печной шлак приходится придерживать в печи, чтобы обеспечить хорошее усвоение раскислителей металлом. Дополнительное перемешивание металла и шлака в ковше после выпуска должно привести к дальнейшему снижению содержания серы в металле. Сравнительно простой и недорогой способ перемешивания металла и шлака в ковше — продувка инертным газом через шиберное отверстие. Поскольку шлаки после выпуска в ковше, как правило, не насыщены оксидом кальция, их десульфурирующую способность можно повысить присадками небольшого количества извести в ковш в процессе выпуска для повышения основности. В процессе выпуска при взаимодействии шлака с раскисленным металлом практически достигается равновесие в распределении фосфора и кислорода, поэтому дополнительное перемешивание металла и шлака в ковше, как правило, не приводит к возрастанию содержания кислорода и фосфора в металле.
Расчеты показывают, что реализация предложенного способа дополнительной десульфурации металла позволит понизить содержание серы в готовой стали на 0,010-0,012% и при работе на шихте среднего качества получить содержание серы в конструкционной стали не более 0,020 %, используя одношлаковый процесс без раскисления шлака в печи.
Большая степень десульфурации металла (удаление 50-60 % серы, имевшейся в металле после расплавления) может быть обеспечена более ранним и большим повышением основности или увеличением количества окисленного углерода, однако это приводит к увеличению длительности пребывания металла в печи и возрастанию общей длительности плавки. При работе на шихте с повышенным содержанием серы или необходимости получения в стали < 0,020 % одношлаковый процесс плавки обычно сочетают с внепечной десульфурацией металла.
Чтобы оценить возможности десульфурации металла в ковше во время выпуска и последующей обработки с использованием печного шлака, провели термодинамический анализ процессов, протекающих между металлом и шлаком. Для анализа использовали данные об изменении температуры ванны, состава металла и шлака по ходу плавок низколегированной конструкционной стали одношлаковым процессом с доводкой под окисленным шлаком в 100-т дуговых печах обычной мощности (ЧМК). Как отмечалось выше, учитывая известные данные о повышении коэффициента распределения серы между шлаком и металлом при увеличении основности шлака, обычно пытаются улучшить десульфурацию металла за счет повышения количества оксида кальция в шлаке. Такой прием может привести к нарушению гомогенности шлакового расплава, появлению дисперсной твердой фазы в шлаке и снижению рафинирующих свойств шлака, поэтому оценка пределов возможной гомогенности шлаков при увеличении в них количества оксида кальция имеет важное практическое значение.
Нами был проведен термодинамический анализ шлаков опытных плавок, позволивший определить, какая из кальцийсодержащих фаз вероятнее всего выделяется из пересыщенного оксидом кальция шлакового расплава, и выполнена оценка предельной растворимости оксида кальция в электропечных шлаках по ходу плавки.