Глава III Производство стали

1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА

Сталь является основным видом ме­талла, применяемым для создания совре­менной техники. Это объясняется тем, что сталь обладает высокими прочностью и износостойкостью, хорошо сохраняет при­данную форму в изделиях, сравнительно легко поддается различным видам обработ­ки. Кроме того, основной компонент стали -железо - является широко распространен­ным элементом в земной коре.

Сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является сниже­ние содержания углерода и примесей пу­тем их избирательного окисления и пере­вода в шлак и газы в процессе плавки.

Основными материалами для произ­водства стали являются передельный чу­гун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (табл. 2.1).

В процессе плавки стали происходит взаимодействие между металлической, шлаковой и газовой фазами и футеровкой плавильного агрегата, различными по аг­регатному состоянию и химическому со­ставу. В результате этого взаимодействия осуществляется переход химических эле­ментов из одной фазы в другую. Обмен­ные процессы сопровождаются химиче­скими превращениями, главным образом на границе металлической фазы со шлаком. Металлическая фаза состоит из расплава химических элементов, шлаковая - из расплава оксидов и их соединений. Поэтому переход элемента из одной фазы в другую возможен только при протекании химиче-

ской реакции образования или восстанов­ления оксида. Так как примеси по своим физико-химическим свойствам различны, то для их удаления в плавильном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии.

В соответствии с законом действую­щих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реаги­рующих веществ. Поскольку в наиболь­шем количестве в чугуне содержится же­лезо, то оно окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи:

Fe + 1/20₂ = FeO + Q кДж. (1)

Одновременно с железом окисляются Si, P, С, Мп и др.

Образующийся оксид железа при вы­соких температурах отдает свой кислород более активным элементам - примесям в чугуне, окисляя их:

2FeO + Si = Si0₂ + 2Fe + Q, кДж; (2)

5FeO + 2P = P₂0₅ + 5Fe + Q₂ кДж; (3)

FeO + Mn = MnO + Fe + Q₃ кДж; (4)

FeO + С = CO + Fe - Q₄ кДж. (5)

Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисля­ются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную ванну до­бавляют железную руду, окалину, содер­жащие много оксидов железа. Таким обра­зом, основное количество примесей окис­ляется за счет кислорода оксида железа.

Таблица 2.1. Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали, %

Материал	С	Si	Мп	Р	S
Передельный чугун	4...4,4	0,56... 1,26	До 1,75	0,10... 0,3	0,03... 0,07
Сталь низкоуглеродистая	0,12... 0,25	0,12... 0,3	0,3... 0,9	0,05	0,050

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

33

Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу Ле Шателье, в соответствии с которым химические реакции, выделяю­щие теплоту, протекают интенсивнее при более низких температурах или при неко­тором понижении температуры, а реакции, поглощающие теплоту, протекают актив­нее при высоких температурах или при некотором повышении температуры. По­этому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут про­цессы окисления кремния, фосфора, мар­ганца, протекающие с выделением тепло­ты, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре металла (в середине и конце плавки).

После расплавления шихты в стале­плавильной печи образуются две несме-шивающиеся среды: жидкий металл и шлак. Шлак представляет собой сплав оксидов с незначительным содержанием сульфидов. Образование шлака связано с окислением элементов металлической фа­зы во время плавки и образованием раз­личных оксидов с меньшей плотностью, чем металл, собирающихся на его поверх­ности. В соответствии с законом распре­деления (закон Нернста), если какое-либо вещество растворяется в двух соприка­сающихся, но несмешивающихся жидко­стях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до уста­новления определенного соотношения (константы распределения), постоянного для данной температуры. Поэтому боль­шинство компонентов (Mn, Si, P, S) и их соединения, растворимые в жидком ме­талле и шлаке, будут распределяться меж­ду металлом и шлаком в определенном соотношении, характерном для данной температуры.

Нерастворимые соединения в зависи­мости от плотности будут переходить ли­бо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака, можно менять соотношение между количеством примесей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Убирая шлак

2 - 9503

с поверхности металла и наводя новый путем подачи флюса требуемого состава, можно удалять вредные примеси (серу, фосфор) из металла. Поэтому регулирова­ние состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управ­ления металлургическими процессами.

Используя изложенные законы, про­цессы выплавки стали осуществляют в несколько этапов.

Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе температура металла невысока; ин­тенсивно происходят окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей Si, P, Мп по реакциям (1) - (4). Наиболее важная задача этого процесса -удаление фосфора (одной из вредных примесей в стали). Для этого необходимо проведение плавки в основной печи, в ко­торой можно использовать основной шлак, содержащий СаО. Такой шлак дол­жен обладать высокой основностью, т.е. способностью поглощать из металла и удерживать фосфор и серу. Основность (В) обычно определяют отношением кон­центрации основных и кислых оксидов:

В = (% СаО)/(% Si0₂) или

В = (% СаО)/(% Si0₂ + Р₂0₅).

Основность шлака регулируется в со­ответствии с температурой, и в конце мар­теновской плавки она составляет 2,7 ... 3 и 3 ... 4 в кислородно-конвертерном процес­се. Выделяющийся по реакции (3) фос­форный ангидрид образует с оксидом же­леза нестойкое соединение (FeO)₃ • Р₂0₅. Оксид кальция СаО - более сильное осно­вание, чем оксид железа, поэтому при не­высоких температурах связывает ангидрид Р₂0₅, переводя его в шлак:

2[Р] + 5(FeO) + 4(CaO) <-> <->(4CaOP₂0₅)+5[Fe]. (6)*

* Принято компонент, находящийся в растворе металла, обозначать в прямых скоб­ках [Р], а находящийся в растворе шлака - в круглых скобках (СаО).

34

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Реакция образования фосфорного ан­гидрида протекает с выделением теплоты, поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье для удаления фосфора из металла необходимы невысокие температуры ван­ны металла и шлака. Из реакций (3) и (6) следует также, что для удаления фосфора из металла необходимо достаточное со-. держание в шлаке FeO, т.е. шлак должен обладать высокой окислительной способ­ностью - передавать кислород металлу, находящемуся с ним в контакте. Окисли­тельная способность шлака определяется активностью содержащихся в нем оксидов железа (главным образом FeO). Так, шла­ки с высоким содержанием оксидов железа передают кислород металлу, а с низким — способны извлекать его. Для повышения содержания FeO в шлаке в сталеплавиль­ную ванну в этот период плавки добавля­ют окалину, железную руду, наводя желе­зистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание фосфора в шлаке возрастает. В соответствии с зако­ном распределения удаление фосфора из металла замедляется. Поэтому для более полного удаления фосфора из металла с его зеркала убирают шлак, содержащий фосфор, и наводят новый со свежими до­бавками СаО.

Второй этап - "кипение" металличе­ской ванны - начинается по мере ее про­грева до более высоких, чем на первом этапе, температур. При повышении темпе­ратуры металла в соответствии с принци­пом Ле Шателье более интенсивно проте­кает реакция (5) окисления углерода, про­исходящая с поглощением теплоты. По­скольку в металле содержится больше угле­рода, чем других примесей (см. табл. 2.1), то в соответствии с законом действующих масс для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород.

Образующийся в металле оксид железа реагирует с углеродом по реакции (5), а пузырьки оксида углерода СО выделяются из жидкого металла, вызывая "кипение"

ванны. При "кипении" уменьшается со­держание углерода в металле до требуемо­го, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметалличе­ские включения, прилипающие к всплы­вающим пузырькам СО, а также газы, проникающие в пузырьки СО. Все это способствует повышению качества метал­ла. Поэтому этап "кипения" ванны являет­ся основным в процессе выплавки стали.

В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в ста­ли находится в виде сульфида [FeS], кото­рый растворяется также в основном шлаке (FeS). Чем выше температура, тем боль­шее количество FeS растворяется в шлаке, т.е. больше серы переходит из металла в шлак. Сульфид железа, растворенный в шлаке, взаимодействует с оксидом каль­ция, также растворенным в шлаке:

(FeS) + (СаО) = (CaS) + (FeO). (7)

Эта же реакция протекает на границе металл - шлак между сульфидом железа в стали [FeS] и (СаО) в шлаке:

[FeS] + (СаО) = (CaS) + (FeO). (8)

Образующееся соединение (CaS) рас­творимо в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

Как следует из реакций (7) и (8), чем больше в шлаке (СаО) и меньше (FeO), тем полнее удаляется из стали сера. По­этому при плавке в основных печах можно снизить содержание углерода и серы в стали, выплавлять сталь из шихты любого химического состава.

В сталеплавильных печах с кислой фу­теровкой нет условий для уменьшения количества фосфора и серы в стали, так как использовать основной шлак с высо­ким содержанием (СаО) нельзя из-за раз­рушения футеровки, а содержание (FeO) в шлаке недостаточно. Поэтому в кислых печах можно выплавлять сталь только из шихтовых материалов с малым количест­вом серы и фосфора.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

35

Третий этап (завершающий) - раскис­ление стали - заключается в восстановле­нии оксида железа, растворенного в жид­ком металле. При плавке повышение со­держания кислорода в металле необходи­мо для окисления примесей, но в готовой стали кислород - вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах. Сталь раскисляют двумя способами: оса­ждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление осуществ­ляют введением в жидкую сталь раство­римых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы Mn, Si, A1 и др., которые в дан­ных условиях обладают большим сродст­вом к кислороду, чем железо. В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды MnO, Si0₂, A1₂0₃ и другие, которые имеют меньшую плот­ность, чем сталь, и удаляются в шлак. Од­нако часть их может остаться в стали, что понижает ее свойства.

Диффузионное раскисление осуществ­ляют раскислением шлака. Ферромарга­нец, ферросилиций и другие раскислители в мелкоразмельченном виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восста­навливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределения оксид железа, рас­творенный в стали, начнет переходить в шлак. Образующиеся при таком способе раскисления оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических включений и повышает ее качество.

При выплавке в кислой печи процесс плавки протекает при кислом шлаке (55 ... 58 % Si0₂). Количество FeO и МпО в шла­ке уменьшается в результате восстановле­ния этих оксидов. Активность FeO в кис­лых шлаках значительно ниже, чем в ос­новных, и окислительное действие их сла­бее, т.е. создаются благоприятные условия

для раскисления стали, а именно: кремне­зем, обладающий сильными кислотными свойствами, связывает FeO в соединение типа FeO ■ Si0₂. После длительной вы­держки под кислым шлаком содержание оксида железа в стали резко уменьшается, и окончательно сталь раскисляют неболь­шой добавкой ферромарганца.

В зависимости от степени раскислен­ное™ выплавляют спокойные, кипящие и полуспокойные стали.

Спокойная сталь получается при пол­ном раскислении в печи и ковше.

Кипящая сталь раскислена в печи не­полностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка благодаря взаимодействию FeO и углеро­да, содержащихся в металле. Образую­щийся при реакции FeO + С = Fe + СО оксид углерода выделяется из стали, спо­собствуя удалению из стали азота и водо­рода. Газы выделяются в виде пузырьков, вызывая ее "кипение". Кипящая сталь не содержит неметаллических включений -продуктов раскисления, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспокойная сталь имеет промежу­точную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично в изложнице благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали осуществляют вве­дением ферросплавов или чистых метал­лов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы (Ni, Co, Мо, Си), сродство к кислороду у которых меньше, чем у железа, при плавке и разливке прак­тически не окисляются, и поэтому их вво­дят в печь в любое время плавки (обычно вместе с остальной шихтой). Легирующие элементы, у которых сродство к кислоро­ду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti и др.), вводят в металл после раскисле­ния или одновременно с ним в конце плавки, а иногда непосредственно в ковш.

2*

36

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Металлическая шихта (чугун, лом)

_I

Расплавление твердой части шихты

"~1

Г"

Удаление из металла примесей

Раскисление и легирование

Обработка синтетическими шлаками

Обработка вакуумом и инертными газами

L.

Разливка стали

_X

ЭШП (Удаление серь/, раскисление, улучшение строении слитка)

_I

ВДП, ЭЛП, ПДП (Удаление газов; улучшение строения слитков)

_I

_I

Продукция сталелитейного производства

Рис. 2.2. Схема технологических процессов производства стали

2. СХЕМА СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

Сталь производят в различных по принципу действия металлургических аг­регатах: мартеновсих печах, кислородных конвертерах, в электрических дуговых и индукционных печах и др.

Основные элементы технологии полу­чения стали и возможные варианты со­временных технологических производств приведены на рис. 2.2. Основной вариант технологического процесса показан тол­стыми стрелками, тонкими стрелками по­казаны варианты технологии производства высококачественных сталей и сталей спе­циального назначения, требующие допол­нительной обработки вне плавильного агрегата, или переплава в специальных условиях. Пунктирными линиями показа­ны редко применяемые варианты получе­ния стали.

3. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В МАРТЕНОВСКИХ ПЕЧАХ

Устройство и работа мартеновской печи. Мартеновская печь (рис. 2.3) - пла­менная отражательная регенеративная печь. Она имеет рабочее плавильное про­странство, ограниченное снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет фор­му ванны с откосами по направлению к стенкам печи. Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плав­ки стали в шлаке преобладают основные оксиды, процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые -кислым. Основную мартеновскую печь футеруют магнезитовым кирпичом, на который набивают магнезитовый поро­шок. Кислую мартеновскую печь футеру­ют динасовым кирпичом, а подину наби­вают из кварцевого песка. Свод марте­новской печи делают из динасового кир­пича или магнезитохромитового кирпича.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

37

—<| Воздух

А-А

Рис. 2.3. Схема мартеновской печи

В передней стенке печи имеются загру­зочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней - отверстие 9 для выпуска гото­вой стали.

В нашей стране работают мартенов­ские печи вместимостью от 200 до 900 т жидкой стали. Важнейшим параметром мартеновской печи является площадь по­да, которую условно подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. Напри­мер, для печи вместимостью 900 т пло­щадь пода составляет 160 м². Головки пе­чи 2 служат для смешивания топлива (ма­зута или газа) с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство.

Для подогрева воздуха и газа при рабо­те на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора /. Регенератор - это ка­мера, в которой размещена насадка - ог­неупорный кирпич, выложенный в клетку. Отходящие из печи газы имеют темпера­туру 1500 ... 1600 °С. Попадая в регенера­торы, газы нагревают насадку до темпера­туры 1250 ... 1280 °С. Через один из реге­нераторов, например правый, подают воз­дух, который, проходя через насадку, на­гревается до температуры 1100 ... 1200 °С и поступает в головку печи, где смешива­ется с топливом: на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6. Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очи­стные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пы­ли, и направляются во второй (левый) ре­генератор, нагревая его насадку. Охлаж­денные газы покидают печь через дымо­вую трубу 8. После охлаждения насадки

38

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

правого регенератора переключают кла­паны, и поток газов в печи изменяет на­правление.

Факел имеет температуру 1750 ... 1800 °С и нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса: 1) скрап-процесс, при котором шихта со­стоит из стального лома (скрапа) и 25 ... 45 % чушкового передельного чугуна; процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много метал­лолома; 2) скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55 ... 75 %), скрапа и железной руды; процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи. Наи­большее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой, что позво­ляет переделывать в сталь различные шихтовые материалы.

Плавка стали скрап-рудным процес­сом в основной мартеновской печи. В печь с помощью завалочной машины загружают железную руду и известняк и после их подогрева подают скрап. По окончании прогрева скрапа в печь зали­вают жидкий чугун, который взаимодей­ствует с железной рудой и скрапом. В пе­риод плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор по реакции (6), марганец и частично углерод. Оксиды Si0₂, P₂0₅, МпО, а также СаО и извести образуют шлак с высоким содержанием FeO и МпО (железистый шлак).

После расплавления шихты, окисления значительной части примесей и разогрева металла проводят период "кипения" ванны: в печь загружают железную руду и проду­вают ванну подаваемым по трубам 3 (см. рис. 2.3) кислородом. Окисление уг­лерода в достаточно прогретой ванне вы-

зывает вспенивание шлака, который вы­пускается самотеком через шлаковое от­верстие или порог завалочного окна. Этот шлак содержит значительное количество фосфора в виде 3FeO • Р₂0₅ и кремнезем (Si0₂).

Для удаления из металла серы наводят новый шлак, подавая на зеркало металла известь с добавлением боксита или плави­кового шпата для уменьшения вязкости шлака. Содержание СаО в шлаке возрас­тает, a FeO уменьшается. Это создает ус­ловия для интенсивного протекания реак­ций (7) и (8) и удаления из металла серы.

В период "кипения" углерод интенсив­но окисляется. Поэтому для "кипения" ванны шихта должна содержать избыток углерода (на 0,5 ... 0,6 %) сверх заданного в выплавляемой стали. В процессе "кипе­ния" металл доводится до заданного хи­мического состава, его температура вы­равнивается по объему ванны, из него удаляются газы и неметаллические вклю­чения. Процесс "кипения" считают окон­ченным, если содержание углерода в ме­талле соответствует заданному, а содер­жание фосфора минимально.

После этого металл раскисляют в два этапа: 1) в период "кипения" прекращают загрузку руды в печь, вследствие чего рас­кисление идет путем окисления углерода металла, одновременно подают в ванну раскислители - ферромарганец, ферроси­лиций, алюминий; 2) окончательно рас­кисляют алюминием и ферросилицием в ковше при выпуске стали из печи. После отбора контрольных проб сталь выпуска­ют в сталеразливочный ковш через отвер­стие в задней стенке печи.

В основных мартеновских печах вы­плавляют стали углеродистые конструк­ционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме вы­соколегированных сталей и сплавов, кото­рые получают в плавильных электропечах.

Кислый мартеновский процесс. Этим способом выплавляют качественные ста-

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

39

ли. Поскольку в печах с кислой футеров­кой нельзя навести основной шлак для удаления фосфора и серы, применяют шихту с низким содержанием этих состав­ляющих. Стали, выплавляемые в кислых мартеновских печах, содержат меньше водорода, кислорода, азота, неметалличе­ских включений, чем выплавленные в ос­новной печи. Поэтому кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластич­ность, и ее используют для особо ответст­венных деталей: коленчатых валов круп­ных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.

Основные технико-экономические по­казатели производства стали в мартенов­ских печах следующие: производитель­ность печи, определяемая съемом стали с 1 м² площади пода в сутки (т/м² в сутки), и расход топлива на 1 т выплавляемой стали (кг/т). Средний съем стали с 1 м² площади пода в сутки составляет 10 т/м², а расход условного топлива - до 80 кг/т.

4. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

В КИСЛОРОДНЫХ КОНВЕРТЕРАХ

Кислородно-конвертерный процесс -это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и про­дувкой кислородом через водоох­лаждаемую фурму.

Кислородный конвертер (рис. 2.4) -это сосуд фушевидной формы 2, корпус которого сварен из листовой стали толщи­ной от 50 до 100 мм. Внутренняя футеров­ка корпуса, как правило, двухслойная, толщиной 700 ... 1000 мм. Она изготовля­ется из основных огнеупорных материа­лов, преимущественно из магнезита и до­ломита. Стойкость рабочего слоя состав­ляет 400 ... 600 плавок. Конвертер имеет опорный пояс 3 с цапфами, расположен­ными в подшипниках опор. Для поворота конвертера предусмотрен механизм при­вода 4, при помощи которого конвертер может поворачиваться в обе стороны на любой угол.

Рис. 2.4. Устройство кислородного конвертера

Сверху через горловину в рабочее про­странство конвертера входит водоохлаж-даемая кислородная фурма /. Расстояние от ванны до сопел фурмы может изме­няться по ходу плавки, обеспечивая ра­циональный режим продувки.

Вместимость конвертера от 70 до 350 т расплавленного чугуна.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, (см. табл. 2.1), сталь­ной лом (не более 30 %), известь для наве­дения шлака, железная руда, а также бок­сит (А1₂0₃), плавиковый шпат (CaF₂), ко­торые применяют для разжижения шлака.

Перед плавкой конвертер наклоняют, через горловину с помощью завалочных машин загружают скрап (рис. 2.5, а), заливают чугун при температуре 1250 ... 1400 °С (рис. 2.5, б). После этого конвер­тер поворачивают в вертикальное рабочее положение (рис. 2.5, в), внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму и через нее подают кислород под давлением 0,9 ... 1,4 МПа. Расход кислорода составляет 2 ... 5 м³/мин на 1 т металла. Чистота техниче­ского кислорода должна быть 99,5 ... 99,7 %, что обеспечивает в готовой стали низкое содержание азота (0,002 ... 0,004 %). Одновременно с началом продувки в кон­вертер загружают известь, боксит, желез­ную руду. Струи кислорода проникают в

40

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

металл, вызывают его циркуляцию в кон­вертере и перемешивание со шлаком. Бла­годаря интенсивному окислению приме­сей чугуна при взаимодействии с кисло­родом в зоне под фурмой развивается температура до 2400 °С.

В зоне контакта кислородной струи с чугуном в первую очередь окисляется же­лезо, так как его концентрация во много раз выше, чем примесей. Образующийся оксид железа растворяется в шлаке и ме­талле, обогащая металл кислородом. Ки­слород, растворенный в металле, окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и содержание их понижается. При этом происходит разогрев ванны металла теп­лотой, выделяющейся при окислении примесей, поддержание его в жидком со­стоянии.

В кислородном конвертере благодаря присутствию шлаков с большим содержа­нием СаО и FeO, перемешиванию металла

и шлака создаются условия для удаления из металла фосфора по реакции (6) в нача­ле продувки ванны кислородом, когда ее температура еще невысока. В чугунах, перерабатываемых в конвертерах, не должно быть более 0,15 % Р. При повы­шенном (до 0,3 %) содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает про­изводительность конвертера.

Удаление серы из металла в шлак про­текает в течение всей плавки по реакциям (7) и (8). Однако высокое содержание в шлаке FeO (до 7 ... 20 %) затрудняет удале­ние серы из металла. Поэтому для передела в сталь в кислородных конвертерах приме­няют чугун с содержанием до 0,07 % S.

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответст­вует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 2.5, г).

Рис. 2.5. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

41

Рис. 2.6. Схема дуговой плавильной печи

При выпуске стали из конвертера ее раскисляют в ковше осаждающим мето­дом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием; затем из конвертера сливают шлак (рис. 2.5, <3).

В кислородных конвертерах выплав­ляют конструкционные стали с различным содержанием углерода, кипящие и спо­койные.

В кислородных конвертерах трудно выплавлять стали, содержащие легкоокис-ляющиеся легирующие элементы, поэтому в них выплавляют низколегируемые (до 2 ... 3 % легирующих элементов) стали. Легирующие элементы вводят в ковш, расплавив их в электропечи, или твердые ферросплавы вводят в ковш перед выпус­ком в него стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130 ... 300 т заканчивается через 25 ... 30 мин. Кислородно-конвер­терный процесс - более производитель­ный, чем плавка стали в мартеновских печах.

5. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В ЭЛЕКТРОПЕЧАХ

Плавильные электропечи имеют пре­имущества по сравнению с другими пла­вильными агрегатами, так как в них мож­но получать высокую температуру метал­ла, создавать окислительную, восстанови­тельную, нейтральную атмосферу и ваку­ум, что позволяет выплавлять сталь любо­го состава, раскислять металл с образова­нием минимального количества неметал­лических включений - продуктов раскис­ления. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных, высоко­легированных, инструментальных, специ­альных сплавов и сталей.

Для плавки стали используются дуго­вые и индукционные электропечи. Дуго­вая плавильная печь (рис. 2.6) работает на трехфазном переменном токе и имеет три цилиндрических электрода 9 из гра-фитизированной массы. Электрический ток от трансформатора мощностью от 25 до

42

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

45 кВ • А кабелями 7 подводится к электро­держателям 8, а через них - к электродам 9 и ванне металла. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает элек­трическая дуга, электроэнергия превраща­ется в теплоту, которая передается метал­лу и шлаку излучением. Рабочее напряже­ние 160 ... 600 В, сила тока 1 ... 10 кА. Во время работы печи длина дуги регули­руется автоматически, путем перемещения электродов. Стальной кожух 4 печи футе­рован огнеупорным кирпичом 1 - основ­ным (магнезитовым, магнезитохромито-вым) или кислым (динасовым). Подину 12 печи набивают огнеупорной массой. Пла­вильное пространство ограничено стенка­ми 5, подиной 12 и сводом б из огнеупор­ного кирпича. Свод печи выполняется съемным. Ход плавки контролируется че­рез рабочее окно 10. Выпуск готовой ста­ли осуществляется через выпускное от­верстие по желобу 2 в ковш. Печь имеет привод 11 для наклона в сторону рабочего окна или желоба.

Печь загружают шихтой с помощью загрузочной бадьи или сетки. Свод печи в это время поднимают, а печь отводят в сторону. После загрузки печь вновь на­крывается сводом. Вместимость этих пе­чей 0,5 ... 400 т. В металлургических це­хах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных - с кислой.

В основной дуговой печи можно осу­ществить плавку двух видов: на шихте из легированных отходов (методом перепла­ва) и на углеродистой шихте (с окислени­ем примесей).

Плавку на шихте из легированных от­ходов ведут без окисления примесей (ме­тодом переплава). Шихта для такой плав­ки должна иметь меньше, чем в выплав­ляемой стали, марганца и кремния и низ­кое содержание фосфора. По сути это пе­реплав. Однако в процессе плавки приме­си (алюминий, титан, кремний, марганец, хром) окисляются. Кроме этого, шихта может содержать оксиды. После расплав­ления шихты из металла удаляют серу,

наводя основной шлак, при необходимо­сти науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Затем проводят диффузионное раскисление, по­давая на шлак мелкораздробленные фер­росилиций, алюминий, молотый кокс. Так выплавляют легированные стали из отхо­дов машиностроительных заводов.

Плавку на углеродистой шихте с пол­ным окислением примесей проводят в том случае, если используемые шихтовые ма­териалы содержат фосфор и значительно отличаются по составу других элементов от заданной марки стали. Она проводится в следующей последовательности. В печь загружают шихту: стальной лом (90 %), чушковый передельный чугун (до 10 %), электродный бой или кокс для науглеро­живания металлов и известь (2 ... 3 %). Известь способствует ровному горению электрической дуги, предохраняет мате­риалы от поглощения газов и быстрее об­разует шлак. Затем электроды опускают и включают ток; шихта под действием теп­лоты, выделяемой электрической дугой, которая горит между электродами и ших­товыми материалами, плавится, и жидкий металл накапливается на подине печи. Плавление ведут на высоких ступенях напряжения для более быстрого создания в печи жидкой фазы.

Для получения в первом периоде плав­ки окислительного шлака в печь засыпают известь и железную руду (около 1 % от массы шихты). Через 10 ... 15 мин после загрузки руды скачивают 60 ... 70 % шла­ка; с ним удаляется значительная часть фосфора, преимущественно в виде фосфа­та железа. Затем в печь вновь засыпают известь (1 ... 1,5 % от массы металла), полностью расплавляют и нагревают рас­плав, при этом периодически порциями засыпают железную руду и известь. По мере повышения температуры усиливают­ся окисление углерода и кипение ванны, что способствует удалению растворенных в металле газов и неметаллических вклю­чений. Для ускорения окисления углерода

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

43

и других примесей ванну металла проду­вают кислородом.

Для более полного удаления фосфора из металла во время кипения ванны сли­вают шлак. В это время при высокой темпе­ратуре и высокой основности шлака фосфор переводится в фосфат извести. Вместо сли­того шлака наплавляется новый.

По достижении содержания фосфора 0,01 ... 0,015 % и заданного содержания углерода шлак вновь удаляют. После это­го в печь загружают известь, мелкий кокс и плавиковый шпат для образования вос­становительного шлака и приступают к раскислению металла. Кислород, раство­ренный в металле, начинает переходить в шлак, и образующиеся оксиды железа и марганца восстанавливаются углеродом кокса. После побеления шлака в него вво­дят более сильные восстановители - моло­тый ферросилиций или алюминий. Осу­ществляется активное раскисление шлака, что приводит к диффузионному раскисле­нию металла. Раскисление под белым шлаком длится 30 ... 60 мин.

В этот период создаются условия для удаления из металла серы, что объясняет­ся высоким (до 55 ... 60 %) содержанием

СаО в шлаке, низким (менее 0,5 %) содер­жанием FeO и высокой температурой ме­талла.

Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимо­сти в печь вводят ферросплавы для полу­чения заданного химического состава ме­талла, после чего выполняют конечное раскисление стали алюминием и силико-кальцием и выпускают металл из печи в ковш.

При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов. Порядок ввода определяется сродством легирую­щих элементов к кислороду. В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали - конструкционные, инструментальные, жаропрочные и жаро­стойкие.

Индукционная тигельная плавиль­ная печь (рис. 2.7) состоит из водоохлаж-даемого индуктора 3, внутри которого находится тигель 4 с металлической ших­той. Через индуктор от генератора про­мышленной частоты (50 Гц) или от гене­ратора высокой частоты (500 ... 2500 Гц) проходит однофазный переменный ток.

_ШШ///Ш

_{ш^???Шшшт,}

Рис. 2.7. Схема индукционной тигельной плавильной печи

44

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Ток создает переменный магнитный поток, пронизывающий куски металла в тигле. Переменный магнитный поток на­водит в них мощные вихревые токи (Фу­ко), нагревающие металл 1 до расплавле­ния и необходимых температур перегрева. Тигель изготовляют из кислых (кварцит) или основных (магнезитовый порошок) ог­неупоров. Вместимость тигля 60 кг ... 25 т. Для уменьшения потерь теплоты печь имеет съемный свод 2.

Индукционные печи имеют преимуще­ства перед дуговыми: в них отсутствует электрическая дуга, что позволяет вы­плавлять сталь с низким содержанием уг­лерода, газов и малым угаром элементов; при плавке в металле возникают электро­динамические силы, которые перемеши­вают металл в печи и способствуют вы­равниванию химического состава, всплы-ванию неметаллических включений; не­большие размеры печей позволяют поме­щать их в камеры, где можно создавать любую атмосферу или вакуум. Однако эти печи имеют малую стойкость футеровки, и температура шлака в них недостаточна для протекания металлургических процес­сов между металлом и шлаком. Эти пре­имущества и недостатки печей обусловли­вают возможности плавки в них; в индук­ционных печах выплавляют сталь и спла­вы из легированных отходов методом переплава или из чистого шихтового же­леза и скрапа с добавкой ферросплавов методом сплавления.

При загрузке тщательно подбирают химический состав шихты в соответствии с заданным, а необходимое количество ферросплавов для получения заданного химического состава металла загружают на дно тигля вместе с шихтой. После рас­плавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьше­ния тепловых потерь металла и уменьше­ния угара легирующих элементов, защиты его от насыщения газами. При плавке в кислой печи после расплавления и удале­ния плавильного шлака наводят шлак из боя стекла (Si0₂). Металл раскисляют

ферросилицием, ферромарганцем и алю­минием перед выпуском его из печи.

В индукционных печах с основной фу­теровкой выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержани­ем марганца, никеля, титана, алюминия, а в печах с кислой футеровкой - конструкци­онные, легированные другими элементами стали. В этих печах можно получать стали с низким содержанием углерода и безуг­леродистые сплавы, так как в печах нет науглероживающей среды и науглеро­живание не происходит.

При вакуумной индукционной плавке индуктор с тиглем, дозатор шихты и из­ложницы помещают в вакуумные камеры. Плавка, введение легирующих добавок, раскислителей, разливка металла в излож­ницы производятся без нарушения вакуу­ма в камере. Таким способом получают сплавы высокого качества с малым содер­жанием газов, неметаллических включе­ний, сплавы, легированные любыми эле­ментами.

6. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ ИЗ МЕТАЛЛИЗОВАННЫХ ОКАТЫШЕЙ

Производство стали из металлизован-ных окатышей, содержащих 90 ... 95 % железа, осуществляется в дуговых элек­трических печах вместимостью 150 т. Этот способ выплавки стали состоит из трех основных стадий: приготовления окисленных окатышей из железорудного концентрата, металлизации окатышей в специальных установках прямого восста­новления железа, выплавки стали из ме-таллизованных окатышей.

Получение окисленных окатышей. Железную руду на горно-обогатительных комбинатах обогащают. Затем этот кон­центрат гидротранспортом поступает на металлургический комбинат, в цех оком-кования, где из него на дисковых вакуум-фильтрах удаляется влага. К полученному концентрату добавляют глинистое веще­ство (бентонит), которое во вращающихся барабанах-окомкователях склеивает час-

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

45

тицы концетрата в небольшие (диаметром 1 ... 2 см) шарики - сырые окатыши, кото­рые на специальных конвейерных маши­нах обжигают для придания им требуемой прочности.

Металлизация окисленных окаты­шей осуществляется на специальных ме-таллизационных установках (рис. 2.8), представляющих собой 64-метровую ци­линдрическую башню-печь 3 с внутрен­ним диаметром 5 м, в которой происходит восстановление железа.

Окатыши конвейером 7 подаются в приемное устройство 2 и равномерно за­гружаются в шахтную башню-печь 3, ра­ботающую по принципу противотока. Для восстановления железа из окатышей в печь по трубопроводу 4 подают предвари-

тельно очищенную от серы смесь природ­ного и колошникового газа, подвергнутую конверсии в установке 5. В конверсионной установке газ разлагается на оксид угле­рода (СО) и водород (Н₂). В восстанови­тельной зоне шахты окисленные окатыши при температуре 500 ... 1100 °С восстанав­ливаются до губчатого железа. В резуль­тате содержание железа в окатышах дос­тигает 90 ... 95 %. Металлизованные ока­тыши имеют постоянный химический со­став. Охлаждение металлизованных ока­тышей осуществляется в зоне охлаждения в нижней части шахты продувкой холод­ным воздухом, подаваемым по трубопро­воду б. Охлажденные окатыши 7 выдают­ся на конвейер 8 и поступают на выплавку стали.

Рис. 2.8. Схема производства стали из металлизованных окатышей

46

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Выплавка стали производится в дуго­вых электропечах 9 (см. рис. 2.8). В ка­честве основных шихтовых материалов используются металлизованные окатыши, стальной лом, загружаемый корзиной 10, и различные ферросплавы. Плавка стали ведется методом переплава. После рас­плавления шихтовых материалов сталь при необходимости науглероживают и доводят до нужного химического состава, после чего проводят диффузионное рас­кисление и сталь выпускают из печи. Вы­пущенную сталь в ковше либо подвергают вакуумированию, либо продувают арго­ном совместно с рафинирующим порош­ком. Длительность плавки составляет 2,5 ... 3 ч. Разливка стали осуществляется на машине непрерывного литья заготовок.

Этим способом выплавляют высокока­чественные легированные стали с малым содержанием фосфора и серы.

7. РАЗЛИВКА СТАЛИ

Выплавленную сталь выпускают из плавильной печи в разливочный ковш, из которого ее разливают в изложницы или кристаллизаторы машины для непрерыв­ного литья заготовок (МНЛЗ). В изложни­цах или кристаллизаторах сталь затверде­вает, и получаются слитки, которые под­вергают прокатке, ковке.

Изложницы - чугунные формы для изготовления слитков. Изложницы выпол­няют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями. Слитки квадратного сечения переделывают на сортовой прокат (дву­тавровые балки, швеллеры, уголки и т.д.). Слитки прямоугольного сечения переде­лывают на лист. Из слитков круглого сече­ния изготовляют трубы, колеса. Много­гранные слитки используют для поковок.

Для прокатки отливают слитки массой 200 кг ... 25 т; для поковок - массой 300 т и более. Обычно углеродистые спокойные и кипящие стали разливают в слитки массой до 25 т, легированные и высококачествен­ные стали - в слитки массой 500 кг ... 7 т, а

некоторые сорта высоколегированных ста­лей - в слитки массой несколько кило­граммов.

Сталь разливают в изложницы сверху, снизу (сифоном) и на МНЛЗ.

В изложницы сверху (рис. 2.9, а) сталь разливают непосредственно из ковша 1.

При сифонной разливке (рис. 2.9, б) сталью заполняют несколько изложниц (4 ... 60). Изложницы устанавливают на поддоне 6, в центре которого располагает­ся центровой литник 3, футерованный ог­неупорными трубками 4, соединенный каналами 7 с изложницами. Жидкая сталь 2 из ковша 1 поступает в центровой лит­ник и снизу плавно, без разбрызгивания заполняет изложницу 5. Поверхность слитка получается чистой, можно разли­вать большую массу металла одновремен­но в несколько слитков. Для обычных уг­леродистых сталей используют разливку сверху, а для легированных и высококаче­ственных - разливку сифоном.

Непрерывная разливка стали состоит в том, что жидкую сталь из ковша / через промежуточное разливочное устройство 2 непрерывно подают в водоохлаждаемый кристаллизатор 3, из нижней части кото­рого вытягивается затвердевающий слиток 4 (рис. 2.10). Перед заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку, обра­зующую его дно. Жидкий металл, попадая в кристаллизатор и на затравку, охлажда­ется, затвердевает, образуя корку, и со­единяется с затравкой. Затравка тянущими валками 5 вытягивается из кристаллизато­ра вместе с затвердевающим слитком, сердцевина которого еще жидкая. Ско­рость вытягивания слитка из кристаллиза­тора составляет от 0,3 до 10 м/мин, она зависит от его поперечного сечения, тем­пературы разливаемого металла, условий вторичного охлаждения и теплофизиче-ских свойств разливаемой стали. Напри­мер, скорость вытягивания слитков с се­чениями 150 х 500 и 300 х 2000 мм около 1 м/мин.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

47

Рис. 2.9. Разливка стали в изложницы

Рис. 2.10. Схема разливки стали на МНЛЗ

48

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой из форсунки в зоне б вторичного охлаждения. Затем затвердев­ший слиток попадает в зону 7 резки, где его разрезают газовым резаком 8 на слитки заданной длины. Таким способом отливают слитки с прямоугольным поперечным сече­нием (150 х 500 ... 300 х 2000 мм), с квадратным сечением (150 х 150 ... 400 х 400 мм), круглые в виде толстостен­ных труб. Вследствие направленного за­твердевания и непрерывного питания при усадке слитки непрерывной разливки имеют плотное строение и мелкозерни­стую структуру, в них отсутствуют уса­дочные раковины. Выход годных загото­вок может достигать 96 ... 98 % массы разливаемой стали.

Машины непрерывного литья могут иметь несколько кристаллизаторов, что позволяет одновременно получать не­сколько слитков, которые могут быть про­катаны на сортовых станах, минуя блю­минги и слябинги.

8. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И СТРОЕНИЕ СТАЛЬНЫХ СЛИТКОВ

Залитая в изложницы сталь отдает теп­лоту ее стенкам, поэтому затвердевание стали начинается у стенок изложницы. Толщина закристаллизовавшейся корки непрерывно увеличивается, при этом ме­жду жидкой сердцевиной слитка и твер­дой коркой металла располагается зона, в которой одновременно имеются растущие кристаллы и жидкий металл между ними.

Кристаллизация слитка заканчивается вблизи его продольной оси.

Сталь затвердевает в виде кристаллов древовидной формы - дендритов. Размеры и формы дендритов зависят от условий кристаллизации. На строение стального слитка большое влияние оказывает сте­пень раскисленности стали.

Спокойная сталь (рис. 2.11, а, г) за­твердевает без выделения газов, в верхней части слитка образуется усадочная рако­вина 1, а в средней - усадочная осевая рыхлость.

Для устранения усадочных дефектов слитки спокойной стали отливают с при­былью, которая образуется надставкой (см. рис. 2.9, б) со стенками, футерован­ными огнеупорной массой малой тепло­проводности. Поэтому сталь в прибыли долгое время остается жидкой и питает слиток, а усадочная раковина располагает­ся в прибыли. Слиток спокойной стали (рис. 2.11, а) имеет следующее строение: тонкую наружную корку А из мелких рав­ноосных кристаллов; зону Б крупных столбчатых кристаллов (дендритов); зону В крупных неориентированных кристал­лов; конус осаждения Г, мелкокристалли­ческую зону у донной части слитка. Стальные слитки неоднородны по хими­ческому составу. Химическая неоднород­ность, или ликвация, возникает вследст­вие уменьшения растворимости примесей в железе при его переходе из жидкого со­стояния в твердое. Ликвация бывает двух видов - дендритная и зональная.

а) 6) в)

Рис. 2.11. Схема строения стальных слитков

г) д) е)

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

49

Дендритная ликвация - неоднород­ность стали в пределах одного кристалла (дендрита) - центральной оси и ветвей. Например, при кристаллизации стали со­держание серы на границах дендрита по сравнению с содержанием в центре увели­чивается в 2 раза, фосфора - в 1,2 раза, а углерода уменьшается почти наполовину.

Зональная ликвация - неоднородность состава стали в различных частях слитка. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы, фос­фора и углерода увеличивается в несколь­ко раз (рис. 2.11, г), а в нижней части -уменьшается. Зональная ликвация приво­дит к отбраковке металла вследствие от­клонения его свойств от заданных. Поэто­му прибыльную и подприбыльную части слитка, а также донную его часть при про­катке обрезают.

В слитках кипящей стали (рис. 2.11, б, д) не образуются усадочные раковины: усадка стали рассредоточена по полостям газовых пузырей, возникающих при кипе­нии стали в изложнице. При прокатке слитка газовые пузыри завариваются. Ки­пение стали влияет на зональную ликва­цию в слитках, которая развита в них больше, чем в слитках спокойной стали. Углерод, сера и фосфор потоком металла выносятся в верхнюю часть слитка, отчего свойства стали в этой части слитка ухуд­шаются. Поэтому при прокатке отрезают только верхнюю часть слитка, так как в донной ликвация мала. Для уменьшения ликвации кипение после заполнения из­ложницы прекращают, накрывая слиток металлической крышкой ("механическое закупоривание"), либо раскисляют металл алюминием или ферросилицием в верхней части слитка ("химическое закупорива­ние").

Слиток кипящей стали имеет следую­щее строение (рис. 2.11, б, д): плотную наружную корку А без пузырей; зону мел­ких кристаллитов; зону сотовых пузырей Я, вытянутых к оси слитка и располагаю­щихся между кристаллитами Б; зону В неориентированных кристаллитов; про-

межуточную плотную зону С; зону вто­ричных круглых пузырей К и среднюю зону Д с отдельными пузырями.

Полуспокойная сталь сохраняет пре­имущества спокойной и кипящей сталей и не имеет их недостатков.

Полуспокойная сталь (рис. 2.11, в, е) частично раскисляется в печи и ковше, а частично в изложнице. Слиток полуспо­койной стали имеет в нижней части струк­туру спокойной стали, а в верхней - ки­пящей. Ликвация в верхней части слитка полуспокойной стали меньше, чем кипя­щей, и близка к ликвации спокойной ста­ли, но слитки полуспокойной стали не имеют усадочных раковин.

9. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СТАЛИ

Развитие машиностроения и приборо­строения предъявляет возрастающие тре­бования к качеству металла: его прочно­сти, пластичности, газосодержанию. Улуч­шить эти показатели можно уменьшением в металле вредных примесей, газов, неме­таллических включений. Для повышения качества металла используют обработку металлов синтетическим шлаком, вакуум­ную дегазацию металла, электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой пере­плав (ВДП), переплав металла в электрон­но-лучевых и плазменных печах и другие способы.

Обработка металла синтетическим шлаком (рис. 2.12) заключается в следую­щем. Синтетический шлак, состоящий из 55 % СаО, 40 % А1₂0₃, небольшого коли­чества Si0₂, MgO и минимума FeO, выплав­ляют в электропечи и заливают в ковш (рис. 2.12, а). В этот же ковш затем заливают сталь (рис. 2.12, б). При перемешивании стали и шлака поверхность их взаимодейст­вия резко возрастает, и реакции между ними протекают гораздо быстрее, чем в плавильной печи. Благодаря этому, а так­же низкому содержанию оксида железа в шлаке сталь, обработанная таким спосо­бом, содержит меньше серы, кислорода и

50

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Рис. 2.12. Схема обработки стали синтетиче­ским шлаком

неметаллических включений, улучшаются ее пластичность и прочность. Такие стали применяют для изготовления ответствен­ных деталей машин.

Вакуумирование стали проводят для понижения концентрации кислорода, во­дорода, азота и неметаллических включе­ний. Для вакуумирования используются различные способы, например вакуумиро­вание в ковше, циркуляционное и поточ­ное вакуумирование, струйное и порцион­ное вакуумирование и др.

При вакуумной обработке стали про­исходит раскисление углеродом, так как при снижении давления в камере концен­трации углерода и кислорода становятся избыточными и появляется термодинами­ческая возможность протекания реакции окисления углерода. Вакуумирование ста­ли сопровождается кипением металла. Для примера рассмотрим вакуумирование ста­ли в ковше, циркуляционное и поточное вакуумирование.

Вакуумирование стали в ковше (рис. 2.13, а) осуществляется в камере /, в которую устанавливается ковш 2 со ста­лью, после чего камеру герметично закры­вают крышкой 3 и соединяют с работаю­щим вакуум-насосом. На крышке камеры предусмотрен бункер 4 для ферросплавов. При достижении разрежения с остаточным давлением 0,267 ... 0,667 кПа металл заки­пает, что свидетельствует о начале дегаза­ции. Длительность обработки зависит от температуры стали в ковше и ее массы и

составляет 10 ... 20 мин. По окончании обработки камеру соединяют с атмосфе­рой, открывают камеру и ковш со сталью увозят на разливку.

Циркуляционное вакуумирование осуществляется на установке (рис. 2.13, б), которая состоит из вакуумной камеры 1 со всасывающей 2 и сливной 3 трубами, опускаемыми в ковш 5 со сталью. В уста­новке предусмотрен бункер 4 для ферро­сплавов. После создания разрежения с остаточным давлением 0,267 ... 0,667 кПа в камере образуется слой металла высотой 200 ... 400 мм. В нижней части одной из труб имеется кольцевой коллектор б с со­плами для ввода транспортирующего газа -аргона. Аргон, попадая в расплавленную сталь, образует взвесь мелких пузырьков, поднимающихся по трубе и увлекающих за собой металл. Попадая в камеру, металл вакуумируется и стекает по второй трубе в ковш. При скорости движения металла через камеру 15 ... 20 т/мин длительность вакуумирования составляет 20 ... 30 мин. Расход аргона 10 ... 28 л/т. Вследствие непрерывного смешивания обработанного металла с необработанным требуется трех-, четырехкратное прохождение стали через камеру.

Поточное вакуумирование стали осуществляется при непрерывной разлив­ке. На рис. 2.13, в приведена схема ваку­умной обработки стали с промежуточной вакуум-камерой. Разливочный ковш 1 со сталью герметически устанавливают на вакуумную камеру 2, патрубок 3 погружен в металл промежуточного ковша 4. Сталь из промежуточного ковша поступает в кристаллизатор 5, из которого вытягивает­ся слиток б. Этим способом при непре­рывной разливке вакуумируют как спо­койную, так и низкоуглеродистую кипя­щую сталь, получая плотные слитки.

Электрошлаковый переплав (ЭШП) применяют для выплавки высококачест­венных сталей для шарикоподшипников, жаропрочных сталей для дисков и лопаток турбин, валов компрессоров, авиационных

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

51

а) б) в)

Рис. 2.13. Ковшовое (а), циркуляционное (б) и поточное (в) вакуумирование стали

ления электрода, под воздействием кри­сталлизатора постепенно формируется в слиток б. Последовательная и направлен­ная кристаллизация способствует получе­нию плотного однородного слитка.

конструкций. Переплаву подвергают вы­плавленный в дуговой печи и прокатан­ный на круглые прутки металл. Источни­ком теплоты при ЭШП является шлаковая ванна, нагреваемая при прохождении че­рез нее электрического тока. Электриче­ский ток подводится к переплавляемому электроду /, погруженному в шлаковую ванну 2, и к поддону 9, установленному в водоохлаждаемом металлическом кри­сталлизаторе 7, в котором находится за­травка 8 (рис. 2.14). Выделяющаяся тепло­та нагревает шлаковую ванну 2 до темпера­туры свыше 1700 °С и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла 3 проходят через шлак, образуют под шлако­вым слоем металлическую ванну 4.

а)

Рис. 2.14. Схемы электрошлакового переплава

расходуемым электродом:

а - кристаллизатор; б- схема включения установки

Перенос капель металла через основ­ной шлак способствует их активному взаимодействию, удалению из металла серы, неметаллических включений и рас­творенных газов. Металлическая ванна непрерывно пополняется путем расплав-

52

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

В результате ЭШП содержание кисло­рода в металле снижается в 1,5 ... 2 раза, концентрация серы снижается в 2 ... 3 ра­за, уменьшается содержание неметалличе­ских включений, они становятся мельче и равномерно распределяются в объеме слитка. Слиток отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством по­верхности благодаря наличию шлаковой корочки 5, высокими механическими и эксплуатационными свойствами стали и сплавов. Слитки выплавляют круглого, квадратного, прямоугольного сечений массой до 110 т.

Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) применяют в целях удаления из металла газов и неметаллических включений. Про­цесс осуществляется в вакуумно-дуговых печах с расходуемым электродом (рис. 2.15). В зависимости от требований, предъяв­ляемых к получаемому металлу, расхо­дуемый электрод изготовляют механиче­ской обработкой слитка, выплавленного в электропечах или установках ЭШП. Рас­ходуемый электрод 3 закрепляют на водо-охлаждаемом штоке 2 и помещают в кор­пус / печи и далее в медную водоохлаж-даемую изложницу б. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточного давле­ния 0,00133 кПа.

При подаче напряжения между расхо­дуемым электродом - катодом 3 и затрав­кой - анодом 8 возникает дуга. Выделяю­щаяся теплота расплавляет конец электро­да; капли 4 жидкого металла, проходя зо­ну дугового разряда, дегазируются, запол­няют изложницу и затвердевают, образуя слиток 7. Дуга горит между расходуемым электродом и жидким металлом 5 в верх­ней части слитка на протяжении всей плавки. Сильное охлаждение слитка и ра­зогрев дугой ванны металла создают усло­вия для направленного затвердевания слитка, вследствие чего неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка, а усадочная раковина в слитке мала. Слитки ВДП содержат мало газов, неметаллических включений, отли­чаются высокой равномерностью химиче-

ского состава, повышенными механиче­скими свойствами. Из слитков изготовля­ют ответственные детали турбин, двигате­лей, авиационных конструкций. Масса слитков достигает 50 т.

Плавку в электронно-лучевых печах (ЭЛП) применяют для получения чистых и ультрачистых тугоплавких металлов (молибдена, ниобия, циркония и др.), для выплавки специальных сплавов и сталей. Источником теплоты в этих печах являет­ся энергия, выделяющаяся при торможе­нии свободных электронов, пучок которых направлен на металл. Получение электро­нов, их разгон, концентрация в луч, на­правление луча в зону плавления осуще­ствляются электронной пушкой. Металл плавится и затвердевает в водоохлаждае-мых кристаллизаторах при остаточном давлении 1,33 Па. Вакуум внутри печи, большой перегрев и высокие скорости охлаждения слитка способствуют удале­нию газов и примесей, получению металла

^К вакуум-насосу

Рис. 2.15. Схема вакуумно-дугового переплава

ПРОИЗВОДСТВО ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

53

особо высокого качества. Однако при пе­реплаве шихты, содержащей легкоис-паряющиеся элементы, изменяется хими­ческий состав металла.

Плавку стали в плазменно-дуговых печах (ЦДЛ) применяют для получения высококачественных сталей и сплавов. Ис­точник теплоты - низкотемпературная плаз­ма (30 000 °С), получаемая в плазменных

горелках. В этих печах можно создавать нейтральную среду заданного состава (ар­гон, гелий). Плазменно-дуговые печи по­зволяют быстро расплавить шихту, в ней­тральной газовой среде происходит дега­зация выплавляемого металла, легкоиспа-ряющиеся элементы, входящие в его со­став, не испаряются.