Лекц Т К М 2014г

Возможность получения высоких температур допускает применение сильно известковых шлаков, которые способствуют почти полному удалению из металла серы и фосфора. В атмосфере электропечи мало кислорода, что позволяет легко вести восстановительный процесс раскисления и получать сталь, свободную от вредной закиси железа. Электроплавка дает возможность получения высококачественных сталей, содержащих такие тугоплавкие элементы, как вольфрам, ванадий, молибден, расплавление которых в других печах затруднительно.

Внастоящее время большинство сортов специальных сталей выплавляется в электропечах. В текущей пятилетке будет продолжаться повышение удельного веса производства электростали.

Электропечи могут работать как на жидкой, так и на твердой шихте. Работа на твердой шихте (лом, стружка, отходы проката) в основных печах является наиболее распространенной. Процесс плавки включает: 1) расплавление шихты; 2) окисление примесей; 3) раскисление стали; 4) удаление серы; 5) доводку стали до требуемого химического состава.

Расплавление шихты и порядок выгорания примесей в электропечи аналогичен мартеновскому процессу. По мере расплавления металла происходит окисление железа и содержащихся в нем примесей. В качестве окислителей добавляют железную руду и окалину. После окисления примесей образуются разные химические соединения, которые переходят в шлак. В качестве шлакообразующих материалов в печь вводят известь или известняк и плавиковый шпат – флюорит CaF2 (Тпл = 1378°С).

Современные электрические печи для выплавки стали можно разделить на две группы – дуговые и индукционные.

Вдуговых печах (рис. 9.4) теплота получается от горения электрической дуги, образующейся непосредственно между электродами (печи с «независимой» дугой) или между электродами и металлической ванной (печи с «зависимой» дугой).

71

шихта. Преимущественное распространение получили бессердечниковые печи, часто называемые высокочастотными.

Рис. 9.5. Индукционная печь

Через индуктор, представляющий собой обмотку из медной трубки, охлаждаемой внутри водой, пропускается ток, возбуждающий в окружающем пространстве переменное магнитное поле. Это магнитное поле возбуждает индукционные вихревые токи в металле, заключенном в ванну. Под влиянием вихревых токов металл прогревается. Емкость высокочастотной печи от 50 кг до 60 т. Печи промышленного типа питаются переменным током от генераторов, работающих на частоте 500 – 2500 Гц.

Индукционные печи удобны тем, что не требуют электродов, благодаря чему предотвращается опасность науглероживания металла и упрощается управление печью. Кроме того, под действием магнитного потока (магнитных силовых линий) усиливается циркуляция металла, что очень

73

важно для ускорения химических реакций и получения однородного металла.

В зависимости от футеровки различают кислые и основные электропечи. Собственно все виды передела чугуна на жидкую сталь являются процессами рафинирования, заключающимися в том, что находящиеся в чугуне в качестве примесей элементы (углерод, кремний, марганец и др.) подвергаются окислению кислородом воздуха или соединениями, легко отдающими кислород. При этом получаются газообразные или жидкие окислы, не растворяющиеся в металле или растворяющиеся в очень ограниченном количестве. Газообразные соединения уходят в атмосферу, а жидкие образуют шлаки, всплывающие благодаря меньшему удельному весу на поверхность металла и таким образом отделяющиеся от него.

При кислом процессе нельзя удалить серу и фосфор (требуются чистые исходные материалы). В основных электропечах эти элементы удаляются легко, поэтому основные печи применяются для получения высококачественных сортов стали. Кислые же печи применяются главным образом для получения стальных фасонных отливок.

Плавка в основной электропечи начинается с расплавления загруженного скрапа и чугуна. По ходу выгорания примесей различают несколько вариантов плавки: 1) с полным окислением; 2) с частичным окислением; 3) без окисления.

Плавка с полным окислением применяется, когда в шихте содержится значительное количество фосфора и других примесей. В этих условиях примеси не успевают выгореть за время расплавления и для ускорения процесса окисления в ванну добавляют железную или марганцевую руду. Введение марганцевой руды предохраняет ванну от перенасыщения окислами железа. МnO2 разлагается с образованием Мn3O4, которая при соединении с углеродом дает СО по реакции

Мn3O4 + 4С → 3Мn + 4СО.

74

Вследствие выделения СО ванна «кипит». Процесс получения стали распадается на несколько периодов.

В течение окислительного периода (кипа) происходит удаление из металла фосфора и значительной части газов (поглощаемых металлом во время расплавления). В процессе расплавления происходит окисление фосфора с образованием (СаО)4×Р2О5. Одновременно идет окисление Mn, Si, С. Продукты окисления примесей образуют шлак. После образования шлака берут пробу металла: если в пробе окажется значительное количество фосфора, то шлак «скачивают». Скачивание (дефосфация) необходимо для предупреждения перехода фосфора обратно в металл. Когда металл окажется достаточно чистым по содержанию фосфора, удалением «черного» шлака заканчивается окислительный период плавки.

После этого начинается восстановительный период, во время которого, кроме раскисления металла, производят десульфурацию и доводят химический состав стали до заданного. При плавке с полным окислением окисляется значительное количество углерода, и содержание его в металле понижается. Для повышения содержания углерода до нужного предела ванну науглероживают (на поверхность металла забрасывают куски малосернистого кокса, бой электродов и т. д.). Одна часть углерода идет на восстановление растворенной в металле FeO, а другая расплавляется в металле.

При дуговой электроплавке в отличие от мартеновской и конверторной раскисление ванны производится не столько за счет присадки раскислителей, сколько за счет раскислительного шлака. Различают два вида раскислительного шлака: белый (известковый) и карбидный. Для получения белого шлака в печь на поверхность ванны забрасывают шлаковую смесь: 76% СаО, 19% CaF2 и 5% кокса.

Белый шлак обеспечивает наиболее полное удаление серы:

FeS + C + CaO = CaS + CO+Fe; MnS + C + CaO = CaS + CO+Mn.

75

CaS, образуемый в ходе этих реакций, нерастворим в металле и уходит в шлак.

Доводка и окончание плавки заключается в присадке в печь небольшого количества раскислителей – ферросилиция и алюминия. Легирующими примесями являются Ni, Mo, Cr, W, V. Никель и молибден окисляются в меньшей степени и вводятся до полного раскисления ванны, хром и вольфрам – в уже раскисленную ванну, а ванадий – перед выпуском металла.

Плавка с полным окислением производится только для получения стали с малым содержанием углерода.

Для получения фасонного литья чаще применяют плавку с частичным окислением. Единственным источником кислорода при такой плавке служат ржавчина или окалина железного лома и проникающий в печь воздух. Применяется этот способ, когда содержание фосфора в шихте лишь незначительно выше допустимого в готовом металле, так что для окисления фосфора достаточно тех окислов железа, которые имеются в ванне после расплавления. При частичном окислении выгорает лишь кремний, а фосфор, марганец и углерод в большей или меньшей степени остаются в металле.

Плавка без окисления производится при восстановительном режиме на чистом по сере и фосфору и незаржавленном ломе. Это по существу переплавка чистого скрапа, и ведется она главным образом при наличии в скрапе хрома, вольфрама и других ценных примесей для получения соответствующих сталей. Руды при этом в ванн у не подают и шлака не спускают.

Плавка в кислой дуговой электропечи протекает подобным образом, но имеет свои особенности: 1) футеровка – динасовый кирпич; 2) сера и фосфор не удаляются, печь работает без спуска шлака, который в основном состоит из силикатов железа и марганца; 3) раскисление ведется присадками, роль шлака заключается в связывании FeO и МnО

76

кремнеземом. В конце процесса идет восстановление кремния, способствующее раскислению ванны.

Технико-экономическая характеристика дуговых печей. Продолжительность плавки в дуговой электропечи зависит от ее емкости, от вида футеровки, от характера завалки и сорта выплавляемого металла. Большие печи работают экономичнее, чем малые, так как они имеют меньший расход электроэнергии на 1 т годного литья и большую производительность одного агрегата. В кислых печах плавка идет быстрее, чем в основных. Угар металла при твердой завалке составляет 5 – 8%, при жидкой – 2%. Нормальный выход годного литья 91 – 92%.

Дуговая печь производительнее и дешевле будет работать на жидкой шихте, которая к тому же требует меньше материалов на огнеупорную футеровку. Учитывая экономичность больших электропечей, в эксплуатацию вводятся печи емкостью 200 т.

Пути совершенствования электроплавки стали. Применение кислорода позволяет в ряде случаев (например, при изготовлении нержавеющей стали в дуговых печах) увеличить производительность печи на 15 – 25% и снизить удельный расход электроэнергии на 20 – 30%, а расход электродов на 5 – 10%.

Плавка в вакууме – один из основных способов получения особо качественных металлов и сплавов. При таком способе значительно снижается содержание в металле газовых включений (O2, N2, Н2) и улучшается качество стали. Некоторое повышение стоимости металла окупается тем, что из него можно изготовлять более прочные конструкции меньших габаритов. Для плавки под вакуумом индукционная печь размещается в герметически изолированной камере, из которой откачивается воздух. В таких печах плавка идет при вакууме.

Электрошлаковый переплав осуществляется в электропечах сопротивления (рис 9.6). В обычных печах сопротивления нагревательным

77

элементом (стержнем, спиралью) является материал, обладающий высоким электросопротивлением, в

Рис. 9.6 Электропечь сопротивления

результате чего элемент разогревается при прохождении через него тока. Таким элементом сопротивления в печах для электрошлакового переплава (ЭШП) является ванна расплавленного шлака.

Сущность процесса электрошлакового переплава заключается в том, что плавление металла электрода, отлитого из стали недостаточного качества, происходит в расплавленном шлаке за счет теплоты электросопротивления, выделяемой при прохождении тока через шлаковую ванну.

В начале процесса в кристаллизатор засыпают флюс, зажигают электрическую дугу, которая расплавляет флюс, образуя шлаковую ванну. После образования шлаковой ванны достаточной глубины в неё опускают электрод, в результате чего гасится дуга и начинается бездуговой процесс переплава, при котором ток проходит через жидкий шлак и расплавляет материал электрода. Расплавленные капли металла проходят через шлак, дегазируются, очищаются от примесей и застывают в нижней части

78

охлаждаемого кристаллизатора, образуя слиток нужной формы. Флюс для ЭШП имеет различный состав, например: CaF2 – 65%; А12O3 – 30%; СаО – 5%. Способ ЭШП применяется для получения стали с особо высокими характеристиками.

9.4 Разливка стали в слитки

Оборудованием для разливки стали является сталеразливочный ковш, который представляет собой стальной кожух, футерованный внутри огнеупорным кирпичом. Жесткость кожуха усиливается кольцами и ребрами жесткости. Среднее кольцо имеет две цапфы для захвата ковша крюками разливочного крана. Из ковша сталь вытекает через отверстие в днище, в которое вставляется стакан из огнеупорного материала (шамотовый или графитовый) диаметром 25 – 40 мм. Отверстие закрывается пробкой, сделанной из того же материала, что и стакан. Пробка прикрепляется к стальному стержню, защищенному от действия жидкой стали надетыми на него трубками из огнеупорного материала. Перемещая рукояткой в направляющих и тягу, связанную горизонтальной траверсой со стержнем, можно открывать и закрывать пробкой выпускное отверстие в стакане.

Для удаления растворенных в стали газов и шлаковых включений, а также для выравнивания состава стали ее выдерживают некоторое время в ковше (для ковша емкостью 45 т выдержка составляет около 10 мин). После выдержки ковш переносят электромостовым краном к разливочному участку, где установлены изложницы (металлические формы, наполняемые расплавленным металлом). В изложницы для получения слитков разливают основную массу стали, и только около 5% ее идет для получения фасонных отливок. В этом случае сталь из ковша заливается в специальные формы.

79