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 и специальных сталей и сплавов.

Плавильные печи бывают

Дуговая плавильная печь (рис.5) питается трехфазным переменным током и имеет три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы. Электрический ток от трансформатора кабелями 7 подводится к электродержателям 8, а через них - к электродам 9 и ванне металла. Между электродами 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 7, основным (магнезитовый, магнезитохромитовый) или кислым (динасовый). Подину 12 печи набивают огнеупорной массой. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6 из огнеупорного кирпича. Для управления ходом плавки имеются рабочее окно 10 и летка для выпуска готовой стали по желобу 2 в кош.

Рис.5. Схема дуговой плавильной электропечи

 

Печь загружают при снятом своде. Механизмом 11печь может наклоняться в сторону загрузочного окна и летки. 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 осуществлять плавку двух типов: на шихте из легированных отходов (методом переплава) и на углеродистой шихте (с окислением примесей).

Плавку на шихте из легированных отходов ведут без окисления примесей. 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 примесей (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 мелкораздробленный ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Так выплавляют легированные стали из отходов машиностроительных заводов.

Плавку на углеродистой шихте применяют для производства конструкционных сталей. В печь загружают шихту: стальной лом (90%), чушковый передельный чугун (до 10%), электродный бой или кокс для науглероживания металла и известь 2-3%. Затем электроды опускают и включают ток; шихта под действием электродов плавится, металл накапливается на подине печи. Во время плавления шихты кислородам воздуха, оксидами шихты и окалины окисляются железо, кремний, фосфор, марганец и частично углерод. Оксид кальция из извести и оксиды железа образуют основной железистый шлак, способствуя удалению фосфора из металла.

После нагрева металла и шлака до температуры 1500 - 1540 ⁰С в печь загружают руду и известь и проводят период «кипения» металла; происходит дальнейшее окисление углерода. Когда содержание углерода будет меньше заданного на 0.1%, кипение прекращают и удаляют из печи шлак. Затем приступают к удалению серы и раскислению металла, доведению химического состава до заданного. Раскисление производят осаждением и диффузионным методом. После удаления железистого шлака в печь подают силикомарганец и силикокальций - раскислители для осаждающего раскисления. Затем в печь загружают известь, плавиковый шпат и шамотный бой. После расплавления флюсов После расплавления флюсов и образования высокоосновного шлака на его поверхность вводят раскислительную смесь для диффузионного раскисления (известь, плавиковый шпат, молотый кокс и ферросилиций), углерод кокса и кремний ферросилиция восстанавливают оксид железа в шлаке, содержание его в шлаке снижается, и кислород из металла по закону распределения переходит в шлак. По мере раскисления и понижения содержания FeO шлак становится почти белым. Раскисление под белым шлаком длится 30 - 60мин.

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 силикокальцием 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 способностью легирующих элементов к взаимодействию с кислородом. В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали - конструкционные, инструментальные и жаростойкие.

Индукционная тигельная плавильная печь (рис.6 ) состоит из водоохлаждаемого индуктора 3, внутри которого находится тигель 4 с металлической шихтой. Чрез индуктор от генератора высокой частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500-2000 Гц). Ток создает переменный магнитный поток, пронизывая куски металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи (Фуко), нагревающие металл 1 до расплавления и необходимых температур перегрева. Тигель изготавливают из кислых (кварцит) или основных (магнезитовый порошок) огнеупоров. Вместимость тигля 60 кг - 25 т. Для уменьшения потерь теплоты печь имеет съемный свод 2.

Рис.6. Схема индукционной плавильной печи

Индукционные печи имеют ряд преимуществ перед дуговыми: в них отсутствует электрическая дуга, что позволяет выплавлять сталь с низким содержанием углерода, газом и малым угаром элементов; при плавке в металле возникают электродинамические силы, которые перемешивают металл в печи и способствуют выравниванию химического состава, всплыванию неметаллических включений; небольшие размеры печей позволяют помещать их в камеры, где можно создать 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 (SiO₂). Металл раскисляют ферросилицием, ферромарганцем и алюминием перед выпуском 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 насыщения углеродом 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.

 

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 подвергаются прокатке или 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 с отношением ширины к толщине 1.5-3 переделывают на лист. Из слитков круглого сечения изготавливают трубы, колеса. Многогранные слитки используют для поковок.

Для прокатки отливают слитки массой от 200 кг до 25 т; для поковок отливают слитки до 300 т и более. Обычно углеродистые спокойные и кипящие стали разливают в слитки массой до 25 т, легированные и высоколегированные стали - в слитки массой 500 кг - 7 т, а некоторые сорта высоколегированных сталей - в слитки массой несколько килограммов.

Рис.7. Разливка стали в изложницы

 

Сталь разливают в изложницы сверху, снизу и на машинах непрерывного литья заготовок.

В изложницы сверху (рис.7,а) сталь разливают непосредственно из ковша 1.

При разливке снизу (рис.7,б) сталью заполняют одновременно 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 ковша1 поступает в центровой литник и снизу плавно заполняет изложницы 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 - снизу.

Непрерывная разливка стали состоит в том, что жидкую сталь из ковша 1 через промежуточное разливочное устройство 2 непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна кристаллизатор 3, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток 4 (рис.8). 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 зависит от его сечения (примерно 1 м/мин).

Рис.8. Схема машины непрерывного литья заготовок

 

На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой из форсунки в зоне 6 вторичного охлаждения. Затем затвердевший слиток попадает в зону 7 резки, где он разрезается газовым резаком 8 на мерные куски. Таким образом отливают слитки с прямоугольным поперечным сечением (150х500 - 300х2000) мм), с квадратным сечением (150х150 - 400х400 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, миную блюминги и слябинги.