Лекція №4

Навчальні питання:

1. Виробництво сталі. Характеристика сталі у порівнянні з чавуном. Сутність виробництва сталi.Сучасні способи виплавляння сталі.

2. Киснево-конверторне виробництво сталі.

3. Фізико-хімічні процеси виробництва сталі.

4. Мартенівське виробництво сталi.

5. Виплавляння сталі в електропечах.

6. Вплив способу виробництва на вартість та якість сталi.

7. Поняття про бездоменне виробництво сталi.

Навчальне питання 1. Виробництво сталі. Характеристика сталі у порівнянні з чавуном. Сутність виробництва сталi. Сучасні способи виплавляння сталі.

Сталь порівняно із чавуном містить менше вуглецю, силіцію, сірки та фосфору, отже, для одержання сталі з чавуну потрібно зменшити вміст цих речовин. Виробництво сталі ґрунтується на окисненні домішок, які містяться у чавуні. Існує кілька способів переробки чавуну в сталь: конвертерний, мартенівський і електротермічний.

Навчальне питання 2. Киснево-конверторне виробництво сталі.

Будова конвертора. На металургійних заводах застосовують конвертори з нижнім і верхнім дуттям. Конвертор з ниж­нім дуттям (рис. З6) являє собою посудину грушовидної форми. Кожух конвертора зварюють з листової сталі і футеру­ють ізсередини вогнетривким матеріалом. Конвертор має дві циліндричні цапфи в опорах. На цапфах його можна обертати навколо горизонтальної осі. Крізь порожнисту цапфу в короб­ку 1, прикріплену до днища конвертора, повітропроводом з по­вітродувки подається повітря або повітряно-киснева суміш (дут­тя) . Через сопла в днищі дуття під тиском 0,20—0,25 Мн/м.³

Рис.36 Схема конвектора з нижнім дуттям

Рис. 37. Схема обертового конверто­ра з верхнім дуттям.

(2,0—2,5 ат) потрапляє в робо­чий простір конвертора. За до­помогою шестерні, закріпленої на другій цапфі, і зубчастої рейки конвертор можна по­вертати навколо горизонталь­ної осі. Рідкий чавун заливають у конвертор крізь горловину 2, для чого конвертор нахи­ляють у горизонтальне поло­ження. Після заливання чаву­ну подають дуття і повертають конвертор у вертикальне (ро­боче) положення. З цього мо­менту починається процес ви­роблення сталі. Наприкінці процесу конвертор знову нахи ляють у горизонтальне поло­ження і припиняють дуття. Час продування залежно від містко­сті конвертора і сорту сталі, що виплавляється, становить 8— 12 хв. Місткість конверторів на повітряному дутті досягає 10— 75 т і більше.

Конвертори з верхнім дуттям використовують тільки при кисневому дутті. Місткість цих конверторів увесь час зростає і тепер досягає вже 300—350 т. Для подавання кисню тут застосовують спеціальні водоохолоджувані фурми, які вво­дяться в конвертор зверху крізь горловину. При такому проду­ванні застосовують стаціонарні й обертові конвертори з глухим дном. У стаціонарних конверторах під час проду­вання не досягають потрібного- перемішування металу, що при­зводить до значних втрат заліза у вигляді оксидів, які виносять­ся газами. Обертові конвертори позбавлені цієї хиби і, крім того, у цих конверторах завдяки доброму перемішуван­ню металу підвищується якість сталі.

На рис. 37 показано основне положення обертового конверто­ра під час продування. Обертаючи конвертор на цапфах, можна встановлювати його в інші положення: для завантаження твер­дої шихти, заливання чавуну і для випускання сталі і шлаку.

Основними перевагами конверторного способу виробницт­ва сталі є: висока продуктивність, простота установки і легкість її обслуговування, відсутність витрати палива на перероблення чакуну. в сталь, низька вартість переробки порівняно з іншими способами.

Істотним недоліком звичайного конверторного способу е те, що кремній, марганець і, особливо, вуглець вигоряють дуже швидко, а вапно й інші шлакоутворюючі елементи розчиняються повільно, що затримує утворення шлаку. Через це при доведенні вмісту вуглецю до заданого рівня кількість фосфору в металі залишається високою. Крім того, рідка сталь енергійно поглинає азот повітряного дуття. Результатом цього є погіршання меха­нічних властивостей конверторної сталі, внаслідок чого в бага­тьох країнах конверторний спосіб було витіснено мартенівським. Відродження конверторного способу виробництва сталі почалося в 50-ті роки XX ст. завдяки промисловому застосуванню проду­вання чавуну киснем крізь горловину конвертора.

Перевага конверторного процесу з кисневим дуттям полягає в тому, що, регулюючи режим подачі кисню і вплив його стру­меня на рідкий чавун, можна впливати на характер хімічних реакцій плавлення, які проходять дуже активно з виділенням великої кількості тепла. Кисневе дуття в конверторному вироб­ництві дає змогу переплавляти 20—35% стального скрапу, вво­дити до 8% залізної руди або окалини і тим самим збільшувати вихід сталі. При кисневому дутті можна використовувати конвер­тори з основною футеровкою, що дає можливість виплавляти не тільки вуглецеву, а й леговану сталь, якість якої не нижча від мартенівської і навіть від електросталі.

Навчальне питання 3. Фізико-хімічні процеси виробництва сталі.

Кислий (бесемерівський) процес. З кремнистих чавунів, що містять 0,8—1,4% Si і і дають кислий шлак (40—50% Si ), сталь виплавляють у бесемерівському конверторі, обкладеному зсере­дини кислою вогнетривкою цеглою (динасом). Переробний бесе­мерівський чавун заливають у конвертор при температурі 1250— 1300° С. При продуванні стисненого повітря в рідкому металі проходять реакції окислення заліза, кремнію, марганцю і вугле­цю. Згідно з законом діючих мас насамперед у реайцію з киснем вступає залізо (його вміст у сплаві переважає), утворюючи закис заліза. Проте, оскільки ряд інших домішок (Sі, Мn, С), що містяться в металі, більш споріднені з киснем, ніж залізо, вони відновлюють останнє з оксидів. Тому домішки окислюються як безпосередньо киснем, так і за рахунок реакції з оксидами заліза. Окислення домішок проходить бурхливо з виділенням великої кількості тепла, що різко підвищує температуру метале­вої ванни до 1650—1750° С.

За часом бесемерівський процес поділяють на три періоди.

Перший період. Відразу ж після початку продування конвертора в об’ємі розплавленого металу протікають такі хіміч­ні реакції:

Fе + О₂ = FеО + Q;

Sі + O₂ = SiO₂ + Q;

Мn+ O₂=МnO +Q.

Одночасно з безпосереднім окисленням домішок киснем дуття відбуваються реакції окислення їх за рахунок закису заліза РеО, що утворюється:

Sі + 2FеО = SіO₂ + 2Fе + Q;

Мn + FеО = МnО + Fе + Q.

Закиси заліза і марганцю, а також кремнезем сполучаються між собою і дають кислий шлак, який захищає футеровку кон­вертора від впливу основних оксидів заліза і марганцю. Тому перший період називають періодом шлакоутворення.

Другий період характеризується інтенсивним вигорян­ням вуглецю. Цей період починається після різкого підвищення температури металу внаслідок виділення великої кількості теп­ла в хімічних реакціях першого періоду. Окислюється вуглець при взаємодії з закисом заліза:

С + FеО =СО + Fе — Q,

а також з киснем:

C + O₂=CO + Q.

Горіння вуглецю в конверторі проходить бурхливр і спри­чинює інтенсивне кипіння металу. Окис вуглецю, що утворюється при цьому, виривається з горловини конвертора і, згоряючи, пе­ретворюється на вуглекислий газ:

СО + O₂== СО₂ + Q.

Це супроводиться появою над конвертором сліпучо-білого по­лум’я заввишки до 5—9 м. Тому другий період називається періодом яскравого полум'я.

Третій період. Над горловиною конвертора з’являється бурий дим. Це свідчить про те, що всі домішки з металу вже випалені і почалось інтенсивне окислення заліза. На цьому про­цес продування припиняється, конвертор повертають у горизон­тальне положення, виключають дуття і починають розкислення металу. При плавленні сталі в кислому конверторі третього пе­ріоду— періоду бурого диму — в більшості випадків не буває, тому що немає потреби повністю випалювати вуглець. У цьому разі продування припиняється на другому періоді при досягненні заданого вмісту вуглецю.

Останньою операцією у виплавленні сталі є її розкислення, тобто видалення кисню, що перебуває в ній у вигляді закису заліза. Як розкислювачі звичайно застосовують феромарганець, феросиліцій і алюміній. При введенні їх у рідку сталь відбу­ваються такі реакції:

FеО + Мn = МnО + Fе + Q;

2FеО + Sі = SіО₂ + 2Fе +Q;

ЗFеО + 2А1 = Al₂O₃+ ЗFе + Q.

Кремнезем і глинозем, що утворилися, не розчиняються в ме­талі і переходять у шлак. Ефективніше діють комплексні роз­кислювачі у вигляді силікомарганцю (20% Мn і 10% Sі) і АМС — сплав алюмінію, марганцю і кремнію. Розкислену сталь виливають крізь горловину конвертора в ківш і відправляють на розливання.

При плавленні сталі видалити фосфор і сірку можна тільки введенням у конвертор вапна. Проте в кислий конвертор вводили вапно не можна, оскільки утворювані при цьому основні шлаки руйнуватимуть кислу футеровку. Отже, фосфор і сірка повністю переходять у сталь. Тому в бесемерівських конверторах можна переробляти лише чавуни, які містять небагато шкідливих домі­шок (фосфору не більше 0,07% і сірки — до 0,04%).

Основний (томасівський) процес. Для перероблення на сталь фосфористих чавунів застосовують конвертор з основною футеровкою з випаленого доломіту, зв’язаного зневодненою ка­м’яновугільною смолою. Для нормального перебігу процесу за­стосовують переробний томасівський чавун, який містить 3,8— 4,2% С; 0,2—0,6% Sі; 0,8—1,3% Мn; до 0,08% S; 1,6—2,0% Р. Як основний флюс використовують вапно, яке вводять у кон­вертор до заливання чавуну. У процесі плавлення воно утворює основний шлак, який міцно зв’язує фосфорну кислоту і сірку. Конструкція томасівського конвертора принципово не відрізня­ється від бесемерівського, проте томасівський, звичайно, міст­кіший.

Томасівський процес подібно до бесемерівського поділяється на три періоди: окислення заліза, кремнію і марганцю; інтенсив­не окислення вуглецю і дуже слабке окислення фосфору; інтен­сивне окислення фосфору.

Перші два періоди відповідають першим двом періодам бесемерівського процесу, але проходять при нижчій температурі. На початку першого періоду за реакцією

2Р + 5FeO = P₂O₅ + 5Fe + Q

окислюється фосфор. Оксид P₂O₅ сполучається з закисом заліза:

P₂O₅+ 3FeO = (FeO)₃ Р₂О₅ + Q.

Ця нетривка сполука при підвищеній температурі металу лег­ко розпадається і з P₂O₅ знову при взаємодії з кремнієм, марган­цем і вуглецем відновлюється фосфор. Лише в третьому періоді ця сполука вступає в реакцію з вапном шлаку і утворюється нова дуже тривка сполука — тетрафосфат кальцію:

(FeO)₃ • P₂O₅ + 4СаО = (СаО)₄ . P₂O₅+ 3FeO + Q.

— шлак, який використовується в сільському господарстві як добриво.

Одночасно з окисленням фосфору протікають реакції вида­лення сірки в шлак:

FeS + CaO = FeO + CaS;

MnS + CaO = MnO + CaS.

У третьому періоді виділяється багато тепла. Наслідком цього є підвищення температури металу до 1600°С, що конче потрібно для розливання сталі. Тому основний томасівський про­цес може відбуватися тільки при підвищеному вмісті фосфору в чавуні (звичайно 1,6—2,0%). Закінчують третій період, коли вміст фосфору зменшиться до 0,05—0,08%. Цілком видалити фосфор не вдається, оскільки це призвело б до великого вигару заліза. Процес продування триває близько 20 хв, вигоряння при цьому становить 10—14%. Наприкінці продування утворюється маловуглецева сталь. Вміст вуглецю підвищується при введенні в конвертор чистого чавуну, в якому немає фосфору.

Після закінчення третього періоду конвертор ставлять у гори­зонтальне положення, зливають шлак, а потім розкислюють сталь так само, як і при бесемерівському процесі.

Тепер при переробленні фосфористих чавунів застосовують продування крізь дно конвертора парокисневої суміші. При цьому можна дістати м’які сталі (до 0,25% вуглецю) і фосфат — шлак, який використовується для добрив.

Навчальне питання 4. Мартенівське виробництво сталi.

Будова мартенівської печі. Мартенівська піч являє собою регенеративну полуменеву піч, в якій розвивається температура 1650—1800° С. Такої високої температури досягають завдяки тому, що газ і Дуття, які беруть участь у горінні, перед цим на­гріваються до 1100—1300° С теплом вихідних газів у регенера­торах.

Сучасна газова мартенівська піч, яка працює на змішаному газі з застосуванням повітря, збагаченого киснем (рис. 38), скла­дається з плавильного простору 7, каналів З,4, регенераторів 8,9 і 2, 1, перекидних пристроїв 10, 12 і канала 11, яким вихідні гази спрямовуються до димової труби. Завантаження сировинних матеріалів у плавильний простір на під 6 печі провадиться че­рез завалочні вікна 5. Під печі має нахил до задньої стінки, у нижній частині якої є отвір для випускання готової рідкої сталі. Отвір розкривають перед випусканням. Плавильний простір печі обмежено ванною з подом, передньою і задньою стінками, скле­пінням і головками, розміщеними з обох торців плавильного простору. Ванна печі являє собою овального перерізу чашу,

Рис. 38. Схема мартенівської печі

Місткість печі визначається розмірами ванни. Тепер є бага­то мартенівських печей місткістю 650, 800 і навіть 900 т.

Для підведення в плавильний простір печі нагрітих газу та дуття і для відведення з нього продуктів горіння в торцях пла­вильного простору поставлено головки, які залежно від напряму потоку полум’я поперемінно працюють то як пальники, то як ди­мові канали. Для підігрівання газу і дуття, які надходять у піч, є дві пари регенераторів, що являють собою камери, заповнені насадкою у вигляді гратчастої кладки з вогнетривкої цегли. Реге­нератори працюють попарно і поперемінно (рис. 38) : коли перша пара (8 і 9) нагріває газ і дуття, друга пара (2 і 1) акумулює теплоту вихідних продуктів горіння. Після охолодження першої пари регенераторів змінюють напрям руху газів перекиданням (повертанням на 90°) клапанів 10 і 12. У цей час газ і дуття надходять у плавильний простір через другу пару регенераторів, а продукти горіння нагрівають першу пару їх.

Плавлення сталі в основних мартенівських печах. У печах з основною футеровкою можна переробляти сировинні матеріа­ли з відносно високим вмістом фосфору і сірки. Внаслідок цього плавлення сталі в основних печах найбільш поширено. Процес ведення плавки має свої різновидності, які зумовлені співвідно­шенням чавуну і стального скрапу (брухту) в шихті. У наш час дістали поширення скрап-рудний процес і скрап-процес.

Скрап-рудний процес застосовується в мартенівських печах металургійних заводів, де є доменне виробництво. Шихта при скрап-рудному процесі складається з рідкого чавуну (60— 70%), стального брухту (40—30%), залізної руди і флюсів.

Завалювання твердої шихти ведеться пошарово в такій послі­довності: руда, флюс, стальний брухт. Рідкий чавун заливають після 1—1,5 год прогрівання твердої шихти, тобто коли шихта в печі нагріється до температури, дещо вищої, ніж температу­ра плавлення чавуну. Коли шихта розплавиться, у печі утворить­ся рідкий метал, рідкий шлак і димові гази, які в ході плавлення весь час взаємодіють між собою і змінюються за складом.

Окислюються домішки (кремній, марганець, фосфор, вуг­лець) крізь шар шлаку. У міру нагромадження старий шлак періодично скачується і наводиться новий. Відбувається окис­лення домішок у період рудного кипіння і визначається наявні­стю в металі закису заліза. Останній утворюється при взаємо­дії заліза з рудою:

Fе + Fе₂O₃ = ЗFеО + Q.

і в результаті окислення заліза вільним киснем, що є в димових газах:

Fе + O₂⁼ FеО+ Q.

Закис заліза, стикаючись із домішками, вступає з ними в такі реакції:

2FеО + Sі = 2Fе+SiO₂ +Q;

FеО + Мn = Fе+ МnО + Q;

5FеО + 2Р = 5Fе + Р₂О₅ +Q;

FеО + С = Fе +СО —Q.

Оксиди, що утворилися, переходять у шлак. Окис фосфору P₂O₅ у шлаку утворює нерозчинну в металі стійку сполуку — (СаО)₄ • P₂O₅. Сірка видаляється в результаті взаємодії розчи­неного в металі сірчистого заліза і вапна шлаку:

FеS + СаО = FеО + СаS + Q.

Щоб пересвідчитися в повноті окислення домішок, у процесі плавлення беруть проби металу і шлаку. Після досягнення ба­жаного ступеня дефосфорації (видалення фосфору) і потрібно­го вмісту вуглецю металева ванна переводиться на чисте (безрудне) кипіння. Воно посилюється з підвищенням температури і характеризується виділенням на поверхні шлаку бульбашок, з яких шугають вогники згоряючого окису вуглецю, що виділя­ється. Це — найважливіший період плавки, протягом якого ме­тал звільняється від вуглецю, газів і неметалевих включень. Як тільки заданого вмісту вуглецю досягнуть, кипіння припиняють і переходять до останнього періоду плавлення — розкислення.

Киплячу сталь розкислюють феромарганцем за 3—5 хв до випускання плавки з печі. Спокійну сталь розкислюють спочат­ку в печі феромарганцем і феросиліцієм, а остаточно — в ковші феросиліцієм і алюмінієм. При плавленні легованої сталі феро­хром і феровольфрам вводять у піч після попереднього розкис­лення, ферованадій і феротитан добавляють у ківш після оста­точного розкислення, а нікель і молібден — у будь-який, період плавки — найчастіше на початку доведення.

Отже, плавку поступово доводять до заданих технологічних параметрів, перевіряють пробами відповідність II складу зада­ному, а потім вже розливають сталь. Вихід готової сталі при скрап-рудному процесі досягає 102—103% від ваги завантаже­ного металу. Пригар утворюється в результаті відновлення за­ліза, з руди, яку вводять у шихту.

Скрап-процес застосовують у мартенівських печах на машинобудівних і металургійних заводах, де немає доменного виробництва. Металева шихта при скрап-процесі складається з 65—80% стальних відходів і брухту (скрапу), решта — привоз­ний чушковий чавун. Відрізняється цей процес від скрап-руд- ного тільки методами завалювання і плавлення шихти. Завалю­ють шихту звичайно в такій послідовності: на під завантажують 15—30% розрахункової кількості скрапу, покривають його вап­няком і прогрівають 25—35 хв, а потім завантажують решту скрапу, ще раз прогрівають і зверху кладуть чавун. Для скоро­чення тривалості плавки під час завалювання і розплавлений шихти печі дають повне теплове навантаження. У міру нагрі­вання шихти першим починає плавитись чавун, що прискорює процес плавлення стального брухту.

Плавлення сталі в кислих мартенівських печах. У печах з кислою футеровкою переробляють високоякісний чавун і до­бірний стальний брухт із вмістом фосфору і сірки до 0,03% кожного. Як флюси застосовують кварцовий пісок і шлак попе­редніх кислих мартенівських плавок. Плавлення ведуть скрап- гіроцесом з найменшим вмістом чавуну в шихті.

Сутність кислого процесу полягає у виділенні вуглецю, мар­ганцю і кремнію з металу під шаром кислого шлаку, який мі­стить 55—60% кремнезему і майже непроникний для димових газів. Відмітною особливістю Кислого процесу є саморозкислен- ня металу кремнієм, що відновлюється з кремнезему шлаку за допомогою марганцю, заліза і вуглецю. Цей кремній є добрим розкислювачем і в свою чергу відновлює залізо із закису заліза:

2FеО + Sі = 2Fе + SіО₂ + Q.

Кисла сталь має більші густину і однорідність, ніж сталь, ви­плавлена основним процесом. Вона краще розкислена, містить менше неметалевих включень і має поліпшені механічні власти­вості. Проте через дефіцит і дорожнечу сировинних матеріалів тепер кислий мартенівський процес застосовується тільки у виробництві виливків деталей дуже відповідального призначення.

Основними показниками роботи мартенівських печей е добове знімання сталі в тоннах з 1 м² поду печі і витрата умов­ного паілива на 1 г виплавлюваної сталі. Середнє знімання сталі з 1 м² поду печі становить 7—8 т, а на окремих заводах — 10—15 т. Витрата умовного палива на 1 т сталі, що виплавля­ється, при скрап-рудному процесі становить 100—180 кг, а при скрап-процесі— 170—250 кг. Менше умовного палива витрача­ється в печах більшої місткості.

Методи інтенсифікації мартенівських плавок. Найваж­ливішим методом інтенсифікації мартенівських плавок є зба­гачення киснем повітря для спалювання палива. Це дає змогу підвищити температуру полум’я, зменшити кількість продуктів горіння і збільшити теплову потужність печі. Кисень використо­вується також для прискорення окислення домішок сталі про­дуванням рідкої сталі у ванні печі (метод прямого окислення). Введення кисню у факел і ванну прискорює процеси плавлення, збільшуючи продуктивність печей на 20—30%. Для цього за­стосовують також вдування стисненого повітря у ванну печі.

Автоматизація мартенівського процесу плавлення збільшує продуктивність на 5—10% і знижує витрати палива на 5—10%, а витрати вогнетривів— на 8—10%.

Навчальне питання 5. Виплавляння сталі в електропечах.

Загальні відомості. Виплавлення сталі в електричних пе­чах є найдосконалішим способом її виробництва. У цих печах метал і шлак можна нагрівати до вищих температур, ніж у мартенівських. Це дає змогу розплавляти метал з високою концентрацією тугоплавких, елементів (вольфраму, молібдену, ванадію та ін.) і застосовувати вапнякові шлаки, що містять до 55—60% СаО і сприяють майже повному видаленню з мета­лу фосфору і сірки. Вигар металу, і особливо легуючих елемен­тів, в електроплавленні значно менший, ніж при інших способах виробництва сталі. Крім того, оскільки в електричних печах повітря для горіння подавати не потрібно, у них можна створю­вати відновну газову атмосферу або вакуум (індукційні печі) і добиватися доброго розкислення і дегазації металу. В елект­ричних печах можна виробляти сталі найвищої якості, і тому те­пер більшість сортів легованих сталей виплавляють саме в них.

Будова електричних печей. Для виплавлення сталі засто­совують два типи електричних печей: дугові і індук­ційні високої частоти .

Дугові печі найбільш поширені завдяки високому кое­фіцієнту корисної дії, можливості виплавлення в них різних сортів сталі, простоті будови і зручності обслуговування. У цих печах шихтові матеріали нагріваються і розплавляються теплом електричної дуги. Дугові печі поділяють на печі 8 залежною і незалежною електричною дугою.

Схема електричної дугової печі

1 - сферичне днище; 2 - випускний отвір; 3 - металева ванна; 4 - кожух; 5 - футеровка печі; 6 - звід печі; 7 - мідні шини; 8 - електротримачі і електроди; 9 - завантажувальне вікно; 10 - пристрій для нахилу печі; 11 - під печі

У сталеплавильному виробництві найбільш поширені печі міст­кістю 0,25—180 т із залежною електричною дугою.

В електричних печах із залежною дугою елект­роди розміщують вертикально. Електрична дуга утворюється між вугляними або графітовими електродами і завантаженою в піч металевою шихтою. Плавильний простір печі обмежено подом , склепінням і боковими стінками. Крізь отвори в скле­пінні пропущено три електроди . У стінках є вікна для заван­таження і отвір для випускання металу. За допомогою спеціаль­ного механізму піч можна нахиляти. Футеровку печей вико­нують з основних або кислих вогнетривких матеріалів. Най­більше застосовують печі з основною футеровкою, тому що в них можна видаляти з рідкої сталі фосфор і сірку. Сучасні електродугові печі обладнані спеціальними пристроями (водоохолодними фурмами) для підведення кисню, який застосову­ється для окислення домішок.

Індукційні плавильні печі працюють на струмі частоти'500—2000 Гц від спеціального генератора. Піч складається з вогнетривкого тигля 8, навколо якого намо­тано спіраль (індуктор) з мідної трубки, охолоджуваної зсе­редини водою. Індуктором проходить струм високої частоти. У металах , що є в тиглі, він збуджує вихрові струми, які швидко нагрівають метал до температури плавлення.

Схема пристрою електричної індукційної печі :

1 - кришка, 2 вузол повороту, 3 - індуктор, 4 - магнітопроводи, 5 - металоконструкція, 6 - підводи водяного охолодження, 7 - тигель, 8 - майданчик

Істотним недоліком індукційних печей є висока вартість електроустаткування і низька стійкість тиглів.

Виплавлення сталі в основній дуговій електричній печі. Залежно від складу шихти в електричних печах з основною футеровкою плавлення можна здійснити трьома методами: з повним окисленням домішок, частковим їх окисленням і без окислення. Перші два методи плавлення застосовують для ви­плавлення високоякісної сталі з сировинних матеріалів, що не мають потрібного вмісту вуглецю і шкідливих домішок. За першим методом шкідливі домішки і гази видаляють, а вміст вуглецю знижують, здійснюючи енергійне кипіння металу. За другим методом енергійного кипіння не допускають, а вміст вуглецю і фосфору знижують, присаджуючи залізну руду. Плав­лення без окислення, або метод переплавлення, широко викори­стовують, перероблюючи власні вдосоди металургійного вироб­ництва, і особливо, відходи легованих сталей, склад яких від­повідає складу сталі, що виплавляється. Якщо треба знизити вміст вуглецю, у метал вводять відходи м’якої сталі.

Особливості процесу плавленгіі електросталі за першимй двома методами такі. Домішки під час плавлення окислюються киснем пічної атмосфери і добавленою залізною рудою. Закис заліза розчиняється в частині розплавленого металу і окислює домішки—кремній, марганець, фосфор і вуглець. Після роз- плавлення шихти утворюється шіак, який сприяє видаленню фосфору з рідкого металу. Тому перший шлак, що містить фос­фор, скачують і, за допомогою залізної руди та вапна наводять новий. Якщо є потреба форсувати окислення домішок, то після розплавлення шихти в піч подають кисень, що підвищує темпе­ратуру ванн, і разом з ним у. рідкий метал добавляють порош­коподібні флюси для шлакування домішок. При підвищенні температури металу починається вигоряння вуглецю, тобто період кипіння металу. Швидкість вигоряння вуглецю в процесі кипіння регулюють періодичними добавками залізної руди. Як тільки потрібного вмісту вуглецю і фосфору досягнуто, кипіння припиняють, окислювальний шлак скачують і дифузійним мето­дом, тобто через шлак, починають розкислювати метал. Реакції розкислення проходять у шлаку і на поверхні, що розділяє шлак і метал. Внаслідок цього продукти розкислення майж^ не про­никають у метал. У цьому полягають відмінність і перевага роз­кислення сталі в електропечах перед розкисленням їх у конвер­торах і мартенівських печах, де розкислювачі занурюють без­посередньо в метал і продукти розкислення залишаються в ньому у вигляді значної кількості неметалевих включень.

При виплавленні електросталі розкислення ведуть під ша­ром відновного білого шлаку такого складу: 60% СаО; 15— 20% SiO₂; 10—12% MgO; 5—10% CaF₂; 2—3% А1₂0₃; 1% CaS; до 1% FeO і до 0,4% МnО. Іноді розкислення металу ведуть під шаром карбідного шлаку, для чого в піч завантажують су­міш з вапна, плавикового шпату і меленого коксу. У зоні елект­родуги з суміші утворюється карбід кальцію СаС₂ в кількості 2—5%. Цей шлак має більшу відновну здатність.

Якщо в електричній печі є відновна атмосфера і білий або карбідний шлак, то відбувається інтенсивне видалення сірки за необоротною реакцією

FeS + CaO + С = Fe + CaS + CO — Q.

Остаточно сталь розкислюють за 2—3 хв до випускання, до­бавляючи в метал 0,4—1 кг/т алюмінію або 1 кг/т силікокаль­цію. При виплавленні легованих сталей для доведення їх до заданого складу в розкислений метал вводять легуючі феро- спляви

Виплавлення сталі в кислій дуговій електричній печі по­рівняно з виплавленням в основній печі має такі переваги: висока продуктивність; у 5,5—3,0 рази більша стійкість і в стільки ж раз менша вартість футеровки; на З0—40% менша витрата енергії і електродів; менша кількість втрат легуючих елементів; нижча вартість переробки. Проте для виплавлення високоякісних сталей кислий процес не набув великого поши­рення і звичайно застосовується у виробництві фасонного сталь­ного литва. Це пояснюється тим, що при кислому плавленні сїавлять високі вимоги щодо вмісту фосфору і сірки в шихтових матеріалах, а також тим, що вміст легуючих елементів у сталі треба регулювати у вузьких межах.

У кислих електричних пеуах домішки окислюються за раху­нок окалини та іржі на кусках шихти, а при плавленні з окис­ленням— і за рахунок залізної руди, що вводиться. Розкислю­ють сталь так само, як у кислій мартенівській печі, або ж ди­фузійним методом (через шлак). Дифузійне розкислення про­вадять при виплавленні сталі підвищеної якості, застосовуючи попереднє скачування окислювального шлаку і наведення нового з феромарганцю, піску, шамотного бою, меленого феросиліцію, коксу або деревного вугілля. Внаслідок видержування під цим шлаком протягом 20—40 хв при високій температурі метал доб­ре розкислюється.

Виплавлення сталі в індукційних електричних печах ве­дуть тільки методом переплавлення чистих, старанно підібраних шихтових матеріалів. Склад шихти визначають залежно від по­трібного хімічного складу металу, оскільки плавка проходить так швидко, що можливості перевірити склад металу після роз- плавлення і скоригувати його добавками майже немає. Під час розплавлення шихтових матеріалів на поверхню металу періо­дично добавляють шлакову суміш, а після розплавлення шлак видаляють і наводять новий того самого складу. Попередньо метал розкисляють, вводячи у ванну кускові розкислювачі. Іно­ді для цього в шлакову суміш вводять мелений кокс, фероси­ліцій і алюміній. Остаточне розкислення провадять алюмінієм при випусканні металу з печі.

Найбільш раціонально використовувати індукційні електрич­ні печі високої частоти для плавлення високолегованих сталей — нержавіючих, жароміцних, жаростійких та ін. У цих печах мож­на плавити сталь під вакуумом, що важко здійснити в дугових електричних печах.

Показники роботи електричних печей — це продуктив­ність, витрата електроенергії і собівартість продукції. Ці показ­ники залежать від конструкції, потужності і строку служби печі, а також від асортименту виплавлюваних сталей, ступеня механізації і автоматизації процесів та інших факторів.

Для основних дугових печей продуктивність за добу на 1000 кет потужності трансформатора становить близько 13 т, витрата енергії — близько 2,5 • 10⁹ Дж/т (700 квт • год/т). У кис­лих печах ці показники відповідно змінюються: продуктив­ність— до 20 г, витрата енергії — (2_2,2) • 10⁹ Дж/т (500— 600 квт-год/т). Продуктивність індукційних печей на 1000 квт встановленої потужності становить приблизно 40 г, і витрата енергії на 10% вища, ніж у дугових печах.

Навчальне питання 6. Вплив способу виробництва на вартість та якість сталi.

Достоїнствами бесемерівського і томасовського процесів є: висока продуктивність, простота пристрою конвертера, відсутність необхідності застосовувати паливо, мала витрата вогнетривів та пов'язані з цим більш низькі, ніж при мартенівському і електросталеплавильному процесах, капітальні витрати і витрати по переділу. Проте обом процесам був притаманний великий недолік - підвищений вміст азоту в сталі, що викликається тим, що азот повітряного дуття розчиняється в металі. З цієї причини бесемерівського і томасівського сталі володіють підвищеною крихкістю і схильністю до старіння.

У період з 1955 по 1975 р . бесемерівський і томасовський процеси та їх різновиди були витіснені киснево-конвертерного процесу з верхньої та нижньої подачею дуття.

У порівнянні із мартенівським виробництвом конвертерне характеризується кращими умовами праці і меншим забрудненням навколишнього природного середовища.

Ефективність роботи мартенівських печей визначають, порівнюючи їх продуктивності і собівартості виплавленої сталі.

Незважаючи на високі якості кислої мартенівської сталі, область її застосування поступово звужується, тому що, по-перше, безперервно покращується якість сталі, що виплавляється в основних мартенівських печах, конвертерах і дугових електропечах і, по-друге, вартість кислої мартенівської сталі значно вище, ніж основною. Застосовуваний в якості шихтових матеріалів кислого мартенівського процесу чавун, металева заготовка або рідкий напівпродукт з малою кількістю домішок у два з гаком рази дорожче шихти, використовуваної в основних мартенівських печах. Крім того, продуктивність кислих мартенівських печей значно нижче, ніж основних. В даний час кислу мартенівську сталь використовують тільки для виготовлення особливо відповідальних виробів.

Основні переваги дугових електропечей полягають в можливості: швидко нагріти метал, завдяки чому в піч можна вводити великі кількості легуючих добавок; мати у печі відновну атмосферу і безокіслітельние шлаки, що забезпечує малий чад вводяться в піч легуючих елементів; можливість більш повно, ніж в інших печах , понижати метал, отримуючи його з більш низьким вмістом оксидних неметалічних включень, а також одержувати сталь з більш низьким змістом сірки у зв'язку з її гарним видаленням в безокіслітельний шлак; плавно і точно регулювати температуру металу.

Індукційні печі мають наступні переваги в порівнянні з дуговими:

а) відсутні високотемпературні дуги, що зменшує поглинання водню і азоту і чад металу при плавлення;

б) незначний чад легуючих елементів при переплаву легованих відходів;

в) малі габарити печей, що дозволяють помістити їх у закриті камери і вести плавку і розливання у вакуумі або в атмосфері інертного газу;

г) Електродинамічне перемішування, що сприяє отриманню однорідного за складом і температурі металу.

Основними недоліками індукційних печей є мала стійкість основної футерівки і низька температура шлаків, які нагріваються від металу, з-за холодних шлаків утруднено видалення фосфору і сірки при плавці.

Навчальне питання 7. Поняття про бездоменне виробництво сталi.

Дуже важливе значення в чорній металургії має процес виробництва сталі із металізованої сировини (відновленого заліза) без доменного процесу. Суть бездоменного виробництва полягає в тому, що спочатку зі збагаченої залізної руди у відновлювальних шахтних печах одержують металізовану шихту (вміст заліза 90-95%), котру далі використовують в електропечах для одержання високоякісної сталі. Впровадження такої схеми виробництва дає змогу підвищити продуктивність, знизити витрати палива, флюсів, електроенергії, підвищити якість сталі, зменшити забрудненість навколишнього середовища.

Інформаційні джерела:

1. Технологія конструкційних матеріалів./За ред. А.М. Сологуба. - К.: Вища школа, 1993 –

300 с.

2. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство: Підручник. Дніпропетровськ: РВА „Дніпро VAL”.2000 – 290 с.

3. Технология конструкционних материалов. /Г.А. Прейс, М.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий/ - К.: Вища школа 1991 – 391 с.