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 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, магнезитохромитовым) или кислым (динасовым). Подину 12 печи набивают огнеупорной массой. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6 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 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 водоохлаждаемого 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.

Рис. 2.7. Схема индукционной тигельной плавильной печи

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, всплыванию 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 (SiO₂). 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.