Продукти доменного виробництва

Головними продуктами доменного виробництва є чавун і феросплави, побічними - шлак і колошниковий газ. Залежно від хімічного складу, бу­дови і призначення виплавлені в доменній печі чавуни поділяють на пере­робні, ливарні і спеціальні.

1. Переробні чавуни- основний вид чавуну, призначений для вироблен­ня сталі. Звичайний його склад: 3,5...4,5 %С; 0,3... 1,3 % Si; 0,8... 1,2 % Мn; до 0,3 % Р і 0,07 % S. Особливістю переробних чавунів є те, що вуглець у них міститься у вигляді сполуки Fe₃C - цементиту. Такі чавуни на зламі мають білий відтінок, тому їх ще називають білими. Вони відрізняються великою твердістю, обробляти різанням їх важко, тому як конструкцій­ний матеріал вони використовуються рідко. У ливарному виробництві з них дістають ковкий чавун.

2. Ливарні чавунипризначені для одержання фасонного литва, їх роз­ливають у закріплені на безперервному конвеєрі розливальної машини виливниці. Після затвердіння і охолодження водою 50-кілограмові чавунні чушки випадають при повороті конвеєра із виливниць прямо в залізнич­ні вагони для відправлення на машинобудівні заводи.

Від переробних ливарні чавуни відрізняються підвищеною масовою часткою силіцію (до 3,5 %). Більша частина вуглецю в них перебуває у вільному стані - у вигляді пластинчастого графіту, тому на зламі вони мають сірий відтінок. Такі чавуни називають сірими.

3. Спеціальні чавуни,або феросплави,- це сплави заліза із значним вмістом силіцію, мангану та інших елементів. До них належать феросиліцій (9...13 % Si), фероманган (70...75 %Мn), дзеркальний чавун (10...25 %Мn) та ін. їх застосовують для розкислення та легування сталі.

Основну масу серед продуктів доменного виробництва становлять пе­реробні чавуни - 75...80 %. На частку ливарних чавунів припадає 15...20 % і феросплавів - 1...2 %.

4. Шлаквикористовують для виробництва шлаковати, шлакоблоків, цементу.

Гази (CO, CO₂, H₂, CH₄N₂), що утворюються в печі, піднімаються вверх і в зоні колошника відводяться трубами з печі. Ці гази, названі ко­лошниковими, використовують як паливо для нагрівання повітронагрівників.

Запитання і завдання для самоконтролю

1. Наведіть характеристику залізних руд.

2. У чому полягає підготовка руд до плавки? Назвіть основні способи

підготов­ки руд.

3. Накресліть профіль доменної печі, назвіть її основні елементи.

4. У чому суть доменного процесу?

5. Наведіть характеристику основних продуктів доменного виробництва.

Глава 3. ВИРОБНИЦТВО СТАЛІ

Суть процесу

Сталь відрізняється від чавуну меншим вмістом вуглецю, силіцію, ман­гану та домішок сірки і фосфору, тобто переробка чавуну на сталь поля­гає у зменшенні в ньому вмісту вуглецю та інших елементів і переведенні їх у шлак або гази. Вихідними матеріалами для сталі є переробний чавун і сталевий брухт (скрап).

Останнім часом в усьому світі щорічно виробляється близько 750 млн т сталі.

В Україні річні загальні потужності сталеплавильного виробництва становлять приблизно 50 млн т сталі. Вони розміщуються в основному в Придніпровському та Донецькому регіонах. Близько 43 % сталі вироб­ляється в конвертерах, 54 % - у мартенівських печах і 3 % - в електро­печах. У 1995 р. Україна ввійшла до першої десятки виробників сталі у світі.

9. Виробництво сталі в кисневих конвертерах

Киснево-конвертерний процес полягає в продуванні рідкого чавуну киснем.

Кисневий конвертер*(рис. 1.4, а) - це посудина 7 грушоподібної форми із сталевого листа, футерована зсередини вогнетривкою цеглою 2. Робо­чий стан конвертера вертикальний. Кисень подається в нього під тиском 1,0... 1,5 МПа за допомогою охолоджуваної водою фурми 3, яка вводить­ся в конвертер крізь горловину 4 і розміщується над рівнем рідкого мета­лу на відстані 0,7...3,0 м.

Конвертери виготовляють місткістю 100...400 т рідкого чавуну. Загаль­на витрата технічного кисню на виготовлення 1 т сталі становить 50...60 м³.

Рис. 1.4. Схема будови конвертера (а) і зміна складу металу

(б) при продуванні киснем

Матеріалами для одержання сталі в кисневому конвертері є рідкий пе­реробний чавун і сталевий брухт. Для наведення шлаку в конвертер доба­вляють залізну руду і вапно, а для його розрідження - боксит і плавико­вий шпат.

Перед початком роботи конвертер повертають на цапфах 5 навкру­ги горизонтальної осі і за допомогою завалочної машини завантажують до ЗО % металобрухту, потім заливають рідкий чавун при температурі 1250...1400 °С, повертають конвертер у вихідне вертикальне положення, заводять кисневу фурму, подають кисень і добавляють шлакоутворю­вальні матеріали.

* Конвертер (від англ. converter) - перетворювач.

Зміни складу металу в процесі плавлення показано на рис. 1.4, б. При продуванні вуглець та інші домішки окислюються безпосередньо киснем дуття, а також оксидом заліза FeO. Одночасно утворюється активний шлак з необхідним вмістом СаО, у зв'язку з чим виводяться сірка і фос­фор з утворенням стійких сполук Р₂О₅ • ЗСаО і CaS в шлаці.

Після 15...16 хв продування фурму піднімають, нахиляють конвертер, беруть пробу металу на аналіз і скочують більшу частину шлаку. Після визначення експрес-аналізом складу сталі (це займає 7...8 хв) конвертер зно­ву ставлять у вертикальне положення, заводять фурму і продовжують про­дування протягом часу залежно від даних аналізу і заданої марки сталі.

Для зменшення вмісту кисню вилиту із конвертера сталь розкислюють, тобто добавляють до неї елементи з більшою, ніж у заліза, спорідненістю до кисню (Si, Mn, A1). Взаємодіючи з оксидом заліза FeO, вони утворю­ють нерозчинні оксиди MnO, SiO₂, A1₂O₃, які переходять у шлак.

Продуктивність кисневого конвертера місткістю 300 т становить 400... 500 т/год (продуктивність мартенівських і електропечей не перевищує 80 т/год). Завдяки великій продуктивності і малій металомісткості кис­нево-конвертерний спосіб стає основним способом виробництва сталі (див. рис. 1.14)

Подальше вдосконалення конвертерного процесу сприяло створенню ряду його різновидів, наприклад застосування комбінованого дуття - вдування кисню не тільки зверху, а й крізь донні фурми. В ряді випадків крізь днище вдувають повітря, невелику кількість аргону або азоту, іноді порошок вапна.

Для кращого перемішування ванни рідкого металу застосовують обер­тові агрегати: конвертери з нахилом поздовжньої осі під час обертання під кутом 17...20° до горизонту місткістю 30...160 т, роторні агрегати за­вдовжки близько 15 м і зовнішнім діаметром до 4 м місткістю до 100 т.

Новим технічним рішенням цієї проблеми, яке передбачає максималь­не корисне використання хімічної і фізичної теплоти відхідних газів у плавильному просторі, є так звана енергетично оптимізована піч - EOF*.

Піч EOF (рис. 1.5) складається з плавильної посудини 1, подібної за формою до кисневого конвертера, футерованої вогнетривкою кладкою з водоохолоджуваними стінами і склепінням. У поді посудини є фурми, крізь які вдувається кисень та вуглецевий пил разом з азотом або вуглекислим газом у суміші з парою. Тут також є інжектори для вторинного окислен­ня і кисневі пальники для розігрівання агрегату після ремонту або в період очікування.

Над плавильною посудиною встановлено нагрівник 2, в якому на трьох рівнях відбувається напівбезперервне підігрівання металевого брухту 4 (окремих кусків, прес-пакетів масою до 500 кг, твердого чавуну) протите­чіями відхідних газів до температури 850 °С.

* EOF - Enerqy Optimizinq Furnace; енергетично оптимізована піч; розробник -фірма KLSE (Німеччина).

Брухт розміщується на водоохо-лоджуваних колосниках 3. Для опус­кання брухту колосники виводять­ся вбік гідравлічними механізмами.

Щоб гази і часточки пилу не по­трапляли в навколишнє середовище, при завантаженні брухту забезпечу­ється герметизація нагрівника.

З нагрівника 2 брухту гази на­правляються в нагрівник 5 повітря, яке подається разом з киснем у пла­вильний простір для допалювання оксиду вуглецю CO.

У режимі переробки шихти з 50 % чавуну і 50 % брухту продування рід­кої ванни триває близько 35 хв, а плавка - 7 хв.

Місткість таких агрегатів стано­вить 30...100 т, річна продуктив­ність - 200...600 тис. т. Виплавлена сталь за якістю не поступається ста­лям, які отримують іншими процесами. Застосування таких агрегатів, що особливо важливо, значно знижує потреби сталеплавильного виробни­цтва в електроенергії і енергоносіях.

10. Виробництво сталі в мартенівських печах

1. Мартенівська піч (рис. 1.6) - це регенеративна полуменева піч, висо­ка температура в якій (1750... 1800 °С) досягається згорянням газу над пла­вильним простором. Газ і повітря, що надходять у піч, підігріваються в регенераторах. Ліворуч від плавильного простору 7 є канали для газу 3 і повітря 4, з'єднані з регенераторами 1 і 2. Такі самі канали для газу 9 і повітря 8 є праворуч від плавильного простору 7. Вони відповідно з'єд­нані з регенераторами 10 і 11. Кожний із регенераторів має насадку із викладеної в клітину вогнетривкої цегли. Шихта завантажується крізь

вікна 5.

Газ і повітря потрапляють у піч через нагріті до температури 1200... 1250 °С регенератори 10 і 11, нагріваються в них і попадають у плавиль­ний простір печі. Тут газ і повітря змішуються і згоряють, створюючи полум'я високої температури. Продукти згоряння каналами 3 і 4 надхо­дять у регенератори 1 і 2, нагрівають їх, охолоджуючись до температури 500...600 °С, і виходять крізь трубу 13. В міру того як охолоджуються ре­генератори 10 і 11, напрям газу і повітря в печі змінюють на зворотний за

Рис. 1.6. Схема роботи мартенівської печі

допомогою клапанів 12 і 14. Тоді газ і повітря надходять у плавильний простір каналами 3 і 4, проходячи нагріті регенератори 7 і 2, а продукти згоряння виходять каналами 8 і 9, нагрівають насадки регенераторів 10 і 11 та виходять у трубу 13. Таким чином, газ і повітря під час роботи печі проходять поперемінне через ліві й праві регенератори.

Мартенівські печі, що працюють на мазуті, мають з кожного боку по одному регенератору для нагрівання тільки повітря.

Мартенівські печі експлуатуються місткістю 20...900 т рідкої сталі. Важ­ливою характеристикою цих печей є також площа поду 6, В печі місткіс­тю 900 т вона становить близько 120 м².

2. Мартенівський процес.Матеріалами для виплавки сталі в мартенів­ській печі можуть бути: сталевий брухт (скрап), рідкий і твердий чавуни, залізна руда. Залежно від їхнього співвідношення в шихті розпізнають:

1) скрап-рудний процес на шихті з рідкого чавуну з добавкою 25...30 % сталевого скрапу і залізної руди;

2) скрап-процес на шихті зі сталевого скрапу і 25...45 % чушкового пе­реробного чавуну.

Флюсом в обох процесах є вапняк СаСО₃ (8...12 % від маси металу).

Більш широко застосовується в металургії скрап-рудний процес виплав­ки сталі в основній мартенівській печі. Для цього в піч завантажують і нагрівають залізну руду та вапняк, потім добавляють сталевий скрап і заливають рідкий чавун. Під час плавки домішки в чавуні окислюються за рахунок оксидів заліза руди і скрапу:

3Si + 2Fe₂O₃ = 3SiO₂ + 4Fe;

3Mn + Fe₂O₃= 3MnO + 2Fe;

6P + 5Fe₂O₃ = 3P₂O₅ + 10Fe;

3C + Fe₂O₃=3CO + 2Fe.

Сірка видаляється в результаті взаємодії сірчистого заліза з вапном:

FeS + CaO = FeO + CaS.

Оксиди SiO₂, MnO, P₂O₅, CaO, а також сульфід CaS утворюють шлак, який періодично випускають із печі в шлакові чаші.

Для інтенсифікації плавлення і окислювання домішок ванну продува­ють киснем, який подається по охолоджуваних водою фурмах. Проду­вання киснем дає змогу в 2...3 рази скоротити тривалість процесу, змен­шити витрату палива і залізної руди.

Після плавлення шихти починається період кипіння ванни. У цей час вуглець інтенсивно окислюється у металі. В момент, коли вміст його до­сягає заданого, а кількість сірки і фосфору зменшиться до мінімуму, ки­піння припиняють і починають розкислення сталі у ванні печі фероман-ганом, феросиліцієм і алюмінієм. Завершують розкислення сталі при ви­пуску її з печі алюмінієм і феросиліцієм у сталерозливному ковші.

Скрап-процес застосовують на машинобудівних заводах, які не мають рідкого чавуну. Від скрап-рудного процесу він дещо відрізняється зава­люванням і плавленням шихти. Основний скрап-процес застосовують для виправлення вуглецевих і легованих сталей.

Показниками роботи мартенівських печей є добове знімання сталі з 1 м² поду печі і витрата палива на тонну виплавленої сталі. Знімання ста­лі становить близько 10 т/м² за добу, а витрати палива при скрап-рудно­му процесі - 120... 180 і при скрап-процесі - 170...250 кг/т.

Інтенсифікація мартенівського виробництва досягається викорис­танням печей більшої місткості, доброю підготовкою шихтових мате­ріалів, автоматизацією плавки. Підвищенню продуктивності печей та еко­номії палива сприяє застосування кисневого дуття. Кисень вводять у мартенівську піч крізь склепіння водоохолоджуваними фурмами (анало­гічно кисневому конвертеру). Завдяки цьому значно скорочується три­валість окислення домішок у ванні печі, але в 5...6 разів збільшується вміст пилу в пічних газах через розбризкування шлаку і випаровування металу.

Більш ефективним способом інтенсифікації сталеплавильного вироб­ництва є застосування двованних печей (рис. 1.7). У печі над обо­ма ваннами встановлені газові пальники 7 і 3 та водоохолоджувані кис­неві фурми 2 і 4. Коли в лівій ванні йде доведення сталі й окислюються домішки, фурма 2 опускається і вдувається кисень. При цьому надлишкова теплота переноситься газами, зокрема оксидом CO, в робочий простір правої ванни, в якій у цей час відбувається завантаження і плавлення твер­дої шихти 7 пальником 3. Якщо в шихту входить понад 70 % рідкого чавуну, то вона плавиться без додаткової витрати палива. Для цього до­сить теплоти, що надходить сюди з газами з лівої ванни, і догоряння окси-

Рис. 1.7. Схема роботи двованної сталеплавильної печі:

1,3 — газові пальники; 2, 4 - кисневі фурми; 5 - шлак;

6 - розплавлений метал; 7 – тверда шихта; 8 - димохід

ду CO. Після розплавлення шихти в правій ванні і випускання доведеної сталі з лівої ліву завантажують шихтою, напрям газового потоку і режим роботи кисневих фурм печі змінюються в зворотному порядку.

Плавка в 300-тонній печі продовжується близько 4 год (кожні 2 год випускається сталь із однієї з ванн), тобто двованні печі за продуктивніс­тю близькі до потужних кисневих конвертерів.

Двованні печі не мають регенераторів, тому важливою проблемою їх­ньої роботи є утилізація теплоти і очищення утворюваних газів.

11. Виробництво сталі в електропечах

Порівняно з іншими плавильними агрегатами електропечі мають такі переваги: можливість швидкого нагрівання і підтримання потрібної тем­ператури в межах до 2000 °С, можливість створення окислювальної, відновлювальної або нейтральної атмосфери, а також вакууму. Це дає змо­гу виплавляти в електричних печах сталі та інші сплави з мінімальною кількістю шкідливих домішок, з оптимальним вмістом компонентів, які відзначаються високими якостями і спеціальними властивостями.

Металургійні електричні печі поділяють на дугові й індукційні.

1. Електродугова сталеплавильна піч (рис. 1.8, а) - це сталевий циліндр 4 зі скошеним або сферичним дном, футерований зсередини вогнетривкою цеглою 1. У стінці корпусу є завантажувальне вікно 7 і отвір зі змінним жолобом 2. Зверху піч має склепіння 5 з отворами для графітизованих

Рис. 1.8. Схема будови печей:

а - електродугової;

б - електроіндукційної

електродів 6. За допомогою механізму 8 піч може нахилятись для заван­таження або зливання сталі та шлаку.

Джерелом теплоти в таких печах є електрична дуга, яка виникає між електродами 6 діаметром 350...550 мм і шихтою 3. На електроди подаєть­ся струм напругою 200... 600 В і силою 1...10 кА. Електродугові печі буду­ють місткістю 0,5...400 т.

Сталь виплавляють переважно в основних електропечах з окисленням і без окислення домішок.

Плавка з окисленням багато в чому збігається з мартенівським скрап-процесом, її застосовують для виплавлення вуглецевих сталей. Шихтою для цього є сталевий брухт, переробний чавун, кокс для навуглецьовування і добавка 2...З % вапна. Плавка включає два періоди: окислюваль­ний і відновлювальний.

Під час окислювального періоду силіцій, манган, вуглець і залізо окис­люються киснем, який надходить із повітря, оксидів шихти і окалини. Здо­буті оксиди разом з вапном утворюють шлак. Завдяки наявності оксиду кальцію шлак зв'язує і виводить фосфор.

Відновлювальний період включає розкислювання сталі, виведення сір­ки і доведення вмісту всіх компонентів до потрібного. Для цього в піч подають флюс - суміш вапна, плавикового шпату CaF, молотого коксу і феросиліцію. Кокс і феросиліцій повільно проникають крізь шар шлаку і відновлюють оксид заліза

FeO + С = Fe + CO; 2FeO + Si = Fe + SiO₂.

При цьому вміст оксиду заліза в шлаці зменшується і він починає ди­фундувати із металу в шлак, де відразу відновлюється. Відновлення від­бувається в шлаці й на межі шлак - метал. Тому метал не забруднюється неметалевими домішками (SiO₂, MnO, Аl₂О₃), що трапляється при зви­чайному розкисленні.

Завдяки великому вмісту в шлаці оксиду СаО інтенсивно виводиться із металу і сірка. Тому в рядових плавках електросталі масова частка сірки не перевищує 0,015 %, у той час як в мартенівській сталі масова частка 0,020 % вважається дуже низькою.

У кінці відновлювального процесу в разі потреби сталь остаточно роз­кислюють феросиліцієм або алюмінієм.

Плавку без окислення застосовують для одержання легованої сталі із скра­пу І відходів відповідного складу. В цьому випадку виробництво сталі зво­диться, по суті, до переплавлення шихти, хоча під час плавки не виключе­но І окислення деяких домішок, а також введення, якщо треба, деяких компонентів.

2. Електроіндукційна піч (рис. 1.8, б) складається з тигля 5 з кришкою (склепінням) 11 охолоджуваного водою індуктора 2, змонтованого в кор­пусі 4. При проходженні по індуктору змінного струму частотою 500... 2000 кГц утворюється магнітний потік, що наводить у металевій шихті 3 потужні вихрові струми, які й нагрівають його до розплавлення.

Індукційні печі будують місткістю від десятків кілограмів до 5 т в окре­мих випадках - 25...30 т.

Індукційні печі порівняно з дуговими мають такі переваги:

а) відсутність дуги дає змогу виплавляти метали з малим вмістом вуг­лецю і газів;

б) електродинамічні сили, що виникають в індукційному полі, перемі­шують рідкий метал і, отже, сприяють вирівнюванню хімічного складу і спливанню неметалевих домішок;

в) індукційні печі мають малі розміри, що дає змогу розміщувати їх у спеціальних камерах і створювати будь-яку атмосферу або вакуум.

В Індукційних печах плавку, як правило, проводять переплавленням відходів легованих сталей або чистого щодо сірки і фосфору вуглецевого скрапу і феросплавів. Після розплавлення шихти на поверхню металу подають шлак: в основних печах - вапно і плавиковий шпат, а в кислих - бій скла й інші матеріали, багаті кремнеземом SiO₂. Шлак захищає метал від окислення і насичення газами атмосфери, зменшує втрати теплоти і вигар легуючих елементів.

Плавка у вакуумі дає змогу добути сплави з мінімальним вмістом газів І неметалевих домішок, легувати сплави будь-якими елементами.

Тривалість плавки в індукційній печі місткістю 1 т становить близько 45 хв, витрата електроенергії на 1 т сталі - 600...700 кВт • год.

12. Розливання сталі

Виплавлену у плавильній печі сталь виливають у розливний ківш і мо­стовим краном переносять до місця розливання в зливки. Місткість ков­ша визначається місткістю плавильної печі й становить 50...480 т. Сталь розливають у виливниці або в кристалізатори установок для безперерв­ного розливання.

1. Виливниці - це чавунні форми для одержання великих зливків різно­го перерізу. Маса зливків для прокатки становить 10... 12т (рідше - до 25 т), а для поковок - 350...400 т. Леговані сталі іноді розливають у злив­ки масою в кількасот кілограмів.

Застосовують два способи розливання сталі у виливниці: зверху і си­фоном.

При розливанні зверху (рис. 1.9, а) сталь заливають із ковша 2 в кожну виливницю 7 окремо. При такому розливанні поверхня зливків унаслідок попадання бризок рідкого металу на стінки виливниці забруднюється плівками оксидів.

При сифонному розливанні (рис. 1.9, б) сталлю заливають одночасно 4...8 і більше встановлених на піддон 5 виливниць крізь центральний лив­ник 3 і канали в піддоні. Сталь при цьому надходить у виливниці знизу, що забезпечує плавне, без розбризкування заповнення їх, поверхня злив-

Рис. 1.9. Розливання сталі у виливниці: а - зверху; б - сифоном

- ка стає чистою, скорочується тривалість розливання. Сталь у надставці 4 зберігається в рідкому стані, завдяки чому зменшується об'єм раковини і відходи зливка.

Розливання зверху застосовують для вуглецевих, а сифоном - для ле­гованих сталей.

2. Безперервне розливання сталівиконують на спеціальних машинах безперервного лиття заготовок (МБЛЗ).

Суть способу безперервного лиття досить проста: рідка сталь із ковша надходить у наскрізний охолоджувальний водою кристалізатор. До по­чатку розливання в кристалізатор заводять штучне дно (затравку ). Рід­кий метал при зіткненні з холодною затравкою і стінками кристалізатора починає тверднути, затравка разом із затверділим на ній металом повіль­но витягується із кристалізатора і тягне за собою утворювану таким чи­ном заготовку (зливок). У цей час заготовка всередині може бути ще рід­кою. Тому її інтенсивно охолоджують струменями води. Далі заготовку ріжуть газокисневим різаком на куски потрібної довжини (3...8 м).

Роботи з освоєння методу безперервного розливання металу розпоча­то ще в 1944р.

Першими в промисловості було застосовано МБЛЗ вертикального типу. Великим недоліком таких машин є те, що вони дуже високі (понад 40 м) і їх треба розміщувати в бетонованому колодязі такої самої глибини. Тому по­ряд з вертикальними широко застосовують машини радіальні, криволіній­ні, горизонтальні. Схему МБЛЗ горизонтального типу наведено на рис. 1.10.

На МБЛЗ дістають зливки від квадратних або круглих невеликого пе­рерізу, наприклад 120 х 150 або 150 х 150 мм, діаметром 120...150 мм до прямокутних завтовшки 200...300 мм та завширшки до 2,5 м, а також у вигляді труб.

Завдяки безперервному живленню і спрямованому затвердінню у ви­готовлених на МБЛЗ зливках немає усадочних раковин, що забезпечує

Рис. 1.10. Схема МБЛЗ горизонтального типу:

1 - футерований металоприймач; 2 - кристалізатор; 3 - зона вторинного охолодження;

4 - тяговий механізм; 5 - різак; 6 - заготовка

вихід придатного металу до 96...98 % від маси виплавленого. Поверхня таких зливків має високу якість, а метал - однорідну будову. Енергетичні витрати при виготовленні заготовок на МБЛЗ зменшуються приблизно на 15 %. Завдяки цьому частка сталі, що розливається безперервним спо­собом, перевищує 60 % від загального об'єму світового виробництва.

13. Затверднення і будова сталевих зливків

Процес затверднення сталевого зливка визначається умовами охоло­дження і ступенем розкислення. За ступенем розкислення сталі поділяють на киплячі, спокійні й напівспокійні.

1. Кипляча сталь- це сталь не повністю розкислена в печі, її розкис­лення продовжується у виливниці за рахунок взаємодії оксиду заліза FeO з вуглецем. Одержаний при цьому оксид вуглецю CO виділяється із сталі, сприяючи видаленню й інших газів (N₂, H₂), що створює враження кипін­ня рідкого металу. Видалення га­зів відбувається і при затвердінні

зливка, тому в ньому утворюється велика кількість розосереджених газових пузирів (рис. 1.11, а). Вони зникають при наступній гарячій прокатці. Кипляча сталь найдеше­вша, вона практично не містить неметалевих домішок, має велику пластичність.

2. Спокійну стальодержують при повному розкисленні металу в ковші (рис. 1.11, б). Така сталь за-

твердіває без виділення газів, тому

в зливку утворюється щільна струк­тура, але усадочна раковина концентрується у верхній частині, що змен­шує на 15...20 % вихід придатного металу.

3. Напівспокійну стальодержують при розкислюванні фероманганом і недостатній кількості феросиліцію або алюмінію. В цьому випадку зли­вок не має концентрованої усадочної раковини. В нижній частині він має будову спокійної, а в верхній - киплячої сталі (рис. 1.11, в). Така сталь за якістю і цінністю є проміжною між киплячою і спокійною. Вихід придат­ного металу з напівспокійної сталі на 5... 10 % більший, ніж спокійної сталі.

14. Способи підвищення якості сталі

Якість виплавлених у різних плавильних агрегатах сталей не завжди відповідає вимогам сучасної техніки. Тому для поліпшення її розроблено спеціальні технологічні процеси позапічного рафінування і рафінуваль­них переплавок.

Із методів позапічного рафінування сталі найчастіше застосовують обробку у вакуумі й рідкими синтетичними шлаками.

1. Вакуумну обробкузастосовують для зменшення вмісту в сталі розчи­нених газів (О₂, Н₂, N₂). При цьому завдяки інтенсивному перемішуван­ню металу бульбашками газів, що виділяються, видаляються внаслідок флотації частини неметалевих домішок, які "прилипають" до бульбашок газів, виносяться ними наверх у шлак.

Вакуумна обробка дає змогу в 3...5 разів зменшити вміст газів і в 2...З рази неметалевих домішок у сталі, що сприяють підвищенню її міцності й пластичності.

Найпоширеніші такі способи обробки сталі вакуумом:

а) ківш з металом розміщують у вакуумній камері з залишковим тис­ком 250...650 Па і витримують у ній 10...15 хв. Для прискорення процесу вакуумування сталь перемішують інертним газом;

б) сталь вакуумують при переливанні з ковша у ківш або з ковша у виливницю, тобто обробляють вакуумом струмінь металу;

в) сталь вакуумують окремими дозами. Для цього вакуумну камеру 3 (рис. 1.12, а) опускають (або ківш 1 підіймають) так, щоб патрубок 2 зану­рився в метал. Під дією вакууму метал засмоктується у вакуумну камеру, витримується деякий час і знову виливається у ківш 1. Ця операція повто­рюється стільки разів, скільки потрібно для завершення вакуумування;

г) більш продуктивним є циркуляційне вакуумування. Два патрубки 2 (рис. 1.12, б) вакуумної камери 3 занурюють у метал і він піднімається в камеру. Крізь один із патрубків подають інертний газ (аргон), внаслідок чого метал спрямовується по ньому в камеру, а по другому - стікає в ківш, циркулюючи таким чином через установку.

2. Обробка сталі синтетичним шлаком.Спочатку в розливний ківш за­ливають рідкий шлак (близько 45 % СаО, 40 % А1₂О₃, 10 % SiO₂, 5 % MgO) кількістю 3...5 % від маси рідкої сталі. Потім з якомога більшої висоти потужним струменем випуска­ють виплавлену сталь. Унаслі­док інтенсивного перемішуван­ня сталі й шлаку поверхня їх вза­ємодії збільшується в сотні разів порівняно з тією, що була в печі. Тому процеси рафінування знач­но прискорюються, і для їх пере­бігу потрібно не 1,5...2 год, як звичайно в печі, а приблизно сті­льки, скільки на випуск плавки. Рафінована синтетичним шла­ком сталь відрізняється малим

Рис. 1.12. Схеми установок для вакуу­мування

сталі: а - дозами; б - циркуляційне

вмістом кисню, сірки і неметалевих домішок, що забезпечує її високу пла­стичність і ударну в'язкість.

До рафінувальних переплавок належать: електрошлакова, вакуумно-дугова, плазмоводугова, електронно-променева.

3. Електрошлакову переплавку(ЕШП) виконують так. Сталь для пере­плавки надходить в установку у вигляді електрода 6 (рис. 1.13, а). Розпла­влений шлак 5 (суміш 60...65 % CaF, 25...30 % А1₂О₃, СаО та інші добав­ки) має великий електроопір, тому при проходженні електричного стру­му в ньому генерується теплота, достатня для розплавлення електрода. Краплі металу проходять крізь шар шлаку 5, збираються у ванні 4, затвердівають в охолоджуваному водою кристалізаторі 2 і утворюють зливок 3. При цьому кристалізація металу проходить послідовно і спрямована вверх, що сприяє видаленню неметалевих домішок і бульбашок газу, а отже, створенню щільної і однорідної структури зливка. В кінці перепла­вки піддон 1 опускають і затверділий зливок витягують із каталізатора.

Сучасні установки ЕШП дають змогу виготовляти зливки різного пе­рерізу масою до 40 т.

4. Вакуумно-дугову переплавку(ВДП) проводять у вакуумних дугових печах з електродом 6, що переплавляється (рис. 1.13, б), при цьому зливок З утворюється, як і при ЕШП, в охолоджуваному водою кристалізаторі 2.

У корпусі 7 печі підтримується вакуум близько 1,5 Па, що сприяє якіс­ному очищенню металу від газів, а спрямована кристалізація забезпечує видалення неметалевих домішок, утворення щільної структури і виклю­чає утворення усадочної раковини. Місткість печей для ВДП досягає 60 т.

5. Плазмоводугову переплавку(ПДП) застосовують для добування сталі й сплавів особливо високої чистоти. Джерелом теплоти в установці є пла­змова дуга з температурою 10 000...15 000 °С (рис. 1.13, в). Вихідний мате-

Рис. 1.13. Схеми рафінувальних переплавок:

а - електрошлакової; б - вакуумно-дугової; в - плазмоводугової; г - електронно-промене­вої; 1 - охолоджуваний водою піддон; 2 ~ кристалізатор; 3 - зливок; 4 - металева ванна; 5- розплавлений шлак; 6- заготовка (електрод), що переплавляється; 7- вакуумна камера; 8 - плазмотрон; 9 - електронна гармата; 10 - пристрій для витягання зливка

ріал для виготовлення зливків може надходити у вигляді електрода ін­ших подрібнених відходів металообробної промисловості. Метал плавить­ся і затвердіває в охолоджуваному водою кристалізаторі, а зливок витя­гується вниз. Завдяки високій температурі з металу інтенсивно випарову­ються сірка і фосфор, а також видаляються неметалеві домішки.

6. Електронно-променеву переплавку(ЕПП) здійснюють за рахунок теп­лоти, яка утворюється внаслідок опромінення металу потоком електронів. Переплавка проводиться у вакуумних установках, подібних до тих, що використовуються для ПДП при залишковому тиску 0,001 Па (рис. 1.13, г).

Глибокий вакуум і сприятливі умови затверднення забезпечують одер­жання особливо чистого металу. Тому ЕПП застосовують для одержання сталей особливо високої чистоти, сплавів зі спеціальними властивостя­ми, а також чистих тугоплавких металів (W, Mo, Nb та ін.).