Производство стали

§ 1. Сущность процесса получения стали

Сталь представляет собой железоуглеродистый сплав, содержащий до 2, 14 % С, а также постоянные примеси: Si, Mn, P, S. Легированные марки стали могут иметь легирующие элементы: Cr, Ni, Mo, W, V, Ti и др.

Основными исходными материалами для получения стали являются: передельный чугун и стальной лом (скрап).

Выплавку стали производят в плавильных печах: конвертерах, мартеновских, электропечах и др.

Чугун отличается от стали повышенным содержанием углерода и примесей. Чугун и стальной скрап помещают в печь и одновременно нагревают и подвергают окислению. В результате окислительного процесса в металле уменьшается содержание углерода и примесей.

Углерод, соединяясь с кислородом, превращается в газ – который удаляется в атмосферу печи. Si, Mn, P, Fe и S образуют окислы и другие соединения, нерастворимые или мало растворимые в металле. Они при благоприятных условиях плавки всплывают на поверхность расплавленного металла и вместе с флюсом образуют шлак. Образующаяся при окислении закись железа FeО частично растворяется в металле и этим ухудшает его свойства. Поэтому обязательным процессом, который завершает процесс получения стали, является ее раскисление (уменьшение содержания в ней кислорода). Сталь выпускают из печи в разливочный ковш, а затем разливают, в результате чего получаются слитки.

§ 2. Производство стали в конвертерах

Конвертер представляет собой сосуд грушевидной формы. Верхнюю часть конвертера называют козырьком или шлемом. Она имеет горловину, через которую заливают жидкий чугун и сливают сталь и шлак. Средняя часть конвертера имеет цилиндрическую форму. В нижней части конвертера имеется приставное днище, которое по мере износа заменяется новым. В днище имеется ряд отверстий, в каждое из которых вставляют фурмы от 7 до 12 шт. для продувки жидкого чугуна воздухом. К днищу присоединена на болтах воздушная коробка, в которую поступает сжатый воздух. Кожух конвертера сделан из листовой стали и футерован изнутри огнеупорным кирпичом. Кожух охватывается снаружи стальным опорным кольцом, снабженным двумя цапфами.

Эти цапфы служат для закрепления конвертера в опорных кронштейнах и поворота его вокруг горизонтальной оси при помощи зубчатой передачи механизма поворота. Воздушное дутье попадает в воздушную коробку через одну из двух цапф опорного кольца, сделанную полой и шарнирно соединенной с коленом воздухопровода.

Рис.

1. кожух;

2. футеровка;

3. горловина 3а. шлем;

4. днище;

5. отверстия для фурм;

6. воздушная коробка;

7. цапфы крепления;

8. воздуховод;

9. опорные кронштейны.

Подготовленный к работе конвертер наклоняют в горизонтальное положение и заполняют жидким чугуном так, чтобы отверстия фурм были выше уровня залитого чугуна. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье, не позволяющее металлу проникать через отверстия фурм в воздушную коробку.

В процессе продувки происходят химические реакции между кислородом воздуха и элементами, содержащимися в чугуне.

При этом образуются окислы, которые удаляются из металла в шлак и атмосферу печи. За счет реакций окисления элементов происходит нагрев металла до температуры 1550 – 1600°С. Таким образом используется физическое тепло чугуна, и химическое тепло, выделяемое при окислении элементов. Наличие избыточного тепла позволяет использовать при плавке в качестве шихты до 5 – 7 % стального скрапа. Это приводит к снижению температуры металла и увеличению выхода годной стали от 89 – 91 % до 92 – 94 %. Длительность процесса плавки в зависимости от емкости конвертера 12 – 28 мин.

При достижении необходимой концентрации углерода конвертер возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл раскисляют и выливают в ковш.

Различают два процесса плавки в конвертере: бессемеровский и томасовский.

§ 3. Бессемеровский процесс получения стали

Конвертер имеет кислую футеровку из динассового кирпича. В нем перерабатывают на сталь чугуны Б1 и Б2. Чугун заливают в конвертер при температуре 1300 – 1350°С. При этом различают три периода плавки.

І период: происходит интенсивное окисление железа, кремния и марганца. Окислы SiO₂, MnO, и частично FeO всплывают на поверхность металла и образуют шлак (кислый), который в своем составе имеет около 50 % SiO₂. Углерод в этот период плавки окисляется медленно. Через горловину конвертера выделяются газы, короткое слабосветящееся пламя и искры, образующиеся от горения брызг металла в воздухе. Этот период продолжается 3 – 6 мин, при этом температура металла быстро повышается.

ІІ период плавки: характеризуется активным окислением углерода. Окись углерода выделяется из металла в атмосферу вместе с другими газами, вызывая бурное клокотание металла и сильный шум. Окись углерода сгорает в воздухе, образуя длинный факел пламени (до 5- 7 м). Температура металла медленно повышается до 1600°С. Период длится 8 – 12 мин. В конце второго периода содержание углерода в металле снижается до десятых долей процента и пламя над конвертером постепенно укорачивается.

ІІІ период плавки: носит название периода дыма. Появление над конвертером бурого дыма показывает, что из чугуна почти полностью выгорели Si, Mn и С и началось очень сильное окисление железа. ІІІ период продолжается не более 2 – 3 мин, после чего конвертер поворачивают в горизонтальное положение и в ванну вводят раскислители: зеркальный чугун, ферромарганец либо ферросилиций и алюминий для понижения содержания кислорода в металле. После некоторой выдержки, необходимой для всплывания продуктов раскисления из металла в шлак, готовую сталь, нагретую до температуры 1600 – 1650°С выливают в ковш и направляют на разливку.

При плавке в кислом конвертере не условий для удаления из металла Р и S, из чугуна они полностью переходят в сталь. В процессе продувки воздухом в металле растворяется до 0, 012 – 0, 025 % N, много неметаллических включений.

Полученную сталь при низком содержании С (0, 1 – 0, 2 %) используют для изготовления сварных труб, болтов, винтов, тонкой жести. Сталь с содержанием С 0, 5 – 0, 7 % используют для прокатки рельсов, строительных балок и др.

При емкости бессемеровских конвертеров 10 – 35 т, длительность всей плавки - 20 – 30 мин (от выпуска до выпуска). Выход годной стали 87 – 90 % от массы чугуна, заливаемого в конвертер.

§4. Томасовский процесс получения стали

Конвертер имеет основную футеровку из молотого обожженного доломита. Форма конвертера такая же, но он имеет больший объем.

В конвертер вначале загружается в качестве флюса обожженная известь в количестве 8 – 12 % от объема металла. Затем заливают чугун марки Т, который имеет 1, 6 – 20 % Р до 0, 08 % S до 0, 6 % Si и температуру 1200 – 1250°С.

При воздушном дутье также различают 3 периода плавки:

І период: енергично окисляются Mn, Si, и Fe и незначительно углерод. Температура металла медленно повышается. Часть тепла расходуется на нагревание извести, хотя она в первом периоде и не расплавляется полностью.

ІІ период: характеризуется окислением углерода. От горения окиси углерода над конвертером появляется пламя, которое становится ярко-желтым. Всплески металла протекают более бурно и уровень содержимого конвертера поднимается до верхних частей горловины. После выгорания большей части углерода начинается окисление Р, которе сопровождается большим выделением тепла.

ІІІ период плавки: когда углерод почти весь выгорел (до 0, 1 %), начинается енергичное окисление Р и Fe. В результате окисления Р переходит из металла в шлак. Температура металла резко повышается ввиду выделения тепла при реакциях окисления Р. ІІІ период продолжается 3 – 5 мин и приостанавливается, как только содержание Р уменьшается до 0, 05 – 0, 07 %. По мере уменьшения Р наблюдается усиленное горение железа, что сопровождается выделением бурого дыма.

После поворота конвертера и остановки дутья из печи сливают основную часть шлака, а затем в сталь вводят раскислители. Так как сталь к концу процесса имеет низкое содержание С, то науглероживание стали проводят путем добавки в ковш перед разливкой зеркального чугуна или ферромарганца.

S в І и ІІ периоде плавки не удаляется. В ІІІ периоде при наличии в шлаке свободной извести, часть S удаляется в шлак в виде СаS. Небольшое количество S окисляется в процессе плавки и удаляется из металла в виде SО₂. Наименьшее содержание S, получаемое в основной стали – 0, 05 %.

Выплавляемая сталь применяется для изготовления рельсов, сортового проката, листа, болтов.

Шлак, имеющий ценные фосфатные соединения, используют как удобрение.

При емкости конвертеров 12 – 70 т продолжительность продувки 16 – 22 мин, а длительность всей плавки – 25 – 40 мин. Выход готовой стали – 85 – 89 % от массы чугуна.

§ 5. Кислородно-конверторный способ производства стали

Конверторный процесс является самым производительным способом получения стали. Однако бессемеровская и томасовская сталь, полученная с применением воздушного дутья, имеет много азота, фосфора и неметаллических включений, что ухудшает ее физико-механические свойства. Детали машин, изготавливаемые из такой стали, становятся хрупкими при пониженных температурах.

Улучшение качества стали достигается применением кислородного дутья. Кислородно-конвертерный процесс производится в основных конвертерах с продувкой металла сверху технически чистым кислородом (95, 8 – 99, 6 %). Полученная при этом сталь не уступает мартеновской и превосходит ее по способности к глубокой вытяжке и штампуемости.

Конвертер 1 отличается тем, что имеет сплошное дно. Для его футеровки применяют доломитовый или доломито - магнезитовый кирпич. Для продувки металла кислородом через горловину в конвертер вводят водоохлаждаемую фурму 2 на расстояние 300 – 800 мм над уровнем металла. Давление кислорода составляет 9 – 15 кг/см². Температура в печи в области вдувания кислорода – 3000°С. Исходным сырьем для плавки может служить как обычный передельный мартеновский чугун, так и высоко фосфористый чугун, кроме того, появляется возможность переплавлять значительное количество лома (20 – 35 %), а также использовать в шихте железную руду до 8 %. Чугун, используемый в процессе, обычно содержит: 3, 7 – 4, 4 % С, 0, 4 – 2, 5 % Mn, 0, 3 – 1, 7 % Si, 0, 03 – 0, 08 % S, < 0, 3 % P.

Для интенсификации процессов выгорания S и Р применяют как кусковую, так и порошкообразную вдуваемую в струе кислорода известь. Благодаря продувке чугуна сверху в самом начале плавки образуется известковожелезистый шлак.

Особенность процесса плавки состоит в том, что процесс окисления железа и примесей происходит как при непосредственном взаимодействии с кислородом дутья, струя которого происходит в металл, так и при помощи шлака. Высокая температура процесса и наличие активного известковожелезистого шлака способствует тому, что окисление фосфора и углерода происходит с самого начала продувки чугуна. Процесс плавки протекает при значительном избытке тепла. Поэтому для охлаждения металла добавляют скрап и железную руду.

В результате плавки на кислородном дутье получают сталь с пониженным содержанием азота (0, 002 – 0, 005 %) фосфора и серы.

Содержание серы снижается на 35 – 50 %. Продолжительность плавки в конвертере емкостью 130 т – 30 мин. Производительность конвертеров больше, чем производительность мартеновских печей из-за быстрого процесса плавки.

§ 6. Технико-экономические показатели

конвертерного процесса

Футеровка стен бессемеровского конвертера выдерживает 1000 – 3000 плавок, томасовского – около 75. Выход жидкой стали – 88 – 91 %. Расход воздуха на 1 т стали – 86 – 90 м³.

По качеству сталь, получаемая кислородно-конвертерным способом не уступает мартеновской и можно выплавлять не только углеродистые, но и легированные стали.

§ 7. Мартеновский способ получения стали

В мартеновских печах выплавляют углеродистую конструкционную и инструментальную сталь, а также легированную сталь различных марок.

Исходные материалы.

Используют большое количество стального скрапа, а также жидкий и твердый чугун.

В зависимости от материалов применяют два способа плавки:

1. скрап-рудный процесс;

2. скрап-процесс.

При плавке в основных печах применяют преимущественно скрап-рудный процесс.

В этом случае шихта состоит из жидкого чугуна (55 – 70 %), скрапа и окислителей (железной руды, мартеновского агломерата).

Сравнительно реже применяют скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального скрапа (до 70%) и твердого передельного чугуна.

При плавке в основной печи флюсом является известняк, боксит, а при плавке в кислой печи – кварцевый песок, шамотный бой.

Топливом мартеновских печей чаще всего служит смесь коксового и доменного газа, а также природный газ в смеси с мазутом. Мазут и природный газ являются высококалорийными видами топлива и могут употребляться без предварительного подогрева.

§ 9. Устройство и принцип работы мартеновской печи

Мартеновская печь представляет собой пламенную регенеративную печь.

Рабочее плавильное пространство печи снизу ограничивается подиной, сверху сводом, а с боков передней и задней стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. Сырые материалы (шихту, флюс) загружают на подину со стороны рабочей площади через загрузочные окна, расположенные в передней стенке печи, а готовую сталь сливают через летку в задней стенке печи.

К плавильному пространству печи с обеих сторон примыкают головки печи, в которые поступают газ и воздух, нагретые в регенераторах. Регенератор представляют собой камеру, в которой размещена насадка, выполненная из огнеупорного кирпича. Регенераторов по 2 с каждой стороны – воздушный и газовый. Газ и воздух проходят через нагретую до 1200°С насадку соответствующих регенераторов, нагреваются до 1000 – 1100°С и по вертикальным каналам направляются в головку печи, где смешиваются и сгорают, в результате чего температура под сводом печи достигает 1680 – 1750°С. Продукты горения направляются из рабочего пространства печи в левую пару регенераторов, нагревают их огнеупорную насадку. Когда насадки правой пары регенераторов остывают специальное перекидное устройство переключает направление газов и работает левая пара регенераторов.

Разогрев шихты, расплавление металла и шлака в печи происходит в плавильном пространстве при контакте материалов с флюсом раскаленных газов (1800 – 1900°С).

Рис.

1. Рабочее плавильное пространство;

2. подина;

3. свод;

4. головка печи;

5, 6, 7, 8. регенераторы;

9. перекидное устройство.

§ 10. Принцип работы мартеновской печи

При выплавке стали в мартеновских печах различают следующие периоды:

1. осмотр и заправка подины;

2. завалка шихты;

3. плавление шихты;

4. кипение металла;

5. раскисление и легирование металла;

6. выпуск готового металла.

Основной мартеновский процесс.

На заводах, имеющих доменное производство в основной печи ведут скрап-рудный процесс, как наиболее экономичный.

Заправка печи заключается в заделке поврежденных участков подины, откосов и простенков печи путем засыпки магнезитовым или доломитовым порошком, который при высокой температуре приваривается к основному материалу.

Завалку шихты производят одной или двумя завалочными машинами, которые вносят шихту в печь в специальных металлических ящиках (мульдах) и, опрокидывая их, высыпают шихту на подину печи. Сначала загружают мелкий скрап, затем более крупный и на него кусковую известь (3 – 5 % от массы металла). После прогрева загруженных материалов подают оставшийся стальной лом и передельный чугун 2 – 3 порциями. Этот порядок загрузки шихты позволяет быстро их прогреть и расплавить. Продолжительность загрузки зависит от емкости печи и характера шихты и составляет 1, 5 – 3 ч. Заливку чугуна в печь производят большими ковшами (80 – 100 т) в конце периода прогрева, когда шихта начинает охлаждаться

Плавление шихты – самый длительный процесс плавки. В этот период активного окисления примеси чугуна. От обильного окисления углерода выделяется много газов, что вызывает бурление (кипение) металла и шлака. Это усиливает процесс окисления и шлакообразования, что вызывает необходимость скачивания (удаления) первичного шлака через 10 – 20 мин после заливки чугуна в печь. Шлак вытекает из печи через шлаковое отверстие в задней стенке и через порог загрузочного окна в специальные чаши. Вместе со шлаком из ванны удаляется значительная часть окислов Si, Mn, P и Fe, а также соединений S. После этого в печь загружают известняк и боксит, которые к моменту полного расплавления шихты образуют шлак с повышенным содержанием СаО. К этому времени Si, содержащийся в чугуне и стальном ломе, окисляется почти полностью, Mn на 60 – 80 %, P – 30 – 40 % углерод на 25 – 40 %.

Доводку металла до нужного химического состава производят периодическим добавлением на шлак железной руды и повышением теплового режима печи. Это усиливает окисление углерода и вызывает кипение ванны. В процессе кипения из металла выделяется окись углерода, происходит перемешивание металла, что способствует очищению металла от растворенных газов и неметаллических включений. В период доводки заканчивается удаление Р и S, достигается нужное содержание Mn.

Добавку легирующих элементов, не окисляющихся в процессе плавки (Ni, Cu, Mo), производят в начале плавки, а легкоокисляющиеся элементы (Cr, Ti, Si, Al) вводят в сталь после предварительного раскисления.

В процессе раскисления стали происходит удаление кислорода в виде FeO и попутно освобождение ее от газов H₂, N₂. Раскисление металлическими раскислителями (ферромарганцем, ферросилицием, кусками алюминия) производится непосредственно в ванне печи и может быть закончено в разливочном ковше.

После взятия контрольных проб сталь выпускают из печи через выпускное отверстие в задней стенке и через желоб выливают в разливочный ковш.

Для интенсификации мартеновского процесса используют применение кислорода, который вдувается в расплавленный металл через сводовые фурмы.

Общая продолжительность плавки в мартеновских печах зависит от емкости печи и условий производства. Например, для печей емкостью в 200 т – 8 – 9 часов, 400 – 500 т – 12 ч.

Среднесуточный съем стали с 1 м² пода печи составляет от 9 до 12 т/м².

§ 11. Производство стали в электропечах

Электропечи для плавления металла наиболее совершенны и дают большие возможности для выплавки стали. В электропечи можно вести плавку стали при более высокой температуре, чем при мартеновской, и получать стали наиболее высокого качества, в том числе и легированные.

Используют печи двух типов:

1. дуговые;

2. индукционные (высокочастотные).

Наиболее широкое применение нашли дуговые электропечи. Емкость их от 5 до 180 т.

§ 12. Устройство и работа дуговых электропечей

В дуговой сталеплавильной печи для расплавления и нагревания металла используется электрическая дуга, образующаяся между 3 вертикально расположенными электродами (графитизированными или угольными). Электрический ток (переменный трехфазный) от трансформатора посредством гибких кабелей и медных шин подводится к электрододержателям и течет от электрода через дугу и металл к другому электроду и далее возвращается в сеть.

Дуговая печь имеет следующие части: сварной или клепанный кожух цилиндрической формы со сфероидальным днищем; подины и стенок; съемный арочный свод с отверстием для электродов; механизм для закрепления и вертикального перемещения электродов; две опорные станины; механизм наклона печи, позволяющий поворачивать печь при выпуске стали по желобу и в сторону загрузочного окна для скачивания шлака.

Рис.

1. кожух;

2. подина;

3. съемный арочный свод с отверстиями для электродов;

4. электроды;

5. загрузочное окно;

6. желоб для выпуска стали;

7. механизм наклона печи;

8. опорная станина;

9. металлическая шихта.

Свод печи выкладывают из динасовых кирпичей, подину чаще делают основной.

Шихта для плавки состоит из скрапа углеродистой или легированной стали.

Диаметр электродов определяется мощностью потребляемого тока и составляют 350 – 550 мм. В процессе плавки нижние концы электродов сгорают, поэтому их постепенно опускают и при необходимости наращивают сверху. Мощность печного трансформатора зависит от емкости печи, технологического процесса и составляет 25 000 – 40 000 кВт. Расход электроэнергии в дуговых печах при работе на твердой шихте 600 – 900 кВт/т стали, расход электродов 6 – 9 кг/т стали.

§ 13. Технология выплавки стали в дуговых печах

В зависимости от чистоты шихтовых материалов применяют две разновидности процесса плавки:

· с окислением примесей;

· без окисления примесей.

Плавка с окислением примесей

Технология такой плавки в основной дуговой печи подобна технологии плавки в мартеновских печах (скрап - процессом).

Используется шихта с содержанием углерода на 0, 5 – 0, 6 % выше, чем в готовой стали. На подину печи загружают мелкий стальной лом, затем более крупный. Скрап укладывается как можно плотнее для устойчивого горения дуги. В дуговые печи малой и средней емкости загружают мульдами или лотками через завалочное окно, а в печи большей емкости (30 – 80т) через свод, который отводят в сторону вместе с электродами. После загрузки шихты электроды опускают до легкого соприкосновения с шихтой. Подложив под нижние концы электродов кусочки кокса (для более плавного зажигания дуги) включают ток и начинают плавку стали.

При выплавке стали в дуговых печах различают окислительный и восстановительный периоды.

Во время окислительного периода расплавляется шихта, окисляется Si, Mn, P, избыточный С, частично Fe и др. элементы, например, Cr, Ti и образуется первичный шлак. Реакции окисления такие же, как в мартеновском процессе. Фосфор из металла удаляется в течение І половины окислительного периода, пока металл в ванне сильно еще не прогрелся. Образовавшийся при этом первичный фосфористый шлак в количестве 60 – 70 % удаляют из печи.

Для получения нового шлака в печь подают обожженную известь, железную руду, бокситы, плавиковый шпат, битый шамотный кирпич. После удаления фосфора и скачивания первичного шлака металл хорошо прогревается и начинается горение углерода (кипение ванны). Во время кипения ванны в течение 45 – 60 мин избыточный углерод сгорает, растворенные газы и неметаллические включения удаляются. После удаления углерода скачивают весь шлак. Если в металле в период окисления углерода содержится меньше, чем требуется по химическому составу, то в печь вводят куски графитовых электродов или кокс.

Восстановительный период плавки. В этот период раскисляют металл, переводят максимально возможное количество серы в шлак, доводят химический состав металла до заданного и подготавливают его к выпуску из печи.

Восстановительный период при выплавке сталей с низким содержанием углерода проводится под белым (известковым) шлаком, а при выплавке высокоуглеродистых сталей (более 1 % С) – под карбидным шлаком.

Выплавка металла под белым шлаком.

Для получения белого шлака в печь загружают шлаковую смесь (4 % массы металла), состоящую из 80 % извести и 20 % плавикового шпата. Через некоторое время на поверхности металла образуется слой шлака с достаточно высокой концентрацией FeO и MnO. Пробы металла имеют темный цвет. Этот шлак не может раскислять металл.

Перед раскислением металла в печь забрасывают 2 – 3 порциями вторую шлаковую смесь, состоящую из 4 – 5 частей кусковой извести, 1 части плавикового шпата, 2 – 3 частей молотого древесного угля и кокса.

Через некоторое время содержание FeO и MnO в шлаке снижается, закись железа FeO начинает переходить в шлак.

Для усиления раскисляющего действия белого шлака на металл к концу периода в печь забрасывают порошок ферросилиция, под влиянием которого содержание FeO в шлаке снижается до 1 – 1, 5 %. В белом шлаке содержится 50 – 60 % СаО, а на поверхности его плавает древесный уголь, что позволяет эффективно из металла удалять серу.

В этот период в металл вводят необходимые добавки, в том числе и легирующие. Окончательно металл раскисляют в печи алюминием.

Выплавка металла под карбидным шлаком.

На І стадии восстановительный период происходит так же, как и под белым шлаком. Затем на поверхность шлака загружают карбидообразующую смесь, состоящую из 1 части кокса, 3 частей извести и 1 части плавикового шпата. При высоких температурах происходит реакция, в результате которой образуется карбид кальция СаС₂, который увеличивает раскислительную и обссеривающую способность карбидного шлака. Карбидный шлак содержит 55 – 65 % СаО и 0, 3 – 0, 5 % FeO, он обладает науглероживающей способностью.

Выплавка стали без окисления примесей

Этот метод называется методом переплава. В печь не загружают железную руду, условия для кипения ванны отсутствуют. Шихта состоит из легированных отходов с низким содержанием фосфора, поскольку его нельзя будет удалить в шлак. В печь загружают отходы стали близкие по химическому составу к готовой стали. Для понижения содержания углерода в шихту добавляют 10 – 15 % мягкого железа (0, 1 % С). Образующийся при расплавлении шихты первичный железистый шлак из печи не удаляют. Это сохраняет легирующие элементы (Cr, Ni, V), которые переходят из шлака в металл. В восстановительный период плавки может быть белый или карбидный шлак.

§ 14. Технико-экономические показатели работы электродуговых печей

Зависят от мощности трансформатора, способа загрузки шихты, марки стали, способа выплавки и др. Средняя продолжительность плавки без применения кислорода составляет 5 – 6, 5 ч. Расход электроэнергии 750 – 850 кВт∙ ч / т.

В электропечах выплавляют качественные стали с низким содержанием вредных примесей (особенно серы), включая высоколегированные и специальные стали.

§ 15. Устройство индукционных печей

Индукционная печь отличается от дуговой способом подвода энергии к расплавленному металлу. Индукционная печь работает примерно так же, как обычный трансформатор: имеется первичная катушка (индуктор), вокруг которого при пропускании переменного тока создается переменное магнитное поле. Магнитный поток создает во вторичной цепи (загруженном металле) переменный ток (ток Фуко), под влиянием которого нагревается и расплавляется металл. Индукционные печи имеют емкость от 50 кг до 10 т и более.

Тигельная индукционная печь состоит из немагнитного каркаса, внутри которого монтируется индуктор и огнеупорный плавильный тигель. Индуктор печи выполнен в виде катушки с определенным числом витков медной трубки, внутри которой циркулирует охлаждающая вода.

Рис.

1. огнеупорный плавильный тигель;

2. индуктор;

3. расплавленный металл

Металл загружается в тигель, который является вторичной обмоткой. Переменный ток вырабатывается в машинных или ламповых генераторах. Подвод тока от генератора осуществляется посредством гибкого кабеля или медных шин. Мощность и частота тока определяется емкостью плавильного тигля и составом шихты. Обычно в индукционных печах используется ток с частотой 500 – 2500 Гц. Мощность генератора выбирают из расчета 1, 0 – 1, 4 кВт / кг шихты. Плавильные тигли изготавливают из кислых или основных огнеупоров.

§ 16. Работа индукционных печей

В индукционных печах сталь выплавляют методом переплава шихты. Угар легирующих элементов при этом получается очень небольшим. Шлак в тигле образуется при загрузке шлакообразующих компонентов на поверхности расплавленного металла. Температура шлака во всех случаях меньше температуры металла, так как шлак не обладает магнитной проницаемостью и в нем не индуцируется ток. Для выпуска стали из печи тигель наклоняют в сторону сливного носка.

В индукционных печах нет электродов, поэтому металл не науглероживается. Под действием электромагнитных сил металл в тигле циркулирует, что ускоряет химические реакции и способствует получению однородного металла.

Индукционные печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов особого назначения, имеющих низкое содержание углерода и кремния. Для получения высококачественной стали индукционную печь помещают в камеру, внутри которой создают вакуум или атмосферу из газов регулируемого состава.

§ 17. Разливка стали

Устройство сталеплавильного ковша

Сталь выпускают из сталеплавильного агрегата в хорошо разогретый сталеразливочный ковш.

Металлический кожух ковша имеет снаружи стальное кольцо с цапфами для захвата крюком мостового крана. Изнутри ковш футерован шамотным кирпичом. В днище ковша вставлен стакан с отверстием для выпуска стали. Отверстие в стакане закрывается огнеупорной пробкой, навинченной на стальной стержень стопора, защищенного огнеупорными кольцами. Стопор поднимается и опускается вручную с помощью системы рычагов и опорных приспособлений или с помощью электромагнитов.

Емкость ковша выбирают такой, чтобы он вмещал всю плавку и некоторое количество шлака для тепловой изоляции металла.

Рис.

1. металлический кожух;

2. футеровка;

3. стакан;

4. огнеупорная пробка;

5. стальной стержень;

6. огнеупорные кольца;

7. шлак.

Сталь разливают по изложницам для получения слитков или в формы для получения фасонного литья.

Изложницы

Изложницы для получения стальных слитков изготавливают из чугуна. Они представляют собой сквозные толстостенные сосуды, а иногда сосуды, открытые сверху. Изложницы имеют квадратное, круглое, прямоугольное или др. сечение.

Практикой установлено определенное соотношение между высотой и поперечным сечением изложниц: высота в 5 – 6 раз больше размера поперечного сечения. Сквозную изложницу ставят на массивный поддон. Стенки изложницы имеют небольшую конусность для облегчения выемки слитков. В сталелитейных цехах получают слитки массой от 100 кг до 250 т и более. Слитки, направляемые в прокатные цехи, имеют массу 6 – 8 т.

Разливка стали сверху

Применяют два способа разливки стали: сверху и снизу.

При разливке стали сверху каждую изложницу заполняют сталью. Ковш при помощи мостового крана устанавливают так, чтобы отверстие стакана находилось в центре поперечного сечения изложницы.

Такую разливку применяют для получения крупных слитков.

При разливке стали сверху наблюдается меньше неметаллических включений.

Рис.

1. ковш;

2. изложница;

3. массивный поддон.

Сифонная разливка стали

(разливка снизу)

При сифонной разливке сталь из ковша 5 заливается в центральную трубу 3, выложенную шамотными трубками, и поступает одновременно в целый ряд изложниц 1 через каналы, составленные из шамотных пустотелых кирпичей 4 (сифонный припас), собранных в чугунном поддоне 2.

Рис.

1. изложницы;

2. чугунный поддон;

3. центральная труба;

4. каналы из пустотелых кирпичей;

5. ковш;

6. прибыльная подставка;

7. футеровка подставки.

Жидкая сталь в изложнице по мере охлаждения уменьшается в объеме, т. е. происходит усадка. В первую очередь затвердевает та часть слитка, которая прилегает к стенкам изложницы, внутренняя часть его некоторое время остается жидкой. Это приводит к образованию усадочной раковины. Чтобы уменьшить ее образование, нужно замедлить охлаждение стали в верхней части изложницы. Для этого применяют прибыльные надставки 5, которые являются продолжением изложницы.

Они имеют коническую форму и изнутри футеруются.

В надставке сталь затвердевает в последнюю очередь и основная часть усадочной раковины получается в прибыльной части слитка, которая впоследствии отрезается.

При сифонной разливке поверхность слитка получается более чистой, но в металле содержится повышенное количество неметаллических включений. Применяется для мелких и средних слитков.

Непрерывная разливка стали

Большая экономия металла (более 10 %) получается при непрерывной разливке стали. При этом качество стали также получается выше. Это обусловлено тем, что при этом способе разливки вся жидкая сталь затвердевает в виде одного непрерывного слитка, соответственно и усадочная раковина получается одна на всю плавку.

Рис.

1. ковш;

2. промежуточное устройство;

3. кристаллизаторы;

4. слиток;

5. ролики;

6. охлаждение воздухом;

7. охлаждение водой;

8. газовая резка;

9. слиток мерной длины.

При непрерывной разливке жидкая сталь из ковша 1 поступает в промежуточное устройство 2 и дальше в охлаждаемые водой кристаллизаторы 3. В каждом из кристаллизаторов имеется стальная затравка, задерживающая первые порции жидкой стали. При соприкосновении жидкого металла с затравкой начинается быстрое затвердевание стали. При этом сталь приваривается к затравке и вытягивается вместе с ней роликами 5. Затвердевание непрерывно движущегося слитка 4 ускоряется при прохождении его через зону вторичного охлаждения водой 7 и воздухом 6. В нижней части установки слиток разрезается передвигающейся синхронно с ним газорезкой 9, которые по конвейеру через приемный стол поступают в прокатный цех.

Слитки, полученные непрерывной разливкой, имеют плотную мелкозернистую структуру, в них нет усадочных раковин, меньше неметаллических включений, при этом выход продукции на 8 – 10 % выше, чем при разливке стали в изложницы.