Глава III Производство стали

1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА

Сталь является основным видом ме­талла, применяемым для создания совре­менной техники. Это объясняется тем, что сталь обладает высокими прочностью и износостойкостью, хорошо сохраняет при­данную форму в изделиях, сравнительно легко поддается различным видам обработ­ки. Кроме того, основной компонент стали -железо - является широко распространен­ным элементом в земной коре.

Сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является сниже­ние содержания углерода и примесей пу­тем их избирательного окисления и пере­вода в шлак и газы в процессе плавки.

Основными материалами для произ­водства стали являются передельный чу­гун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (табл. 2.1).

В процессе плавки стали происходит взаимодействие между металлической, шлаковой и газовой фазами и футеровкой плавильного агрегата, различными по аг­регатному состоянию и химическому со­ставу. В результате этого взаимодействия осуществляется переход химических эле­ментов из одной фазы в другую. Обмен­ные процессы сопровождаются химиче­скими превращениями, главным образом на границе металлической фазы со шлаком. Металлическая фаза состоит из расплава химических элементов, шлаковая - из расплава оксидов и их соединений. Поэтому переход элемента из одной фазы в другую возможен только при протекании химиче-

ской реакции образования или восстанов­ления оксида. Так как примеси по своим физико-химическим свойствам различны, то для их удаления в плавильном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии.

В соответствии с законом действую­щих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реаги­рующих веществ. Поскольку в наиболь­шем количестве в чугуне содержится же­лезо, то оно окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи:

Fe + 1/20₂ = FeO + Q кДж. (1)

Одновременно с железом окисляются Si, P, С, Мп и др.

Образующийся оксид железа при вы­соких температурах отдает свой кислород более активным элементам - примесям в чугуне, окисляя их:

2FeO + Si = Si0₂ + 2Fe + Q, кДж; (2)

5FeO + 2P = P₂0₅ + 5Fe + Q₂ кДж; (3)

FeO + Mn = MnO + Fe + Q₃ кДж; (4)

FeO + С = CO + Fe - Q₄ кДж. (5)

Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисля­ются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную ванну до­бавляют железную руду, окалину, содер­жащие много оксидов железа. Таким обра­зом, основное количество примесей окис­ляется за счет кислорода оксида железа.

Таблица 2.1. Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали, %

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

33

Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу Ле Шателье, в соответствии с которым химические реакции, выделяю­щие теплоту, протекают интенсивнее при более низких температурах или при неко­тором понижении температуры, а реакции, поглощающие теплоту, протекают актив­нее при высоких температурах или при некотором повышении температуры. По­этому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут про­цессы окисления кремния, фосфора, мар­ганца, протекающие с выделением тепло­ты, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре металла (в середине и конце плавки).

После расплавления шихты в стале­плавильной печи образуются две несме-шивающиеся среды: жидкий металл и шлак. Шлак представляет собой сплав оксидов с незначительным содержанием сульфидов. Образование шлака связано с окислением элементов металлической фа­зы во время плавки и образованием раз­личных оксидов с меньшей плотностью, чем металл, собирающихся на его поверх­ности. В соответствии с законом распре­деления (закон Нернста), если какое-либо вещество растворяется в двух соприка­сающихся, но несмешивающихся жидко­стях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до уста­новления определенного соотношения (константы распределения), постоянного для данной температуры. Поэтому боль­шинство компонентов (Mn, Si, P, S) и их соединения, растворимые в жидком ме­талле и шлаке, будут распределяться меж­ду металлом и шлаком в определенном соотношении, характерном для данной температуры.

Нерастворимые соединения в зависи­мости от плотности будут переходить ли­бо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака, можно менять соотношение между количеством примесей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Убирая шлак

2 - 9503

с поверхности металла и наводя новый путем подачи флюса требуемого состава, можно удалять вредные примеси (серу, фосфор) из металла. Поэтому регулирова­ние состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управ­ления металлургическими процессами.

Используя изложенные законы, про­цессы выплавки стали осуществляют в несколько этапов.

Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе температура металла невысока; ин­тенсивно происходят окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей Si, P, Мп по реакциям (1) - (4). Наиболее важная задача этого процесса -удаление фосфора (одной из вредных примесей в стали). Для этого необходимо проведение плавки в основной печи, в ко­торой можно использовать основной шлак, содержащий СаО. Такой шлак дол­жен обладать высокой основностью, т.е. способностью поглощать из металла и удерживать фосфор и серу. Основность (В) обычно определяют отношением кон­центрации основных и кислых оксидов:

В = (% СаО)/(% Si0₂) или

В = (% СаО)/(% Si0₂ + Р₂0₅).

Основность шлака регулируется в со­ответствии с температурой, и в конце мар­теновской плавки она составляет 2,7 ... 3 и 3 ... 4 в кислородно-конвертерном процес­се. Выделяющийся по реакции (3) фос­форный ангидрид образует с оксидом же­леза нестойкое соединение (FeO)₃ • Р₂0₅. Оксид кальция СаО - более сильное осно­вание, чем оксид железа, поэтому при не­высоких температурах связывает ангидрид Р₂0₅, переводя его в шлак:

2[Р] + 5(FeO) + 4(CaO) <-> <->(4CaOP₂0₅)+5[Fe]. (6)*

* Принято компонент, находящийся в растворе металла, обозначать в прямых скоб­ках [Р], а находящийся в растворе шлака - в круглых скобках (СаО).

34

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Реакция образования фосфорного ан­гидрида протекает с выделением теплоты, поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье для удаления фосфора из металла необходимы невысокие температуры ван­ны металла и шлака. Из реакций (3) и (6) следует также, что для удаления фосфора из металла необходимо достаточное со-. держание в шлаке FeO, т.е. шлак должен обладать высокой окислительной способ­ностью - передавать кислород металлу, находящемуся с ним в контакте. Окисли­тельная способность шлака определяется активностью содержащихся в нем оксидов железа (главным образом FeO). Так, шла­ки с высоким содержанием оксидов железа передают кислород металлу, а с низким — способны извлекать его. Для повышения содержания FeO в шлаке в сталеплавиль­ную ванну в этот период плавки добавля­ют окалину, железную руду, наводя желе­зистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание фосфора в шлаке возрастает. В соответствии с зако­ном распределения удаление фосфора из металла замедляется. Поэтому для более полного удаления фосфора из металла с его зеркала убирают шлак, содержащий фосфор, и наводят новый со свежими до­бавками СаО.

Второй этап - "кипение" металличе­ской ванны - начинается по мере ее про­грева до более высоких, чем на первом этапе, температур. При повышении темпе­ратуры металла в соответствии с принци­пом Ле Шателье более интенсивно проте­кает реакция (5) окисления углерода, про­исходящая с поглощением теплоты. По­скольку в металле содержится больше угле­рода, чем других примесей (см. табл. 2.1), то в соответствии с законом действующих масс для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород.

Образующийся в металле оксид железа реагирует с углеродом по реакции (5), а пузырьки оксида углерода СО выделяются из жидкого металла, вызывая "кипение"

ванны. При "кипении" уменьшается со­держание углерода в металле до требуемо­го, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметалличе­ские включения, прилипающие к всплы­вающим пузырькам СО, а также газы, проникающие в пузырьки СО. Все это способствует повышению качества метал­ла. Поэтому этап "кипения" ванны являет­ся основным в процессе выплавки стали.

В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в ста­ли находится в виде сульфида [FeS], кото­рый растворяется также в основном шлаке (FeS). Чем выше температура, тем боль­шее количество FeS растворяется в шлаке, т.е. больше серы переходит из металла в шлак. Сульфид железа, растворенный в шлаке, взаимодействует с оксидом каль­ция, также растворенным в шлаке:

(FeS) + (СаО) = (CaS) + (FeO). (7)

Эта же реакция протекает на границе металл - шлак между сульфидом железа в стали [FeS] и (СаО) в шлаке:

[FeS] + (СаО) = (CaS) + (FeO). (8)

Образующееся соединение (CaS) рас­творимо в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

Как следует из реакций (7) и (8), чем больше в шлаке (СаО) и меньше (FeO), тем полнее удаляется из стали сера. По­этому при плавке в основных печах можно снизить содержание углерода и серы в стали, выплавлять сталь из шихты любого химического состава.

В сталеплавильных печах с кислой фу­теровкой нет условий для уменьшения количества фосфора и серы в стали, так как использовать основной шлак с высо­ким содержанием (СаО) нельзя из-за раз­рушения футеровки, а содержание (FeO) в шлаке недостаточно. Поэтому в кислых печах можно выплавлять сталь только из шихтовых материалов с малым количест­вом серы и фосфора.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

35

Третий этап (завершающий) - раскис­ление стали - заключается в восстановле­нии оксида железа, растворенного в жид­ком металле. При плавке повышение со­держания кислорода в металле необходи­мо для окисления примесей, но в готовой стали кислород - вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах. Сталь раскисляют двумя способами: оса­ждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление осуществ­ляют введением в жидкую сталь раство­римых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы Mn, Si, A1 и др., которые в дан­ных условиях обладают большим сродст­вом к кислороду, чем железо. В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды MnO, Si0₂, A1₂0₃ и другие, которые имеют меньшую плот­ность, чем сталь, и удаляются в шлак. Од­нако часть их может остаться в стали, что понижает ее свойства.

Диффузионное раскисление осуществ­ляют раскислением шлака. Ферромарга­нец, ферросилиций и другие раскислители в мелкоразмельченном виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восста­навливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределения оксид железа, рас­творенный в стали, начнет переходить в шлак. Образующиеся при таком способе раскисления оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических включений и повышает ее качество.

При выплавке в кислой печи процесс плавки протекает при кислом шлаке (55 ... 58 % Si0₂). Количество FeO и МпО в шла­ке уменьшается в результате восстановле­ния этих оксидов. Активность FeO в кис­лых шлаках значительно ниже, чем в ос­новных, и окислительное действие их сла­бее, т.е. создаются благоприятные условия

для раскисления стали, а именно: кремне­зем, обладающий сильными кислотными свойствами, связывает FeO в соединение типа FeO ■ Si0₂. После длительной вы­держки под кислым шлаком содержание оксида железа в стали резко уменьшается, и окончательно сталь раскисляют неболь­шой добавкой ферромарганца.

В зависимости от степени раскислен­ное™ выплавляют спокойные, кипящие и полуспокойные стали.

Спокойная сталь получается при пол­ном раскислении в печи и ковше.

Кипящая сталь раскислена в печи не­полностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка благодаря взаимодействию FeO и углеро­да, содержащихся в металле. Образую­щийся при реакции FeO + С = Fe + СО оксид углерода выделяется из стали, спо­собствуя удалению из стали азота и водо­рода. Газы выделяются в виде пузырьков, вызывая ее "кипение". Кипящая сталь не содержит неметаллических включений -продуктов раскисления, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспокойная сталь имеет промежу­точную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично в изложнице благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали осуществляют вве­дением ферросплавов или чистых метал­лов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы (Ni, Co, Мо, Си), сродство к кислороду у которых меньше, чем у железа, при плавке и разливке прак­тически не окисляются, и поэтому их вво­дят в печь в любое время плавки (обычно вместе с остальной шихтой). Легирующие элементы, у которых сродство к кислоро­ду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti и др.), вводят в металл после раскисле­ния или одновременно с ним в конце плавки, а иногда непосредственно в ковш.

2*

36

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Металлическая шихта (чугун, лом)

_I

Расплавление твердой части шихты

"~1

Г"

Удаление из металла примесей

Раскисление и легирование

Обработка синтетическими шлаками

Обработка вакуумом и инертными газами

L.

Разливка стали

_X

ЭШП (Удаление серь/, раскисление, улучшение строении слитка)

_I

ВДП, ЭЛП, ПДП (Удаление газов; улучшение строения слитков)

_I

Продукция сталелитейного производства

Рис. 2.2. Схема технологических процессов производства стали

2. СХЕМА СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

Сталь производят в различных по принципу действия металлургических аг­регатах: мартеновсих печах, кислородных конвертерах, в электрических дуговых и индукционных печах и др.

Основные элементы технологии полу­чения стали и возможные варианты со­временных технологических производств приведены на рис. 2.2. Основной вариант технологического процесса показан тол­стыми стрелками, тонкими стрелками по­казаны варианты технологии производства высококачественных сталей и сталей спе­циального назначения, требующие допол­нительной обработки вне плавильного агрегата, или переплава в специальных условиях. Пунктирными линиями показа­ны редко применяемые варианты получе­ния стали.

3. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В МАРТЕНОВСКИХ ПЕЧАХ

Устройство и работа мартеновской печи. Мартеновская печь (рис. 2.3) - пла­менная отражательная регенеративная печь. Она имеет рабочее плавильное про­странство, ограниченное снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет фор­му ванны с откосами по направлению к стенкам печи. Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плав­ки стали в шлаке преобладают основные оксиды, процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые -кислым. Основную мартеновскую печь футеруют магнезитовым кирпичом, на который набивают магнезитовый поро­шок. Кислую мартеновскую печь футеру­ют динасовым кирпичом, а подину наби­вают из кварцевого песка. Свод марте­новской печи делают из динасового кир­пича или магнезитохромитового кирпича.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

37

—<| Воздух

А-А

Рис. 2.3. Схема мартеновской печи

В передней стенке печи имеются загру­зочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней - отверстие 9 для выпуска гото­вой стали.

В нашей стране работают мартенов­ские печи вместимостью от 200 до 900 т жидкой стали. Важнейшим параметром мартеновской печи является площадь по­да, которую условно подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. Напри­мер, для печи вместимостью 900 т пло­щадь пода составляет 160 м². Головки пе­чи 2 служат для смешивания топлива (ма­зута или газа) с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство.

Для подогрева воздуха и газа при рабо­те на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора /. Регенератор - это ка­мера, в которой размещена насадка - ог­неупорный кирпич, выложенный в клетку. Отходящие из печи газы имеют темпера­туру 1500 ... 1600 °С. Попадая в регенера­торы, газы нагревают насадку до темпера­туры 1250 ... 1280 °С. Через один из реге­нераторов, например правый, подают воз­дух, который, проходя через насадку, на­гревается до температуры 1100 ... 1200 °С и поступает в головку печи, где смешива­ется с топливом: на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6. Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очи­стные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пы­ли, и направляются во второй (левый) ре­генератор, нагревая его насадку. Охлаж­денные газы покидают печь через дымо­вую трубу 8. После охлаждения насадки

38

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

правого регенератора переключают кла­паны, и поток газов в печи изменяет на­правление.

Факел имеет температуру 1750 ... 1800 °С и нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса: 1) скрап-процесс, при котором шихта со­стоит из стального лома (скрапа) и 25 ... 45 % чушкового передельного чугуна; процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много метал­лолома; 2) скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55 ... 75 %), скрапа и железной руды; процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи. Наи­большее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой, что позво­ляет переделывать в сталь различные шихтовые материалы.

Плавка стали скрап-рудным процес­сом в основной мартеновской печи. В печь с помощью завалочной машины загружают железную руду и известняк и после их подогрева подают скрап. По окончании прогрева скрапа в печь зали­вают жидкий чугун, который взаимодей­ствует с железной рудой и скрапом. В пе­риод плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор по реакции (6), марганец и частично углерод. Оксиды Si0₂, P₂0₅, МпО, а также СаО и извести образуют шлак с высоким содержанием FeO и МпО (железистый шлак).

После расплавления шихты, окисления значительной части примесей и разогрева металла проводят период "кипения" ванны: в печь загружают железную руду и проду­вают ванну подаваемым по трубам 3 (см. рис. 2.3) кислородом. Окисление уг­лерода в достаточно прогретой ванне вы-

зывает вспенивание шлака, который вы­пускается самотеком через шлаковое от­верстие или порог завалочного окна. Этот шлак содержит значительное количество фосфора в виде 3FeO • Р₂0₅ и кремнезем (Si0₂).

Для удаления из металла серы наводят новый шлак, подавая на зеркало металла известь с добавлением боксита или плави­кового шпата для уменьшения вязкости шлака. Содержание СаО в шлаке возрас­тает, a FeO уменьшается. Это создает ус­ловия для интенсивного протекания реак­ций (7) и (8) и удаления из металла серы.

В период "кипения" углерод интенсив­но окисляется. Поэтому для "кипения" ванны шихта должна содержать избыток углерода (на 0,5 ... 0,6 %) сверх заданного в выплавляемой стали. В процессе "кипе­ния" металл доводится до заданного хи­мического состава, его температура вы­равнивается по объему ванны, из него удаляются газы и неметаллические вклю­чения. Процесс "кипения" считают окон­ченным, если содержание углерода в ме­талле соответствует заданному, а содер­жание фосфора минимально.

После этого металл раскисляют в два этапа: 1) в период "кипения" прекращают загрузку руды в печь, вследствие чего рас­кисление идет путем окисления углерода металла, одновременно подают в ванну раскислители - ферромарганец, ферроси­лиций, алюминий; 2) окончательно рас­кисляют алюминием и ферросилицием в ковше при выпуске стали из печи. После отбора контрольных проб сталь выпуска­ют в сталеразливочный ковш через отвер­стие в задней стенке печи.

В основных мартеновских печах вы­плавляют стали углеродистые конструк­ционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме вы­соколегированных сталей и сплавов, кото­рые получают в плавильных электропечах.

Кислый мартеновский процесс. Этим способом выплавляют качественные ста-

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

39

ли. Поскольку в печах с кислой футеров­кой нельзя навести основной шлак для удаления фосфора и серы, применяют шихту с низким содержанием этих состав­ляющих. Стали, выплавляемые в кислых мартеновских печах, содержат меньше водорода, кислорода, азота, неметалличе­ских включений, чем выплавленные в ос­новной печи. Поэтому кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластич­ность, и ее используют для особо ответст­венных деталей: коленчатых валов круп­ных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.

Основные технико-экономические по­казатели производства стали в мартенов­ских печах следующие: производитель­ность печи, определяемая съемом стали с 1 м² площади пода в сутки (т/м² в сутки), и расход топлива на 1 т выплавляемой стали (кг/т). Средний съем стали с 1 м² площади пода в сутки составляет 10 т/м², а расход условного топлива - до 80 кг/т.

4. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

В КИСЛОРОДНЫХ КОНВЕРТЕРАХ

Кислородно-конвертерный процесс -это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и про­дувкой кислородом через водоох­лаждаемую фурму.

Кислородный конвертер (рис. 2.4) -это сосуд фушевидной формы 2, корпус которого сварен из листовой стали толщи­ной от 50 до 100 мм. Внутренняя футеров­ка корпуса, как правило, двухслойная, толщиной 700 ... 1000 мм. Она изготовля­ется из основных огнеупорных материа­лов, преимущественно из магнезита и до­ломита. Стойкость рабочего слоя состав­ляет 400 ... 600 плавок. Конвертер имеет опорный пояс 3 с цапфами, расположен­ными в подшипниках опор. Для поворота конвертера предусмотрен механизм при­вода 4, при помощи которого конвертер может поворачиваться в обе стороны на любой угол.

Рис. 2.4. Устройство кислородного конвертера

Сверху через горловину в рабочее про­странство конвертера входит водоохлаж-даемая кислородная фурма /. Расстояние от ванны до сопел фурмы может изме­няться по ходу плавки, обеспечивая ра­циональный режим продувки.

Вместимость конвертера от 70 до 350 т расплавленного чугуна.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, (см. табл. 2.1), сталь­ной лом (не более 30 %), известь для наве­дения шлака, железная руда, а также бок­сит (А1₂0₃), плавиковый шпат (CaF₂), ко­торые применяют для разжижения шлака.

Перед плавкой конвертер наклоняют, через горловину с помощью завалочных машин загружают скрап (рис. 2.5, а), заливают чугун при температуре 1250 ... 1400 °С (рис. 2.5, б). После этого конвер­тер поворачивают в вертикальное рабочее положение (рис. 2.5, в), внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму и через нее подают кислород под давлением 0,9 ... 1,4 МПа. Расход кислорода составляет 2 ... 5 м³/мин на 1 т металла. Чистота техниче­ского кислорода должна быть 99,5 ... 99,7 %, что обеспечивает в готовой стали низкое содержание азота (0,002 ... 0,004 %). Одновременно с началом продувки в кон­вертер загружают известь, боксит, желез­ную руду. Струи кислорода проникают в

40

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

металл, вызывают его циркуляцию в кон­вертере и перемешивание со шлаком. Бла­годаря интенсивному окислению приме­сей чугуна при взаимодействии с кисло­родом в зоне под фурмой развивается температура до 2400 °С.

В зоне контакта кислородной струи с чугуном в первую очередь окисляется же­лезо, так как его концентрация во много раз выше, чем примесей. Образующийся оксид железа растворяется в шлаке и ме­талле, обогащая металл кислородом. Ки­слород, растворенный в металле, окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и содержание их понижается. При этом происходит разогрев ванны металла теп­лотой, выделяющейся при окислении примесей, поддержание его в жидком со­стоянии.

В кислородном конвертере благодаря присутствию шлаков с большим содержа­нием СаО и FeO, перемешиванию металла

и шлака создаются условия для удаления из металла фосфора по реакции (6) в нача­ле продувки ванны кислородом, когда ее температура еще невысока. В чугунах, перерабатываемых в конвертерах, не должно быть более 0,15 % Р. При повы­шенном (до 0,3 %) содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает про­изводительность конвертера.

Удаление серы из металла в шлак про­текает в течение всей плавки по реакциям (7) и (8). Однако высокое содержание в шлаке FeO (до 7 ... 20 %) затрудняет удале­ние серы из металла. Поэтому для передела в сталь в кислородных конвертерах приме­няют чугун с содержанием до 0,07 % S.

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответст­вует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 2.5, г).

Рис. 2.5. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

41

Рис. 2.6. Схема дуговой плавильной печи

При выпуске стали из конвертера ее раскисляют в ковше осаждающим мето­дом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием; затем из конвертера сливают шлак (рис. 2.5, <3).

В кислородных конвертерах выплав­ляют конструкционные стали с различным содержанием углерода, кипящие и спо­койные.

В кислородных конвертерах трудно выплавлять стали, содержащие легкоокис-ляющиеся легирующие элементы, поэтому в них выплавляют низколегируемые (до 2 ... 3 % легирующих элементов) стали. Легирующие элементы вводят в ковш, расплавив их в электропечи, или твердые ферросплавы вводят в ковш перед выпус­ком в него стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130 ... 300 т заканчивается через 25 ... 30 мин. Кислородно-конвер­терный процесс - более производитель­ный, чем плавка стали в мартеновских печах.

5. 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

42

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

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, магнезитохромито-вым) или кислым (динасовым). Подину 12 печи набивают огнеупорной массой. Пла­вильное пространство ограничено стенка­ми 5, подиной 12 и сводом б 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

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

43

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 водоохлаж-даемого 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.

_ШШ///Ш

Рис. 2.7. Схема индукционной тигельной плавильной печи

44

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

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, всплы-ванию 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 (Si0₂). 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.

6. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ ИЗ МЕТАЛЛИЗОВАННЫХ ОКАТЫШЕЙ

Производство стали из металлизован-ных окатышей, содержащих 90 ... 95 % железа, осуществляется в дуговых элек­трических печах вместимостью 150 т. Этот способ выплавки стали состоит из трех основных стадий: приготовления окисленных окатышей из железорудного концентрата, металлизации окатышей в специальных установках прямого восста­новления железа, выплавки стали из ме-таллизованных окатышей.

Получение окисленных окатышей. Железную руду на горно-обогатительных комбинатах обогащают. Затем этот кон­центрат гидротранспортом поступает на металлургический комбинат, в цех оком-кования, где из него на дисковых вакуум-фильтрах удаляется влага. К полученному концентрату добавляют глинистое веще­ство (бентонит), которое во вращающихся барабанах-окомкователях склеивает час-

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

45

тицы концетрата в небольшие (диаметром 1 ... 2 см) шарики - сырые окатыши, кото­рые на специальных конвейерных маши­нах обжигают для придания им требуемой прочности.

Металлизация окисленных окаты­шей осуществляется на специальных ме-таллизационных установках (рис. 2.8), представляющих собой 64-метровую ци­линдрическую башню-печь 3 с внутрен­ним диаметром 5 м, в которой происходит восстановление железа.

Окатыши конвейером 7 подаются в приемное устройство 2 и равномерно за­гружаются в шахтную башню-печь 3, ра­ботающую по принципу противотока. Для восстановления железа из окатышей в печь по трубопроводу 4 подают предвари-

тельно очищенную от серы смесь природ­ного и колошникового газа, подвергнутую конверсии в установке 5. В конверсионной установке газ разлагается на оксид угле­рода (СО) и водород (Н₂). В восстанови­тельной зоне шахты окисленные окатыши при температуре 500 ... 1100 °С восстанав­ливаются до губчатого железа. В резуль­тате содержание железа в окатышах дос­тигает 90 ... 95 %. Металлизованные ока­тыши имеют постоянный химический со­став. Охлаждение металлизованных ока­тышей осуществляется в зоне охлаждения в нижней части шахты продувкой холод­ным воздухом, подаваемым по трубопро­воду б. Охлажденные окатыши 7 выдают­ся на конвейер 8 и поступают на выплавку стали.

Рис. 2.8. Схема производства стали из металлизованных окатышей

46

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Выплавка стали производится в дуго­вых электропечах 9 (см. рис. 2.8). В ка­честве основных шихтовых материалов используются металлизованные окатыши, стальной лом, загружаемый корзиной 10, и различные ферросплавы. Плавка стали ведется методом переплава. После рас­плавления шихтовых материалов сталь при необходимости науглероживают и доводят до нужного химического состава, после чего проводят диффузионное рас­кисление и сталь выпускают из печи. Вы­пущенную сталь в ковше либо подвергают вакуумированию, либо продувают арго­ном совместно с рафинирующим порош­ком. Длительность плавки составляет 2,5 ... 3 ч. Разливка стали осуществляется на машине непрерывного литья заготовок.

Этим способом выплавляют высокока­чественные легированные стали с малым содержанием фосфора и серы.

7. РАЗЛИВКА СТАЛИ

Выплавленную сталь выпускают из плавильной печи в разливочный ковш, из которого ее разливают в изложницы или кристаллизаторы машины для непрерыв­ного литья заготовок (МНЛЗ). В изложни­цах или кристаллизаторах сталь затверде­вает, и получаются слитки, которые под­вергают прокатке, ковке.

Изложницы - чугунные формы для изготовления слитков. Изложницы выпол­няют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями. Слитки квадратного сечения переделывают на сортовой прокат (дву­тавровые балки, швеллеры, уголки и т.д.). Слитки прямоугольного сечения переде­лывают на лист. Из слитков круглого сече­ния изготовляют трубы, колеса. Много­гранные слитки используют для поковок.

Для прокатки отливают слитки массой 200 кг ... 25 т; для поковок - массой 300 т и более. Обычно углеродистые спокойные и кипящие стали разливают в слитки массой до 25 т, легированные и высококачествен­ные стали - в слитки массой 500 кг ... 7 т, а

некоторые сорта высоколегированных ста­лей - в слитки массой несколько кило­граммов.

Сталь разливают в изложницы сверху, снизу (сифоном) и на МНЛЗ.

В изложницы сверху (рис. 2.9, а) сталь разливают непосредственно из ковша 1.

При сифонной разливке (рис. 2.9, б) сталью заполняют несколько изложниц (4 ... 60). Изложницы устанавливают на поддоне 6, в центре которого располагает­ся центровой литник 3, футерованный ог­неупорными трубками 4, соединенный каналами 7 с изложницами. Жидкая сталь 2 из ковша 1 поступает в центровой лит­ник и снизу плавно, без разбрызгивания заполняет изложницу 5. Поверхность слитка получается чистой, можно разли­вать большую массу металла одновремен­но в несколько слитков. Для обычных уг­леродистых сталей используют разливку сверху, а для легированных и высококаче­ственных - разливку сифоном.

Непрерывная разливка стали состоит в том, что жидкую сталь из ковша / через промежуточное разливочное устройство 2 непрерывно подают в водоохлаждаемый кристаллизатор 3, из нижней части кото­рого вытягивается затвердевающий слиток 4 (рис. 2.10). Перед заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку, обра­зующую его дно. Жидкий металл, попадая в кристаллизатор и на затравку, охлажда­ется, затвердевает, образуя корку, и со­единяется с затравкой. Затравка тянущими валками 5 вытягивается из кристаллизато­ра вместе с затвердевающим слитком, сердцевина которого еще жидкая. Ско­рость вытягивания слитка из кристаллиза­тора составляет от 0,3 до 10 м/мин, она зависит от его поперечного сечения, тем­пературы разливаемого металла, условий вторичного охлаждения и теплофизиче-ских свойств разливаемой стали. Напри­мер, скорость вытягивания слитков с се­чениями 150 х 500 и 300 х 2000 мм около 1 м/мин.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

47

Рис. 2.9. Разливка стали в изложницы

Рис. 2.10. Схема разливки стали на МНЛЗ

48

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой из форсунки в зоне б вторичного охлаждения. Затем затвердев­ший слиток попадает в зону 7 резки, где его разрезают газовым резаком 8 на слитки заданной длины. Таким способом отливают слитки с прямоугольным поперечным сече­нием (150 х 500 ... 300 х 2000 мм), с квадратным сечением (150 х 150 ... 400 х 400 мм), круглые в виде толстостен­ных труб. Вследствие направленного за­твердевания и непрерывного питания при усадке слитки непрерывной разливки имеют плотное строение и мелкозерни­стую структуру, в них отсутствуют уса­дочные раковины. Выход годных загото­вок может достигать 96 ... 98 % массы разливаемой стали.

Машины непрерывного литья могут иметь несколько кристаллизаторов, что позволяет одновременно получать не­сколько слитков, которые могут быть про­катаны на сортовых станах, минуя блю­минги и слябинги.

8. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И СТРОЕНИЕ СТАЛЬНЫХ СЛИТКОВ

Залитая в изложницы сталь отдает теп­лоту ее стенкам, поэтому затвердевание стали начинается у стенок изложницы. Толщина закристаллизовавшейся корки непрерывно увеличивается, при этом ме­жду жидкой сердцевиной слитка и твер­дой коркой металла располагается зона, в которой одновременно имеются растущие кристаллы и жидкий металл между ними.

Кристаллизация слитка заканчивается вблизи его продольной оси.

Сталь затвердевает в виде кристаллов древовидной формы - дендритов. Размеры и формы дендритов зависят от условий кристаллизации. На строение стального слитка большое влияние оказывает сте­пень раскисленности стали.

Спокойная сталь (рис. 2.11, а, г) за­твердевает без выделения газов, в верхней части слитка образуется усадочная рако­вина 1, а в средней - усадочная осевая рыхлость.

Для устранения усадочных дефектов слитки спокойной стали отливают с при­былью, которая образуется надставкой (см. рис. 2.9, б) со стенками, футерован­ными огнеупорной массой малой тепло­проводности. Поэтому сталь в прибыли долгое время остается жидкой и питает слиток, а усадочная раковина располагает­ся в прибыли. Слиток спокойной стали (рис. 2.11, а) имеет следующее строение: тонкую наружную корку А из мелких рав­ноосных кристаллов; зону Б крупных столбчатых кристаллов (дендритов); зону В крупных неориентированных кристал­лов; конус осаждения Г, мелкокристалли­ческую зону у донной части слитка. Стальные слитки неоднородны по хими­ческому составу. Химическая неоднород­ность, или ликвация, возникает вследст­вие уменьшения растворимости примесей в железе при его переходе из жидкого со­стояния в твердое. Ликвация бывает двух видов - дендритная и зональная.

а) 6) в)

Рис. 2.11. Схема строения стальных слитков

г) д) е)

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

49

Дендритная ликвация - неоднород­ность стали в пределах одного кристалла (дендрита) - центральной оси и ветвей. Например, при кристаллизации стали со­держание серы на границах дендрита по сравнению с содержанием в центре увели­чивается в 2 раза, фосфора - в 1,2 раза, а углерода уменьшается почти наполовину.

Зональная ликвация - неоднородность состава стали в различных частях слитка. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы, фос­фора и углерода увеличивается в несколь­ко раз (рис. 2.11, г), а в нижней части -уменьшается. Зональная ликвация приво­дит к отбраковке металла вследствие от­клонения его свойств от заданных. Поэто­му прибыльную и подприбыльную части слитка, а также донную его часть при про­катке обрезают.

В слитках кипящей стали (рис. 2.11, б, д) не образуются усадочные раковины: усадка стали рассредоточена по полостям газовых пузырей, возникающих при кипе­нии стали в изложнице. При прокатке слитка газовые пузыри завариваются. Ки­пение стали влияет на зональную ликва­цию в слитках, которая развита в них больше, чем в слитках спокойной стали. Углерод, сера и фосфор потоком металла выносятся в верхнюю часть слитка, отчего свойства стали в этой части слитка ухуд­шаются. Поэтому при прокатке отрезают только верхнюю часть слитка, так как в донной ликвация мала. Для уменьшения ликвации кипение после заполнения из­ложницы прекращают, накрывая слиток металлической крышкой ("механическое закупоривание"), либо раскисляют металл алюминием или ферросилицием в верхней части слитка ("химическое закупорива­ние").

Слиток кипящей стали имеет следую­щее строение (рис. 2.11, б, д): плотную наружную корку А без пузырей; зону мел­ких кристаллитов; зону сотовых пузырей Я, вытянутых к оси слитка и располагаю­щихся между кристаллитами Б; зону В неориентированных кристаллитов; про-

межуточную плотную зону С; зону вто­ричных круглых пузырей К и среднюю зону Д с отдельными пузырями.

Полуспокойная сталь сохраняет пре­имущества спокойной и кипящей сталей и не имеет их недостатков.

Полуспокойная сталь (рис. 2.11, в, е) частично раскисляется в печи и ковше, а частично в изложнице. Слиток полуспо­койной стали имеет в нижней части струк­туру спокойной стали, а в верхней - ки­пящей. Ликвация в верхней части слитка полуспокойной стали меньше, чем кипя­щей, и близка к ликвации спокойной ста­ли, но слитки полуспокойной стали не имеют усадочных раковин.

9. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СТАЛИ

Развитие машиностроения и приборо­строения предъявляет возрастающие тре­бования к качеству металла: его прочно­сти, пластичности, газосодержанию. Улуч­шить эти показатели можно уменьшением в металле вредных примесей, газов, неме­таллических включений. Для повышения качества металла используют обработку металлов синтетическим шлаком, вакуум­ную дегазацию металла, электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой пере­плав (ВДП), переплав металла в электрон­но-лучевых и плазменных печах и другие способы.

Обработка металла синтетическим шлаком (рис. 2.12) заключается в следую­щем. Синтетический шлак, состоящий из 55 % СаО, 40 % А1₂0₃, небольшого коли­чества Si0₂, MgO и минимума FeO, выплав­ляют в электропечи и заливают в ковш (рис. 2.12, а). В этот же ковш затем заливают сталь (рис. 2.12, б). При перемешивании стали и шлака поверхность их взаимодейст­вия резко возрастает, и реакции между ними протекают гораздо быстрее, чем в плавильной печи. Благодаря этому, а так­же низкому содержанию оксида железа в шлаке сталь, обработанная таким спосо­бом, содержит меньше серы, кислорода и

50

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Рис. 2.12. Схема обработки стали синтетиче­ским шлаком

неметаллических включений, улучшаются ее пластичность и прочность. Такие стали применяют для изготовления ответствен­ных деталей машин.

Вакуумирование стали проводят для понижения концентрации кислорода, во­дорода, азота и неметаллических включе­ний. Для вакуумирования используются различные способы, например вакуумиро­вание в ковше, циркуляционное и поточ­ное вакуумирование, струйное и порцион­ное вакуумирование и др.

При вакуумной обработке стали про­исходит раскисление углеродом, так как при снижении давления в камере концен­трации углерода и кислорода становятся избыточными и появляется термодинами­ческая возможность протекания реакции окисления углерода. Вакуумирование ста­ли сопровождается кипением металла. Для примера рассмотрим вакуумирование ста­ли в ковше, циркуляционное и поточное вакуумирование.

Вакуумирование стали в ковше (рис. 2.13, а) осуществляется в камере /, в которую устанавливается ковш 2 со ста­лью, после чего камеру герметично закры­вают крышкой 3 и соединяют с работаю­щим вакуум-насосом. На крышке камеры предусмотрен бункер 4 для ферросплавов. При достижении разрежения с остаточным давлением 0,267 ... 0,667 кПа металл заки­пает, что свидетельствует о начале дегаза­ции. Длительность обработки зависит от температуры стали в ковше и ее массы и

составляет 10 ... 20 мин. По окончании обработки камеру соединяют с атмосфе­рой, открывают камеру и ковш со сталью увозят на разливку.

Циркуляционное вакуумирование осуществляется на установке (рис. 2.13, б), которая состоит из вакуумной камеры 1 со всасывающей 2 и сливной 3 трубами, опускаемыми в ковш 5 со сталью. В уста­новке предусмотрен бункер 4 для ферро­сплавов. После создания разрежения с остаточным давлением 0,267 ... 0,667 кПа в камере образуется слой металла высотой 200 ... 400 мм. В нижней части одной из труб имеется кольцевой коллектор б с со­плами для ввода транспортирующего газа -аргона. Аргон, попадая в расплавленную сталь, образует взвесь мелких пузырьков, поднимающихся по трубе и увлекающих за собой металл. Попадая в камеру, металл вакуумируется и стекает по второй трубе в ковш. При скорости движения металла через камеру 15 ... 20 т/мин длительность вакуумирования составляет 20 ... 30 мин. Расход аргона 10 ... 28 л/т. Вследствие непрерывного смешивания обработанного металла с необработанным требуется трех-, четырехкратное прохождение стали через камеру.

Поточное вакуумирование стали осуществляется при непрерывной разлив­ке. На рис. 2.13, в приведена схема ваку­умной обработки стали с промежуточной вакуум-камерой. Разливочный ковш 1 со сталью герметически устанавливают на вакуумную камеру 2, патрубок 3 погружен в металл промежуточного ковша 4. Сталь из промежуточного ковша поступает в кристаллизатор 5, из которого вытягивает­ся слиток б. Этим способом при непре­рывной разливке вакуумируют как спо­койную, так и низкоуглеродистую кипя­щую сталь, получая плотные слитки.

Электрошлаковый переплав (ЭШП) применяют для выплавки высококачест­венных сталей для шарикоподшипников, жаропрочных сталей для дисков и лопаток турбин, валов компрессоров, авиационных

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

51

а) б) в)

Рис. 2.13. Ковшовое (а), циркуляционное (б) и поточное (в) вакуумирование стали

ления электрода, под воздействием кри­сталлизатора постепенно формируется в слиток б. Последовательная и направлен­ная кристаллизация способствует получе­нию плотного однородного слитка.

конструкций. Переплаву подвергают вы­плавленный в дуговой печи и прокатан­ный на круглые прутки металл. Источни­ком теплоты при ЭШП является шлаковая ванна, нагреваемая при прохождении че­рез нее электрического тока. Электриче­ский ток подводится к переплавляемому электроду /, погруженному в шлаковую ванну 2, и к поддону 9, установленному в водоохлаждаемом металлическом кри­сталлизаторе 7, в котором находится за­травка 8 (рис. 2.14). Выделяющаяся тепло­та нагревает шлаковую ванну 2 до темпера­туры свыше 1700 °С и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла 3 проходят через шлак, образуют под шлако­вым слоем металлическую ванну 4.

а)

Рис. 2.14. Схемы электрошлакового переплава

расходуемым электродом:

а - кристаллизатор; б- схема включения установки

Перенос капель металла через основ­ной шлак способствует их активному взаимодействию, удалению из металла серы, неметаллических включений и рас­творенных газов. Металлическая ванна непрерывно пополняется путем расплав-

52

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

В результате ЭШП содержание кисло­рода в металле снижается в 1,5 ... 2 раза, концентрация серы снижается в 2 ... 3 ра­за, уменьшается содержание неметалличе­ских включений, они становятся мельче и равномерно распределяются в объеме слитка. Слиток отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством по­верхности благодаря наличию шлаковой корочки 5, высокими механическими и эксплуатационными свойствами стали и сплавов. Слитки выплавляют круглого, квадратного, прямоугольного сечений массой до 110 т.

Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) применяют в целях удаления из металла газов и неметаллических включений. Про­цесс осуществляется в вакуумно-дуговых печах с расходуемым электродом (рис. 2.15). В зависимости от требований, предъяв­ляемых к получаемому металлу, расхо­дуемый электрод изготовляют механиче­ской обработкой слитка, выплавленного в электропечах или установках ЭШП. Рас­ходуемый электрод 3 закрепляют на водо-охлаждаемом штоке 2 и помещают в кор­пус / печи и далее в медную водоохлаж-даемую изложницу б. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточного давле­ния 0,00133 кПа.

При подаче напряжения между расхо­дуемым электродом - катодом 3 и затрав­кой - анодом 8 возникает дуга. Выделяю­щаяся теплота расплавляет конец электро­да; капли 4 жидкого металла, проходя зо­ну дугового разряда, дегазируются, запол­няют изложницу и затвердевают, образуя слиток 7. Дуга горит между расходуемым электродом и жидким металлом 5 в верх­ней части слитка на протяжении всей плавки. Сильное охлаждение слитка и ра­зогрев дугой ванны металла создают усло­вия для направленного затвердевания слитка, вследствие чего неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка, а усадочная раковина в слитке мала. Слитки ВДП содержат мало газов, неметаллических включений, отли­чаются высокой равномерностью химиче-

ского состава, повышенными механиче­скими свойствами. Из слитков изготовля­ют ответственные детали турбин, двигате­лей, авиационных конструкций. Масса слитков достигает 50 т.

Плавку в электронно-лучевых печах (ЭЛП) применяют для получения чистых и ультрачистых тугоплавких металлов (молибдена, ниобия, циркония и др.), для выплавки специальных сплавов и сталей. Источником теплоты в этих печах являет­ся энергия, выделяющаяся при торможе­нии свободных электронов, пучок которых направлен на металл. Получение электро­нов, их разгон, концентрация в луч, на­правление луча в зону плавления осуще­ствляются электронной пушкой. Металл плавится и затвердевает в водоохлаждае-мых кристаллизаторах при остаточном давлении 1,33 Па. Вакуум внутри печи, большой перегрев и высокие скорости охлаждения слитка способствуют удале­нию газов и примесей, получению металла

^К вакуум-насосу

Рис. 2.15. Схема вакуумно-дугового переплава

ПРОИЗВОДСТВО ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

53

особо высокого качества. Однако при пе­реплаве шихты, содержащей легкоис-паряющиеся элементы, изменяется хими­ческий состав металла.

Плавку стали в плазменно-дуговых печах (ЦДЛ) применяют для получения высококачественных сталей и сплавов. Ис­точник теплоты - низкотемпературная плаз­ма (30 000 °С), получаемая в плазменных

горелках. В этих печах можно создавать нейтральную среду заданного состава (ар­гон, гелий). Плазменно-дуговые печи по­зволяют быстро расплавить шихту, в ней­тральной газовой среде происходит дега­зация выплавляемого металла, легкоиспа-ряющиеся элементы, входящие в его со­став, не испаряются.