Электрометаллургия

легированных сталей выплавляют из шихты, состоящей только из них. Рациональное использование отходов да­ет большую экономию легирующих, электроэнергии, по­вышает производительность электропечей. В СССР ле­гированные отходы разделяют на 82 группы. При расчете шихты стремятся использовать максимальное количе­ство отходов данной марки стали или наиболее близких марок

Шихту составляют с таким расчетом, чтобы содержа­ние углерода в ванне по расплавлении было на 0,05— 0,10 % ниже заданного маркой стали. Необходимые ле­гирующие, неокисляющиеся добавки Ni Cu, Mo, W за­гружают вместе с шихтой, а прочие – V, Тi, Cr, Mn, Al, Si, Nb – стремятся вводить как можно позднее на раз­ных стадиях плавки, в том числе и во время выпуска в ковш. Металл заданного состава получают в процессе рафинировки или в ковше. Во время плавки наводят вы-сокоосновной, жидкоподвижный шлак, который частично скачивают из печи. Это позволяет удалить до 30 % фос­фора. Если состав металла близок к расчетному, то, не скачивая шлака, приступают к раскислению шлака мо­лотым коксом, ферросилицием и алюминием. При этом легирующие элементы восстанавливаются из шлака и пе­реходят в металл, например так восстанавливается оксид хрома: 2(Cr2O3)+3 (Si)=3(SiO2)+4 [Cr]. Продолжи­тельность восстановительного периода в этом варианте технологии такая же, как и в плавках с окислением. Плавка на отходах значительно короче (примерно на 1 ч) по сравнению с плавкой на свежей шихте за счет окислительного периода. Это увеличивает производи­тельность электропечей на 15—20 % и сокращает расход электроэнергии на 15 %.

Методы интенсификации электросталеплавильного процесса.

Применение кислорода. Использование газообразного кислорода в окислительный период плавки и в периодрасплавления позволяет значительно интенсифицировать процессы расплавления и окисления углерода.

Применение синтетического шлака.

Этот метод пре­дусматривает перенесение рафинирования металла из электропечи в разливочный ковш. Для рафинирования металла выплавляют синтетический шлак на основе из­вести (52–55%) и глинозема (40%) в специальной электродуговой печи с угольной футеровкой. Порцию, жидкого, горячего, активного шлака (4–5 % от массы стали, выплавленной в электропечи) наливают в основ­ной сталеразливочный ковш. Ковш подают к печи и в него выпускают сталь. Струя стали, падая с большой вы­соты, ударяется о поверхность жидкого шлака, разбива­ется на мелкие капли и вспенивает шлак. Происходит перемешивание стали со шлаком. Это способствует ак­тивному протеканию обменных процессов между метал­лом и синтетическим шлаком. В первую очередь проте­кают процессы удаления серы благодаря низкому содер­жанию FeO в шлаке и кислорода в металле; повышенной концентрации извести в шлаке, высокой температуре и перемешиванию стали со шлаком. Концентрация серы может быть снижена до 0,001 %. При этом происходит значительное удаление оксидных неметаллических вклю­чений из стали благодаря ассимиляции, поглощению этих включений синтетическим шлаком и перераспределению кислорода между металлом и шлаком.

Обработка металла аргоном.

После выпуска стали из печи через объем металла в ковше продувают аргон, который подают либо через пористые пробки, зафутеро-ванные в днище, либо через швы кладки подины ковша. Продувка стали в ковше аргоном позволяет выровнять температуру и химический состав стали, понизить содер­жание водорода, удалить неметаллические включения, что в конечном итоге позволяет повысить механические и эксплуатационные свойства стали.

Применение порошкообразных материалов.

Продув­ка стали в дуговой электропечи порошкообразными ма­териалами в токе газаносителя (аргона или кислорода) позволяет ускорить важнейшие процессы рафинирования стали: обезуглероживание, дефосфорацию, десульфурацию, раскисление металла.

В струе аргона или кислорода в ванну вдуваются по­рошки на основе извести, плавикового шпата. Для рас-кисления металла используют порошкообразный ферро­силиций. Для окисления ванны и для ускорения удаленияуглерода и фосфора добавляют оксиды железа. Мел-кораспыленные твердые материалы, попадая в ванну ме­талла, имеют большую поверхность контакта с метал­лом, во много раз превышающую площадь контакта ван­ны со шлаковым слоем. При этом происходитинтенсивное перемешивание металла с твердыми частицами. Все это способствует ускорению реакций рафинирования стали. Кроме того, порошкообразные флюсы могут ис­пользоваться для более быстрого наведения шлака.

Плавка в кислой электропечи.

Кислые электропечи футеруют огнеупорными материалами на ос­нове кремнезема. Эти печи имеют более глубокие ванны и в связи с этим меньший диаметр кожуха, меньшие тепловые потери и расход электроэнергии. Стойкость футеровки свода и стен кислой печи зна­чительно выше, чем у основной. Это объясняется малой продолжи­тельностью плавки. Печи с кислой футеровкой вместимостью 1—3 т применяются в литейных цехах для производства стального литья и отливок из ковкого чугуна. Они допускают периодичность в работе, т. е. работу с перерывами. Известно, что основная футеровка быстро изнашивается при частом охлаждении. Расход огнеупоров на 1 т стали в кислой печи ниже. Кислые огнеупоры дешевле, чем основ­ные. В кислых печах быстрее разогревают металл до высокой тем­пературы, что необходимо для литья. Недостатки кислых печей свя­заны прежде всего с характером шлака. В этих печах шлак кис­лый, состоящий в основном из кремнезема. Поэтому такой шлак не позволяет удалять из стали фосфор и серу. Для того чтобы иметь содержание этих примесей в допустимых пределах, необходимо под­бирать специальные шихтовые материалы, чистые по фосфору и по сере. Кроме того, кислая сталь обладает пониженными пластически­ми свойствами по сравнению с основной сталью вследствие присут­ствия в металле высококремнистых неметаллических включений.Технология плавки в кислой электропечи имеет следующие осо­бенности. Окислительный период плавки непродолжителен, кипение металла идет слабо, так как кремнезем связывает РеО в шлаке и тем самым скорость перехода кислорода в металл для окисления угле­рода снижается. Кислый шлак более вязкий, он затрудняет кипение. Шлак наводят присадками песка, использованной формовочной зем­ли. Известь присаживают до содержания в шлаке не более 6—8 % СаО. Раскисление кислой стали проводят, как правило, присадкой кускового ферросилиция. Частично сталь раскисляется кремнием, ко­торый восстанавливается из шлака или из футеровки по реакциям: (SiO2)+2Fe=2(FeO)+[Si]; (SiO2)+2[C]=2CO+[Si]. В отличие от основного процесса при кислом ферромарганец присаживают в конце плавки в раздробленном виде в ковш. При таком способе усваивает­ся до 90 % марганца. Конечное раскисление проводят алюминием.

Получение низкоуглеродистой коррозионностойкой стали (процессы AOD и VOD).

Широкое распространение получают методы производства низко­углеродистой коррозионностойкой стали вне электропечи.

Метод AOD. В электропечи выплавляют основу нержавеющей стали, содержащей заданное количество хрома и никеля, с использо­ванием недорогих, высокоуглеродистых ферросплавов. Затем сталь вместе с печным шлаком заливают в конвертер, профиль которого представлен на рис. 81. Футеровка конвертера изготовлена из магнезитохромитового кирпича. Стойкость футеровки до 200 плавок. В нижней зоне футеровки, в третьем ряду кирпичной кладки от днища конвертера. Фурмы представляют собой конструкцию из медной внут­ренней трубы и наружной тру­бы из нержавеющей стали, внутренний диаметр фурмы 12—15 мм. Начальное содер­жание углерода в стали может быть для ферритных хромистых сталей 2,0—2,5 %, а для аустенитных сталей 1,3—1,7 %. В первые 35 мин сталь проду­вают смесью кислорода и арго­на в соотношении 3 : 1. Во из­бежание перегрева металла в о, конвертер присаживают лом — данной марки стали, ферро­хром и т. п. Затем в течение 9 мин сталь продувают смесью кислорода и аргона в соотно­шении 1:1. В это время кон­центрация углерода снижается до 0,18%. В третьем периоде в продувочном газе еще более уменьшают отношение кисло­рода к аргону до 1:2, продувку продолжают еще 15 мин. За это время содержание углерода снижается до 0,035%. Температура по­вышается до 1720°С. В конце продувки присаживают известь и фер­росилиций для восстановления хрома из шлака. После восстановле­ния шлак, содержащий 1 % Cr2O3, скачивается и после наведения но­вого шлака проводят окончательную продувку аргоном. При этом в шлак переходит сера, ее содержание в металле снижается до 0,010 %.

В результате процесса AOD получают высококачественную не­ржавеющую сталь с низким содержанием углерода, серы, азота, кис­лорода, сульфидных и оксидных неметаллических включений, с вы­сокими механическими свойствами. Для повышения экономичности процесса аргон частично заменяют азотом. Средняя продолжитель­ность продувки составляет 60—120 мин, расход аргона составляет 10—23 м^3/т, кислорода 23 м^3/т. На рис. 82 представлено изменение температуры и состава металла. Степень извлечения хрома состав­ляет 98%.

Метод VOD. Этот метод вакуумно-кислородного обезуглерожи­вания с продувкой аргоном. В основе метода лежит осуществление реакции [C]+[O]=CO, равновесие которой в вакууме сдвигается в правую сторону. Чем ниже парциальное давление СО, тем ниже должна быть остаточная концентрация углерода в стали. При этом создаются благоприятные условия для восстановления оксида хрома углеродом, что позволяет проводить процесс обезуглероживания без заметных потерь хрома со шлаком. Коррозионностойкую сталь вы­плавляют в электропечи с достаточно высоким содержанием угле­рода (0,3—0,5 % ); сталь выпускают в специальный ковш с хромомагнезитовой футеровкой, имеющим в днище фурму для подачи аргона. Ковш устанавливают в вакуумную камеру, откачивают воздух и на­чинают продувку кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму, которую вводят в камеру через крышку. Одновременно производится продувка аргоном через дно ковша. После окончания продувки про­водят присадку раскислителей и легирующих для корректировки со­става. Расход аргона в этом способе значительно ниже чем в AOD (всего 0,2 м^3/т). Получаемая сталь содержит очень низкие концен­трации углерода (0,01 %) при низком содержании азота. Окисле­ние хрома незначительное. Для удаления серы в ковш загружают известь, что позволяет после раскисления и кратковременного пе­ремешивания аргоном снизить концентрацию серы в металле до не­обходимых пределов. По сравнению с процессом AOD этот метод более сложен и применяется для производства сталей ответственно­го назначения с низким содержанием углерода. К достоинствам того и другого процесса следует отнести экономию дорогого низкоуглеро­дистого феррохрома, обычно использовавшегося при получении не­ржавеющей стали в дуговых печах, а также достижение низких со­держаний углерода без значительных потерь хрома.

Индукционные печи и плавка в них.

В настоящее время индукционные печи находят ши­рокое применение в металлургии и машиностроении. В лабораториях используют высокочастотные печи ем­костью от нескольких грамм до 100 кг, в литейных цехах низко- и среднечастотные печи до 2—6 т; наиболее круп­ные печи имеют емкость до 60 т. По сравнению с дуго­выми электропечами в индукционных печах отсутствие электродов и электрических дуг дает возможность полу­чать стали и сплавы с низким содержанием углерода и газов. Плавка характеризуется небольшим угаром ле­гирующих элементов, высоким электрическим к. п. д„ точным регулированием температуры металла.

Недостатком печей является холодный, плохо пере­мешиваемый шлак, что не позволяет так же интенсивно, как в дуговых печах, проводить процессы рафинирования. Стойкость футеровки в печах невысокая.

Основной тип современных высокочастотных или ин­дукционных печей — это печи без сердечника. Такая печь состоит из индуктора-катушки, навитой из медной труб­ки с водяным охлаждением. Внутрь индуктора вставля­ется либо готовый огнеупорный тигель, либо тигель наби­вается порошкообразным огнеупорным материалом. При наложении на индуктор переменного электрического то­ка частотой от 50 до 400 кГц образуется переменное маг­нитное силовое поле, пронизывающее пространство вну­три индуктора. Это магнитное поле наводит в металличе­ской садке вихревые токи.

Устройство индукционных печей

В центре печи помещен индуктор. Он имеет вид соленоида и изготовлен из профилированной медной трубы. По трубе идет вода для ее охлаждения. Внутри индуктора набит огнеупорный тигель. Ток подается по гибким кабе­лям. Печь заключена в металлический кожух. Сверху тигель закрывается сводом. Поворот печи для слива ме­талла осуществляется вокруг оси, расположенной у слив­ного носка. Поворотные цапфы печи покоятся на опор­ных подшипниках станин. Наклон печи проводится при помощи реечного механизма через подвижные шарниры-цапфы или гидроприводом. Небольшие печи накло­няют при помощи тали.

Футеровка печей может быть кислой или основной, набивной или кирпичной. Для набивки используют ог­неупорные материалы различной крупности от долей миллиметра до 2—4 мм. Для основной футеровки применяют порошок магнезита с добавками хромомагнезита и борной кислоты для связки. Кислые смеси готовят на основе молотого кварцита. Набивку тигля ведут послой­но вокруг металлического шаблона, форма которого со­ответствует профилю тигля.

После окончания набивки футеровку спекают и об­жигают. В железный шаблон загружают чугун, вклю­чают ток, металл постепенно разогревается и нагревает футеровку. Затем металл доводят до плавления. В пер­вой плавке расплавляют мягкое железо, что позволяет достичь высокой температуры для обжига футеровки. Крупные печи футеруют фасонным огнеупорным кирпи­чом.

Электрическое оборудование

Индукционные печи питаются током высокой частоты от ламповых генераторов или током средней частоты (2500 Гц) от машинных преобразователей. Крупные пе­чи работают на токе промышленной низкой частоты (50Гц от сети). Эти печи часто служат в качестве миксеров жидкого металла в литейных цехах.

В схему входят машинный генератор, батарея конденсаторов и автоматический ре­гулятор, плавильный контур. Преобразовательный агре­гат состоит из асинхронного электродвигателя, вращаю­щего генератор и динамомашину, которая дает ток в обмотки возбуждения генератора.

Для компенсации реактивной мощности и создания электрического резонанса устанавливают батарею кон­денсаторов. Часть конденсаторов может быть отключе­на для изменения емкостной составляющей. Резонанс бывает при условии ωL=1/ωC (L–коэффициент само­индукции печи, C – емкость конденсатора, ω – угловая частота). Подбирая переменную емкость, можно рабо­тать в условиях, близких к резонансу, т.е. поддерживать cosφ близкий к единице. Автоматический регуля­тор электрического режима поддерживает оптимальную электрическую мощность взаимосвязанным регулированием cosφ, напряжения и силы тока.

Технология плавки ста­ли в индукционной пе­чи.

Плавку проводят на высококачественном ломе с пониженным содержа­нием фосфора и серы. Крупные и мелкие куски так укладывают в тигель или бадью, с помощью которой загружают крупные печи, чтобы они плот­но заполняли объем тигля. Тугоплавкие ферроспла­вы укладывают на дно тигля. После загрузки включают ток на полную мощность. По мере проплавления и осе­дания скрапа подгружают шихту, не вошедшую сразу в тигель. Когда последние куски шихты погрузятся в жид­кий металл, на поверхность металла забрасывают шлакообразующие материалы: известь, магнезитовый поро­шок, плавиковый шпат. Шлак защищает металл от кон­такта с атмосферой, предотвращает тепловые потери. По ходу плавки шлак раскисляют добавками порошка кок­са, молотого ферросилиция. Металл раскисляют куско­выми ферросплавами и в конце алюминием. По ходу плавки дают добавки легирующих. Поскольку угара ле­гирующих практически не происходит, то в индукцион­ных печах можно выплавлять сплавы сложного состава.

Список использованной литературы.

Металлургия черных металлов; Б.В. Линчевский, А.Л. Соболевский, А.А.Кальменев