- Расплавленный чугун (иногда называемый горячим металлом) из доменной печи выливается в большой огнеупорный футерованный контейнер, называемый ковшом.
- Металл в ковше направляется непосредственно для основного производства стали или стадии предварительной обработки.
- Высокочистый кислород под давлением 700-1000 килопаскалей вводится со сверхзвуковой скоростью на поверхность ванны железа через охлаждаемую водой фурму, которая подвешена в сосуде и удерживается в нескольких футах над ванной.
- Оболочка, состоящая из боковых стенок и нижней стальной чаши.
- Очаг состоит из огнеупора, который вытягивает нижнюю чашу.
- Крыша с огнеупорной футеровкой или водяным охлаждением может быть выполнена в виде секции шара или в виде усеченного конуса (коническая секция).
Производственный процесс: Как плавят металл. Плавление стали
Выплавка стали: технология, способы, сырье
Железную руду получают привычным способом: открытой или подземной добычей и последующей транспортировкой для первоначальной подготовки, где материал измельчается, промывается и перерабатывается.
Руду засыпают в доменную печь и подвергают струйной обработке горячим воздухом и теплом, который превращает ее в расплавленное железо. Далее оно извлекается из нижней части печи в формы, известные как свиньи, где происходит остывание для получения чугуна. Он превращается в кованое железо или перерабатывается в сталь несколькими способами.
Что такое сталь?
Вначале было железо. Оно является одним из наиболее распространенных металлов в земной коре. Его можно встретить почти везде, в сочетании со многими другими элементами, в виде руды. В Европе начало работы с железом датируется 1700 г. до н.э.
В 1786 году французские ученые Бертолле, Мондж и Вандермонде точно определили, что разница между железом, чугуном и сталью обусловлена различным содержанием углерода. Тем не менее сталь, изготовленная из железа, быстро стала самым важным металлом промышленной революции. В начале XX века мировое производство стали составило 28 миллионов тонн - это в шесть раз больше, чем в 1880 году. К началу Первой мировой войны ее производство составляло 85 миллионов тонн. В течение нескольких десятилетий она практически заменила железо.
Содержание углерода влияет на характеристики металла. Существует два основных вида стали: легированная и нелегированная. Сплав стали относится к химическим элементам, отличным от углерода, добавленного к железу. Таким образом, для создания нержавеющей стали используется сплав 17 % хрома и 8 % никеля.
В настоящее время существует более 3000 каталогизированных марок (химических составов), не считая тех, которые созданы для удовлетворения индивидуальных потребностей. Все они способствуют превращению стали в наиболее подходящий материал для решения задач будущего.
Сырье для выплавки стали: первичное и вторичное
Выплавка данного металла с использованием многих компонентов – самый распространенный способ добычи. Шихтовые материалы могут быть как первично используемые, так и вторично. Основной состав шихты, как правило, составляет 55 % чугуна и 45 % оставшегося металлолома. Ферросплавы, переделанный чугун и технически чистые металлы используются как основной элемент сплава, ко вторичным, как правило, относят все виды черного металла.
Железная руда является самым важным и основным сырьем в черной металлургии. Для производства тонны чугуна требуется около 1,5 тонны этого материала. Для производства одной тонны чугуна используется около 450 тонн кокса. Многие металлургические заводы применяют даже древесный уголь.
Вода - важное сырье для черной металлургии. Она в основном используется для закалки кокса, охлаждения доменных печей, производства пара в дверях угольной печи, работы гидравлического оборудования и удаления сточных вод. Для производства тонны стали требуется около 4 тонн воздуха. Флюс используется в доменной печи для извлечения загрязнений из плавильной руды. Известняк и доломит объединяются с экстрагированными примесями с образованием шлака.
Как дутьевые, так и стальные печи, облицованы огнеупорами. Они используются для облицовочных печей, предназначенных для плавки железной руды. Диоксид кремния или песок используется для формования. Для производства стали различных марок применяют цветные металлы: алюминий, хром, кобальт, медь, свинец, марганец, молибден, никель, олово, вольфрам, цинк, ванадий и др. Среди всех этих ферросплавов марганец широко используется в выплавке стали.
Железные отходы, полученные из демонтированных конструкций заводов, механизмов, старых транспортных средств и т. д., перерабатываются и широко используются в этой отрасли.
Чугун для стали
Выплавку стали с использованием чугуна производят гораздо чаще, чем с другими материалами. Чугун - это термин, который обычно относится к серому железу, однако он также идентифицирован с большой группой ферросплавов. Углерод составляет примерно от 2,1 до 4 мас.%, тогда как кремний составляет обычно от 1 до 3 мас.% в сплаве.
Выплавка чугуна и стали проходит при температуре плавления между 1150 и 1200 градусов, что примерно на 300 градусов ниже, чем температура плавления чистого железа. Чугун также демонстрирует хорошую текучесть, отличную обрабатываемость, устойчивость к деформации, окислению и отливке.
Сталь также является сплавом железа с переменным содержанием углерода. Содержание углерода в стали составляет от 0,2 до 2,1 мас.%, И это наиболее экономичный легирующий материал для железа. Выплавка стали из чугуна полезна для различных инженерных и конструкционных целей.
Железная руда для стали
Процесс выплавки стали начинается с переработки железной руды. Породу, содержащую железную руду, измельчают. Руду добывают с использованием магнитных роликов. Мелкозернистая железная руда перерабатывается в крупнозернистые комки для использования в доменной печи. Уголь очищается от примесей в коксовой печи, что дает почти чистую форму углерода. Затем смесь железной руды и угля нагревают для получения расплавленного железа или чугуна, из которого производится сталь.
В основной кислородной печи расплавленная железная руда является основным сырьем и смешивается с различными количествами стального лома и сплавов для производства различных марок стали. В электродуговой печи переработанный стальной лом расплавляется непосредственно в новую сталь. Около 12% стали изготовлено из переработанного материала.
Технология выплавки
Плавление - процесс, посредством которого металл получают либо в виде элемента, либо как простое соединение из его руды путем нагревания выше температуры плавления обычно в присутствии окислителей, таких как воздух, или восстановителей, таких как кокс.
В технологии выплавки стали металл, который сочетается с кислородом, например оксидом железа, нагревается до высокой температуры, и оксид образуется в сочетании с углеродом в топливе, выходящим как монооксид углерода или диоксид углерода.Другие примеси, все вместе называемые жилами, удаляются добавлением потока, с которым они объединяются, образуя шлак.
В современных плавках стали используется отражательная печь. Концентрированная руда и поток (обычно известняк) загружаются в верхнюю часть, а расплавленный штейн (соединение меди, железа, серы и шлака) вытягивается снизу. Вторая термообработка в конвертерной печи необходима для удаления железа из матовой поверхности.
Кислородно-конвекторный способ
Кислородно-конвертерный процесс является ведущим процессом сталеплавильного производства в мире. Мировое производство конвертерной стали в 2003 году составило 964,8 млн тонн или 63,3 % от общего производства. Производство конвертера является источником загрязнения окружающей природной среды. Основными проблемами этого являются снижение выбросов, сбросов и уменьшение отходов. Суть их заключается в использовании вторичных энергетических и материальных ресурсов.
Экзотермическое тепло генерируется реакциями окисления во время продувки.
Основной процесс выплавки стали с использованием собственных запасов:
Решение о предварительной обработке зависит от качества горячего металла и требуемого конечного качества стали. Самые первые конвертеры со съемным дном, которые могут быть отсоединены и отремонтированы, все еще используются. Были изменены копья, используемые для дутья. Для предотвращения заклинивания фурмы во время продувки применялись щелевые манжеты с длинным сужающимся медным наконечником. Кончики наконечника после сгорания сжигают CO, образующийся при выдувании в CO2, и обеспечивают дополнительное тепло. Для отвода шлака используются дротики, огнеупорные шарики и шлаковые детекторы.
Кислородно-конвекторный способ: достоинства и недостатки
Не требует затрат на оборудование по очищению от газа, так как пылеобразование, т. е. испарение железа, снижено в 3 раза. За счет снижения выхода железа наблюдается рост выхода жидкой стали в 1,5 - 2,5 %. Преимуществом стало и то, что интенсивность продувки в таком способе увеличивается, что дает возможность повысить производительности конвертера на 18 %. Качество стали выше, потому что температура в зоне продувки снижена, что приводит к уменьшению образования азота.
Недостатки данного способа выплавки стали привели к снижению спроса на потребление, так как повышается уровень потребления кислорода на 7 % из-за большого расхода на сжигание топлива. Наблюдается повышенное содержание водорода в переработанном металле, из-за чего приходится некоторое время после окончания процесса вести продувку при помощи кислорода. Среди всех способов кислородно-конвертерный обладает самым повышенным шлакообразованием, причиной является невозможность следить за процессом окисления внутри оборудования.
Мартеновский способ
Мартеновский способ на протяжении большей части 20-го века составлял основную часть обработки всей стали, изготовленной в мире. Уильям Сименс в 1860-х годах искал средства повышения температуры в металлургической печи, воскресив старое предложение об использовании отработанного тепла, выделяемого печью. Он нагревал кирпич до высокой температуры, затем использовал тот же путь для ввода воздуха в печь. Предварительно нагретый воздух значительно увеличивал температуру пламени.
Природный газ или распыленные тяжелые масла используются в качестве топлива; воздух и топливо нагреваются до сгорания. Печь загружается жидким доменным чугуном и стальным ломом вместе с железной рудой, известняком, доломитом и флюсами.
Сама печь изготовлена из высокоогнеупорных материалов, таких как магнезитовый кирпич для очагов. Вес мартеновских печей достигает 600 тонн, и их обычно устанавливают группами, так что массивное вспомогательное оборудование, необходимое для зарядки печей и обработки жидкой стали, может быть эффективно использовано.
Хотя мартеновский процесс практически полностью заменен в большинстве промышленно развитых стран основным кислородным процессом и электродуговой печью, им изготавливают около 1/6 всей стали, произведенной во всем мире.
Достоинства и недостатки данного способа
К преимуществам относят простоту использования и легкость в получении легированной стали с примесью различных добавок, которые придают материалу различные специализированные свойства. Необходимые добавки и сплавы добавляют непосредственно перед окончанием выплавки.
К недостаткам можно отнести сниженную экономичность, по сравнению с кислородно-конверторным способом. Также качество стали более низкое, по сравнению с остальными методами выплавки металла.
Электросталеплавильный способ
Современный способ выплавки стали с использованием собственных запасов представляет собой печь, которая нагревает заряженный материал с помощью электрической дуги. Промышленные дуговые печи имеют размеры от небольших единиц грузоподъемностью около одной тонны (используются в литейных цехах для производства чугунных изделий) до 400 тонн единиц, применяемых для вторичной металлургии.
Дуговые печи, используемые в исследовательских лабораториях, могут иметь емкость всего несколько десятков граммов. Промышленные температуры электрической дуговой печи могут составлять до 1800 °C (3,272 °F), в то время как лабораторные установки могут превышать 3000 °C (5432 °F).
Дуговые печи отличаются от индукционных тем, что зарядный материал непосредственно подвергается воздействию электрической дуги, а ток в выводах проходит через заряженный материал. Электрическая дуговая печь используется для производства стали, состоит из огнеупорной футеровки, обычно водоохлаждаемой, больших размеров, покрыта раздвижной крышей.
Печь в основном разделена на три секции:
Достоинства и недостатки способа
Данный способ занимает лидирующие позиции в области производства стали. Метод выплавки стали применяется для создания высококачественного металла, который либо совсем лишен, либо содержит незначительное количество нежелательных примесей, таких как сера, фосфор и кислород.
Главным плюсом метода является использование электроэнергии для нагревания, благодаря чему можно легко контролировать температуру плавления и достичь невероятной скорости нагревания металла. Автоматизированная работа станет приятным дополнением к прекрасной возможности качественной переработки различного металлического лома.
К недостаткам можно отнести большое энергопотребление.
fb.ru
Плавка стали | Литейное производство
Плавка стали происходит при высоких температурах (1500—1600°С) и сопровождается сложными физико-химическими процессами взаимодействия расплава, флюса, шлака, образующегося при плавке, печных газов и футеровки печи.
Применяемые методы плавки стали разнообразны. Выбор метода плавки, а также типа плавильной печи связаны с составом и свойствами выплавляемой стали, масштабами производства, массой изготовляемых отливок и требованиями к их качеству. В литейных цехах обычно плавку ведут в электрических дуговых, индукционных тигельных и мартеновских печах, реже в конверторах и дуплекс-процессом (вагранка—конвертор).
Последние годы характерны внедрением в сталеплавильное производство специальных электрометаллургических процессов вакуумной плавки в индукционных, плазменных и электронно-лучевых печах. Наиболее высокое качество выплавляемой стали обеспечивается благодаря глубокому физико-химическому воздействию на расплав при электрошлаковом методе получения отливок.
При выплавке стали обычно решается задача снижения содержания в расплаве кислорода, серы и фосфора, образующих оксидные, сульфидные и фосфидные включения, резко снижающие качество стали. Это обеспечивается проведением сложных металлургических окислительных и восстановительных процессов. Производят также доводку расплава по химическому составу с введением необходимых легирующих элементов.
Однако в ряде случаев, преимущественно при изготовлении мелких отливок ответственного назначения (например, по выплавляемым моделям), расплав готовят из высококачественной шихты, соответствующей по химическому составу выплавляемой марке стали. В этих случаях плавка сводится к расплавлению шихты, введению в расплав добавок, компенсирующих угар элементов, и раскислению его перед выдачей в разливочные ковши.
Обычно технологический процесс плавки стали состоит из следующих этапов: подготовки плавильной печи и шихтовых материалов; загрузки шихты, нагрева и расплавления шихты, в процессе которого уже начинается окисление компонентов шихты (стального лома, чугуна и др.) содержащимися в печной атмосфере кислородом, углекислым газом и парами воды; образование над поверхностью расплава шлака, в результате взаимодействия которого с металлом продолжается процесс окисления железа, кремния, марганца и некоторых других элементов; удаления окислительного и наведения восстановительного шлака с высоким содержанием СаО, способствующего удалению такой вредной примеси, как сера; доводки стали по химическому составу с учетом результатов экспресс-анализа ее проб; окончательного раскисления расплава марганцем или кремнием (в виде ферросплавов) или же металлическим алюминием перед выпуском, а при необходимости обеспечения повышенных механических свойств стали — их дополнительной обработки в жидком состоянии, например модифицированием редкоземельными элементами.
Для повышения качества стали расплав подвергают дополнительной обработке и после слива из печи, в ковше, используя как модифицирование, так и рафинирование (очищение от газов и неметаллических включений), например продувкой аргоном. О других методах внепечной обработки стали сказано в § 7.6.
По своей физико-химической сущности процессы плавки подразделяют на кислые и основные. Независимо от вида плавильного агрегата для каждого из них имеются общие закономерности, обусловленные составами шлака и футеровки печи. Кислые процессы осуществляют в печах с футеровкой, в огнеупорном материале которой преобладает кислотный окисел SiO2, исключающий возможность удаления из стального расплава вредных примесей серы и фосфора. По этой причине при ведении кислого процесса должны применяться шихтовые материалы с низким содержанием серы и фосфора.
Основные процессы плавки ведутся в печах с футеровкой из магнезита или хромомагнезита, позволяющих применять при плавке основные шлаки с высоким содержанием СаО, что обеспечивает возможность проведения процессов десульфурации и дефосфорации— перевода из металла в шлак серы и фосфора.
Для придания стали специальных свойств (жаропрочности, коррозионной стойкости и др.) отмеченные выше этапы плавки углеродистых сталей дополняют операцией легирования — cведения в стальной расплав специальных элементов (хрома, никеля и др.). Порядок введения легирующих элементов определяется их физико-химическими свойствами (сродством к кислороду). С шихтой вводят наиболее тугоплавкие элементы (вольфрам, молибден), а хром и ванадий — после расплавления шихты и раскисления. Так как большинство легирующих элементов имеют высокую температуру плавления (хром и ванадий — около 1900°С, молибден— 2620 °С), их вводят в виде ферросплавов. Температура плавления ферросплавов (феррохрома, ферровольфрама и др.) значительно ниже, чем у входящих в их состав легирующих элементов, что улучшает усвоение последних стальным расплавом.
www.stroitelstvo-new.ru
Как плавят металл — The Village
Новолипецкий комбинат производит 17% всей российской стали. Его строительство началось в 1931 году, а 7 ноября 1934 года доменная печь дала первую партию чугуна. В годы войны производство эвакуировали в Челябинск, после её окончания завод вернулся обратно и в советские годы активно рос: число доменных печей увеличилось до шести, а в 1986-м заработал крупнейший на тот момент в Европе цех прокатки динамной стали. В ходе приватизации завод перешёл в частную собственность — сейчас группой НЛМК, в которую также входит несколько угольных месторождений в России и заводы за рубежом, владеют структуры Владимира Лисина. В прошлом году на липецкой площадке было произведено 12,4 млн тонн металла. Завод выпускает горячий, холодный и горячеоцинкованный прокат, прокат с полимерным покрытием, чугун, слябы и электротехническую сталь.
Новолипецкий металлургический комбинат (НЛМК)
рАСПОЛОЖЕНИЕ
г. Липецк
дАТА ОТКРЫТИЯ
1934 год
сОТРУДНИКИ
29 000 человек
выручка в 2013 г.
$10,9 млрд (по группе)
Площадь предприятия — 28 кв. км. В 2011 году на комбинате открылась новая доменная печь «Россиянка». Всего на предприятии их семь. Доменная печь состоит из пяти элементов: колошника для загрузки сырья, высокой шахты для нагрева материалов и восстановления железа, цилиндрического распара для плавки металла, заплечиков, где образуется восстановительный газ, и горна. Домна работает непрерывно — остановка производства даже на короткое время потребует длительного восстановления.
Шихтовые материалы, заполняющие всю печь, непрерывно опускаются вниз под действием силы тяжести, а снизу вверх поднимается горячий газ, который нагревает шихту и участвует в восстановительных процессах металла. В горне при температуре 1 800–2 000 °С сгорает кокс. Он соединяется с кислородом в воздухе и образует углекислый газ. Под влиянием высокой температуры газ превращается в оксид углерода, который отнимает у железорудных материалов кислород, восстанавливая железо. Так, стекая вниз через слой раскалённого кокса, железо насыщается углеродом и превращается в чугун.
Чугун скапливается в нижней части печи — горне. На его поверхности собирается шлак — более легкий слой пустой породы. Потом расплавленный металл выпускают через лётки. Чугун разливают в ковши и везут в конвертерный цех, шлак попадает в чаши, которые идут в цех переработки. Потом он может использоваться в строительстве.
Для выплавки стали на комбинате используют конвертеры — ёмкости грушевидной формы, обложенные изнутри огнеупорным кирпичом.
При производстве стали из чугуна путём окисления удаляются примеси. Через вертикальную водоохлаждаемую фурму вдувается технически чистый кислород, который окисляет примеси (углерод, кремний, марганец, фосфор и серу), переводя их в шлак или газовую фазу. После этого металл поступает в цех горячей прокатки.
Она начинается с предварительного разогрева металлических слитков (слябов) до температуры 1 150–1 250 °С в печах прокатного стана. Затем слябы выдаются на рольганг, который перевозит их к черновой группе из пяти клетей.
Гидросбивы струёй воды под давлением 12,0–16,0 МПа очищают поверхность металла.
Из черновой группы клетей прокат везут к чистовой группе клетей — здесь заготовка приобретает свою конечную толщину.
Затем полоса поступает на одну из трёх моталок, где металл сматывают в рулон (температура смотки — около 650 градусов). На выходе получается горячекатаный прокат.
Этот металл используется в строительстве, производстве оборудования, энергетическом и сельскохозяйственном машиностроении, производстве труб, автомобилей и бытовой техники.
Фотографии: Иван Гущин
www.the-village.ru
Производство стали в электропечах (электрометаллургия) :: Технология металлов
Плавка в электропечах имеет ряд преимуществ перед плавкой в конверторах и мартеновских печах. Высокая температура позволяет применять сильноосновные шлаки, вводить большое количество флюсов и достигать максимального удаления из стали серы и фосфора. Для плавки в электропечи не требуется воздуха; окисляющая способность печи невысока, поэтому количество FeO в ванне незначительно, сталь получается достаточно раскисленная и плотная.
Плавка в электропечах имеет ряд преимуществ перед плавкой в конверторах и мартеновских печах. Высокая температура позволяет применять сильноосновные шлаки, вводить большое количество флюсов и достигать максимального удаления из стали серы и фосфора. Для плавки в электропечи не требуется воздуха; окисляющая способность печи невысока, поэтому количество FeO в ванне незначительно, сталь получается достаточно раскисленная и плотная. Благодаря высокой температуре в печи можно получить легированные стали с тугоплавкими элементами: вольфрамовые, молибденовые и др.
Все материалы, загружаемые в электрические печи, должны быть сухими, чтобы не произошло насыщения стали водородом от разложения влаги.Рис. 1. Схема дуговых электропечей с разными способами нагрева
Электрические печи для плавки металла делятся на три вида: печи сопротивления, дуговые и индукционные. Дуговые печи наиболее распространены в промышленности, так как устройство и эксплуатация их несложны, коэффициент полезного действия высок и, кроме того, в них можно выплавлять самые разнообразные сорта стали и сплавов цветных металлов. В дуговых печах электроэнергия превращается в тепловую энергию дуги, которая передается плавящейся шихте посредством излучения. На рис. 6 показаны схемы трех основных типов дуговых электропечей, различающихся по способу нагрева: печи прямого действия (рис. 1, а), печи косвенного действия (рис. 1, б) и печи с закрытой дугой (рис. 1,в). Печи прямого действия с вертикальным расположением электродов в настоящее время применяются только для выплавки стали и имеют емкость от 0,5 до 180 т. Кладку электросталеплавильных печей делают либо основной— при выплавке главным образом высококачественных и легированных сталей для поизводства слитков, либо кислой — при выплавке углеродистых и низколегированных сталей для фасонного литья. В зависимости от емкости и конструкции печи загружаются различно: через завалочное окно вручную, лотками и завалочной машиной или сверху бадьей или корзиной после подъема и отвода в сторону свода или выкатывания печи. В первом периоде плавки примеси окисляются кислородом, находящимся в печи (главным образом кислородом железной руды). Образующаяся закись железа растворяется в металле и вступает в соединение с кремнием, марганцем, фосфором и углеродом. Образующиеся SiO2, MnO, FeO и создают шлак. В третьем периоде плавки производят доводку с целью получения легированных сталей: вводят феррохром, ферротитан, феррованадий и другие ферросплавы. Индукционные печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов с низким содержанием углерода, а также для производства тонкостенного фасонного литья специальными методами (по выплавляемым моделям, под давлением и т. п.). Принцип действия индукционной печи заключается в том, что под действием переменного тока, подводимого к первичной катушке (индуктору) 2 (рис. 2), во вторичном кольце (расплавляемый металл 1, находящийся в тигле 3 индуктируется ток, энергия которого создает высокую температуру. Благодаря этому шихта расплавляется быстро и процесс плавки ускоряется.Эти печи существуют двух видов: с железным сердечником и без сердечника (высокочастотные печи). Печи с железным сердечником применяют в литейных цехах для получения сплавов цветных металлов. Большое распространение в производстве стали получили индукционные высокочастотные печи без железного сердечника. Они применяются для плавки стали и специальных высоколегированных сплавов. емкость высокочастотных печей от 10 кг до 10 т.
Тигель высокочастотной печи изготовляют либо из кислых, либо (реже) из основных материалов.
Рис 2. Индукционная электропечь
Электрошлаковый переплав стали представляет собой совершенно новый метод получения высококачественных легированных сталей, в том числе и быстрорежущих. Он разработан Институтом электросварки им. Е. О. Патона Академии наук УССР. Сущность его состоит в том, что слитки из стали, полученной в обычных печах, перерабатываются на электроды для последующей переплавки их в электрошлаковой печи. плавление электродов происходит не за счет тепла электрической дуги, а за счет тепла, выделяющегося в слое расплавленного шлака, служащего сопротивлением при прохождении через него электрического тока. Принцип электрошлакового переплава очень прост. Электрод-слиток 1 (рис. 3) диаметром до 150 мм и длиной от 2 до б м вводят в медный водоохлаждаемый кристаллизатор 2, который представляет собой полый цилиндр. К дну кристаллизатора прикреплен поддон 5 с затравкой 4 — это шайба из переплавляемой стали. На затравку насыпают электропроводный флюс из порошка алюминия с магнием. В зазор между слитком-электродом и стенкой кристаллизатора засыпают рабочий флюс 3, состоящий из Аl2O3, CaFe2 и СаО. Плавка происходит следующим образом. Электрод опускают до соприкосновения с флюсом, находящимся на затравке, и включают ток. В процессе плавления рабочий флюс превращается в шлак с температурой 2500° С. Под действием тепла электрод расплавляется, каждая капля его проходит через слой расплавленного шлака и очищается от вредных примесей и газов. Из этих капель формируется новый слиток. Содержание серы в слитке уменьшается в полтора-два раза. В стали почти нет неметаллических включений, что объясняется тем, что в печи нет огнеупорной кладки, соприкасающейся с металлом. Особенно ценным свойством этой стали является почти равномерное распределение в слитке остающихся после переплава включений, крупные скопления которых являются основной причиной разрушения изделий. Слитки не имеют пористости, усадочной рыхлости, мельчайших внутренних трещин, что очень важно при работе деталей в условиях ударных нагрузок. Электрошлаковый переплав с успехом применяют для получения шарикоподшипниковой, быстрорежущей, нержавеющей и некоторых других сталей.
markmet.ru
Плавка стали в дуговых печах :: Технология металлов
Плавка стали в основной дуговой печи с окислением примесей.
Этот метод плавки применяют при использовании стального лома с повышенным содержанием фосфора и серы, а также для выплавки малоуглеродистой стали.
Плавка состоит из шести периодов, в числе которых периоды заправки печи, загрузки шихты, плавления, окислительный период, восстановительный период и период выпуска готовой стали.
Шихта состоит из собственного возврата около 50%, чушкового чугуна до 10 % для создания избытка углерода, необходимого для кипения, и стального лома. Чтобы совместить удаление фосфора с расплавлением шихты, в завалку добавляют 2...3% извести и около 2 % руды.
Заправка проводится немедленно после выпуска предыдущей плавки. Подина, откосы и все углубления очищают от оставшихся металла и шлака, и на поврежденные места забрасывают магнезитовый порошок.
Загрузку ведут с помощью корзины (бадьи) с раскрывающимся дном, которую вводят в открытую печь сверху. При заполнении корзины на дно укладывают часть мелкой шихты, чтобы защитить подину от ударов крупных кусков лома. Затем в центре укладывают крупный лом, а по периферии сверху оставшийся мелкий лом и возврат.
Плавление ведут путем проплавления колодцев при максимальной мощности трансформатора. В период плавления полностью окисляется кремний, 40...60% марганца, происходит частичное окисление фосфора, углерода и железа. Формируется шлак, в составе которого содержится 0,5... 1,5 % Р2O5.
В период окисления необходимо обеспечить следующие процессы:
• уменьшить содержание фосфора в металле до 0,01 ...0,015 %;
• довести содержание углерода до заданного;
• дегазировать расплав и обеспечить всплытие твердых неметаллических включений;
• перегреть металл до температуры, близкой к температуре выпуска.
Если необходимая скорость окисления не обеспечивается оксидами железа, содержавшимися в шихте, и притоком кислорода в печь за счет газоотсоса, то в печь добавляют железную руду либо вводят газообразный кислород.
Окислительный период начинается со скачивания шлака, образовавшегося в период расплавления, для удаления из печи фосфора. Скачивание фосфористого шлака облегчено возможностью наклона печи в сторону рабочего окна на 10... 15°. После наведения нового шлака добавкой свежеобожженной извести и руды продолжается окисление фосфора и начинается интенсивное окисление углерода (кипение стали). Связанное с этим выделение пузырьков СО вспенивает шлак, в результате чего фосфористый шлак стекает через порог рабочего окна. Таким образом, содержание фосфора в металле удается снизить до 0,01 %.
Кипение стали сопровождается удалением азота и водорода, растворившихся в ней в предыдущих периодах плавки, а также флотацией «неметаллической мути». Для успешного протекания этих процессов количество углерода, окисленного в процессе кипения, должно быть не менее 0,35 % при плавке углеродистых сталей и не менее 0,45 % при плавке легированных сталей. Продолжительность окислительного периода составляет 35...50 мин. Применение кислорода в окислительном периоде уменьшает продолжительность этого периода и сокращает расход электроэнергии и руды.
Когда содержание углерода в стали достигнет заданного, окислительный период завершают. Для этого полностью скачивают шлак окислительного периода во избежание возврата остатков фосфора в металл.
Восстановительный период. Задачами этого периода являются:
• раскисление металла;
• удаление серы;
• доведение химического состава до заданного;
• перегрев металла до заданной температуры.
Эти задачи решаются практически параллельно под белым шлаком. Для его наведения вводят шлаковую смесь, состоящую из извести, плавикового шпата и шамотного боя. После расплавления смеси образуется жидкоподвижный шлак, с помощью которого успешно протекает диффузионное раскисление стали. Для раскисления шлака в него вводят смесь размолотого ферросилиция и кокса при их расходе по 5 кг/т металла каждого. В соответствии с законом распределения концентрация моноксида железа в металле уменьшается пропорционально ее концентрации в шлаке. Преимуществом диффузионного раскисления является то, что реакции раскисления протекают в шлаке, поэтому продукты раскисления образуются и остаются в шлаке, и не «замутняют» металл. О степени завершенности диффузионного раскисления судят по цвету затвердевшей пробы шлака. По мере уменьшения в нем содержания FeO застывшая проба шлака светлеет. Белый цвет рассыпающегося в порошок шлака свидетельствует об окончании процесса диффузионного раскисления.
Десулъфурация металла в основных дуговых печах характеризуется максимальной эффективностью по сравнению с ранее рассмотренными процессами. Это объясняется максимально полной реализацией трех условий ее протекания.
• высокая основность шлака;
• высокая температура шлака, нагреваемого электрической дугой, обеспечивающая хорошую активность, несмотря на высокую основность;
• низкая окисленность шлака и металла.
В результате коэффициент распределения серы между шлаком и металлом составляет 20...60 (для сравнения напомним, что в основной мартеновской печи его значения не превышают 10).
В конце восстановительного периода проводят легирование металла элементами, имеющими высокое сродство к кислороду. В некоторых случаях восстановительный период проводят не под белым, а под карбидным шлаком. Для этого после скачивания шлака окислительного периода в печь вводят шлаковую смесь, содержащую, кроме извести и плавикового шпата 6...8 кг молотого кокса на 1 т металла. Печь герметизируют, выключают газоотсос, при этом в зоне горения дуги образуется карбид кальция по реакции
СаО + ЗС = СаС2 + СО.
Образующийся карбид кальция обладает исключительно высокой раскислительной и десульфурирующей способностью:
реакции раскисления
3FeO + СаС2= 3Fe + СаО + 2СО;
3МnО + СаС2 = 3Мn + СаО + 2СО;
реакции десульфурации
3FeS + СаС2 + 2СаО = 3CaS + 3Fe + 2СО,
3MnS + СаС2 + 2СаО = 3CaS + ЗМn + 2СО.
Выдержка под карбидным ишаком, содержащим 1,5... 2 % СаС2, составляет 30...40 мин, тем не менее, при выпуске металла частицы карбидного шлака смешиваются с ним, образуя загрязнения металла. Поэтому за 20... 30 мин до выпуска карбидный шлак переводят в белый. Для этого открывают рабочее окно печи и включают газоотсос. Кислород воздуха окисляет карбид кальция до СаО и СО, превращая карбидный шлак в белый.
Обработка карбидным шлаком приводит к увеличению содержания в металле углерода, что делает процесс непригодным для выплавки низкоуглеродистых сталей. Наибольшее применение процесс получил для выплавки высокоуглеродистых и легированных инструментальных сталей.
Легирование.
Порядок ввода легирующих определяется их сродством к кислороду. Чем выше сродство элемента к кислороду, тем позже следует его вводить в металл. Никель, молибден, медь во время плавки не окисляются, поэтому их вводят в начальные периоды плавки. Хром, марганец и вольфрам обладают большим сродством к кислороду, чем железо, поэтому легирование этими элементами проводят только после раскисления ванны. В связи с высокой температурой плавления ферровольфрама (около 2000 °С) он медленно растворяется в металле, поэтому его присаживают в ванну не позднее, чем за 30 мин до выпуска. Кремний, ванадий, титан и алюминий особенно легко окисляются, поэтому феррованадий вводят за 15...35 мин до выпуска, ферросилиций — за 10... 20 и алюминий — за 2... 3 мин до выпуска. Ферротитан вводят в ковш, либо в печь за 5... 10 мин до выпуска металла.
Плавка стали в основной дуговой печи без окисления примесей. Этот метод наиболее рационален при выплавке легированных сталей с использованием в шихте легированного лома и отходов. Отсутствие окислительного периода позволяет в максимальной степени сохранить легирующие элементы, содержащиеся в шихте. Для получения заданного состава требуются минимальные присадки легирующих добавок, компенсирующие угар при расплавлении. Ориентировочно величины угара при расплавлении составляют:
Элемент......... Al Ti Si V Μn Cr W
Угар, %.......... 100 80...90 40...100 15...20 15...25 10...15 5...15
После расплавления шлак, как правило, не скачивают, имея в виду возможность частичного восстановления оксидов легирующих элементов, содержащихся в нем.
Раскисление, десульфурацию и легирование проводят так же, как при плавке с окислением примесей.
Особенности кислого процесса.
Кислая футеровка обладает большей термостойкостью по сравнению основной, что является важным ее преимуществом в условиях литейных цехов, работающих с перерывами в одну или две смены. Кроме того, пониженная отражательная способность кислого шлака уменьшает тепловую нагрузку на футеровку.
По этим причинам стойкость футеровки кислых дуговых печей выше, чем основных. Стоимость кислых огнеупоров в 2 —2,5 раза ниже, чем основных.
Теплопроводность кислых огнеупоров ниже, чем основных, что способствует уменьшению тепловых потерь. Влияние шлака на металл в кислых печах менее существенно, чем в основных. Поэтому глубина ванны в кислых печах больше, чем в основных при том же диаметре ванны. В результате этого тепловой КПД кислых печей выше, чем основных. Этим объясняется широкое использование кислых дуговых печей в сталелитейных цехах.
Шихта. Для плавки в кислых дуговых печах содержание серы и фосфора в шихте должно быть ниже допустимого предела в готовой стали, так как удалить их в процессе плавки не удается.
Для эффективного рафинирования металла в процессе кипения содержание углерода в шихте должно быть большим, чем в готовом металле, на 0,15... 0,20 %. Для этого в шихту наряду с возвратом и отборным стальным ломом добавляют передельный чугун, кокс или электродный бой. Порядок загрузки шихты в печь такой же, как при основном процессе.
Период расплавления сопровождается окислением кремния, марганца, железа и углерода. Доля образующегося при этом шлака невелика, поэтому для улучшения защиты расплавляемого металла от окисления и растворения газов объем шлака увеличивают добавкой сухого песка, шлака предыдущей плавки или формовочной смеси. В конце периода расплавления шлак имеет следующий состав, %: SiO2 40...50; FeO 15...30; MnO 10...30; Аl2O3 2...6; прочие оксиды 5... 15.
Окислительный период имеет целью дегазацию металла в процессе кипения. Окисление углерода происходит оксидами железа и марганца, содержащимися в шлаке. При этом содержание Si02 в шлаке растет, и к концу кипения оно достигает 60 %, способствуя процессу восстановления кремния.
При активном процессе восстановление кремния сдерживают присадкой руды и извести, кипение продолжают до достижения заданного содержания углерода. Раскисление проводят в два этапа — введением ферросилиция и ферромарганца в печь, а при выпуске металла — присадкой алюминия в ковш.
При кремневосстановительном процессе содержание восстановленного кремния доводят до 0,2 %. При этом требуется только раскисление в ковше алюминием.
Особенности плавки стали в дуговых печах постоянного тока.
Дуговые сталеплавильные печи постоянного тока получили распространение с начала 1980-х гг., после того, как было освоено производство мощных, экономичных и надежных выпрямителей на базе тиристоров. К 1993 г. в мире эксплуатировалось около 80 печей постоянного тока емкостью до 150 т.
Большая часть печей постоянного тока — это вновь создаваемые печи, но в ряде случаев они представляют собой результат реконструкции печей, работавших на переменном токе.
Дуговые печи постоянного тока обычно имеют только один графитовый электрод, диаметр которого может достигать 700 мм. По сравнению с электродами печей переменного тока, в которых наблюдается поверхностный эффект, плотность постоянного тока равномерна по сечению электрода. Важнейшее конструктивное отличие дуговой печи постоянного тока состоит в наличии подового электрода. Подовый электрод располагается не соосно с верхним электродом, а на расстоянии 500...600 мм от оси печи. Это обеспечивает интенсивное электромагнитное перемешивание металла в ванне. Кроме того, к преимуществам таких печей относятся:
• уменьшение, примерно, в 5 —9 раз удельного расхода графитовых электродов;
• связанное с этим уменьшение вредных выбросов из печи;
• уменьшение шума и вибрации при работе печи;
• некоторое снижение расхода электроэнергии и угара металла при плавке.
В то же время следует отметить усложнение конструкции и эксплуатации пода печи в связи с расположением в нем подового электрода. Технология плавки в дуговых печах постоянного тока может не иметь существенных отличий от плавки в печах переменного тока. Но часто технологией предусматривается загрузка шихты на металл и шлак, частично оставленные в печи от предыдущей плавки. Используются также топливно-кислородные горелки в начале плавления и вдувание кислорода в ванну металла.
Источник:Трухов А.П., Маляров А.И. Литейные сплавы и плавка М.: Академия, 2004.
markmet.ru
