Плавка стали в электропечах

Плавка стали может осуществляться также в печах, нагреваемых электрическим током. Печи подразделяются на электродуговые (рис. 5.7), где плавка происходит за счет электрической дуги, возникающей между шихтой и графитовыми электродами, и индукционные (рис. 5.8), где плавка осуществляется нагревом шихты за счет индукции вихревых токов.

Преимущество: быстрая нагреваемость, контролируемость процесса, возможность создания вакуума или установленной определенной газовой среды. Получают сталь высокого качества и заданного состава, так как исключаются примеси. В настоящее время этот способ широко применяют для выплавки высококачественных углеродистых и легированных сталей, а также ферросплавов.

Электродуговые сталеплавильныесповоротным сводом печи (рис. 5.7) ДСП-50, ..., ДСП-400 (цифры указывают на номиналь­ную емкость в тоннах) плавят металл за счет теплоты трех элек­трических дуг 2, горящих между графитовыми электродами 1 и расплавленным металлом 3. Длина дуг поддерживается в задан­ных пределах системой автоматического регулирования. Свод при поднятых электродах, поворачиваясь относительно вертикальной оси, открывает печь сверху для загрузки шихты.

Для выпуска металла по желобу 7 и удаления шлака ванна печи может пово­рачиваться на роликах приводом. Рабочее окно с крышкой 8 слу­жит для удаления шлака, наблюдения за ходом плавки, проведе­ния необходимых операций в ходе плавки (взятие проб, введе­ние легирующих присадок и др.) и заправки стен и порогов.

Расход электроэнергии для ДСП-50 составляет 440 кВт•ч/т, продолжительность плавки составляет 2,8-5,7 часов.

Рис. 5.7. Схема электродуговой печи ДПС50:

1 - электроды; 2 - электрическая дуга; 3 - ванна расплавлен­ного металла; 4 - свод печи;

5 - под печи, вращающийся относительно основания 6; 7 - желоб (летка) для слива метал­ла;

8 - крышка, закрывающая загрузочное окно

Рис. 5.8. Схема индукционной печи: 1 - съемная крышка; 2 - индуктор; 3 - защит­ный кожух; 4 - скрап; 5 - огнеупорный тигель

В индукционной сталеплавильной печи (рис. 5.8) рабочее тепло создается внутри металличес­кой шихты вихревыми токами, индуцируемыми перемен­ным электрическим полем промышленной (50 Гц) или высокой (6 000-10 000 Гц) частоты. Индукционные печи эффективны при переработке отходов легированных сталей, так как в них уменьшаются потери металла на угар и нет науглероживания металла от угольных электродов, используемых в дуговых печах. Сталь из печи выпускают в ковш, который перемещается в от­деление разливки. Сталь разливают в чугунные формы - излож­ницы двумя способами: сверху или сифоном (снизу), обеспечиваю­щим более спокойное заполнение изложниц (рис. 5.9).

Сифонную разливку применяют для качественных спокойных (полностью раскисленных) сталей. Металл слитка в прибыльной надставке затвердевает в последнюю очередь, компенсируя усадку при кристаллизации нижележащих слоев, поэтому образуется уса­дочная раковина, которая подлежит удалению, что снижает выход годного и удорожает спокойную сталь.

Кипящая сталь, разливае­мая сверху, раскислена не полностью. В ней происходит выделение пузырьков окиси углерода, перемешивание и дополнительная очист­ка металла FеО + С → Fе + СО, затвердевший слиток пронизан пузырьками газа с неокисленной поверхностью. При прокатке га­зовые поры завариваются. Кипящая сталь дает высокий выход годного продукта (так как отсутствует сосредоточенная усадочная раковина, а усадка компенсируется объемом пузырей), она дешевле, но не­сколько уступает спокойной стали по свойствам.

Полуспокойная сталь обладает промежуточными качествами.

Рис. 5.9. Разливка стали в изложницы:

а) сверху; б) сифоном (снизу): 1 - ковш; 2 - струя стали; 3 - центральный литник;

4 - огнеупоры с каналами; 5 - изложни­ца; 6 - поддон; 7 - огнеупоры поддона с каналами; 8 - прибыльная надставка изложницы; 9 - огнеупорная масса с малой теплопроводностью

Дуговые электропечи, мартены, кислородные конвертеры не обес­пе-чивают получения сталей очень высокого качества, поэтому при­меняются методы внепечного рафинирования и переплава стали: вакуумирование, обработка стали синтетическим шлаком, элект­рошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), плазменно-дуговой переплав, электронно-лучевой переплав (ЭЛП).

1. Вакуумирование стали приводит к усилению процессов раскисления, дегазации и удалению летучих примесей.

2. Обработка стали синтетическим шлаком (СаО + А1₂О₃ + SiO₂) способствует удалению серы, кислорода и неметаллических включений, в результате чего повышаются пластичность, вязкость и снижается критическая температура хладноломкости.

3. Электрошлаковый переплав (ЭШП) позволяет получать слит­ки массой до 300 т. Заготовка плавится за счет тепла, выделяюще­гося при прохождении тока через ванну шлака (рис. 5.10). Капли металла, проходя через шлак, активно взаимодействуют со шлаком, в результате чего из металла удаляются неметаллические включения и газы, уменьшается концентрация серы.

Рис. 5.10. Схема установки для электрошлакового переплава стали: 1 - расходный электрод; 2 - охлаждаемый кристаллизатор; 3 - поддон; 4 - затвердевший металл; 5 - слой жидкого металла; 6 - слой жидкого шлака; 7 - источник электроэнергии

Направленная кристаллизация позволяет получить металл высокой плотности с хорошими свойствами. Для улучшения качества выплавляемого ме­талла в процессе его получения рабочее пространство печи может за-полняться инертным газом. 4. Вакуумно-дуговой пе-реплав (ВДП) приводит к дегазации, уда­лению неметаллических включений, получению однородного химического состава. Позволяет получать слитки массой до 50 тонн. 5. Плазменно-дуговой переплав позволяет получать слитки массой до 5 тонн. Плавка с высокотемператур-ным перегревом и быстрой кристаллизацией в охлаждаемом кристаллизаторе позволяет по­лучить металл, обладающий хорошими свой-ствами. 6. Электронно-лучевой переплав (ЭЛП) позволяет по-

лучать чи­стые тугоплавкие металлы (цирконий, молибден, ниобий), специ­альные стали и сплавы в слитках массой до 15 тонн. Здесь металл плавится за счет теплоты, возникающей вследствие бомбардировки металла электронами, разгоняемыми электронными пушками. Раз­режение (вакуум), большой перегрев и быстрое охлаждение метал­ла обуславливают удаление газов и примесей, а следовательно, вы­сокое качество металла.

Рафинирование переплавом ведет к большим затратам труда и энергии, что удорожает сталь, поэтому развиваются способы по­лучения качественных сталей из шихты:

1. Плавка в индукционных вакуумных печах обеспечивает глубокую дегазацию и высокую степень раскисления в результате электромагнитного перемешивания и длительного воздействия вакуума.

2. В плазменно-дуговых печах контролируемая атмосфера, лег­кая корректировка состава шлака или его отсутствие ускоряют проникновение в сплав легирующих добавок или рафинирующих газов.

МАРКИРОВКА СТАЛИ

Единой мировой системы маркировки стали не существует. В России (ранее – в СССР) проведена большая работа по унификации обозначений различных марок стали, что нашло отражение в государственных стандартах и технических условиях. Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и номером (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Качественные углеродистые стали маркируются двузначными числами, показывающими среднее содержание С в сотых долях процента: 05, 08, 10, 25, 40 и т.д.

Спокойную сталь иногда дополнительно обозначают буквами сп, полуспокойную - пс, кипящую - кп (например, СтЗсп, Ст5пс, 08кп). Буква Г в марке стали указывает на повышенное содержание Mn (например, 14Г, 18Г).

Автоматные стали маркируются буквой А (А12, А30 и т.д.), углеродистые инструментальные стали - буквой У (У8, У10, У12 и т.д.; цифры означают содержание С (углерода) в десятых долях процента).

Обозначение марки легированной стали состоит из букв, указывающих, какие компоненты входят в ее состав, и цифр, характеризующих их среднее содержание. В России приняты единые условные обозначения химического состава стали: алюминий - Ю, бор - Р, ванадий - Ф, вольфрам - В, кобальт - К, кремний - С, марганец - Г, медь - Д, молибден - М, никель - Н, ниобий - Б, титан - Т, углерод - У, фосфор - П, хром - Х, цирконий - Ц. Первые цифры марки обозначают среднее содержание С (углерода) (в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей); затем буквой указан легирующий элемент и цифрами, следующими за буквой, - его среднее содержание. Например, сталь марки 3Х13 содержит 0,3 % С и 13 % Cr, сталь марки 2X17H2 - 0,2 % С, 17 % Cr и 2 % Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5 % цифры за соответствующей буквой не ставятся: так, сталь марки 12ХН3А содержит менее 1,5 % Cr. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной, буква Ш - особо высококачественной. Обозначение марки некоторых легированных сталей включает букву, указывающую на назначение стали (например, ШХ9 - шарикоподшипниковая сталь с 0,9-1,2 % Cr; Э3 - электротехническая сталь с 3 % Si).

Контрольные вопросы

1. Дайте определение металлургического комплекса России.

2. Какие основные подотрасли входят в состав черной металлургии РФ?

3. Перечислите десять самых крупных холдингов черной металлургии РФ.

4. Что такое чугун и его классификация?

5. Какова динамика производства чугуна в России в 2001-2010 гг.?

6. Какова технология получения чугуна?

7. Какова маркировка чугуна?

8. Что такое сталь и ее классификация?

9. Какова динамика производства стали в России в 2001-2010 гг.?

10. Какова технология получения стали мартеновским способом?

11. Какова технология получения стали конверторным способом?

12. Какова технология получения стали в электропечах?

13. Перечислите методы внепечного рафинирования и переплава стали и для чего они применяются?

14. К чему приводит вакуумирование стали?

15. К чему приводит обработка стали синтетическим шлаком?

16. Что такое электрошлаковый переплав металла и для чего он выполняется?

17. Что такое вакуумно-дуговой переплав металла и для чего он выполняется?

18. Что такое плазменно-дуговой переплав металла и для чего он выполняется?

19. Что такое электронно-лучевой переплав металла и для чего он выполняется?

20. Какова маркировка стали в РФ?

21. Каков состав стали марки 12ХН3А?