Билет 54. Плавка стали в электрических печах

Выплавка стали с использованием электроэнергии в качестве источника тепла имеет ряд преимуществ перед другими способами получения стали. При использовании электроэнергии представляется возможным подводить тепло непосредственно к зонам реакции; развивать высокие температуры, что способствует ускорению плавки, наводке высокоизвестковистых шлаков и получению металла с минимальными содержаниями вредных примесей— серы, фосфора и газов. Использование электро­энергии позволяет также проводить сталеплавильный процесс в различной атмосфере. В связи с этим, как правило, в электрических печах выплавляют качественные и высококачественные стали.

Наибольшее распространение получили электрические дуговые -сталеплавильные печи и индукционные печи. Печь имеет сферическую подину и сферический свод, через который в печь вводятся три электрода для подвода электротока. Современные дуговые печи имеют съемный свод, что позволяет загружать шихту практически в один прием сверху. Печь имеет рабочее окно, сталевыпускное отверстие. Опирается печь на шаровые сегменты и с помощью специального механизма поворота может наклоняться в сторону рабочего окна для спуска шлака и в сторону разливочного пролета для выпуска металла.

Электрический ток поступает от печного трансформатора на угольные или графитизированные электроды. Между электродами и шихтой или жидкой ванной возникает электрическая дуга, в результате чего в рабочем пространстве печи развиваются высокие температуры (до 2500°С). Электроды удерживаются электрододержателями, которые могут автоматически изменять длину дуги в зависимости от потребностей процесса.

Печи работают на трехфазном токе при напряжении ~200—400 В, ток измеряется десятками тысяч ампер.

Плавка в дуговой печи состоит из следующих основных периодов: завалка шихты, плавление, окислительный и восстановительный периоды и выпуск.

Как правило, печи работают на твердой шихте, в состав которой в основном входят стальной лом и легированные отходы. В окислительный период происходит вы­горание примесей шихты — Р, С, Si, Mn; в восстановительный период осуществляют раскисление металла, удаление серы и легирование.

Современные дуговые печи строят емкостью до 400 т. Длительность плавки 4—6 ч. Для интенсификации процесса плавки применяют продувку металла кислородом. Расход электроэнергии на выплавку 1 т стали составляет 600—1000 кВт-ч.

Индукционная печь состоит из огнеупорного тигля, вокруг которого устроена водоохлаждаемая индукционная обмотка. При прохождении по обмотке тока высокой частоты (до 10000 Гц и больше) возникает магнитный поток, который, пронизывая металлошихту, наводит в ней вихревые токи; одновременно происхо­дит интенсивный напрев металла в тигле.

Индукционные печи имеют определенные преимущества перед дуговыми печами: отсутствие электродов и дуг позволяет выплавлять металл с низким содержанием углерода и газов; металл в тигле постоянно подвергается перемешиванию под воздействием электромагнитного поля. Процесс плавки в индукционной печи длится 1— 2 ч. Плавка сводится в основном к расплавлению легированных отходов, раскислению и легированию. Очень важно для плавки в индукционной печи точно рассчитать шихту, так как в процессе самой плавки корректировать состав металла практически не представляется возможным. Индукционные печи имеют тигли емкостью от нескольких килограммов до нескольких тонн.

Билет 55. Разливка стали из ковшей сверху и снизу(сифонный способ)

Разливка стали - это процесс перелива жидкой стали из разливочного ковша в формы-металлоприемники, где металл затвердевает, формируя слитки. Разливка стали - важный этап технологического цикла производства, в ходе которого формируются многие физико-механические свойства металла, определяющие характеристики качества готовых металлоизделий.

В сталеплавильном производстве жидкую сталь из ковша разливают либо в изложницы, либо на установках непрерывной разливки стали. Существует 2 способа разливки стали в изложницы - сверху и сифоном (также существует и условно третий метод разливки - сифоном сверху, однако он мало распространен и потому в данной статье не рассмотрен). В первом случае сталь поступает непосредственно из ковша в изложницу; после наполнения изложницы отверстие в ковше закрывают, краном перемещают ковш к следующей изложнице, и процесс повторяют. Сифонная разливка позволяет одновременно заполнять металлическим расплавом несколько изложниц (от 2 до 60), установленных на поддоне, в котором имеются каналы, выложенные пустотелым огнеупорным кирпичом; сталь из ковша заливают в центровую литниковой системы, затем она по каналам в поддоне поступает в изложницы снизу. Выбор способа зависит от сортамента сталей, массы и назначения слитков и других факторов.

Сифонным методом, как правило, отливают слитки небольшого развеса, однако тенденции последних лет показывают, что этот метод получает все большее распространение и при отливке крупных слитков массой до нескольких сотен тонн. Это связано, во-первых, с тем, что современный уровень развития технологии внепечной обработки позволяет воспроизводимо обеспечивать низкое содержание водорода и соответственно, необходимость в вакуумной разливке отпадает. Во-вторых, при сифонной разливке есть возможность менее затратного (чем разливка в вакууме) и при этом достаточного надежного способа защиты струи металла от вторичного окисления. В-третьих, такой метод разливки позволяет стаблизировать в готовом металле содержание азота (актуально для марок стали, легированных азотом). И, наконец, в-четвертых, современные огнеупорные материалы позволяют практически исключить загрязнение металла экзогенными включенями из сифонных каналов.

Преимущества способа сифонной разливки относительно разливки сверху получение высокого качества поверхности слитка, связанного с тем, что металл поступает снизу и поднимается сравнительно медленно и спокойно, в связи с этим, слитки, отлитые сифонным способом, не требуют обдирки и значительной зачистки; исключение кюмпельной части слитка, ввиду отсутсвия необходимости ее наличия (кюмпель служит для сокращения времени разбрызгивания струи при ее ударе о дно изложницы на первых этапах разливки за счет более быстрого создания лунки металлического расплава); наличие возможности одновременной отливки нескольких слитков, что позволяет без прерывания струи залить сразу большую массу металла, равную массе каждого отдельного слитка, помноженной на количество одновременно заливаемых изложниц; упрощение системы защиты поверхности металла на разливке от вторичного окисления: для этого все изложницы закрывают крышками, под которые вводят аргон; аргоном надувают и весь сифонный припас; разливочный ковш опускают до касания шибером приемной воронки стояка; при тщательной сборке состава с изложницами, аккуратном обращении с сифонным припасом (без опасения испортить) можно разливать чистую сталь, прошедшую глубокое рафинирование на установках доводки металла; продолжительность разливки меньше, т.к. одновременно осуществляется отливка нескольких слитков, при этом плавку большой массы можно разливать в мелкие слитки; разливка сифонным способом дает возможность регулирования в более широких пределах скорости наполнения изложниц и наблюдения за поведением металла в изложницах на протяжении всего периода разливки. Недостатки сифонного способа разливки металла смещение теплового центра к низу слитка, и, как следствие, ухудшение условий направленого (снизу вверх) затвердевания и, соответственно, повышение вероятности образования осевой рыхлости; необходимость нагрева металла перед разливкой до более высокой температуры из-за охлаждения металла в центровых и сифонных трубках и из-за более низкой, чем при разливке сверху скорости разливки; увеличение расходов на огнеупоры литниковой системы; повышенная загрязненность экзогенными включениями из сифонной проводки; повышенный расход металла на литниковую систему (от 0,7 до 2 % от массы разливаемого металла); повышение трудоемкости при сборке литейной оснастки.

План сифонной разливки стали:

1 - отбойная плита ковша;

2 - гнездовой кирпич;

3 - верхний (внутренний) огнеупорный стакан;

4 - нижний огнеупорный стакан;

5 - продувочный блок;

6 - кожух продувного блока;

7 - защитный экран;

8 - устройство для защиты струи металла;

9 - моноблочная прибыльная надставка;

10 - прибыльная надставка, состоящая

из нескольких частей;

11 - защитная пластина;

12 - порошок для засыпки канала шибера (стартовая смесь);

13 - люнкерит;

14 - порошкообразный флюс.

Установку поддонов производить строго горизонтально (по уровню). Температура поддона перед наборкой должна быть не менее 100 °С. Сифонный припас (звездочки, стаканчики, пролетные и концевые трубки), предназначенный для наборки поддона, должен быть сухим и не иметь сколов и трещин. Наборку поддонов начинают с укладки на подину из сухого песка или просеянных через сито с ячейкой 3 мм отходов, образующихся при разборке поддонов. При укладке четного количества ручьев, сифонные кирпичи со смазанными буртиками укладывают одновременно в два противоположных канала поддона, начиная со звездочки. Каждый кирпич притирают к ранее уложенному. В торцы ручьев закладывают по половинке нормального кирпича, и оба ручья одновременно заклиниваются. Зазоры между сифонным кирпичом и поддоном засыпают, просеянным через сито, сухим песком или отходами. Засыпку тщательно трамбуют, и швы заливают 25...30 % водным раствором сульфитно-спиртовой барды.

Подготовленные изложницы необходимо установит на поддончик устойчиво, строго вертикально. Между поддончиком и изложницей уложить асбестовый шнур. При установке изложниц запрещается ударять изложницей о поддон и центровую.

Перед подачей металла на разливку следует замерить активность кислорода в металлическом расплаве и его температуру. Температура металла должна быть на 80...110 °С выше температуры ликвидуса для данной марки стали. Окисленность металла определяется требованиями к химическому составу и загрязненности неметаллическими включениями.

Для теплоизоляции зеркала металла и защиты его от вторичного окисления следует использовать шлаковые смеси: известково-криолитные, бестопливные шлаковые смеси (зельно-графитовая). Расход шлаковых смесей составляет 2...3,5 кг на тонну жидкой стали. Шлаковые смеси подают в изложницу перед разливкой в плотных трех-четырехслойных бумажных мешках. Время наполнения изложницы металлом до прибыли составляет 5,5...6 мин. Время наполнения прибыли должно быть ориентировочно не менее 50 % от времени наполнения тела слитка. Разливку металла контролирует непосредственно мастер плавильного участка, который наблюдает за поверхностью поднимающегося металла в изложнице и командует скоростью наполнения металла в изложнице. При наполнении изложницы необходимо избегать заворотов корочки и подкипания металла у стенок изложницы.

Сифонная разливка стали позволяет в широком диапазоне регулировать скорость наполнения слитка. Нормальной скоростью разливки считают такую скорость, при которой металл поднимается спокойно, без всплесков. После наполнения 2/3 прибыльной надставки, на поверхность металла засыпают часть утепляющей смеси и продолжают разливку с малой скоростью. После окончания разливки засыпают оставшуюся часть утепляющей смеси. Отбор пробы металла производить при входе металла в прибыльную часть и сокращения скорости струи.

Особенности сифонной разливки

При сифонной разливке стали зона интенсивной циркуляции металла постоянно находится в нижней части слитка, здесь же расположен тепловой центр. Это способствует размытию твердой корочки металла и, соответственно, обуславливает уменьшение ее толщины. Причем это имеет место там, где ферростатическое давление достигает максимальной величины. Таки условия способствуют задержке образования зазора в нижней части слитка и создает торможение усадки стали по высоте слитка, которое может привести к образованию поперечных трещин на поверхности слитка.

Как правило, сифонным способом отливают слитки небольшой массы. Между тем, при переходе к сифонной отливке слитков массой свыше 20 т вероятность развития усадочных дефектов в осевой части слитка возрастает. При этом расположения теплового центра в нижней части слитка может привести к соответствующему смещению зоны осевой пористости. На рисунке ниже представлен слиток массой 435 т из NiCrMoV стали (H/D 1,15), предназначенный для ротора генератора массой 200 тонн, изготовленный на заводе фирмы Thyssen Heinrichshutte сифонным способом [1]. Зона осевой усадочной пористости в этом слитке сместилась в его нижнюю часть.

При разливке сверху зона наиболее интенсивной циркуляции жидкой стали перемещается последовательно снизу вверх. Максимальное ферростатическое давление воспринимается уже вполне затвердевшей, прочной оболочкой слитка.

Нижняя часть слитка, отливаемого сверху, кристаллизуется в условиях относительно спокойного состояния стали, то есть с большей скоростью, что приводит к более быстрому образованию зазора между слитком и стенкой изложницы. Торможение усадки по высоте слитка уменьшается. По этой причине при разливке стали сверху возможно разливать сталь с большей скоростью, чем при разливке сифонным способом.

В процессе сифонной разливки жидкая сталь, протекая по каналам литниковой системы, неизбежно соприкасается с огнеупорами. При этом вследствие резкого изменения температуры на внутренней поверхности кирпича образуются мелкие трещины, приводящие к скалыванию (шелушению) кирпича. Частички огнеупора, отколовшиеся с поверхности канала, загрязняют сталь. В дальнейшем при одновременном действии на сифонный кирпич высокой температуры и продуктов раскисления поверхностный слой сифонного огнеупора размягчается. В образовавшиеся поры проникают окислы и продукты раскисления стали; вступая во взаимодействие с огнеупором, они образуют легкоплавкие соединения, которые смываются движущейся струей металла и также попадают в слиток. Наибольшее загрязнение стали экзогенными включениями происходит в конце заполнения изложниц, когда сифонный огнеупор размягчен в большей степени. Характер размывания сифонных огнеупоров зависит от их качества и химического состава разливаемой стали. При удовлетворительном качестве сифонных огнеупоров поверхность затвердевшего металлического литника получается гладкой и блестящей, и, наоборот, при низком качестве сифонных огнеупоров затвердевший литник имеет шероховатую поверхность.

При неудовлетворительном качестве огнеупоров при сифонной разливке загрязнение стали экзогенными неметаллическими включениями может происходить в большей степени, чем при отливке сверху. При этом достаточно большое количество таких включений может оставаться в нижней части слитка.

Однако, вопрос исключения перечисленных недостатков может быть решен применением качественных огнеупоров, поэтому выбору огнеупоров и подготовке литниковой системы и поддона следует уделять особое внимание.

Термины

Сифон (от греч. siphon - трубка, насос), изогнутая трубка с коленами разной длины, по которой переливается жидкость из сосуда с более высоким уровнем в сосуд с более низким уровнем жидкости. Чтобы сифон начал работать, необходимо его предварительно заполнить жидкостью.

Изложница - это металлическая форма для отливки металла в виде слитка. По конструкции изложницы подразделяют на глуходонные и сквозные, по способу заливки металла - на заполняемые сверху и заполняемые снизу (сифонная разливка). Наибольшее распространение в промышленности получили чугунные И. вертикального типа для разливки стали. И. для слитков, предназначенных для поковок, вмещают до 100 т стали и более; И. для стали, идущей в прокатку, рассчитаны на слитки массой от 100 кг до 20 т (слитки для слябов). В целях уменьшения усадочной раковины в слитках изложницы изготовляют с утепленной надставкой.

Слиток - это литая металлическая заготовка, предназначенная для дальнейшей переработки путём пластической деформации (прокатка, ковка, прессование), переплава (получение фасонных отливок, приготовление сплавов) или электролиза (аноды из черновой меди, никеля и др.). Слитки получают путём разливки жидкого металла в формы сравнительно простых очертаний - изложницы, а также методом непрерывного литья и наплавления в водоохлаждаемом кристаллизаторе (электрошлаковый переплав, переплав в дуговых вакуумных печах). Слитки, отлитые в изложницы и предназначенные для дальнейшей обработки давлением, имеют чаще всего форму усечённой пирамиды или усечённого конуса.