1.2.1.2.4.2. Индукционная плавильная электропечь

В данном типе печей для выплавки металла используется тепло, источником которого являются индуцируемые, вихревые токи Фуко.

Индукционные плавильные печи используются в основном на машиностроительных заводах и по конструкции разделяются на канальные и тигельные. На рис. 1.8 приведена схема тигельной индукционной печи.

П

Рис. 1.8. Схема индукционной электропечи:

1 – тигель, 2 – индуктор, 3 – шихта, 4 – съемный свод

ечь состоит из емкости 1, выполненной из огнеупорного материала (тигля), и индуктора 2, представляющего собой спираль из медной, водоохлаждаемой трубки, внутрь которой тигель и устанавливается. Сверху тигель накрывается съемным сводом, служащим для уменьшения потерь теплоты и создания в нем любой атмосферы или вакуума.

Металлическую шихту 3 загружают в тигель. разогрев и плавление металла шихты осуществляется за счет вихревых токов (токов Фуко) наводимых в ней, при пропускании через индуктор однофазного переменного тока частотой 500 … 2000 герц.

Индукционные электропечи строят емкостью от 60 кг до 25 тонн.

Тигель изготавливается из кислых или основных огнеупоров.

В индукционных плавильных печах выплавляют в основном высоколегированные стали специального назначения с низким содержанием углерода и кремния. Продолжительность плавки в индукционной печи емкостью 1 т составляет около 45 мин, расход электроэнергии на 1 т стали – 600 … 800 кВт/ч.

Индукционные печи имеют следующие преимущества: конструкция печи позволяет выплавлять металлы с малым содержанием углерода; малый угар элементов, входящих в состав металла; малая химическая неоднородность сплава из-за перемешивания его возникающими при плавке электродинамическими силами; повышенная чистота металла, так как перемешивание его приводит к всплыванию неметаллических включений; возможность выплавки сталей повышенного качества за счет снижения содержания в них газов путем плавки в атмосфере инертных газов или в вакууме.

Недостатком индукционных электропечей является суженная область их использования. Конструкция и принцип работы таких печей делает их не эффективными при выплавке стали из чугуна. В индукционных печах обычно переплавляют отходы или легированных сталей или углеродистых сталей с низким содержанием серы и фосфора.

1.2.1.2.5. Прямое восстановление железа из руд

Процесс получения чугуна в доменных печах, несмотря на его широкое распространение, не является единственным способом получения железоуглеродистых сплавов. Проектов по прямому восстановлению железа из руд существует множество.

Доведенным до промышленной реализации можно считать метод внедоменного получения железа по схеме, представленной на рис. 1.9. Именно по этой технологической схеме работает Оскольский металлургический комбинат, построенный на базе Лебедихинского месторождения, входящего в комплекс Курской магнитной аномалии. Данная технология практически безотходная и экологически наименее вредная, так как в качестве топлива здесь используется только природный газ.

П

Рис. 1.9. Схема прямого восстановления железа из руд:

I– зона восстановления,II– зона охлаждения,

1 – бункер, 2 – грохот, 3 – бункер, 4 – брикетировочный пресс, 5 – короб шихтозавалочной машины, 6 – шахтная печь, 7 – трубопровод для подачи газа, 8 – установка конверсии газа, 9 – трубопровод для подачи воздуха, 10 – конвейер, 11 – электропечь

оследовательность рассматриваемого технологического процесса следующая. Добытую в шахтах железную руду обогащают на горно-обогатительном комбинате и в виде пульпы (водной суспензии рудного концентрата) перекачивают по пульпопроводу к сгустителю. Он представляет собой огромный резервуар, где пульпа отстаивается, избавляясь от излишней влаги, а затем транспортируется в отделение фильтрации. В этом отделении пульпа с помощью специальных вакуум-фильтров обезвоживается и превращается в так называемый кек. Для того, чтобы частицы кека могли прилипать одна к другой, в кек добавляют связующее – 0,8 … 0,9% бентонита. (Бентонит представляет собой глину особого сорта). Полученную смесь, называемую шихтой, с помощью пневмопровода передают в цех окомкования, где изготавливают окатыши – почти правильной круглой формы кусочки железорудного концентрата. Для придания им прочности окатыши обжигают, затем сортируют и передают в бункер цеха металлизации. Далее окатыши из бункера 1 (рис. 1.9) по грохоту 2 поступают в короб 5 шихто-завалочной машины и оттуда в загрузочную воронку шахтной печи 6. Окатыши, разрушенные на грохоте, попадают в бункер 3, прессуются брикетировочным прессом 4, и в виде окатышей вновь поступает на грохот 2. Шахтная печь представляет собой сооружение высотой 50 и диаметром 8 метров. Выложена она из огнеупорного кирпича и для защиты от воздействия атмосферы облицована стальными листами. Работает печь по принципу противотока. При этом железорудные окатыши загружают сверху, а нагретые восстановительные газы подают в средней части печи по трубопроводу 7. Исходным материалом для генерации восстановительной атмосферы является природный газ. Его пропускают через специальную установку 8, подвергая конверсии, в результате которой газ разлагается на водород и окись углерода. В печи создается высокая температура (750 … 850С). При такой температуре в восстановительной зонеIпечи железная руда в окатышах восстанавливается до так называемого твердого губчатого железа. В итоге содержание железа в окатышах оказывается равным 90 … 95%. Газы, не вступившие в реакцию, называемые колошниковыми, улавливаются в верхней части печи и направляются для повторного использования. Для охлаждения восстановленных железных окатышей в зонуIIпечи по трубопроводу 9 подают воздух. Из печи окатыши выдаются на конвейер 10 и используются в дальнейшем как сырье при выплавке стали в электропечах 11. Рассмотренные шахтные печи прямого восстановления железа имеют производительность 1000 … 1500 тонн железа в сутки (4 миллиона тонн в год).

1.2.1.2.6. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СТАЛИ

Свойства сталей в большой степени зависят от содержащихся в них примесей. Примеси попадают в металл из исходных материалов. Это частицы шлака и огнеупорных материалов кладки металлургических печей, ковшей для жидкого металла, различные соединения с серой, азотом и кислородом. Присутствующие в стали неметаллические включения (оксиды, нитриды, сульфиды) и газы (водород и азот) резко снижают ее прочностные и эксплуатационные характеристики. Разработано большое количество способов очистки стали. Эти способы можно разделить на две группы.

К первой группе относятся методы, предусматривающие рафинирующую обработку стали после выпуска ее из печи. Это обработка жидкой стали синтетическими шлаками и вакуумная дегазация. Ко второй группе относятся методы повторного переплава стального слитка с целью его очистки. Сюда относят электрошлаковый, вакуумно-дуговой, электронно-лучевой, плазменно-дуговой переплавы и их сочетания.

Синтетический шлак, представляющий собой смесь из 45% СаО, 40% Аl₂О₃, 10%MgOи 5%CaF₂и содержащий небольшое количествоSiO₂иFeO, выплавляют в шлакоплавильной печи (обычно это дуговая электропечь небольшой емкости) непосредственно в сталеплавильном цехе и заливают в ковш. Затем в этот же ковш на расплавленный шлак выпускают сталь из сталеплавильного агрегата. Струя металла с большой высоты попадает в шлак, разбивает его и интенсивно с ним перемешивается. При этом поверхность их соприкосновения, а значит и взаимодействия значительно возрастает. Реакции между металлом и шлаком протекают гораздо быстрее, чем в плавильной печи Следствием является более быстрая и полная очистка металла от многих постоянных примесей (например, серы на 50 … 70%) и неметаллических включений (примерно в 1,5 раза). Жидкие синтетические шлаки дают возможность часть операций по очистке металла перенести из печи в ковш. Это существенно сокращает время плавки. Например, для дуговой печи – на 30 … 50 минут. Тем самым достигается еще и значительная экономия электроэнергии.

Вакуумную дегазацию металла проводят для уменьшения содержания в ней газов и неметаллических включений. Эту операцию рафинирования для стали целесообразно сочетать с ее раскислением. Существует много приемов вакуумной обработки жидкой стали и самый простой из них заключается в выдержке ковша с расплавом в течение 10 … 15 минут в герметично закрытой камере с остаточным давлением 265 … 665 Па. При пониженном давления растворимость газов в стали уменьшается, и они в виде пузырьков всплывают на поверхность, захватывая с собой и неметаллические включения.

Вакуумная обработка позволяет уменьшить в 3 … 5 раз содержание газов и в 2 … 3 раза неметаллических включений в стали, что способствует повышению ее прочности и пластичности.

Электрошлаковый переплав стали (рис. 1.10) является наиболее эффективным методом ее рафинирования, так как снижает содержание серы до 0,005%, а количество оксидов и сульфидов в два раза.

П

Рис. 1.10. Схема установки электрошлакового переплава:

1 – поддон, 2 – затравка, 3 – кристаллизатор,4 – переплавляемый электрод, 5 – шлаковая ванна, 6 – капли металла, 7 – ванна металла, 8 – слиток рафинированной стали,9 – источник питания

редварительно из требующей очистки стали изготавливается электрод 4 в виде прутка. Он опускается внутрь тонкостенной водоохлаждаемой изложницы – кристаллизатора 3, имеющей форму коробки без дна. На дно кристаллизатора помещается металлическая пластина – затравка 2. В зазор между электродом и кристаллизатором засыпается флюс, содержащийAl₂O₃, СаО иCaF₂. От источника питания 9 на электрод подают напряжение, в результате чего между ним и затравкой загорается электрическая дуга. Дуга расплавляет флюс, который образует шлаковую ванну 5, заполняющую все пространство внутри кристаллизатора. После погружения электрода в шлаковую ванну, дуга гаснет. Подвод электрического тока не прекращают, в результате чего за счет электросопротивления шлака он нагревается до температуры 1700С. Этой температуры достаточно для плавления стального электрода и металл с него каплями 6 начинает переноситься на затравку. Проходя через слой шлака капли металла очищаются от примесей. Таким образом, за счет плавящегося электрода металлическая ванна 7 в кристаллизаторе непрерывно пополняется, а так как последний постоянно охлаждается водой, то от затравки вверх начинает расти слиток рафинированной стали 8. В конце переплава слиток извлекают из изложницы. Структура слитка получается однородной, плотной, качество поверхности высоким. Слитки выплавляют круглого, квадратного, прямоугольного сечения массой до 110 тонн. В связи с высокими механическими и эксплуатационными свойствами стали, рафинированной таким способом, метод применяют при изготовлении высококачественных сталей для шарикоподшипников, жаропрочных сталей для дисков и лопаток турбин в авиационных конструкциях.

Вакуумно-дуговой переплав используют для очистки стали от газов и неметаллических включений. Процесс осуществляют в вакууме в герметичной камере (рис. 1.11). Электрод изготовленный из стали, подлежащей очистке, помещают в корпус установки и откачивают воздух (остаточное его давление 1,5 Па). Нижняя часть корпуса представляет собой водоохлаждаемую изложницу. На катод и анод (затравку, уст

Рис. 1.11. Схема установки для вакуумно-дугового переплава:

1 – поддон, 2 – затравка, 3 – из­ложница, 4 – корпус, 5 –расходуемый электрод, 6 –электрическая дуга, 7 –ванна металла, 8 –слиток

ановленную в нижней части корпуса на поддоне), подают напряжение от источника питания и зажигают электрическую дугу. Под действием тепла дуги электрод плавится, и металл его каплями поступает в изложницу, где образует ванну. Из жидкого металла при этом интенсивно выделяются газообразные примеси. Охлаждением изложницы создают условия для направленной кристаллизации слитка снизу вверх. В результате рафинированный слиток приобретает высокую равномерность химического состава, при этом неметаллические включения сосредотачиваются в верхней части слитка, в районе усадочной раковины, размеры которой незначительны. Масса слитков достигает 50 тонн.

Слитки, полученные вакуумно-дуговым переплавом, обладают высокими механическими свойствами и используются для изготовления ответственных деталей машиностроения (авиационных конструкций, турбин и т.п.).

1.2.1.2.7. РАЗЛИВКА СТАЛИ

Полученная в сталеплавильных печах, сталь представляет собой жидкость. Технологические процессы машиностроения потребляют сталь в виде слитков, проката, отливок и т.п. Для получения изделий жидкую сталь после завершения процесса плавки выпускают в ковши и подают на разливку. В настоящее время разливку осуществляют в изложницы (чугунные сосуды) или кристаллизаторы машин для непрерывной разливки стали. Здесь сталь затвердевает, и полученный слиток передается для дальнейшей обработки. Для прокатки изготавливают слитки массой от 200 кг до 25 т., ковочные слитки могут достигать массы 300 т.

Разливку осуществляют с помощью сталеразливочных, или как их еще называют стопорных ковшей (рис. 1.12). Ковш 3 изготавливают из стали и футеруют огнеупорным материалом. В днище ковша имеется специальное отверстие для выпуска стали, закрытое штангой – стопором 5. С помощью системы рычагов 4 стопором можно управлять, открывая или перекрывая поток жидкой стали через отверстие. Вместимость ковшей зависит от объема сталеплавильной печи и составляет от 5 до 400 т.

П

Рис. 1.12. Схема способа разливки стали в изложницы сверху:

1 –плита, 2–изложница, 3–разливочный ковш,

4 –рычаги управления,

5 –стопор, 6–цапфы

для транспортировки

о способу заполнения изложниц различают разливку сверху и разливку снизу (сифоном).

П

Рис. 1.13. Схема разливки стали снизу (сифоном):

1 – поддон, 2 – каналы, 3 – изложница, 4 – прибыль, 5 – центровой литник, 6 – разливочныйковш

ри разливке сверху (рис. 1.12) сталь поступает из ковша в каждую из изложниц 2 поочередно. Способ самый простой и дешевый, что и является его достоинством. Используемая в данном случае оснастка – чугунные изложницы имеют небольшую стоимость и легко заменяются при выходе их из строя. Недостатком является низкая производительность из-за значительного времени, затрачиваемого на разливку большого объема стали, так как ковш сначала нужно переместить от одной изложницы к другой, затем точно установить над каждой из изложниц и отдельно их наполнить. Недостатком способа является также низкое качество поверхности слитка, из-за разбрызгивания металла при наполнении изложницы и оседании его капель на стенках последней. Дефекты поверхности в последующем приходится удалять на металлорежущих станках, что приводит к потерям металла. К недостаткам относят также неравномерность химического состава и структуры слитка, причиной которых является значительное время его кристаллизации.

Сверху разливают недорогие углеродистые стали обыкновенного качества.

Разливкой снизу (сифоном) удается избежать многих недостатков, но способ требует более дорогостоящей оснастки. В этом случае (рис. 1.13) изложницы устанавливают на поддоне вокруг вертикально расположенной керамической трубы – центрового литника. Литник соединен каналами, футерованными огнеупорными трубами с каждой из изложниц. Жидкая сталь из разливочного ковша выливается в центровой литник, растекается по каналам и заполняет изложницы, поступая в них снизу.

Сифонный метод разливки более производительный. Он позволяет одновременно через один центровой литник разливать большие объемы металла, заливая несколько изложниц (4 … 60) одновременно. Масса слитка обычно составляет 0,5 … 7 т. Дефекты при этом на поверхности слитка отсутствуют.

Недостатками сифонной разливки является более дорогая оснастка и дополнительные отходы металла, затвердевшего в центровом литнике и подводящих каналах (их отдают в переплавку).

Разливку сифоном используют для легированных и высококачественных сталей.

О

Рис. 1.14. Схема работы машины непрерывной разливки стали:

1 –слиток, 2–вытягивающиевалки, 3 – система орошения,

4 –опорные валки, 5–кристаллизатор, 6–разливочное устройство, 7–газовый резак

бщим недостатком разливки стали в изложницы сифоном является большая трудоемкость подготовки их к приему жидкого металла. Изложницы с кристаллизующимися слитками занимают большие производственные площади. Отходы металла при обрезке слитков значительны, так как при их получении в верхней части образуется усадочная раковина, занимающая почти пятую часть объема.

Самой прогрессивной технологией в настоящее время является непрерывная разливка стали, позволившая полностью автоматизировать этот трудоемкий участок металлургического производства. Однако машина, позволившая реализовать эту технологию, представляет собой сложное сооружение, требующее больших затрат на строительство и эксплуатацию. Машина для непрерывной разливки стали (рис. 1.14) состоит из промежуточного разливочного устройства 6, в котором хранится запас металла для обеспечения бесперебойности процесса, водоохлаждаемой изложницы без дна 5, обеспечивающей направленный рост кристаллов при охлаждении слитка и называемой поэтому кристаллизатором, системы тянущих 2 и поддерживающих 4 валков, системы орошения 3 (водораспыляющих форсунок) и газового резака 7.

Последовательность работы установки имеет следующий порядок. Металл из стопорного ковша выпускают в разливочное устройство машины. Из него сталь непрерывно поступает в водоохлаждаемую изложницу без дна – кристаллизатор. Благодаря интенсивному отводу тепла стенки слитка 1 затвердевают, и с помощью тянущих валков его извлекают из кристаллизатора. Сердцевина получающегося в результате бесконечного слитка еще жидкая, поэтому его пропускают через зону вторичного охлаждения, где орошают водой из форсунок, поддерживая со всех сторон с помощью опорных валков. После полного охлаждения слиток разрезают ацетиленокислородными резаками на мерные части и передают для дальнейшей обработки. Скорость вытягивания слитка 1 … 2,5 м/мин. Форма его поперечного сечения зависит от профиля кристаллизатора. Таким образом получают слитки квадратного, прямоугольного и круглого поперечного сечения.

Непрерывным способом разливают стали самых различных марок от углеродистых до легированных.

Для повышения производительности процесс непрерывного литья заготовки объединяют с последующей прокаткой в одном литейно-прокатном агрегате.

Н

Рис. 1.15. Схема производства горячекатаной проволоки непрерывным литьем и последующей прокаткой:

1 –разливочный ковш, 2–промежуточное разливочное устройство, 3–кристаллизатор, 4–зона вторичного охлаждения, 5–зона правки, 6–подающие ролики, 7–индуктор, 8–планетарный прокатный стан, 9–отрезное устройство, 10–чистовые клети, 11–намоточное устройство

а рис. 1.15 представлена схема производства горячекатаной проволоки непрерывным литьем и последующей прокаткой. В данном агрегате используется горизонтальная машина для непрерывной разливки металла. Из разливочного ковша 1 жидкую сталь заливают в промежуточное разливочное устройство 2, откуда она поступает в кристаллизатор 3. Здесь формируется твердая оболочка заготовки. В зоне вторичного охлаждения 4 заготовка интенсивно охлаждается струями воды до затвердевания по всему сечению, затем подвергается правке валками 5 и подается роликами 6 в индуктор 7 для выравнивания температуры по сечению. Затем она последовательно прокатывается на планетарном прокатном стане 8 и в чистовых клетях 10. Полученная таким образом горячекатаная проволока поступает на намоточное устройство 11.

Достоинством способа является плотное строение, мелкозернистая структура и высокая однородность по химическому составу слитка. Поверхность его имеет высокое качество. Отсутствие усадочных раковин сводит потери металла до 2 … 4% от массы разливаемой стали. Следует отметить высокую производительность процесса и высокую степень его механизации и автоматизации.

Недостатками являются образование трещин на поверхности слитка, связанное с перепадами температур по его сечению и большими усилиями вытяжки слитка из кристаллизатора, а также высокая стоимость машины.