2.3.2 Плавка стали в индукционных печах

В индукционных печах с кислой футеровкой выплавку литейных сталей осуществляют без окисления. В индукционных печах с основной футеровкой тоже преимущественно применяют плавку стали без окисления, но ограниченно используют также плавку стали методом окисления.

Плавку стали без окисления в зависимости от компонентного состава шихты проводят методом сплавления разнородных материалов или переплава отходов. При плавке методом сплавления используют те же шихтовые материалы, что и при аналогичном варианте плавки стали в дуговых печах: стальной лом и отходы, науглероживатели (электродный бой, графитированный коксик и др.), легирующие (ферросплавы и чистые металлы) и раскислители.

Завалку осуществляют путем укладки на дно тигля мелкой шихты, в том числе стружки. Затем загружают крупную шихту, а между ними укладывают оставшуюся часть шихты, достигая максимально плотного заполнения шихтой полости тигля. При этом науглероживатель для лучшего усвоения вводят в нижние и средние слои шихты. Малоокисляющиеся легирующие компоненты, содержащие хром, никель, меди и др., также можно вводить в завалке.

Плавку стали осуществляют путем расплавления шихты, перегрева расплава до температуры выпуска, доводки его до регламентируемого состава и раскисления. При этом расплавление шихты для его ускорения осуществляют при высоких электрических нагрузках. После расплавления нагрузку снижают, но регулируют так, чтобы время доводки стали по химическому составу совпало с временем доводки её по температуре.

Для предохранения жидкой стали от взаимодействия с внешней газовой средой (воздухом) над расплавом наводят защитный слой шлака. Для этого используют шлакообразующие смеси. При кислой плавке используют смесь, состоящую из 70 % кварцевого песка, 25 % молотой извести и 5 % плавикового шпата. При основной плавке шлакообразующую смесь составляют из 40 % молотой извести, 35 % глинозема и 25 % кварцевого песка.

При индукционной плавке, как при плавке в дуговой печи, происходит, хотя и в меньшей степени, окисление, практически, всех основных компонентов стали. Поэтому при шихтовке необходимо обеспечить суммарное содержание каждого элемента в шихте выше, чем в готовой стали, на величину его угара. Поскольку при индукционной плавке из-за наличия холодного шлака не развиваются процессы дефосфорации и десульфурации, то содержания фосфора и серы в шихте должны быть ниже, чем это допускаются в выплавляемой стали.

Ввиду повышенного угара марганца при плавке в печи с кислой футеровкой ферромарганец следует вводить не в завалку, а в расплав стали в конце плавки. Аналогично, ввиду интенсивного окисления кремния из шихты при плавке стали в основной печи, ферросилиций также необходимо вводить не в завалку, а присаживать в расплав перед выпуском плавки из печи. Также в конце плавки осуществляют легирование элементами, имеющими высокое сродство к кислороду – титана, алюминия и др.

При плавке в индукционных печах с кислой футеровкой при высоком перегреве расплава также реализуется кремневосстановительный процесс:

(SiO₂) + 2 [C] = [Si] + 2 {CO}.

При этом прирост содержания кремния эквивалентен убыли содержания углерода в расплаве:

∆ [Si] = 28/24 ∙ ∆ [C],

где 28 – атомная масса кремния, а 24 – масса двух атомов углерода.

В случае плавки стали методом переплава шихта, практически, полностью состоит из возвратных отходов, в том числе легированных. Прочие компоненты шихты (науглероживатели и легирующие материалы) используют только для компенсации угара элементов, доводки стали по химическому составу. Поэтому завалку производят только из возвратных отходов. После их расплавление осуществляют корректировку стали по химическому составу и температуре.

Раскисление стали при индукционное плавке осуществляют теми же раскислителями, что и при дуговой плавке – ферромарганец, ферросилиций, силикокальций, алюминий, титан и РЗМ (церий, иттрий и др.). Сохраняется и последовательность ввода раскислителей в расплав. Небольшое отличие связано с тем, что при выплавке стали в индукционных печах малой вместимости конечное раскисление осуществляют как в ковше при выпуске стали в ковш, так и в печи перед выпуском плавки.

Плавку с окислением применяют только при индукционной плавке в печах с основной футеровкой при необходимости выплавки сложнолегированных сталей и сталей для отливок особо ответственного назначения, в том числе с особо низким (≤ 0,05 %) содержанием углерода. В этом случае плавку осуществляют с проведением окислительного и восстановительного периодов. Завалку составляют из стального лома и возвратных отходов. Для формирования шлака используют смесь, состоящую из 65 % обожженной извести, 20 % магнезитового порошка и 15 % плавикового шпата.

Окислительный период проводят после расплавления шихты путем продувки расплава кислородам. При этом происходит окисление углерода и обусловленное этим рафинирование расплава от растворенных газов и неметаллических включений. При выплавке сталей с особо низким содержанием углерода решается главная задача – максимальное необратимое обезуглероживание расплава (до 0,02 % С). При продувке расплава кислородом окисляется и переходит в шлак часть фосфора. Если фосфорсодержащий шлак не содержит дорогостоящих легирующих элементов, то его скачивают и наводят новый. При этом достигается и необратимая дефосфорация расплава. Если этот шлак содержит ценные легирующие элементы, а также если содержание фосфора в шихте не является лимитирующим фактором, то шлак окислительного периода не скачивают. В этом случае при последующем проведении восстановительного периода фосфор, наряду с легирующими элементами, восстанавливается и обратно возвращается в шлак.

Восстановительный период проводят путем одновременного раскисления расплава и шлака. Для этого в расплав вводят кусковые ферросилиций и алюминий, а на шлак дают присадки порошкообразных ферросилиция и алюминия. В дальнейшем осуществляют легирование, доводку по химическому составу и температуре. Конечное раскисление алюминием осуществляют в печи или ковше, а силикокальцием и РЗМ (если это регламентировано) – при выпуске плавки в ковш.