2.2.2 Плавильные печи

В сталелитейных цехах в качестве плавильных агрегатов используют различные печи - дуговые и индукционные тигельные электропечи, малые конвертеры, мартеновские печи, а также специальные плавильные печи - вакуумно-индукционные и вакуумно-дуговые, плазменно-дуговые, электронно-лучевые и электрошлаковые. Характеристика этих печей приведена в табл. 2.2.2.

Таблица 2.2.2 Характеристика плавильных печей для выплавки стали

Тип плавильного агрегата	Источник полу-чения высокой температуры	Окислитель	Рекомендуемая область применения
Дуговая электропечь с основной футеровкой	Электричество	Кислород дутья, воздух, железная руда	Углеродистые и легированные стали ответственного и особо ответственного назначения
Дуговая электропечь с кислой футеровкой	Электричество.	Воздух, железная руда	Углеродистые и низколегирован-ные стали различного назначения
Индукционная тигельная электропечь	Электричество	Воздух	Углеродистые и легированные стали для мелких и средних отливок различного назначения
Малый конвертер	Кислород дутья	Кислород дутья	Высокохромистые низкоуглеродистые стали
Мартеновская печь с основной и кислой футеровкой	Газообразное или жидкое топливо	Кислород дутья, воздух, железная руда	Углеродистые и низколегирован-ные стали для крупных и средних отливок общего назначения
Специальные печи	Электричество	-	Легированные стали со специальными и особыми свойствами

Достоинства и недостатки применения различных плавильных агрегатов при выплавке литейных сталей представлены в табл. 2.2.3.

Рис. 2.2.3 Достоинства и недостатки различных вариантов плавки литейных сталей

Вариант плавки	Достоинства	Недостатки
Основная электро- дуговая	Возможность использования рядовой шихты и эффективного удаления фосфора, серы и немета-ллических включений; низкий угар легирующих элементов	Низкая стойкость футеровки, пониженная производительность и повышенная себестоимость жидкой стали
Кислая электро-дуговая	Повышенная производительность, высокая стойкость футеровки, низкие эксплуатационные расходы	Невозможность удаления серы и фосфо-ра, повышенные требования к шихте; высокий угар легирующих элементов
Индукцион- ная тигельная	Высокая производительность, малый угар легирующих элементов, активное перемешивание	Затрудненность удаления фосфора и серы из-за низкой температуры и малой активности шлака, необходимость при-менения чистых шихтовых материалов
Конвертер- ная	Возможность глубокого обезуглероживания расплавов высокохромистых сталей	Необходимость предварительного приготовления в другой печи расплава стали-полупродукта
Основная мартеновская	Низкие требования к качеству шихты, возможность удаления фосфора и серы	Низкая производительность, необходи-мость обеспечения непрерывного режима работы, повышенные эксплуатационные расходы и низкие санитарно-экологические условия работы.
Кислая мартеновская	Высокое качество стали	То же и, кроме того, необходимость использования шихты с низким содержанием фосфора и серы
Плавка в специальных печах	Повышенное качество стали	Низкая производительность, высокие требования к шихте, малые массы метал-ла и высокая стоимость жидкой стали

Наиболее универсальными плавильными агрегатами для сталелитейных цехов являются дуговые электропечи. Они имеют вместимость от 0,5 до 100 т. Наибольшее применение получили печи вместимостью 3-50 т, технические характеристики которых приведены в табл. 2.2.4.

Таблица 2.2.4. Технические характеристики дуговых электропечей

Обозна-чение	Вместимость номинальная, т	Мощность трансформатора, кВ∙А	Расход электроэнергии, кВт ∙ ч / т	Диаметр электрода, мм	Производи- тельность, т / ч *
ДСП-3	3	2 000	515	200	1,3 / 1,6
ДСП-6	6	4 800	500	300	2.1 / 3,0
ДСП-12	12	9 600	470	350	3,6 / 5,2
ДСП-25	25	15 000	460	400	6,3 / 9,3
ДСП-50	50	24 000	440	500	12,5 / 14,3

* в числителе и знаменателе – соответственно для основного и кислого вариантов плавки

Дуговые электропечи лучше других плавильных агрегатов приспособлены для плавки стали в условиях литейных цехов, так как позволяют быстро приготовить сталь практически любой марки требуемого качества и необходимого количества. При этом в них можно полностью утилизировать отходы собственного производства и переработать как компактный, так и стружечный металлический лом.

По конструкции они бывают с выкатным подом и с откатным или поворотным сводом (Рис. 2.2.1). Последние нашли большее применение ввиду большей компактности и простоты конструкции. Дуговая электропечь состоит из корпуса, футерованного изнутри огнеупорным материалом, и съемного куполообразного свода с отверстиями для электродов, также футерованного огнеупорным материалом. Подовая часть корпуса имеет сферическую форму, футеровку на ней формируют набивкой порошкообразных огнеупорных материалов со связующими. Боковые стены имеют наклон к вертикали в 15-20^о и выкладывают их из огнеупорных кирпичей. В корпусе печи имеется рабочее окно, закрываемое дверкой, а на противоположной стороне размещается выпускное отверстие (лётка) и желоб. Рабочее окно используют для обслуживания печи в процессе плавки - скачивания шлака, ввода шлакообразующих и легирующих материалов, раскислителей, а также взятия проб для экспресс-анализа и т. д. Выпускное отверстие и желоб предназначены для выпуска стали, а также слива остатков шлака.

Электроды в дуговых печах применяют угольные графитированные круглого сечения и различного диаметра в зависимости от вместимости печи и мощности трансформатора (См. Табл. 2.2.4).

Шихту загружают на подовую часть печи. В ней же накапливается жидкий металл. В начале плавки электрическая дуга горит между шихтой и электродами, а после расплавления шихты – между расплавом и электродами.

Корпус печи опирается на секторную люльку, который с помощью гидро- или электропривода позволяет осуществлять наклон печи в сторону рабочего окна на 12^о для скачивания шлака по ходу плавки, а в сторону выпускной летки – до 42^о при выпуске стали, а при скачивании шлака – до 120^о. Печи оснащены механизмами подъема-поворота свода, зажима и перемещения электродов, а также системами автоматического поддержания электрической дуги, водоохлаждения (корпуса, свода и сводового электродного кольца), газоотсоса и газоочистки.

В зависимости от марки выплавляемой стали и качества поставляемого стального лома применяют дуговые электропечи с основной или кислой футеровкой. Основную футеровку формируют из магнезитовых огнеупоров: стены и свод выкладывают соответственно магнезитовым и хромомагнезитовым кирпичом, а рабочий слой подины и откосов набивают смесью магнезитового порошка со смоляным или пековым связующим. Кислую футеровку формируют с использованием динасового кирпича и смеси кварцитового порошка или кварцевого песка с жидким стеклом и огнеупорной глиной.

Дуговые печи с основной футеровкой имеют более широкие металлургические возможности, так как позволяют осуществлять процессы дефосфорации и десульфурации, без ограничений реализовать окислительные и восстановительные процессы, выплавлять практически любые марки литейных сталей. Наиболее целесообразно их применять для выплавки высоколегированных сталей со специальными свойствами, а также конструкционных сталей повышенного качества. В этих печах выплавляют около 35 % всей электростали, идущей на производство стального литья. Это главным образом высокомарганцевые стали ( 20 %), высокохромистые и хромоникелевые коррозионностойкие, жаропрочные и жаростойкие стали ( 5 %). Остальные 10 % приходится на углеродистые и легированные конструкционные стали с особо низким содержанием фосфора и серы, предназначенные для изготовления отливок особо ответственного назначения, в частности, тяжелонагруженных и хладностойких.

Дуговые печи с кислой футеровкой, несмотря на невозможность проведения в них операции дефосфорации и десульфурации, получили в литейных цехах большее распространение. Их преимущество перед электропечами с основной футеровкой заключаются в следующем:

~ более низкая стоимость кислых огнеупоров (динасового кирпича, кварцитового порошка и кварцевого песка) в сравнении с основными;

~ более высокая их стойкость к теплосменам и обусловленный этим более длительный срок службы в условиях частых перерывов в работе печей, что характерно для литейного производства;

~ возможность формирования более глубокой ванны расплава (из-за отсутствия необходимости проведения процессов дефосфорации и десульфурации) и уменьшения удельной поверхности металл-футеровка и металл-шлак, через которые происходят теплопотери;

~ более высокий тепловой к.п.д. за счет уменьшения теплопотерь, вследствие более низкой теплопроводности кислых огнеупоров и кислых шлаков, а также уменьшения удельной поверхности теплоотвода;

~ более высокая производительность за счет ускоренного нагрева и плавления металла, сокращения окислительного периода и исключения операции дефосфорации и десульфурации;

~ снижение расхода электроэнергии и электродов;

~ самораскисление жидкой стали вследствие восстановления кремния из SiO₂ футеровки и шлака углеродом расплава и большая чистота стали по неметаллическим включениям.

Однако, в дуговых печах с кислой футеровкой нельзя выплавлять стали, легированные повышенным количеством марганца, а также титаном, цирконием и алюминием. Это обусловлено тем, что марганец при плавке неизбежно окисляется с образованием основного оксида MnO, который активно взаимодействует с кислым оксидом SiO₂ с формированием легкоплавких силикатов и размывает кислую футеровку. А титаном, цирконием и алюминием восстанавливают кремний из SiO₂ футеровки, разрушая ее и одновременно обогащая расплав кремнием.

В последние годы в литейных цехах активно осваивают дуговые печи постоянного тока (Рис 2.2.3), которые отличаются тем, что в них используется однофазный прямой ток. При этом они имеют один графитовый электрод, который служит катодом. Роль анода в этих печах выполняет шихта или расплав, к которым ток подводят через один или несколько подовых медных электродов. Благодаря применению постоянного тока электрическая дуга горит стабильно (без затухания и зажигания в соответствии с частотой тока). А вследствие протекания тока через толщу (слой) расплава обеспечивается активное его перемешивание, что способствует снижению местного перегрева, лучшему усвоению добавок и равномерному распределению компонентов.

Технические характеристики дуговых печей постоянного тока представлены в табл. 2.2.5.

Таблица 2.2.5 Технические характеристики дуговых печей постоянного тока

Показатели	Вместимость печи, т
	0,1	0,25	0.5	1,5	3,0	6,0	12	25	50
Мощность, кВА	140	400	630; 1000	1600	2500	5000	9600	18360; 25600	43200
Удельный расход электроэнергии, Вт∙ч/т	735	590	560; 574	540	530	500	495	405	380
Время расплавления с перегревом, ч	40	30	32 / 21	36	46	50	60	45	36
Угар металла, % (не более)	-	-	2	-	-	3	3	2,5	-
Расход электродов, кг/т (не более)	-	-	1,5	-	-	1,5	1,5	1,5	-

Дуговые печи постоянного тока имеют следующие преимущества перед аналогичными печами переменного тока:

~ более низкий расход электродов (в 2-3 раза);

~ снижение угара металла (до 2-4 %);

~ лучшее усвоение ферросплавов (на 15-20 %);

~ снижение количества пылевыбросов (в 6-8 раз);

~ снижение уровня шума (на 15-20 децибел);

~ снижение фликер-эффекта (на 50 %).

Индукционные тигельные электропечи применяют в литейных цехах с небольшим объемом производства стального литья, наиболее часто - в условиях литья по выплавляемым моделям. При этом преимущественно используют печи с кислой футеровкой, поскольку они дешевле и более стойки к теплосменам и в них можно выплавлять практически все основные марки сталей. Только стали, содержащие алюминий, титан и марганец, следует выплавлять в индукционных тигельных печах с основной футеровкой. Это обусловлено тем, что, как и в дуговых печах, алюминий и титан восстанавливают кремний из SiO₂ футеровки, разрушают ее и одновременно обогащают расплав кремнием. А легированные марганцем стали при плавке образуют шлаки с высоким содержанием MnO, которые активно взаимодействует с кислым оксидом SiO₂ и размывают футеровку.

Технические характеристики современных тигельных индукционных печей для выплавки сталей приведены в табл. 2.2.6.

Таблица 2.2.6 Технические характеристики индукционных тигельных печей для выплавки сталей.

Марка печи	Вместимость, т	Мощность, кВт	Частота, Гц	Производитель- ность, т / ч	Расход электроэнергии, кВт ∙ ч / т
ИСТ-006	0,06	100 / 160	2400	0,13 / 0,24	1000-1500
ИСТ-016	0,16	160 / 250	2400	0,27 / 0,41	1000-1500
ИСТ-0,25	0,25	250 / 320	2400 / 1000	0,38 / 0,47	850-900
ИСТ-0,4	0,4	320 / 500	1000	0,44 / 0,78	850-900
ИСТ-1,0	1,0	500 / 800	1090 / 1000	0,79 / 1,30	775-800
ИСТ-2,5	2,5	2240	500	3,0	775-800
ИСТ-6	6,0	2240	500	3,0	725
ИСТ-10	10,0	2730	1000	5,0	640

Тигельные печи питаются токами средней (500-1000 Гц) или повышенной частоты (1000-2500 Гц), для чего используются вращающиеся (машинные) или тиристорные преобразователи. Собственно печь состоит (Рис. 2.2.4) из полого водоохлаждаемого кольцевого многовиткового медного индуктора 1, подключенного к источнику тока через медные шины, и размещенного внутри него набивного тигля 2 из огнеупорного материала. Индуктор и тигель устанавливают на огнеупорное основание 6 и закрепляют в каркасе 3. При этом печь можно поворачивать вокруг оси 5 для слива шлака и выпуска плавки через носок 4. Для этого используют гидравлический или электрический привод.

Шихту загружают в тигель. При пропускании переменного тока по индуктору в полости тигля как внутри катушки создается переменное электромагнитное поле, которое возбуждает в кусковых шихтовых материалах вихревые токи. При этом высокое электрическое сопротивление компонентов шихты вызывает активное выделение в них теплоты, достаточное для быстрого нагрева и расплавления шихты, а также перегрева жидкой стали.

Шлак имеет низкую электрическую проводимость. Поэтому в нем эффект возбуждения вихревых токов и выделения теплоты практически не проявляются. Вследствие этого шлак, в отличие от электродуговой плавки, имеет более низкую температуру, чем расплав. Это не позволяет активно проводить процессы дефосфорации и десульфурации жидкой стали.

Достоинствами индукционных тигельных печей являются: малый угар шихты и легирующих элементов, активное перемешивание расплава и возможность получения однородного по химическому составу и температуре жидкого металла. Недостатками этих печей являются: малоэффективность проведения процессов дефосфорации и десульфурации из-за низкой температуры шлака, а также недостаточная стойкость футеровки.

Конвертеры в настоящее время как самостоятельные плавильные агрегаты для выплавки литейных сталей не применяют. Но их используют как агрегат дуплекс-процесса плавки высокохромистых низкоуглеродистых сталей. При этом в дуговой электропечи выплавляют расплав в виде полупродукта с практически любым содержанием углерода, но регламентированным содержанием кремния и хрома, а также фосфора и серы. Затем этот полупродукт заливают в конвертер, где осуществляют аргоно-кислородное рафинирование и получают легированную сталь с низким и сверхнизким содержанием углерода.

Мартеновские печи сохранились в старых литейных цехах, производящих крупнотоннажное литье. Ввиду их низкой производительности, высоких эксплуатационных расходов и санитарно-экологических недостатков они повсеместно заменяются более совершенными дуговыми электропечами.

Специальные плавильные печи, к которым относят вакуумно-индукционные и вакуумно-дуговые, плазменно-дуговые, электронно-лучевые и электрошлаковые, применяют в основном для выплавки сталей со специальными и особыми свойствами.

Вакуумно-индукционные печи бывают однокамерные и многокамерные. На рис. 2.2.5 представлена конструкция однокамерной печи.

Рис. 2.2.5 Схема вакуумной индукционной печи:

а – продольный и б – поперечный разрезы;

Плавильное устройство размещено в вакуумной камере. Камера 2 создается при совмещении откатного корпуса со стационарной стенкой. В откатном корпусе имеются смотровые окна 1, рубашка водяного охлаждения 3, дозатор 4 для ввода добавок и вакуумметр 9. К стационарной стенке смонтирован плавильный тигель 5 с площадкой 11 и токоподводящими шинами 7. Литейные формы крепят на площадке 11 с помощью откидной траверсы. Заливку форм осуществляют путем поворота тигля с площадкой при помощи электродвигателя 10 с редуктором поворотного механизма.

Вакуумно-индукционные печи в сравнении с индукционными печами имеют важное преимущество: в условиях глубокого вакуума (10-100 Па) эффективно реализуются экстракция из жидкой стали растворенных газов и её углеродное раскисление, что позволяет получать сталь с низким содержанием газов и высокой раскисленности без применения металлических раскислителей. Кроме того, отсутствие окислительной газовой среды позволяет выплавлять стали, легированные активными к кислороду элементами, с максимальным их усвоением и минимальных загрязнением расплава неметаллическими включениями.

Недостатком этих печей является развитие в условиях высокого вакуума нежелательного взаимодействия жидкой стали с футеровкой тигля. Этот процесс ускоряется при повышении вакуума и температуры. Следствием этого становятся загрязнение металла продуктами взаимодействия и снижение стойкости футеровки тигля ( не более 20-50 плавок). Для максимального ограничения указанного взаимодействия и повышения стойкости тигля его изготовляют из наиболее высококачественных оксидных материалов - плавленых MgO, Al₂O₃ и ZrO₂, которые обладают высокой огнеупорностью и слабым химическим взаимодействием с расплавом стали.

Вакуумно-дуговые печи (Рис. 2.2.6) также размещаются в вакуумной камере 1. Плавку осуществляют в водо-охлаждаемом тигле 2, имеющем намороженный слой выплавляемой стали (гарнисаж) 3. Расплав стали получают оплавлением электрической дугой постоянного тока расходуемого электрода 4, в качестве которого используют предварительно отлитую цилиндрическую заготовку из той же стали. Остаточное давление в вакуумной камере составляет 0,1…1,0 Па. Заливку стали в литейную форму 5 осуществляют в вакууме.

Рис. 2.2.6 Схема устройства вакуумно-дуговой печи

Сами печи имеют сложное и дорогое оборудование, невысокую производительность. Себестоимость отливок в 3…5 раз выше, чем при обычной электродуговой плавке. Но отливки получаются высокого качества: с минимальным содержанием растворенных газов, неметаллических включений и примесей цветных металлов; с высокими и стабильными параметрами механических свойств; без дефектов в виде газовых раковин и плен. Поэтому такие печи используют при изготовлении литых деталей особо ответственного назначения (для аэро-космической техники, энергетического и транспортного машиностроения, химической и др. отраслей промышленности).

Электронно-лучевые печи по конструкции похожи на вакуумно-дуговые печи (Рис. 2.2.7).

Рис. 2.2.7. Электронно-лучевая печь

Плавку осуществляют в водо-охлаждаемом гарнисажном тигле 4, который размещен внутри вакуумной камеры 7. Расплав стали получают оплавлением предварительно отлитой заготовки 3 из той же стали. Расплавление осуществляют за счет энергии электронного луча 2, генерируемого в электронной пушке 1. Обычно печи работают на постоянном токе при остаточном давлении 0,01...0,1 Па. В водоохлаждаемой гарнисажной печи установлены одна или несколько электронных пушек, с помощью которых наплавляют порцию металла. Затем печь наклоняют и сталь заливают в водоохлаждаемую форму. При этом одни пушки обогревают ванну, другие - носок тигля, литник или приемную воронку. Особенно это необходимо при литье высоколегированных сталей.

Плазменно-дуговые печи внешне похожи на дуговые печи постоянного тока (Рис. 2.2.8): так же имеют подовый водо-охлаждаемый электрод 2 и работают на постоянном токе. Но вместо энергии электрической дуги для расплавления шихты и получения расплава стали 3 используют энергию плазмы, которую генерируют специальные устройства - плазмотроны 1.

Рис. 2.2.8 Плазменно-дуговая печь

Для выплавки сталей используется так называемая низкотемпературная плазма (10000...30000 ⁰С) со степенью ионизации около 1 %. Генератор плазмы плазмотрон состоит из водоохлаждаемого корпуса с крышкой, катода с вольфрамовым наконечником и медного анода с отверстием в виде сопла. Струя ионизированного газа вытекает из сопла, отрывает дугу от него и замыкает цепь на металле (шихте или жидкой стали). Длина плазменной дуги может достигать 1...2 м. Высокая температура плазмы обеспечивает высокую скорость плавления и нагрева металла. А большая длина дуги, при устойчивом горении, вне зависимости от обвалов шихты и всплесков жидкой стали способствует хорошей работе всего агрегата.

Плазменно-дуговые печи позволяют выплавлять особо низкоуглеродистые стали, так как в них нет угольных электродов. В печах создают нейтральную атмосферу, что способствует получению стали с низким содержанием газов и неметаллических включения и обеспечивает высокую степень усвоения легирующих компонентов шихты.

Электрошлаковые печи имеют электрическую схему питания (рис. 2.2.9) сходную с вакуумно-дуговой печью.

Рис. 2.2.9 Печь электрошлаковой плавки

Фазы электрического тока подсоединены к расходуемому электроду 1 и водоохлаждаемой литейной форме 5. Но принцип действия этих печей отличается: расходуемый электрод погружен в слой жидкого электропроводящего шлака 2. К электроду и изложнице подводят переменный электрический ток, который, проходя через слой шлака, нагревает его до температуры 1600...2000 ⁰С. При этом часть тепла передается электроду, торец его расплавляется. Капли металла проходят через слой шлака и очищаются от вредных примесей, прежде всего от серы и неметаллических включений, и образуют жидкую ванну (лунку) 3. Расплав в изложнице затвердевает направленно снизу вверх, обеспечивая получение качественной литой заготовки 4. При этом шлак, затекая в зазор между изложницей и литой заготовкой, образует шлаковая корочка (гарнисаж). Вследствие этого заготовка имеет гладкую поверхность. В качестве шлака используют смесь на основе CаF₂ с добавками Al₂O₃, CaO и MgO. Образующийся шлак должен иметь относительно низкую температуру плавления (1320-1450 ºС) и удельное электросопротивление при рабочих температурах в пределах 0,001-0,005 Ом·м. При изготовлении фасонных отливок метал плавят электрошлаковым методом в тигле, а затем его сливают в литейную форму. Этот способ не уступает по экономическим показателям индукционным тигельным печам. Методом электрошлакового кокильного литья получают отливки ответственного и особо ответственного назначения.