19. Выплавка стали в индукционных и вакуумно-индукционных печах.

Плавка стали в индукционных печах

Индукционные печи нашли широкое применение при выплавке стали в цехах мелкого литья. Наша промышленность выпускает печи: высокочастотные (100…200 кГц); средней частоты (500...1000 Гц); промышленной частоты (50 Гц). Для преобразования частоты применяются вращающиеся (ВПЧ) и тиристорные (ТПЧ) преобразователи частоты. Последние обеспечивают существенную экономию затрат из-за компактности расположения, а также способствуют снижению шума в цехе. Кроме того, при использовании ТПЧ ток индуктора и частота регулируются автоматически в зависимости от состояния металла в печи и степени заполнения ее шихтой. Печи средней частоты позволяют увеличивать подводимую мощность по сравнению с печами промышленной частоты, что приводит к снижению времени расплавления шихты.

Главной частью печи является индуктор 1, выполненный в виде многовитковой спирали, изготовленной из медной водоохлаждаемой трубки и закреплен в каркасе 3(рис. 2.9). Тигель 2, в зависимости от вместимости печи, выполненный набивным способом из огнеупорного увлажненного порошка либо выкладывается огнеупорным кирпичом и установлен на плиту 6 из огнеупорного бетона. Выпуск стали производится через сливной носок 4 при повороте печи вместе с каркасом относительно оси 5.

Принцип работы индукционных печей основан на поглощении электромагнитной энергии материалом шихты, которая загружена в тигель, помещенный в переменное электромагнитное поле. Под действием этого поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости (вихревые токи). Нагрев и расплавление происходит в результате необратимого перехода энергии индуктированного переменного электрического поля в тепловую энергию. Электрическая энергия индуктора передается к шихте бесконтактно, а тепло выделяется непосредственно в шихте, что существенно повышает эффективность работы этих печей по сравнению с печами с внешними источниками нагрева.

Основные преимущества индукционных плавильных печей перед дуговыми электропечами следующие:

Угар легирующих элементов, присутствующих в шихте и ферросплавах, незначительный.

Хорошее перемешивание жидкого металла способствует выравниванию температуры по всему объему ванны и обеспечивает большую однородность химического состава стали.

Нет науглероживания металла от электродов. Это позволяет переплавлять высоколегированные отходы без добавок низкоуглеродистой заготовки.

Высокая вязкость шлаков их малая жидкоподвижность способствует защите металла от проникновения газов (водорода и азота) из атмосферы.

Компактность самой печи позволяет помещать ее в закрытые емкости, где возможно создавать не только необходимую атмосферу, но и вакуум, т.е. можно вести плавку и разливку металла под вакуумом.

Недостатков у индукционных печей немного:

Трудность проведения процессов десульфурации и дефосфорации из-за высокой вязкости шлака и его низкой температуры.

Относительно невысокая стойкость футеровки.

весьма высок расход электроэнергии на плавку.

Для плавки стали в индукционных печах требуется относительно чистая по сере и фосфору шихта. Выплавку ведут чаще всего методом переплава. Состав шихты должен обеспечивать по расплавлении содержание всех элементов, близкое к заданному в готовом металле. В этих печах выплавляют все марки стали, в том числе легированные и высоколегированные с практически полным сохранением дефицитных дорогостоящих легирующих элементов (никель, молибден, вольфрам, хром и др.). Всю плавку можно разделить на два периода: расплавление и доводка, причем последняя обычно не превышает 30 минут.

При производстве стальных отливок преимущественно применяют печи с кислой футеровкой. При этом в первые 5…6 мин мощность печи увеличивают постепенно. Затем мощность поднимают до максимальной, добиваясь быстрого расплавления шихты. Этот процесс желательно вести под шлаком, состав которого подбирают таким образом, чтобы он не смешивался с расплавленным металлом, т.е. шлак должен обладать высоким поверхностным натяжением. Нагрев шлака в печи происходит от металла, т.е. он всегда холоднее металлического расплава. Увеличения активности шлака можно достичь повышением его жидкоподвижности присадками плавикового шпата.

Шлак наводят на протяжении всей плавки в соответствии с технологией, выбранной для данной марки стали. Густой шлак удаляют с поверхности металла как правило за счет «намораживания» на металлический стержень и наводят новый с помощью шлакообразующих материалов. Например, для кислой печи используют смесь, состоящую из 70 % формовочной смеси, 25 % молотой извести и 5 % плавикового шпата или боя оконного стекла; для основной печи – 24…26 % кремнезема, 34 …36 % глинозема и 38…42 % извести с добавками ферросилиция или алюминия. В печах вместимостью до одной тонны процесс идет очень быстро, поэтому окисляемость шихты незначительна.

После расплавления всей шихты мощность печи обычно снижают на 70…80 %, берут первую пробу металла на химический анализ, удаляют шлак и наводят новый. Для получения стали заданной марки проводят легирование металла ферросплавами или чистыми металлами. Например, ферросилиций вводят в металл не раньше, чем за 10 мин до выпуска, ферротитан – за 2…3 мин, а ферровольфрам, феррохром, ферромолибден, медь, никель загружают в печь вместе с исходной шихтой.

Перед выпуском печь выключают. Можно давать выдержку 5…10 мин. Металл выпускают в прогретый ковш, а сверху засыпают шлаковой смесью, состоящей из кварцевого песка и дробленой извести.

В кислых печах плавку ведут форсированно. Шихтовыми материалами служат возврат производства, стальной лом, электродный бой, ферросплавы или легирующие добавки. Углеродосодержащие добавки, никель, хром и вольфрам дают в завалку. Шлак наводят смесью следующего химического состава, %: бой стекла, песок – 65; свежеобожженная молотая известь – 25; молотый плавиковый шпат – 10. Количество смеси не превышает 5…6 % от массы металлошихты. Конечный шлак может иметь следующий состав,%: SiO2 – 40…50; Al2O3 – 15…25; MnO – 20…30; FeO – 10…15. Учитывая, что кислые шлаки не обладают десульфурирующей и дефосфорирующей способностью, следует применять чистые по сере и фосфору шихтовые материалы.

В случае ведения плавки методом окисления (преимущественно в основных печах) необходимо помнить, что в основном тигле окислительные процессы протекают довольно интенсивно из-за хорошего перемешивания металла.

Раскисление металла в индукционных печах может осуществляться тремя способами: введением твердых раскислителей непосредственно в жидкую ванну (марганец, кремний, алюминий, ванадий, титан и др.); проведением диффузионного раскисления (чаще для основных печей, твердый углерод дают на шлак); фильтрацией жидкого металла, осуществляемой пропусканием его через слой шлака (жидкие шлаки поглощают оксиды и освобождают металл от газов). Этот способ раскисления проводят в ковше.

2.5.1. Вакуумно-индукционная плавка (ВИП)

В целом ряде случаев получить высокий уровень эксплуатационных свойств металла в отливках невозможно не применяя вакуумной плавки. Это прежде всего относится к большой номенклатуре коррозионно-, жаростойких, жаропрочных, магнитных и других сталей. Такие стали чаще всего выплавляют в вакуумно- индукционных (ВИП) и вакуумно-дуговых (ВДП) печах.

ВИП обладает целым рядом преимуществ, а именно:

обеспечивает глубокую дегазацию, раскисление и рафинирование стали от неметаллических примесей за счет длительной вакуумной обработки;

позволяет выплавлять любые сложные по химическому составу стали и сплавы;

обеспечивает быстрое растворение легирующих добавок, чему способствует активное перемешивание ванны;

электромагнитное перемешивание способствует, наряду с быстрым растворением легирующих элементов, получению гомогенного расплава;

простота регулирования количества подводимой мощности обеспечивает быстрый нагрев металла до требуемой температуры с высокой точностью.

Применение вакуума способствует значительному повышению степени рафинирования металла, что обеспечивает увеличение длительной прочности жаропрочных сталей, уменьшает их склонность к межкристаллитной коррозии, улучшает свойства электротехнических сталей.

К недостаткам ВИП можно отнести: загрязнение металла материалом тигля. Его низкую стойкость (20-50 плавок), а также наличие холодных, не участвующих в процессе рафинирования, шлаков.

При ВИП в качестве шихты используют отходы производства, а также чистые металлические материалы. Плавильные тигли обычно изготавливают из плавленых огнеупорных материалов: магнезита, двуокиси циркония и глинозема. В качестве связующего чаще всего используют борную кислоту или жидкое стекло.

Как уже отмечалось, при плавке в ВИП наблюдаются нежелательное взаимодействие расплавленного металла с футеровкой тигля. Этот процесс ускоряется при повышении вакуума и температуры. Поэтому для футеровки чаще используют окись магния, тигли из которого обладают высокой стойкостью, огнеупорностью и слабым химическим взаимодействием с расплавленной сталью.