§ 36. Электросталеплавильный способ производства стали
В электропечах выплавляют специальные стали и сплавы высокого качества. Для выплавки стали в качестве источника тепла применяется электрическая энергия, позволяющая получать высокие температуры до 3500°С, т. е. температуры электрической дуги. При использовании обычных видов топлива (уголь, газ, мазут) получить такую температуру в печи невозможно. Исходя из этого, плавку металлов и сплавов с высокой температурой плавления возможно осуществлять только в электрических печах.
Наибольшее распространение в электрометаллургии получили два способа выплавки стали в дуговых электропечах, в которых дуги горят между электродами и нагреваемым металлом, и в индукционных печах, в которых тепло выделяется непосредственно в нагреваемом металле под воздействием индуцированной электродвижущей силы.
Вследствие ряда преимуществ электрометаллургия получает все более широкое развитие, несмотря на то, что себестоимость электростали выше мартеновской и конверторной стал.
Первая в стране дуговая электропечь объемом 1,5 т стали была введена в действие в 1917 г. на заводе «Электросталь». В 1928г. в СССР было выплавлено 11 тыс. т Электростали, а в 1940 г. - 1079 тыс. т. Высокие темпы развития отечественной электрометаллургии были вызваны бурным развитием авиационной, автомобильной, судостроительной, радиотехнической и других отраслей промышленности, потребовавших большого количества специальных сталей и сплавов. В настоящее время доля электростали в общем объеме производства стали в стране составляет около 10%.
Основными шихтовыми материалами при выплавке электростали являются стальной лом, губчатое железо, легированные металлоотходы. передельный чугун, шлакообразующие окислители, раскислители, легирующие и науглероживающие составляющие. Стальной лом для электропечей не должен содержать примеси цветных металлов - меди и никеля.
Дробленый и прокаленный известняк используют для образования шлака в период плавления.
Сущность процесса плавки в дуговых печах основана на явлении, открытом в 1802 г. русским физиком академиком В. В. Петровым, и заключается в том, что если свести до соприкосновения два угольных электрода, соединенных с источником электропитания, а затем развести их на некоторое расстояние, то между ними возникает непрерывный разряд - электрическая дуга. Этот процесс сопровождается выделением большого количества тепла и ослепительно ярким свечением.
На рис. 93 схематично показаны последовательные этапы плавления металла в дуговой печи. Процесс условно разбит на четыре этапа, причем для упрощения показан только один из трех электродов 2.
I этап - дуги 3 горят на поверхности шихты 1, которая постепенно расплавляется около каждого из трех электродов. В этот период значительная часть тепла излучается на свод, и во избежание его оплавления к электродам подводят ток умеренной мощности;
II этап - электроды по мере расплавления шихты автоматически опускаются и дуги погружаются в шихту, при этом мощность тока, подводимого к электродам, увеличивается;
III этап - электроды прожигают в шихте колодцы и дуги горят между слоем жидкого металла, находящегося на подине печи и электродами. Количество жидкого металла увеличивается, а длины дуг уменьшаются, электроды при этом автоматически поднимаются и шихта между электродами расплавляется;
IV этап - почти вся шихта расплавлена и электрические дуги горят открыто над поверхностью шлака 4 и жидкого металла 5, тепловосприимчивость которых значительно меньше, чем твердой шихты. Излучение тепла yа стенки и свод печи увеличивается и во избежание подплавления -кладки мощность подводимого к электродам тока снижается.
Существуют также другие способы выплавка электростали. Так, например, стали особо ответственного назначения, к которым предъявляются повышенные и специальные требования, выплавляют в индукционных, вакуумных индукционных и вакуумно-дуговых печах с расходуемым электродом, в электрошлаковых и электроннолучевых печах.
Индукционный способ выплавки стали заключается в том, что процесс плавки осуществляется в тигле, причем источник тепла находится вне тигля, а тепло выделяется непосредственно в нагреваемом и плавящемся металле за счет тепловой энергии вихревых токов индуктированных расположенным вокруг тигля индуктором.
Рис.93. Последовательные этапы плавления метала в дуговой печи
Индукционная печь представляет собой своеобразный трансформатор, у которого первичной обмоткой служит индуктор, а вторичной - металлическая шихта в тигле. Шихту плотно укладывают в тигель, изготовленный из огнеупорных материалов. Тигель находится в индукторе, представляющем спираль с определенным числом витков из медной трубки; внутри трубки циркулирует охлаждающая вода. Питается индуктор от высокочастотного генератора переменного тока. Ток, высокой частоты индуктирует мощные вихревые токи в металле, находящиеся в тигле, при этом металл быстро нагревается и плавится. В тигле происходит электродинамическое перемешивание металла под влиянием индукционных вихревых токов, которое способствует выравниванию химического состава металла и всплыванию неметаллических включений.
Высокочастотная индукционная печь, кроме тигля и индуктора, состоит из съемного свода, кожуха, механизма наклона и электрического оборудования.
Индуктор изготовляют из медных трубок прямоугольного овального, круглого или шестигранного сечения, он имеет форму спирали. Ток высокой частоты подводится к индуктору водоохлаждаемым кабелем или шинами. Между тиглем и .индикатором имеется прокладка из нескольких слоев листового асбеста.
Футеровка тигля должна противостоять воздействию шлака и металла, обладать высокой термической стойкостью, объемные изменения огнеупорных материалов футеровки должны быть минимальными, так как температурный перепад достигает 1500-1600°С.
Механизм наклона печи бывает различной конструкции. Наклон печи осуществляют при помощи бинтов, кареток тельфера и других приспособлений. Кожух с печью .поворачивается на 90-95° вокруг горизонтальной оси, расположенной на уровне сливного носка печи.
Трехфазный двигатель, генератор повышенной частоты и динамомашина возбуждения соединены общим валом. К наружным зажимам генератора высокой частоты через выключатель подключен индуктор печи, причем параллельно с ним в цепь включены конденсаторы, одна группа подключена постоянно, а остальные конденсаторы разбиты на несколько групп и подключаются по мере надобности, так как магнитная проницаемость твердой шихты и расплавленного металла различна, а поэтому коэффициент мощности во время плавки не остается постоянным, изменяется довольно резко. Наличие конденсаторов в цепи выравнивает потребление энергии и улучшает к. п. д. установки. Емкость тиглей индукционных печей постоянно увеличивается. В настоящее время работают печи с тиглями емкостью 18 т и более. Длительность плавки индукционной печи емкостью 6 т составляет 2-2,5 ч, расход электроэнергии до 700 кВт-ч/т.
За последние годы Институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УОСР был создан новый способ, улучшающий качество специальных сплавов и сталей путем электрошлакового переплава расходуемых электродов в металлическом водоохлаждаемом кристаллизаторе.
В электрошлаковой печи расходуемый электрод плавится под действием тепла, выделяющегося в расплавленном шлаке при прохождении через него электрического тока. Переплав в дуговой печи ведут на постоянном токе в вакууме, а в электрошлаковой печи - на переменном токе под шлаком при атмосферном давлении.
Кристаллизация металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе происходит одновременно с переплавом.
Плавящийся металл электрода в виде мелких капель проходит через слой высокоосновного шлака, имеющего температуру более 2000°С, при этом происходит десульфурация металла, очищение его от неметаллических включений и дегазация, чему в значительной мере способствует также то, что кристаллизация слитка происходит по направлению сверху вниз.
Водоохлаждаемый кристаллизатор установлен на стальном поддоне, верхняя плитка которого выполнена из меди. Для автоматической подачи в кристаллизатор расходуемого электрода и для вытягивания слитка из кристаллизатора предусмотрены специальные механизмы. Сам кристаллизатор можно менять в зависимости от формы и размеров отливаемого слитка. Диаметр применяемых электродов обычно 300-400 мм, длина от 2 до 6 м. Соотношение диаметра слитка и расходуемого электрода колеблется в пределах от 1,2 до 3,0.
Чтобы полнее использовать электрод, в верхней его части приваривают цилиндрический брусок - хвостовик из другого (более дешевого) металла, который зажимается в суппорте механизма подачи электрода. Для выведения шлака используют флюсы двух типов - пусковой и рабочий. Пусковой флюс состоит из 80% алюмомагниевого порошка (термита) и 20% рабочего флюса. Он служит для наводки ванны жидкого шлака в начале плавки.
Перед началом плавки после тщательного осмотра кристаллизатора и поддона на последний устанавливают затравку в виде шайбы, поднимают поддон до упора в торец кристаллизатора, насыпают около 400 кг пускового термитного флюса и опускают электрод до соприкосновения с ним, а в кольцевое пространство между электродом и кристаллизатором засыпают рабочий флюс. Перед подачей напряжения включают насосы, подающие воду для охлаждения кристаллизатора и поддона. Через несколько минут после расплавления пускового, а затем рабочего флюса и стабилизации электрического режима включают автоматическую подачу электрода и механизм вытягивания слитка. Электрошлаковый переплав нержавеющих сталей снижает общее содержание газов в 2-2,2 раза. Сталь интенсивно очищается также от неметаллических включений.
Электрошлаковый переплав резко увеличивает длительную жаропрочность некоторых специальных сталей и практически не изменяет химического состава металла.
Слитки, изготовленные электрошлаковым способом, отличаются от обычных не только большей однородностью химического состава, но и отсутствием дефектов усадочного и ликвационного происхождения.
Электрошлаковый переплав может также быть применен для изготовления заготовок деталей несложной формы, например, валов, фланцев, полых слитков (гильз).
Затраты при эксплуатации установки электрошлакового переплава ниже, чем при вакуумной выплавке стали.
Одним из перспективных способов получения специальных сплавов и высококачественных сталей является электроннолучевая плавка.
Метод основан на использовании тепловой энергии, выделяющейся при бомбардировке расплавляемого металла быстрыми электронами.
При ударе потока разогнанных до больших скоростей электронов о поверхность металла кинетическая энергия электронов переходит в тепловую. Металл нагревается и плавится. Чем выше интенсивность потока электронов и их скорость, тем выше температура нагрева.
Источником потока электронов в электроннолучевой установке является электронная пушка. Катод, изготовленный из тугоплавкого металла, разогревается до температуры, достаточной для термоэмиссии электронов. Попадая в электрическое поле, электроны разгоняются. Для достижения необходимой скорости потока электронов в установке поддерживается глубокий вакуум. Для фокусировки потока электродов используется система электромагнитных линз. Сфокусированный элбктроный поток разогревает переплавляемый металл до температуры 3500-4000°С. Металл плавится и стекает в водоохлаждаемый кристаллизатор.
Высокая температура, глубокий вакуум, отсутствие источников загрязнения способствует получению металла высокого качества.
В СССР работает несколько электроннолучевых печей. Намечается строительство новых цехов с подобными печами.