2.11 Производство стали в индукционных печах и установках для переплава

Индукционные печи:

Индукционные печи предназначены для расплава металлаПреимущества: - активое перемещение металла и высокая однородность расплава- возможность зонного перемещения ( фокусирования энергии) в печи- отсутствие угара легирующих элементов- широкие технические возможности при большов выборе емкости печи, типе футировки и рабочей частоте печи- точная регулировка температуры расплава-высокая скорость плавки-возможность плавки и выдержки металла в одном печном агрегате-мгновенная готовность к работе-малые удельные показатели потребления электроэнергии на тонну выплавляемого металла-экологически чистый и безопасный для человека технологический процесс-плавка цветных металлов в набивном тигле.

Выплавка стали в открытых и вакуумных индукционных печах:

При выплавке коррозионностойких медьсодержащих сталей типа ОХ23Н28МЗДЗТ руководствуются следующими расчетными содержаниями элементов в шихте, %: С < 0,03, Мп 0,5, Si 0,4, Сг 23,5, Ni 27,5, Mo 2,75, Си 3,0, Ti 0,7. В качестве шихты, добавок и раскислителей используют отходы стали выплавляемой марки или отходы стали с подходящим химическим составом, и паспортную шихтовую болванку в количестве до 80 % от массы плавки, мягкое железо, никель (не ниже марки Н-1), феррохром безуглеродистый (ФХ006) или хром металлический, молибден металлический или его отходы, ферромолибден, никельмолибденовую и железомолибденовую лигатуры, медь электролитическую и ни-кельмедную лигатуру, марганец металлический, кремний кристаллический и 65...75 %-ный ферросилиций, никельмагниевую лигатуру, силикокальпий и кальций металлический, титан металлический, его отходы и титановую губку. Загрузку и расплавление шихты проводят по общей технологической инструкции. В конце периода расплавления в ОИП в жидкий металл вводят медь. После полного расплавления (плавка с отходами) отбирают пробу металла для определения содержания титана или полного химического состава. После нагрева металла до температуры выше 1500°С шлак не скачивают и раскисляют присадками боркалька (5... 10 кг/т) и алюминиевого порошка (3...6 кг/т). После посветления шлака в металл присаживают марганец и кремний. За 5...8 мин до выпуска вводят технологические добавки магния и кальция в виде никельмагниевой лигатуры и силикокальция (металлического кальция). При необходимости проверяют пластичность металла ковкой проб на квадрат 10... 15 мм с загибом на 180°С. В стали, содержащие титан, последний вводят за 5...10 мин до выпуска. Технологическую присадку титана на сталях, не легированных титаном, осуществляют за 3...5 мин до выпуска. На сталях типа ОХ23Н28МЗДЗТ металлический кальций присаживают в ковш на 0,1...0,4% без учета угара. Продолжительность рафинирования выдерживают в течение 20...25 мин. Температура металла перед выпуском 1540...1580°С. Металл разливают сверху в изложницы без смазки для слитков массой до 1 т с защитой струи аргоном и электрообогревом прибыльных частей. В ОИП выплавляют широкий марочный сортамент железоникелевых сплавов с высокой и повышенной магнитной проницаемостью, с высоким удельным электросопротивлением, с постоянным коэффициентом линейного расширения, с термокомпенсационными и особыми свойствами. Сплавы типа 50Н и 29НК выплавляют по усовершенствованной технологии. В качестве составляющих шихты используют прокаленный никель ( 3 мм и светлую ровную поверхность без выступов и наплывов. Карбонильный никель сушат при температуре ~ 1000°С в течение 1 ч, охлаждают с печью до 200°С и далее на воздухе. После сушки никель хранят в сухом помещении и используют на выплавку в течение 1 суток. Мягкое железо применяют в виде защищенных от окалины и ржавчины заготовок с содержанием кислорода и азота < 0,03% и < 0,010%, соответственно, и с минимальной примесью серы и фосфора. По качеству хром металлический должен соответствовать марке Х-28, а феррохром марке ФХ006. Применяют кобальт марки К—2, алюминий не ниже марки А—7, марганец металлический, соответствующий маркам MP—2 и MP—1. Кроме этого, используют медь катодную или никельмедную лигатуру, титан металлический или его отходы, никельмагниевую лигатуру, силикокальций или кальций металлический, ферробор, бористую лигатуру. В завалку используют собственные отходы и отходы паспортной болванки до 50 % от массы плавки, в том числе стружки до 20 %. Загружают и расплавляют шихту в соответствии с общей технологической инструкцией. После расплавления шихты и нагрева металла до 1500...1520°С снимают шлак периода расплавления и завозят новый из стандартной шлаковой смеси. Продолжительность расплавления шихты в титле вместимостью 500 кг составляет < 75 мин. Момент снятия шлака считают началом рафинировки. Новый шлак раскисляют порошкообразнымисиликокалышем, 75 %-ным ферросилицием или боркальком. При выплавке сплавов типа 50Н для разливки на машине непрерывной разливки (МНР) в листовую заготовку шлак раскисляют комбинированно —вначале боркальком (3 кг/т), затем силикокальцием (3 кг/т). Усвоение кремния металлом из крем-несодержащихраскислителей 50%. На сплаве типа 29 НК расходуют для раскисления шлака ферросилиций 2...4 кг/т и боркальк 4...6 кг/т. Марганец и ферросилиций присаживают в металл после посветления шлака. В сплавах, легированных алюминием, последний вводят в металл после усвоения марганца и ферросилиция. При выплавке руководствуются рекомендованным расчетным содержанием легирующих элементов для сплавов 50 Н — 0,26 % Si, 0,5 % Мп, 49,70 % Ni, 29 НК - 0,22 % Si, 0,35 % Мп, 29,2 % Ni, 17,5 % Со. В указанные сплавы в качестве технологических присадок вводят по расчету за 3...5 мин до выпуска до 0,1 % Ti, 0,05 % Mg и до 0,025 % Са. Продолжительность рафинировки 20...30 мин. Температура металла перед выпуском 1520...1580°С (для сплава 29 НК —1520...1550°С). При выпуске металл сливают без шлака на 3/4 ковша. Перед разливкой разрешается обработка металла вакуумом и аргоном. Металл разливают в слябы (МНР), сутунки (кокили) и в изложницы (слитки массой до 1000 кг). Изложницы и кокили для отливки сутунки чистят, но не смазывают. Разливку в слитки проводят в атмосфере аргона, в кокили с применением сухих деревянных планок, закладываемых в кокиль перед разливкой. Для утепления прибыльных частей слитков используют электрообогрев. Слитки сплавов типа 29 НК после выгрузки из изложниц охлаждают в колодцах не менее 8 ч. Слитки остальных марок охлаждают на воздухе. Для правильного функционирования тигельной индукционной печи промышленной частоты необходим полунепрерывный режим работы. В качестве примера можно назвать режим плавки индукционной печи емкостью 60 т, в которой через каждые 10 мин отбирается 6 т, или 10 % емкости печи, и загружается такое же количество шихтовых материалов. Такие показатели типичны для литейного цеха, в сталеплавильном цехе для оптимального использования индукционной печи емкостью 60 т следовало бы выпускать примерно 20...30 т через каждые 30-60 мин. Полунепрерывный режим работы влечет за собой следующие преимущества: 1) нагрузка на огнеупорную футеровку от перемены температур сокращается до минимума. Это существенно уменьшает возможную в ином случае опасность образования трещин в основной футеровке; 2) расплавление шихтовых материалов в уже имеющемся расплаве предотвращает окисление материала, который иначе подвергался бы действию печной атмосферы в процессе нагрева до температуры плавления; 3) достигается лучшая приспосабливаемость к непрерывному режиму работы машин непрерывного литья заготовок, чем при периодических выпусках плавок; 4) благодаря меньшей массе выпускаемой плавки сталеразливочные краны и пролетные конструкции могут быть облегчены. Применение индукционной тигельной печи желательно в первую очередь во всех тех случаях, когда предъявляются особые требования к ограничению воздействия плавильной установки на окружающую среду, т. е. когда месторасположение характеризуется: — чувствительностью к выбросам, — чувствительностью к шуму, — малой мощностью имеющихся электрических сетей. С учетом различных способов выплавки стали имеются следующие возможности применения индукционных печей: 1) выплавка базовых плавок постоянного химического состава для дальнейшего передела в агрегатах, работающих на жидком металле, например в конвертерах AOD (для аргоно-кислородного обезуглероживания) или ОВМ (с донным дутьем). В большинстве случаев такой полупродукт можно выплавлять в печах с кислой футеровкой; 2) повторное использование собственных отходов в сочетании с переработкой дробленой стружки. Такой способ представляет особый интерес, потому что угар легирующих элементов может быть в значительной степени предотвращен. Возможность применения кислой футеровки зависит от химического состава жидкого металла; 3) переработка мелкокускового материала малой плотности (губчатого железа, стружки, скрапа после дезинтеграторов) при непрерывной завалке в жидкую ванну. При определенных процессах и определенном химическом составе возможно применение кислой футеровки, но в большинстве случаев требуется основная футеровка; 4) выплавка рядовых сталей с химическим составом, не изменяющимся в течение длительного времени, причем отдельные операции рафинирования могут быть осуществлены во время плавления, предпочтительно для квазинепрерывного снабжения машин непрерывного литья заготовок. При таком способе в общем случае предполагается наличие основной футеровки индукционной печи, за исключением переработки губчатого железа, полученного из руд с низким содержанием фосфора (менее 0,02 % по массе). Предпосылкой для применения этих способов в большинстве случаев должна быть возможность работы тигельной индукционной печи промышленной частоты в полунепрерывном режиме с интервалами между выпусками порядка 30—50 мин и при выпуске каждый раз около 30 % содержимого печи. В особых случаях при малом объеме производства может оказаться экономичным и применение плавочного режима (с выпуском всей плавки).

Емкость существующих вакуумных индукционных печей достигает 60 т.

Рисунок 6. Схема вакуумной индукционной печи полунепрерывного действия

Здесь показана схема вакуумной индукционной печи полунепрерывного действия.

Печи этого типа имеют три камеры: плавильную (2), загрузочную (8) и камеру

изложниц (1). В плавильной камере установлен водоохлаждаемый индикатор с

огнеупорным тиглем (3), в котором проводиться плавление шихты. Каркас тигля,

выполненный из уголков нержавеющей стали, опирается на цапфы. При сливе

металла и чистке тигля последний наклоняется с помощью механического или

гидравлического привода. Камера изложниц и загрузочная камера сообщаются с

плавильной камерой через вакуумные затворы (6 и 10), которые позволяют

загружать шихту в печь и выгружать слиток без нарушения вакуума в плавильной

камере. Присадка легирующих и раскислителей осуществляется через дозатор (9),

установленный на крышке печи (7). Для контроля процесса плавки печь снабжена

гляделкой (4) и термопарой (5).

Технология выплавки металла в вакуумной индукционной печи полунепрерывного

действия определяется маркой выплавляемой стали и качеством шихтовых

материалов. Для плавки применяют шихтовые материалы, очищенные от масла и

влаги. Для легирования используют ферросплавы и чистые металлы. Перед загрузкой

шихту предварительно прокаливают. После загрузки печи включают ток и

расплавление шихты ведут на максимальной мощности. При появлении первых порций

жидкого металла и при наличии в шихте углерода в печь напускают аргон до

давления 1,3 • 104 Па для предотвращения выплесков жидкого металла в

следствие бурного протекания реакции [C] + [O] = COгаз. После

полного расплавления шихты металл рафинируют при давлении 1,3 - 0,13 Па от

водорода, азота, кислорода и примесей цветных металлов. Раскисление стали

происходит в основном по реакции [C] + [O] = COгаз, равновесие

которой при низких давлениях сдвигается вправо. В период рафинировки

осуществляют также легирование металла. В первую очередь присаживают хром и

ванадий, потом титан. Перед разливкой в металл вводят алюминий, редкоземельные

металлы, кальций и магний. Для получения плотного слитка разливку проводят

обычно в атмосфере аргона.

Основным недостатком вакуумных индукционных печей является контакт жидкого

металла с огнеупорной футеровки тигля, что может приводить к загрязнению

металла материалом тигля.

Выплавка металла в установках для переплава: Способ электрошлакового переплава (ЭШП) был впервые разработан в Институте электросварки имени Е.О. Патона АН УССЕ и внедрен в промышленных условиях в 1958 г. Сущность процесса ЭШП состоит в переплаве металла расходуемого электрода в слое электропроводного флюса (шлака), размещенного в водоохлаждаемом металлическом кристаллизаторе, который устанавливается на водоохлаждаемый поддон (рис. 2)

Рис. 2. Принципиальная схема однофазной установки ЭШП (а) и распределение

тепла в шлаковой ванне при использовании флюса АНФ-6 (б): 1 — расходуемый электрод; 2 — водоохлаждаемый кристаллизатор; 3 — расплавленный шлак; 4 — слиток; 5 — ванна жидкого металла; 6 — шлаковый гарнисаж; 7 — понижающий трансформатор; 8 — поддон

Переменный ток проходит через электрод и шлак, который при высокой температуре становится электропроводным и разогревается до 1600—2000 °С. За счет выделения мощности в шлаковой ванне температура последней поддерживается более или менее постоянной (1700—2000 °С). Часть тепла шлаковой ванны передается погруженному в нее торцу электрода, который оплавляется, а капли металла, проходя через шлак, очищаются от вредных примесей. Химический состав применяемых флюсов отличается высокойосновностью. Наплавляемый в водоохлаждаемый кристаллизатор металл формируется в плотный слиток с однородной макроструктурой, отличающейся ровной гладкой поверхностью, которая не требует дополнительной механической обработки (обдирки) перед прокаткой, ковкой. Хорошая поверхность слитка, получаемого в установках ЭШП, связана с образованием на поверхности кристаллизатора шлакового гарнисажа. Высокая основность и температура шлаковой ванны обеспечивают высокую степень удаления серы (от 0,015—0,02 до 0,003—0,006%). Кроме того, при электрошлаковом переплаве из металла удаляются газы и неметаллические включения. Так, если сталь не содержит нитридообразующих элементов (титана, ниобия), то содержание кислорода снижается в 2 раза, водорода — в 1,5—2,0 раза, азота — в 1,5—2,5 раза, общее содержание неметаллических включений — в 2—Зраза. Необходимо отметить, что степень удаления газов при электрошлаковом переплаве стали меньше, чем при вакуумно-дуговой плавке. Процесс плавки включает следующие операции: вспомогательные (разгрузка слитка из кристаллизатора, установка расходуемого электрода и соединение его с головкой электрододержателя), наведение шлаковой ванны, наплавление слитка в кристаллизатор и выведение усадочной раковины. Шлаковая ванна может наводиться с применением твердого или предварительно расплавленного флюса. Для расплавления твердого флюса непосредственно в кристаллизаторе применяют специальные электропроводящие в холодном состоянии смеси. При этом перед загрузкой смеси на медный поддон кристаллизатора укладывают затравку - шайбу из углеродистой стали. Расход флюса независимо от способа наведения шлака составляет обычно 3-5 % массы слитка.

В конструктивном отношении установки ЭШП относительно просты по сравнению с ВДП, так как они работают в основном на воздухе и не требуют герметичности и сложных вакуумных откачных систем. Установка ЭШП включает следующие узлы: кристаллизатор, стойку-колонну, по которой с помощью специального механизма перемещается каретка элект-рододержателя или кристаллизатор, электрододержатель с механизмом зажима электродов, поддон, тележку для установки и отката кристаллизатора, устройство для сифонной заливки шлака в кристаллизатор (рис. 45).

Рис. 3. Схема (а) и общий вид (б) однофазной

одноэлектродной установки ЭШП

1 — электропечной понижающий трансформатор; 2 — расходуемый электрод; 3 — кристаллизатор; 4 — ванна жидкого шлака; 5 — шлаковая корочка (гарнисаж); 6 — слиток; 7 — тележка для выката слитка; 8 — механизм подъема каретки; 9 — каретка; 10 — механизм передвижения несущей конструкции; 11 — стойка; 12 — несущая конструкция Нижняя часть стойки-колонны используется как канал вентиляционной сиитемы для отсоса выделяющихся из кристаллизатора газов и пыли. Установки ЭШП нашли широкое применение в металлургии и машиностроении для получения слитков сплошного сечения цилиндрической, квадратной и прямоугольной форм (табл. 15). Наряду с получением слитков сплошного сечения метод ЭШП применяют, как было сказано выше, для выплавки полых слитков. Для этого созданы специализированные установки ЭШП. Схема выплавки полых слитков с расположением электродов в кольцевом зазоре, образуемом наружным и внутренним кристаллизаторами (дорном), является наиболее распространенной. При выплавке относительно коротких полых слитков целесообразно иметь внутренний кристаллизатор, подвижный относительно наружного кристаллизатора и поддона. Если внутренний кристаллизатор остается по ходу плавки неподвижным, то в этом случае поддон со слитком и наружным кристаллизатором должен подниматься вверх (рис. 47, в). Методом электрошлакового переплава получают также фасонные литые отливки ответственного назначения. Технологические возможности ЭШП велики, и они еще себя полностью не исчерпали.