5.4. Плавка стали

Плавка стали на машиностроительных заводах производится в электропечах (дуговых или индукционных), в которых можно получать высокую температуру, создавать желаемую атмосферу (окислительную, восстановительную, нейтральную и в редких случаях вакуум). Выплавляют сталь обыкновенного качества, качественную или высококачественную углеродистые стали. При особых требованиях выплавляют низко-, средне- и высоколегированные стали.

Качество стали определяется в основном содержанием вредных примесей (серы и фосфора). Уменьшить их содержание возможно только при основных шлаках, т. е. шлаках, обладающих основными свойствами. Напомним, что для этого используются печи с футеровкой, обладающей основными свойствами. Такие печи и плавильные процессы называются основными.

Плавка стали в основной дуговой электропечи

Дуговая плавильная печь (рис. 5.2): время плавки _пл = 4 …8 час., угар 5…8 % от веса металлической шихты, рабочее напряжение U_раб. = 160 … 600 В., ток I = 1 … 10 кА, ёмкость печей 0,5 ... 400 т.

Рис. 5.2. Схема дуговой плавильной печи:

1 – днище, 2 – сливной носок, 3 – шихта, 4 – кожух стальной, 5 – огнеупорный материал, 6 – свод съемный, 7 – гибкие кабели, 8 – электродержатели, 9 – графитовые электроды,

10 – рабочее окно, 11 – поворотный механизм, 12 – подина

7

6

8

5

9

4

3

2

10

1

11

12

Процесс плавки разделяется на два существенно различающихся периода: окислительный (расплавление и кипение) и восстановительный (рафинирование).

1. Окислительный период. Главная задача окислительного процесса – довести химический состав до требуемого по содержанию углерода, обеспечить вы-равнивание температуры и химсостава по объему металла. После загрузки ши-хты опускаются электроды и включается электрический ток. Расплавление ши-хты происходит под действием дугового разряда. Дуга горит между электродами, на которые подаётся трёхфазный ток, и металлом. Недостатком электродуговых печей является сильный перегрев металла в зоне горения дуги. Температура в этой зоне почти вдвое превышает температуру плавления металла. Это приводит к сильному окислению металла (угару), причём значительное количество оксидов железа теряется в виде бурого дыма, что приводит к загрязнению атмосферного воздуха.

После расплавления и в жидком сплаве происходят процессы окисления, но интенсивность этих процессов много меньше, чем на воздухе. Окисляется прежде всего железо, а затем и примеси. FeO распределяется между металлом и шлаком, растворяясь в них. Таким образом, FeO играет роль передатчика кислорода:

2Fe + O₂ = 2FeO + Q,

Mn + FeO = MnO + Fe + Q,

Si + 2FeO = SiO₂ + 2Fe + Q.

В конце окислительного периода при t  1400 С начинается окисление С.

При использовании для выплавки стали чугуна (передельного и (или) литейного), углерода после расплавления обычно выделяется значительно больше, чем требуется. Для удаления излишнего углерода добавляют руду, содержащую оксиды железа. В результате происходит окисление углерода по реакции

С + FeO = Fe + CO - Q (эндотермическая реакция). Так как при этом выделяется угарный газ, то внешне это выглядит, как кипение стали. Хотя сталь имеет температуру значительно меньше, чем температура её кипения.

Основные шлаки позволяют в процессе плавления производить удаление вредных примесей (P, S). Дефосфоризация происходит по реакции

2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)₄P₂O₅ + 5Fe + Q.

Соединения фосфора, растворяясь, распределяются между металлом и шлаком в определенном соотношении. После двух, трех скачиваний шлака можно обеспечить содержание Р  0,015 %.

В этот же период проводят десульфацию. Наводят «белый» шлак СаО + С (кокс или электродный бой) + СаF₂ (плавиковый шпат) в пропорции 12:1:2.

FeS + CaO + C = CaS + Fe + CO - Q.

Степень десульфации до 75 ... 80 %.

2. Восстановительный период. Цель: восстановить Fe из FeO. Оксиды железа при затвердевании стали выпадают из раствора и резко ухудшают прочностные и пластические свойства стали. Поэтому восстановление оксидов является очень важной частью процесса. Раскисление производят ферросплавами, которые могут вводиться в жидкий металл и непосредственно взаимодействовать с ним или погружаться на штанге в шлак. Первый способ называется осаждающим, второй – диффузионным. Наиболее быстрым и потому более дешёвым способом раскисления является осаждающий, но при его длительном использовании ухудшается пластичность и ударная вязкость металла. Это связано с накоплением оксидов в металле за счёт многократного использования при переплаве литниковых систем и литейного брака. Реакции при раскислении:

FeO + Mn = MnO + Fe,

2FeO + Si = SiO₂ + 2Fe,

3FeO + 2Al = Al₂O₃ + 3Fe.

При осаждающем раскислении оксиды Mn, Si, Al большей частью всплывают в шлак. Остающиеся в жидком металле оксиды представляют значительно меньшую опасность по сравнению с FeO, т. к. в меньшей степени снижают пластичность и ударную вязкость, но при длительном использовании этого вида раскисления постепенно происходит ухудшение вязких свойств металла. При диффузионном раскислении реакции происходят в шлаке. В результате действия закона Нернста (см. ниже) уменьшается содержание FeO в жидком металле. В зависимости от длительности второго периода и количества раскислителей получают кипящие, полуспокойные и спокойные стали. Самый короткий восстановительный период у кипящих сталей. При их производстве используют для раскисления только марганец. Так получают низкоуглеродистые стали, которые обладают высокой пластичностью в результате очень малого содержания кремния. При разливке они кипят в изложнице.

Для получения легированных сталей производят легирование. Ферросплавы, содержащие Ni, Co, Mo, Cu, не окисляются, т. к. имеют меньшее сродство с O₂, чем Fe. Поэтому их вводят в конце первого периода, чтобы обеспечить равномерное распределение в расплавленном металле. Более активные элементы Si, Mn, Al, Cr, V, Ti вводят в печь после раскисления или перед разливкой в ковш.

Индукционная тигельная плавильная печь (рис. 5.3)

В таких печах можно выплавлять сталь с низким содержанием углерода, т. к. нет науглероживания от графитовых электродов. По сравнению с электродуговыми печами, металл в них в меньшей степени насыщается газами. В основном применяются печи с кислой футеровкой. Нагрев металла производится в результате того, что индуктор печи, представляющий собой водоохлаждаемую катушку, наводит токи индукции в металле шихты или жидком металле. Частота переменного тока в индукторе  = 500 ... 2500 1/с. В индукционных печах отсутствует зона перегрева, поэтому угар металла значительно меньше, чем в электродуговых печах. Кроме того, переменное магнитное поле способствует усиленному перемешиванию жидкого металла, что приводит к быстрому выравниванию химического состава жидкого металла. Высокая температура ванны позволяет легировать тугоплавкими элементами. Однако низкая температура шлака затрудняет раскисление и рафинирование металла через шлак.

Шихтой является стальной лом, возврат литейного производства, брикетированная стружка. Для снижения концентрации углерода в жидком металле, по сравнению с его концентрацией в шихте, в качестве окислителей используются железная руда, окалина (FeO). Для последующего удаления оксидов железа применяют раскислители. Флюсы используются для получения шлака заданного состава. Шлаки служат для защиты металла от окисления и удаления вредных примесей. Для легирования применяют легирующие добавки (ферросплавы и лигатуры).

Цель плавки заключается в получении расплавленного металла для отливок требуемого химического состава, прежде всего по углероду и легирующим элементам, а также требуемого качества, прежде всего путем снижения содержания вредных примесей S, Р и газов.

S и P образуют кислые соединения Р₂О₅, FeS, которые в процессе плавки нейтрализуются основными окислами шлака, главным образом известью CaO. Таким образом, для удаления S и Р нужен основный шлак, а следовательно, и основная печь, т. е. с основной футеровкой.

Рис. 5.3 Схема индукционной тигельной плавильной печи:

1 – металл, 2 – крышка печи, 3 – индуктор, 4 – тигель

1

2

3

4

В основных печах плавку конструкционной стали ведут на углеродистой шихте: стальной лом 90 %, электродный бой или кокс для науглероживания металла и известь (2–3 %). Основный шлак: CaO 40 … 45 %, SiO₂ 20 … 25 %, FeO 10 … 15 %.

В кислой печи удаление S и P практически невозможно, поэтому нужна чистая по S и P шихта, шлак кислый (55 – 58 % SiO₂), условия для раскисления более благоприятные, кремнезем связывает FeO в FeOSiO₂:

FeO + SiO₂  FeO  SiO₂.

В кислых печах плавку ведут на шихте из легированных отходов без окисления примесей (переплав).

Процесс плавки базируется на следующих законах:

Закон действующих масс: скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ.

Закон распределения Нернста: если вещество растворяется в двух соприкасающихся, но несмешивающихся жидкостях, например, металл и шлак, то распределение вещества между ними происходит до установления определенного соотношения – константы распределения, постоянного для данной температуры. Следовательно, изменяя состав шлака, можно направленно изменять распределение примесей в шлаке и металле. Периодически скачивая шлак, можно эффективно удалять примеси из жидкого металла.

Принцип Ле Шателье: всякая система, находящаяся в состоянии равновесия, стремится сохранить это равновесие. При любом изменении извне факторов равновесия (температуры, давления, концентрации) внутри системы возникают процессы, противодействующие этому изменению. Следовательно, изменяя внешние факторы, в данном случае концентрацию компонентов и температуру, можно обеспечить развитие обратимых реакций в нужном направлении.

Способы улучшения качества стали

Вакуумная обработка (дегазация) стали в ковше. Разрежение до Р = 0,267 … 0,667 кПа способствует удалению почти всех растворённых в металле газов.

Разливка в инертной атмосфере уменьшает окисляемость металла.

Выдержка и разливка под слоем специального основного шлака: 53 … 55 % СаО; 43 … 45 % Al₂O₃;  3 % SiO₂;  1 % FeO. Она обеспечивает частичное удаление вредных примесей.