4. Обработка расплавленного металла синтетическим шлаком
Шлак выплавляют в специальных электропечах.
Состав шлака: 55% - СаО , 40% - Al2O3, остальное –SiO2иMgO.
Расплавленный шлак помещается на дно разливочного ковша. После этого в ковш из сталеплавильного агрегата с небольшой высоты разливается расплавленный металл. Незначительная высота разливки стали снижает разбрызгивание расплавленного металла и позволяет исключить образование пленов. Металл и шлак перемешиваются. Перемешивание стали способствует выравниванию температуры по объему металла, что снижает вероятность образования концентрированной усадочной раковины. Кроме того, перемешивание способствует частичной дегазации металла. Содержание в шлаке СаО позволяет существенно снизить концентрацию SиP.
Преимущества:
- отсутствие концентрированной усадочной раковины;
- отсутствие окисных пленов;
- снижение содержания SиP.
Недостатки:незначительное снижение концентрации газов и неметаллических включений.
П. Повышение качества металла в результате его переплава
Переплав – повторная плавка ранее выплавленного и затвердевшего металла. Переплаву подвергают слитки, выплавленные в сталеплавильных агрегатах и прокатанные на прутки круглого, квадратного и прямоугольного сечений массой до 110 т.
К переплавным способам рафинирования относятся: вакуумно-дуговой, электрошлаковый, электронно-лучевой и плазменный (плазменно-дуговой) переплавы.
1. Вакуумно-дуговой переплав - ВДП (рис14М)
|
Рис. 14М Вакуумно-дуговой переплав
|
1 – водоохлаждаемый шток; 2 – вакуумная камера; 3 –слиток улучшаемой стали (электрод); 4–ванна расплавленного металла улучшенной стали; 5 –слиток улучшенной стали; 6 – водоохлаждаемый медный кристаллизатор (изложница); 7 – затравка; 8 – электрическая дуга; 9 - источник питания постоянного тока; 10- каналы для охлаждающей жидкости (воды)
Вн – вакуумный насос Глубина вакуума в камере 10-2– 10-3атм
|
|
При вакуумно-дуговом переплаве внутреннее пространство камеры 2 предварительно вакуумируют. При подаче постоянного напряжения от источника питания 9 между электродом 3 (катодом) и затравкой 7 (анодом) зажигается электрическая дуга. Под действием теплоты дуги ( Тдуги = 6000-7000 С) происходит расплавление слитка улучшаемой стали 3, закрепленного на водоохлаждаемом штоке 1. Капли жидкого металла, проходя зону дугового разряда (дуги) 8, дегазируются, заполняют кристаллизатор 6 и образуют ванну расплавленного металла 4. В результате охлаждения и последующей кристаллизации расплавленного металла образуется слиток улучшенной стали 5. Для ускорения процесса охлаждения в кристаллизатор подается охлаждающая жидкость (вода). Преимущества : - снижение содержания газов в металле в результате его дегазации; - снижение содержания неметаллических включений (выгорают в столбе электрической дуги). Недостатки : - незначительное снижение серы и фосфора; - изменение химсостава металла, а следовательно и механических свойств стали, вследствие выгорания легкоплавких легирующих элементов. Вакуумно-дуговой переплав применяется для получения сталей и сплавов обычного качества с повышенными механическими свойствами | |
.
2. Электрошлаковый переплав – ЭШП (рис. М15)
|
Рис. 15М Электрошлаковый переплав |
1 –слиток улучшаемой стали (электрод); 2 – шлаковая ванна; 3 – капля расплавленного металла улучшаемой стали; 4 –ванна расплавленного металла улучшенной стали; 5 –слиток улучшенной стали; 6 – водоохлаждаемый медный кристаллизатор (изложница); 7 – шлаковая корка (гарнисаж); 8 – поддон; 9 – затравка; 10- источник питания переменного тока (трансформатор); 11- каналы для охлаждающей жидкости (воды)
|
|
Процесс протекает следующим образом: на дно водоохлаждаемого медного кристаллизатора 6 укладывается затравка 9. Между слитком улучшаемой стали (электродом) 1 и затравкой зажигается электрическая дуга. Для зажигания и поддержания дуги служит источник питания переменного тока 10. После зажигания дуги в кристаллизатор засыпают флюс, который расплавляется под действием теплоты дуги и образует шлаковую ванну 2 (расплавленный флюс). Дуга шунтируется шлаковой ванной и гаснет. Температура шлаковой ванны, обладающей высоким сопротивлением, поддерживается в результате прохождения через нее электрического тока (закон Джоуля-Ленца). Дальнейшее расплавление слитка улучшаемой стали происходит под действием теплоты шлаковой ванны (Т шлаковой ванны = 1700-1900 С). Капли расплавленного металла 3, проходя через шлаковую ванну, вступают в химическую реакцию с элементами ванны, что приводит к существенному снижению в них содержания серы и фосфора. Снижается также и содержание неметаллических включений. Капли жидкого металла 3, скапливаясь в кристаллизаторе под слоем шлаковой ванны, образуют ванну расплавленного металла улучшенной стали4, которая охлаждается, кристаллизуется и образует слиток улучшенной стали 5. Для ускорения процесса охлаждения в кристаллизатор подается охлаждающая жидкость (вода). Полученный слиток отличается хорошим качеством поверхности, благодаря наличию шлаковой корки (гарнисажа) 7, и имеет высокие механические и эксплуатационные свойства благодаря снижению в нем содержания серы, фосфора и неметаллических включений. Преимущества: - существенное снижение содержания серы и фосфора; - снижение содержания неметаллических включений. Недостатки: - незначительное снижение содержание газов. Электрошлаковый переплав применяют для выплавки высококачественных и особовысококачественных сталей и сплавов. | |
3. Электроннолучевой переплав - (ЭЛП) (рис. 16М)
|
Рис. 16М Электроннолучевой переплав
|
1 – электронная пушка; 2 – вакуумная камера; 3 – фокусирующая электромагнитная линза; 4 –слиток улучшаемой стали; 5 –ванна расплавленного металла; 6 –слиток улучшенной стали; 7 – водоохлаждаемый медный кристаллизатор (изложница); 8- электронный луч; 9- каналы для охлаждающей жидкости (воды)
Вн – вакуумный насос.Глубина вакуума в камере 10-4– 10-6атм
|
|
Получение электронов и их разгон осуществляется электронной пушкой 1. Для обеспечения высокой скорости перемещения электронов процесс ведется в вакуумной камере 2 с большой глубиной вакуума. Концентрация электронов в пучок (электронный луч 8) осуществляется фокусирующей электромагнитной линзой 3. Источником теплоты в этом случае является тепловая энергия, выделяющаяся при соударении электронов, летящих с высокой скоростью с поверхностью слитка улучшаемой стали 4 (переход кинетической энергии в тепловую). Температура достигает Т=5000-6000 С. Металл плавится и образует в кристаллизаторе 7 ванну расплавленного металла 5. Вакуум способствует дегазации расплавленного металла (содержание газов в металле снижается в сотни раз). Выделяющиеся в вакуум газы захватывают с собой часть неметаллических включений. При охлаждении и последующей кристаллизации расплавленного металла формируется слиток улучшенной стали 7. Для ускорения процесса охлаждения в кристаллизатор подается охлаждающая жидкость (вода). Преимущества: - снижение содержания газов; - снижение содержания неметаллических включений; -снижение содержания серы и фосфора вследствие их выгорания при высоких температурах. Недостатки: - дороговизна способа; - изменение химсостава металла, а следовательно и механических свойств стали вследствие выгорания легкоплавких легирующих элементов. Электроннолучевой переплав применяют для получения чистых и ультрачистых тугоплавких металлов (молибдена, ниобия, циркония и др.), а также для выплавки сталей и сплавов специального назначения. | |
4. Плазменный (плазменно-дуговой) ( ПП или ПДП) (рис.17М)
|
Рис. 17М Плазменный (плазменно-дуговой)переплав |
1 – плазмотрон; 2 – вакуумная камера; 3 –плазма; 4 –слиток улучшаемой стали; 5 –ванна расплавленного металла; 6 –слиток улучшенной стали; 7 – водоохлаждаемый медный кристаллизатор (изложница); 8- каналы для охлаждающей жидкости (воды)
Вн – вакуумный насос Глубина вакуума в камере 10-1– 10-2атм
|
|
Источником теплоты является плазма 3 (Тплазмы=30000С), Плазма образуется в плазмотроне 1 (плазменном генераторе) в результате обжатия электрической дуги плазмообразующим газом (Ar- аргон; Не - гелий). Плазма расплавляет слиток улучшаемой стали 4. В результате расплавления образуется ванна расплавленного металла 5. Для обеспечения дегазации расплавленного металла процесс ведется в вакууме (вакуумной камере 2). Выделяющиеся в вакуум газы захватывают с собой часть неметаллических включений. При охлаждении и последующей кристаллизации формируется слиток улучшенной стали 6. Для ускорения процесса охлаждения в кристаллизатор подается охлаждающая жидкость (вода). Преимущества: - снижение содержания газов; - снижение содержания неметаллических включений; - снижение содержания серы и фосфора вследствие их выгорания при высоких температурах. Недостатки: - дороговизна способа; -изменение химсостава металла, а следовательно и механических свойств стали вследствие выгорание легкоплавких легирующих элементов. Плазменный переплав применяют для получения высококачественных и особовысококачественных сталей и сплавов. | |
Дефекты стальных слитков.
К дефектам стальных слитков относятся:
- усадочные раковины в слитках спокойной стали, которые приводят к перерасходу материала вследствие удаления их в отход;
- дендритная и зональная ликвации, которые ухудшают механические свойства материала (прочность, пластичность);
- окисные плены на поверхности и газовые раковины (поры), как на поверхности, так и в теле слитка, которые являются концентраторами напряжений и могут привести к разрушению материала при обработке давлением;
- осевая рыхлость слитка (скопление мелких усадочных пустот в осевой зоне слитка), которая ухудшает макроструктуру материала при обработке давлением и, как следствие, ухудшает свойства изделия;
- трещины в слитке, образующиеся из-за причин, затрудняющих свободную усадку слитка в изложнице (трещины могут привести к разрушению материала при обработке давлением);
- подкорковые (подповерхностные) газовые пузыри (возникают вследствие чрезмерной смазки рабочей поверхности изложниц антипригарным составом), которые могут при прокатке привести к образованию мелких трещин – волосовин.