книги из ГПНТБ / Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие

присаживают кусковой 45%-ный или 75%-ный ферросилиций (0,1%) и ферромарганец из расчета получения среднего заданного содержа­ ния марганца в металле. Затем при выплавке хромсодержащей стали в печь присаживают феррохром из расчета получения среднего задан­ ного содержания хрома в стали. Длительность раскисления в печи составляет 10—20 мин, после чего сталь выпускают в ковш, где ее окончательно раскисляют ферросилицием и алюминием.

Выплавка стали под одним шлаком позволяет сократить дли­ тельность плавки и уменьшить расход электроэнергии и раскислителей, а также упростить ведение плавки. Однако при выплавке стали, к которой предъявляются повышенные требования по свой­ ствам и в которой необходимо получить пониженное содержание окисных включений, особенно при низком содержании углерода

(<0,15—0,20%), или низкое содержание серы « 0 ,0 1 5 —0,020%),

а также при выплавке стали, в которую вводится значительное коли­ чество окисляемых легирующих элементов (Al, Ti, V, W, Сг), рас­ кисление проводят под восстановительным шлаком, который наво­ дят после скачивания окислительного шлака.

Основными задачами восстановительного периода являются: 1) раскисление металла, 2) удаление серы, 3) корректировка хими­ ческого состава металла, 4) регулирование температуры металла,

5)подготовка к выпуску высокоосновного жидкоподвижного шлака.

Вначале восстановительного периода содержание углерода должно быть на 0,03—0,10% меньше нижнего предела в готовой стали. При меньшем содержании углерода металл необходимо науглеродить.

Для этого на поверхность металла после скачивания окислительного шлака присаживают кокс или электродный бой и металл перемеши­

Науглероживание является нежелательной операцией, так как оно увеличивает продолжительность плавки, а кроме того, нужно иметь в виду, что открытая поверхность металла быстро охлаждается и он поглощает из атмосферы водород и азот, уже не удаляемые в вос­ становительный период. Поэтому окислительный период должен быть проведен так, чтобы необходимость науглероживания исклю­ чалась.

Восстановительный период начинается наведением известкового шлака из смеси извести, плавикового шпата и шамота в соотношении 5 : 1 : 1 в количестве 2,0—3,5% от массы металла. Для быстрого проплавления шлаковой смеси первые 10— 15 мин после включения тока рекомендуется работать на средней ступени напряжения транс­ форматора. Остальную часть рафинировки проводят на низшей ступени напряжения, за исключением случаев присадки большого количества ферросплавов. Подводимую мощность регулируют в соот­ ветствии с температурой металла.

В течение длительного времени при выплавке легированных ста­ лей применяли «классическую» технологию, основанную на диффу­ зионном раскислении металла через шлак, когда раскисляющие вещества (кокс, ферросилиций, силикокальций, алюминий) в виде

231

Металл не будет загрязняться продуктами раскисления. Это преиму­ щество диффузионного раскисления может быть реализовано при условии, что скорость перехода закиси железа из металла в шлак будет превосходить скорость встречной диффузии раскпслителей. В этом случае раскисление металла должно происходить без уве­ личения содержания в нем раскпслителей.

Одним из раскпслителей является углерод. В начале восстанови­ тельного периода содержание кислорода определяется содержанием углерода, но превышает равновесные значения (рис. 97). Если бы при выдержке под белым и карбидным шлаками раскисление угле­ родом происходило в шлаке или на границе раздела металл—шлак,

Рис. 97. Зависимость содержания кислорода в металле от содержания углерода до (а) и после (б) диффузионного раскисления

то после раскисления содержание кислорода в металле должно было бы быть меньше равновесного с углеродом. Однако многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в процессе выдержки под белыми и карбидными шлаками содержание кисло­ рода в металле не становится меньше равновесного с углеродом, а лишь приближается к состоянию равновесия (см\ рис. 97). При этом выдержка под белым шлаком сопровождается науглероживанием металла на 0,02—0,04%, под слабокарбидным— на 0,03—0,06%, под карбидным — до 0,1%. Это говорит о том, что при диффузион­ ном раскислении не только кислород переходит в шлак, но и углерод из шлака диффундирует в металл, где вступает во взаимодействие с кислородом.

Диффузионное раскисление другими раскислителями также со­ провождается увеличением их содержания в металле, причем со­ держание кислорода не уменьшается ниже равновесных с сильными раскислителями. Таким образом, роль диффузионного раскисления сводится к понижению концентрации кислорода до равновесия с угле­ родом, а понижение его содержания ниже равновесных даже при

233

кислеиия, и, следовательно, продукты раскисления также образу­

ются в металле.

Роль диффузионного раскисления уменьшается с увеличением емкости печи, так как вместе с этим уменьшается удельная поверх­ ность контакта металла со шлаком, что замедляет диффузионный обмен между ними, и поэтому уменьшается значение основного преимущества диффузионного раскисления. Из изложенного следует, что для интенсификации раскисления целесообразно, особенно в крупных печах, раскислнтели вводить непосредственно в жидкий металл. Этим способом можно за несколько минут удалить из ме­ талла кислорода больше, чем за 1,5—2,0 ч диффузионного раскис­ ления.

Однако из этого не следует, что выдержка под восстановительным шлаком бесполезна. Восстановительный шлак препятствует поступ­ лению кислорода из атмосферы в металл, способствует удалению включений — продуктов глубинного раскисления и, что очень важно,

и параллельно, в настоящее время для выплавки металла ответствен­ ного назначения наибольшее распространение получила технология, сочетающая преимущества диффузионного и глубинного раскисления.

По этой технологии после скачивания окислительного шлака на голое зеркало металла присаживают металлические раскислнтели в виде ферромарганца, ферросилиция, силнкоморганца, силпкохрома, алюминия, сплава АМС и других сплавов. Количество при­ садок должно быть таким, чтобы обеспечить содержание марганца на нижнем пределе в стали заданной марки и ввести 0,15—0,20% кремния и примерно 0,5—0,10% алюминия. Затем присаживают шлаковую смесь и после образования жидкого шлака его обрабаты­ вают раскислнтельиой смесью. Уже первые порции раскислптелыюй смеси наряду с порошком кокса содержат молотый ферросили­ ций; в дальнейшем количество кокса в раскислительиых смесях уменьшают.

В результате обработки такими смесями в печи образуется слабо­ карбидный или белый шлак, содержащий менее 0,6% FeO и 50— 60% СаО при основности 2,5—3,0 и характеризующийся высокой десульфурирующей способностью. Количество кислорода в металле благодаря глубинному раскислению резко уменьшается, что повышает скорость десульфурации. Увеличению скорости десульфурации спо­ собствует повышение жидкотекучести шлака при сохранении высо­ кой основности его, что достигается присадками плавикового шпата.

Таким образом, в восстановительный период электроплавки создаются исключительно благоприятные условия для удаления серы. Коэффициент распределения серы между шлаком и металлом соста­ вляет 15—40, а при наиболее благоприятных условиях достигает 60.

Так как сера удаляется в результате ее диффузии к поверхности раздела металл—шлак, то увеличению скорости десульфурации

234

способствуют перемешивание металла и увеличение поверхности контакта металла со шлаком. Практика эксплуатации печей, обо­ рудованных механизмом электромагнитного перемешивания металла, показывает положительное влияние движения металла на скорость удаления серы. Но и при электромагнитном перемешивании распре­ деление серы между металлом и шлаком не достигает равновесия, поэтому значительное количество серы (до 50%) переходит из ме­ талла в шлак во время выпуска, когда вследствие эмульгирования в ковше поверхность контакта увеличивается во много раз.

Десульфурации металла во время выпуска плавки способствует глубокое раскисление металла и шлака, формирование к моменту выпуска жидкоподвижного высокоосновного шлака и слив металла вместе со шлаком мощной компактной струей. Учитывая это, шлак перед выпуском разжижают присадками плавикового шпата и рас­ кисляют порошком алюминия, а за 3—5 мин до выпуска в металли­ ческую ванну присаживают алюминий.

После раскисления в стали должно оставаться 0,02—0,05% растворенного алюминия. Такое количество растворенного алюминия необходимо для нейтрализации кислорода, поступающего из атмо­ сферы во время выпуска и разливки, и для регулирования величины зерна аустенита, так как присутствие в металле избыточного алю­ миния делает сталь мелкозернистой.

В зависимости от марки стали и необходимости получения зерна определенного размера для окончательного раскисления вводят от 0,4 до 1,2 кг алюминия на 1 т стали.

После раскисления алюминием 70—90% всех включений в стали бывает представлено глиноземом, обусловливающим при прокатке образование строчек включений, ухудшающих свойства стали, осо­ бенно в поперечном направлении. Поэтому иногда для окончатель­ ного раскисления применяют и другие раскислители: ферротитан, силикокальций и др. При раскислении силикокальцием природа включений — продуктов раскисления резко изменяется: преобла­ дающими становятся глобулярные включения, благодаря чему улучшаются свойства стали в поперечном направлении.

Окончательное раскисление алюминием и силикокальцием можно проводить также и в ковше, присаживая их на дно ковша перед сливом или под струю металла.

Одной из главных задач восстановительного периода является доводка металла до заданного химического состава. Поэтому в начале этого периода, сразу после образования шлакового покрова, отби­ рают пробу металла на определение содержания углерода, марганца, хрома и никеля. При диффузионно-осадочном раскислении марганец вводится из расчета получения нижнего предела заданного содержа­ ния, имея в виду, что некоторое количество марганца может восста­ новиться из небольшого количества шлака, сохранившегося после окислительного периода.

Феррохром вводят в печь в начале восстановительного периода. При выплавке высокохромистых марок стали феррохром перед при­ садкой необходимо подогреть в нагревательной печи до красного

235

цвета. Это увеличит производительность электропечи, уменьшит расход электроэнергии и будет способствовать повышению стойкости футеровки.

Для корректировки содержания хрома, после некоторой вы­ держки, отбирают две следующие пробы металла, что позволяет про­ верить правильность взвешивания шихты и уточнить количество необ­ ходимых присадок. Корректировку по хрому следует проводить с уче­ том содержания углерода, проверяемого в каждой пробе. В цехе, как правило, имеется феррохром разных марок — от безуглеродистого до содержащего 8% С. Использование более дешевого угле­ родистого феррохрома выгоднее, поэтому при возможности корректи­ ровку следует проводить углеродистым феррохромом. Одновременно с рассмотренной выше корректировкой подбором соответствующей марки феррохрома корректируют и содержание углерода. Корректи­ ровку содержания хрома в конце рафинировкн на стали низколеги­ рованных марок разрешается проводить не более чем на 0,2/о, на высокохромнстых — не более чем на 0,8% и не позднее чем за 10 мин до выпуска. Усвоение хрома составляет 96—98%.

Никель обладает значительно меньшим сродством к кислороду, чем железо, и поэтому в ванне практически не окисляется. Основ­ ную часть никеля, определяемую из расчета получения его па нижнем пределе заданного содержания, дают в завалку. Корректировку по содержанию никеля необходимо проводить как можно раньше, желательно в окислительный период. Вызвано это тем, что электро­ литический никель содержит водород, а гранулированный — влагу. Удалить вносимые никелем газы можно только в процессе кипения ванны, поэтому предварительную корректировку необходимо выпол­ нять в окислительный период, а окончательную — не позже чем за 10 мин до выпуска и не более чем на 0,2%. При выплавке стали по ответственным заказам и предварительную и окончательную корректировку желательно проводить только более чистым электро­ литическим никелем. Усвоение никеля при выплавке стали состав­ ляет 98—100 ?6.

Практически в ванне печей не окисляется и молибден, поэтому на плавках с окислением ферромолибден дают сообразно нижнему пределу в период кипения. На плавках стали с высоким содержанием молибдена его можно давать в завалку. Взамен ферромолибдена иногда используется порошок молибдата кальция (СаМо04), который также можно давать в завалку или присаживать в начале окисли­ тельного периода. Из молибдата кальция молибден практически полностью восстанавливается углеродом и другими элементами.

Молибден — дорогой металл, поэтому выплавлять молибден­ содержащие стали следует так, чтобы содержание молибдена было ближе к нижнему пределу.

Легирование вольфрамом также следует проводить в начале восстановительного периода, а при высоком заданном содержании W в стали его лучше давать в завалку. Вследствие тугоплавкости ферровольфрама (температура плавления более 2000° С) его раство­ рение продолжается довольно долго, поэтому окончательную кор­

255

ректировку необходимо заканчивать не позднее чем за 30 мин до выпуска при введении более 0,20% ферровольфрама и не позднее чем за 20 мин при меньших количествах.

часто и тщательно перемешивать. Усвоение вольфрама составляет около 90%.

Ванадий легко окисляется, поэтому феррованадий присаживают в восстановительный период в хорошо раскисленный металл не позд­ нее чем за 15 мин до выпуска при введении 0,5% феррованадия и не позднее чем за 30 мин при более значительных присадках.

Очень легко окисляется титан. Ферротитан присаживают в хо­ рошо нагретый и хорошо раскисленный металл за 10—15 мин до выпуска. При выплавке нержавеющей стали с титаном перед при­ садкой ферротитана шлак обновляют, раскисляют порошком алю­ миния и принимают меры для устранения подсоса в печь атмосфер­ ного воздуха. Легирование металлическим титаном или 60%-ным ферротитаном можно проводить в ковше. Усвоение титана составляет около 50%.

Длительность восстановительного периода определяется вре­ менем, необходимым для образования раскислителы-юго шлака, раскисления шлака и металла, десульфурации и легирования ме­ талла; эта длительность составляет 70—120 мин. Для увеличения производительности печей эти процессы целесообразно интенсифи­

Отдельные звенья технологии, которая позволит в будущем отказаться от проведения в печи восстановительного периода и при выплавке стали, к которой предъявляются повышенные требования, уже разработаны и опробованы в производственных масштабах.

В частности, получить низкое содержание серы в металле (0,004— 0,008%) можно при продувке металла в конце окислительного пери­ ода газом с порошками-десульфураторами. Уменьшить в несколько раз содержание серы можно также во время выпуска плавки в ковш со специальным синтетическим шлаком. Раскисление и легирование металла может быть проведено в ковше во время слива плавки с по­ следующей продувкой металла нейтральным газом или в специаль­ ных установках, например в установках порционного вакуумиро­ вания. На установках внепечного вакуумирования может быть осу­ ществлено науглероживание металла порошкообразными карбю­ ризаторами и обезуглероживание с помощью окисляющих добавок и без них, раскисление и легирование, рафинирование от газов и неметаллических включений.

Объединение этих звеньев новой технологии в единую техноло­ гическую схему позволит превратить дуговую электропечь в агрегат по расплавлению твердой шихты и получению полупродукта, обес­ печить максимальную производительность электропечей, высокие экономические показатели и создать оптимальные условия для поточ­ ного производства продукции высокого качества.

237

ПЛАВКА ПЕРЕПЛАВОМ ЛЕГИРОВАННЫХ ОТХОДОВ

В готовые металлоизделия превращается лишь около половины выплавляемой стали. Уже на металлургических заводах 25—40% выплавленной легированной стали уходит в брак, обрезь, отходы при прокате. Значительное количество отходов образуется и в метал­ лообрабатывающей промышленности. Например, в подшипниковой промышленности коэффициент выхода годного составляет 0,55, в транспортном машиностроении 0,86, в общем машиностроении 0,82. Другими словами, около половины выплавляемой легированной стали возвращается на переплав. Кроме того, на переплав направляют изношенные и устаревшие металлоизделия, изготовленные из леги­ рованного металла.

При переплаве отходов стали необходимо наиболее рационально использовать содержащиеся в них легирующие элементы. Такие элементы, как алюминий и титан, если не принять специальных мер, могут полностью окислиться и уйти в шлак еще в период плавления. Другие (хром, ванадий, вольфрам и др.) окисляются и в окислитель­ ный период. С целью максимального извлечения их из шихты плавку целесообразно вести без окисления, т. е. без присадок руды и с огра­ ничением окислительных процессов в период плавления. Такой метод ведения плавки называют переплавом легированных отходов.

При переплаве углерод и фосфор практически не окисляются, поэтому содержание фосфора в шихте не должно превышать допусти­ мых пределов в готовой стали, а содержание углерода ввиду возмож­ ного науглероживания от электродов и от шлака должно быть па 0,05—0,10% ниже, чем в готовой стали (но не менее 0,08—0,1%). Поэтому в состав шихты, кроме собственных отходов или отходов близкой по составу стали, вводят мягкое железо или низкоуглеро­ дистые отходы с низким содержанием фосфора. Экономически более целесообразно использовать менее дорогие низкоуглеродпстые отходы, а не заготовку из мягкого железа. При необходимости использования феррохрома и ферровольфрама их вводят в завалку, причем ферро­ вольфрам дают под электроды, а феррохром на откосы.

С целью раннего образования шлака для защиты металла от окис­ ляющего действия атмосферы и науглероживания электродами шлако­ образующие дают в завалку, а после начала образования колодцев их забрасывают под электроды.

Отсутствие кипения металла исключает возможность удаления газов из металлов. Поэтому при выплавке стали методом переплава качеству шихтовых материалов уделяется особое внимание — они должны быть сухими, лом не должен быть проржавленным, шлако­ образующие и легирующие добавки должны быть прокалены. Но даже при соблюдении этих мер предосторожности на плавках мето­ дом переплава в металле содержание азота увеличивается. Предо­ твратить насыщение металла азотом и даже уменьшить его содержа­ ние по сравнению с исходным можно введением в завалку вместо извести известняка в количестве 1,0—1,5% от массы шихты. Обра­ зующаяся при его диссоциации двуокись углерода выделяется в виде

238

пузырьков и дегазирует металл. Для этой же цели присаживают до 2% известняка в процессе плавления шихты.

Даже при отсутствии окислительного периода часть легирующих элементов окисляется кислородом воздуха в период плавления и дву­ окисью углерода известняка, поэтому при выплавке стали с высоким содержанием хрома, вольфрама или ванадия шлак не скачивают. При необходимости науглероживания, получения густого шлака с высоким содержанием MgO или при повышенном содержании мар­ ганца скачивание шлака, образовавшегося в период плавления при выплавке стали этих марок, можно проводить лишь после раскисле­ ния.

В остальном технологический процесс проводится как обычно. При выплавке стали методом переплава усвоение легирующих элементов из шихты ориентировочно характеризуется следующими

цифрами, %:

При этом значительно сокращается расход ферросплавов, умень­ шается количество вводимых добавок и длительность восстановитель­ ного периода. В связи с отсутствием окислительного периода произ­ водительность печи возрастает на 15—20%. Кроме того, уменьшается расход электроэнергии, электродов, огнеупоров, раскислителей, шлакообразующих, зарплата и общезаводские расходы.

С целью интенсификации плавки и дегазации металла на многих заводах при выплавке стали методом переплава используют газо­ образный кислород.

При использовании кислорода шихту подбирают таким образом, чтобы содержание фосфора было меньше допустимых пределов в стали, а содержание углерода на 0,1% и более превышало верхний предел. Для этого в шихту включают до 80% отходов выплавляемой или другой стали подходящей марки и не менее 20% углеродистых отхо­ дов, содержащих менее 0,020% фосфора. Для увеличения содержания углерода в шихту включают необходимое количество кокса или элек­ тродного боя, а для раннего шлакообразования 1,5—2,0% извести или известняка и 0,3—0,5% шамотного боя.

За 10—15 мин до полного расплавления отбирают предваритель­ ную пробу для химического анализа и начинают продувку металла кислородом. После полного расплавления и нагрева металла, что определяется по началу горения углерода, отбирают пробу и ведут продувку до получения требуемого содержания углерода. Количество окисленного углерода должно быть не менее 0,15%.

По окончании продувки снова отбирают пробу металла и начисто скачивают шлак. При высоком содержании в шихте хрома, вольфрама или ванадия перед скачиванием шлак раскисляют. Восстановитель­ ный период проводят как и при обычной плавке.

Усвоение легирующих элементов при переплаве отходов с частич­

239

Для уменьшения угара ванадия, хрома и вольфрама в шихту иногда добавляют кремнистые отходы или ферросплавы. Окисление кремния протекает с большим выделением тепла (см. табл. 14), бла­ годаря чему температура металла быстро возрастает и более дорогие хром, вольфрам и ванадий окисляются в меньшей степени.

Глава 15

ВЫПЛАВКА КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ В ДУГОВЫХ ПЕЧАХ

СВОЙСТВА И ДЕФЕКТЫ КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ

Конструкционными называют стали, предназначенные для изго­ товления деталей машин и различных строительных сооружений. Поэтому к группе конструкционных следует относить пружинные, клапанные стали, стали для турбинных лопаток, подшипников и др. Однако значительное различие в составе и свойствах названных ста­ лей делает целесообразным выделение их в специальные группы; к конструкционным обычно относят лишь улучшаемые и цементи­ руемые стали.

Главной характеристикой конструкционных сталей являются их механические свойства при статической и динамической нагрузках. Иногда к ним предъявляют дополнительные требования, например стойкость против коррозии, износостойкость и др. В отдельных слу­ чаях необходимыми свойствами обладает простая углеродистая сталь, а в других случаях сталь необходимо легировать темн или иными элементами.

Конструкционные стали подразделяют в свою очередь по назна­ чению на строительные (главным образом низкоуглеродпстые) и ма­ шиностроительные (средне- и низкоуглеродистые). Нпзкоуглеродистые машиностроительные стали (углеродистые и легированные) с содержанием углерода до 0,20—0,25% используют для изготовления деталей, подвергаемых цементации. Поэтому стали этой группы при­ нято называть цементуемыми. Среднеуглеродистые (от 0,25—0,30 до 0,50—0,55%С) машиностроительные стали приобретают хорошее сочетание механических свойств после закалки и высокого отпуска. Такую термическую обработку называют улучшением, поэтому эти стали составляют группу улучшаемых сталей.

Низкое содержание углерода в строительных сталях вызвано тем, что эти стали должны хорошо свариваться. Кроме того, эти стали менее склонны к потере вязкости при понижении температуры и ста­ рении. Как правило, они содержат не более 2% легирующих элемен­ тов, и поэтому их относят к низколегированным сталям.

В электропечах выплавляют в основном легированные конструк­ ционные качественные и высококачественные стали. Принадлежность к классу качественного и высококачественного металла определяется

240