книги из ГПНТБ / Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие

Восстановление кремния происходит главным образом вследствие восстановления кремнезема футеровки и шлака углеродом. При этом возможны и другие реакции:

Взаимодействие углерода с кремнеземом вследствие образования газообразного продукта реакции представляет собой необратимый процесс. Реакции (82), (83) могут протекать как в прямом, так и в об­ ратном направлении. Развитие прямой или обратной реакции опре­ деляется температурой ванны, химическим составом металла и шлака, консистенцией шлака.

Реакции (81)—(83) эндотермичны, и поэтому повышение темпера­ туры металла способствует восстановлению кремния. Реакция (81) протекает при достаточно высокой температуре и при недостатке в зоне реакции закиси железа. В хорошо прогретом металле по этой реакции углерод восстанавливает кремнезем футеровки, а образую­ щийся кремний окисляется на границе раздела металл—шлак за­ кисью железа или закисью марганца по реакциям (82) или (83).

Если же концентрация окислов железа и марганца в шлаке не­ велика или вследствие большой вязкости шлака затруднена их диф­ фузия к границе раздела металл—шлак, в металле может происхо­ дить накопление восстановленного кремния.

Таким образом, регулируя температуру ванны, содержание закиси железа в шлаке и его консистенцию в окислительный период кислой плавки можно регулировать не только интенсивность выго­ рания углерода и окисление или восстановление марганца, но также и ход реакций окисления и восстановления кремния.

Следует иметь в виду, что при интенсификации окислитель­ ных процессов присадками железной руды или вдуванием газооб­ разного кислорода нежелательно получать сильножелезистые шлаки, так как они способны растворять кислую футеровку. Во избежание этого руду надо давать мелкими порциями и только после израсхо­ дования предыдущей порции, а продувку кислородом вести менее интенсивно, чем в основных печах. Для этой же цели в окислитель­ ный период целесообразно присаживать небольшие порции песка, поддерживая тем самым состояние насыщения шлака кремнеземом.

К концу окислительного периода, определяемому по содержанию углерода, шлак содержит 55—60% S i0 2, причем почти половина шлака бывает образована из материала футеровки.

В о с с т а н о в и т е л ь н ы й п е р и о д . Из-за отсутствия условий для удаления серы и в связи с ограниченными возможностями легирования восстановительный период в кислой печи либо вообще отсутствует, либо проводится по упрощенной технологии.

При выплавке углеродистой стали назначение восстановительного периода сводится к раскислению металла. Если плавка выпускается из печи целиком, то можно проводить так называемый кремневос­

281

становительный процесс. Шлак окислительного периода при этом загущают присадками кварцевого песка и металл нагревают. В густом шлаке диффузия закиси железа к поверхности металла замедляется, вследствие чего кремний, восстанавливающийся по реакциям (81)— (83) из футеровки и шлака, накапливается в металле и восстанавли­ вает находящиеся в нем окислы. Скорость восстановления кремния при кремневосстановительном процессе достигает 0,01% в минуту, и поэтому надо уметь хорошо управлять реакциями восстановления кремния. Чрезмерное их развитие может привести к получению излишне высокого содержания кремния. По этой же причине крем­ невосстановительный процесс мало пригоден в цехах мелкого литья, где плавку разбирают малыми порциями в несколько приемов, по­ скольку оставшийся в печи металл будет обогащаться кремнием. Прекратить увеличение содержания кремния можно присадками в шлак извести, разжижающей шлак и способствующей увеличению его окислительной способности.

В цехах мелкого литья металл в печи целесообразнее раскислять присадками ферросилиция, а окончательное раскисление марганцем и алюминием осуществлять в ковше.

При выплавке легированных сталей ответственного назначения шлак окислительного периода удаляют на 70—80% и присадками песка, шамотного боя и извести заводят маложелезистый шлак. Под этим шлаком металл раскисляют ферросилицием или силикомарганцем и легируют.

Окончательное раскисление алюминием проводят в печи за 2— 3 мин до выпуска или в ковше. Количество алюминия для раскисле­ ния выбирают таким, чтобы не только предотвратить развитие про­ цесса окисления углерода при охлаждении и кристаллизации ме­ талла, но и ослабить вредное влияние повышенного в кислой стали содержания серы.

В некоторых случаях требуется получение крупнозернистой структуры отливок. Сталь для таких отливок не следует раскислять алюминием, так как его избыток способствует измельчению струк­ туры.

Получить плотные отливки из кислой стали без раскисления алюминием довольно трудно, так как даже хорошо просушенные песчаные формы содержат около 5% влаги, кислород которой попадает в металл. Поэтому при выплавке без присадок алюминия сталь дол­ жна быть очень хорошо раскислена в печи. Это достигается, напри­ мер, многократным скачиванием шлака или раскислением его моло­ тым коксом, в результате чего содержание закиси железа в шлаке удается понизить до 5—7%. Содержание кремния в металле, необ­ ходимое для получения высококачественных отливок без алюминия, должно возрастать с повышением содержания в стали углерода. Например, при 0,15% С необходимо, чтобы содержание кремния составляло 0,40—1,50, а при 0,50% С оно должно составлять 1,10— 2,20%. Следовательно, величину зерна в отливках в определенных пределах целесообразнее регулировать, прибегая к термической обработке.

282

Глава 21

ПЛАВКА СТАЛИ В ИНДУКЦИОННОЙ ПЕЧИ

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА И ОБЛАСТЬ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ

Для плавления черных металлов пользуются индукционными печами одного типа — тигельными печами. Сложность и высокая стоимость электрооборудования установок тигельных печей огра­ ничивают область их применения.

В то же время индукционный нагрев и конструктивные особен­ ности тигельных печей позволяют выплавлять в них стали и сплавы, производство которых другими более дешевыми способами затруд­ нено. В частности, по сравнению с дуговыми печами можно назвать следующие основные преимущества индукционных тигельных печей:

1. Передача энергии с помощью электромагнитного поля исклю­ чает загрязнение металла материалом электродов. Это позволяет легко выплавлять в индукционных печах безуглеродистые стали и сплавы, производство которых в дуговых печах затруднено из-за науглероживающего действия электродов.

2.Отсутствие концентрированного источника тепла над металлом обеспечивает малую скорость поглощения металлом азота и водорода из атмосферы, а также незначительный угар легирующих элементов

3.Естественное перемешивание жидкого металла под действием

электромагнитных сил способствует выравниванию температуры и химического состава металла и ускоряет протекание металлурги­ ческих процессов.

4.Процесс легко поддается регулированию температурного режима.

5.Высокая производительность индукционных печей позволяет выдавать плавки через короткое время сравнительно небольшими порциями. Кроме того, собственно индукционная печь отличается небольшими габаритами. Все' это позволяет организовать поток металла для массового литья на небольшой рабочей площади и при

небольшом числе литейного оборудования.

6. При работе индукционных печей значительно ниже уровень шума, меньше выделяется дыма, меньше тепловое излучение. Это создает для сталеваров индукционных печей более благоприятные условия работы, чем при обслуживании дуговых печей.

Однако, помимо высокой стоимости электрооборудования, ин­ дукционным печам как сталеплавильным агрегатам свойственны

инедостатки, которые в основном заключаются в следующем:

1.Нагрев шлака в них происходит главным образом за счет тепла, выделяющегося в металле. Поэтому температура шлака ниже температуры металла, и холодные вязкие шлаки затрудняют уда­

ление из металла фосфора и серы.

2. Рассеивание магнитного потока в зазоре между индуктором и металлом вынуждает уменьшать толщину футеровки тигля. Малая же толщина футеровки и трудность ремонта вертикальных стенок тигля служат причиной низкой стойкости футеровки.

283

Эти обстоятельства ограничивают применение индукционных пе­ чей для массового производства стали. В этих печах целесообразно выплавлять лишь стали и сплавы специальных марок, которые не­ возможно или неэкономично (вследствие трудностей технологии) плавить в других агрегатах, а также стали и сплавы, высокая стои­ мость которых позволяет пренебречь большими затратами на элек­ трооборудование и электроэнергию (когда экономия от уменьшения угара ценных легирующих элементов компенсирует увеличение капитальных затрат и энергетических ресурсов). В силу указанных причин на металлургических заводах индукционные печи находят ограниченное применение для производства особо нпзкоуглеродистых сталей и сплавов. В последнее время их все шире используют для плавления металла в вакууме или в атмосфере инертных газов. За рубежом крупные (до 60 т) печи этого типа используют как'нако­ пители чугуна (миксеры). Наибольшее распространение индукцион­ ные печи получили в цехах фасонного и мелкого стального литья.

ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВКИ

Плавку стали в индукционных тигельных печах можно осущест­ влять кислым и основным процессом.

В кислом тигле индукционных печей, как н в кислых дуговых печах, нежелательно выплавлять стали, содержащие марганец, ти­ тан, алюминий, цирконий и другие активные элементы, так как окислы марганца, взаимодействуя с кислой футеровкой, могут вы­ звать ее преждевременный износ, а титан, алюминий, цирконий энергично восстанавливают кремний шлака и футеровки.

При проведении кислой индукционной плавки, как и вообще при всех кислых процессах, отсутствуют условия для перехода из металла в шлак фосфора и серы. Кроме того, в индукционных печах в связи с более низкой температурой шлака и большей глубиной ванны менее благоприятны условия и для окисления углерода. И хотя избыток углерода можно удалить, все же не рекомендуется, чтобы содержание углерода в шихте превышало более чем на 0,1% допустимое его содержание в готовой стали, а содержание фосфора

исеры должно быть ниже допустимых пределов для стали.

Виндукционных печах с кислым тиглем плавку ведут, как пра­

многократной проверки состава металла, поэтому плавка базируется на предварительном расчете, точном знании состава шихты и ее тщательном взвешивании.

При плавке стали в индукционных печах с основным тиглем можно использовать любой скрап, так как процесс выгорания мар­ ганца, кремния и углерода протекает достаточно быстро, а при необходимости в основной печи можно удалять также фосфор и серу. Но так как индукционные печи вследствие более низкой температуры шлака и меньшей удельной поверхности раздела металл—шлак приспособлены для этих процессов хуже, чем дуговые печи, то

284

в индукционных печах целесообразнее плавку осуществлять пере­ плавом или сплавлением чистых шихтовых материалов.

Ниже рассмотрены элементы технологии плавки стали в индук­ ционной печи с основным тиглем на «свежей» шихте.

Ш и х т о в ы е м а т е р и а л ы и и х з а г р у з к а в п е ч ь. Шихту для индукционных печей следует составлять, учитывая ра­ циональный подбор размеров кусков шихты и плотную их укладку в печи. В мелких кусках шихты генерируется недостаточно высокая удельная мощность, и это приводит к увеличению длительности плавления и расхода электроэнергии. Чем ниже частота тока, тем больше глубина его проникновения и тем меньше удельная мощность. Поэтому размеры кусков шихты следует увеличивать с уменьшением частоты тока. Рекомендуют следующие соотношения:

Шихта не должна быть сильно окислена, так как при этом между отдельными кусками получается плохой электрический контакт, вихревые токи замыкаются в каждом отдельном куске шихты, а это увеличивает продолжительность плавления и расход электроэнер­ гии. Плавка проходит тем быстрее и электроэнергии расходуется тем меньше, чем плотнее уложена шихта. Наиболее рационально шихту укладывать следующим образом.

На дно тигля для смягчения ударов крупных кусков уложить мелкую шихту и с целью предохранения металла от окисления за­ валить немного шлака, ферромарганца и ферросилиция. На дно следует присаживать также тугоплавкие ферросплавы, температура плавления которых выше достигаемых в тигле температур. При та­ ком расположении они начнут растворяться сразу после появления первых порций жидкого металла.

Наиболее крупные куски уложить у стенок тигля на 2/3 высоты индуктора так, чтобы магнитные силовые линии пересекали макси­ мальную площадь сечения куска.

Остальную часть шихты загружать до 2/3 высоты по оси тигля с максимальной плотностью укладки, а выше — менее плотно. Не рекомендуется заполнять тигель выше уровня индуктора, так как куски, лежащие выше индуктора, не пересекаются магнитными си­ ловыми линиями и нагреваются в основном вследствие теплопровод­ ности от нижележащих кусков, но затрудняют осаживание шихты в процессе плавления.

На малых печах шихту загружают вручную. Печи большой ем­ кости можно загружать бадьей, что позволяет сократить время за­

285

дят замыкания. В цепи индуктора эти замыкания вызывают толики тока, поэтому плавление начинают на пониженной мощности источ­ ника. По мере прекращения толчков источник тока переключают на полную мощность.

Плавление шихты начинается в первую очередь на половине вы­ соты индуктора у стенок тигля, затем постепенно распространяется вниз и вверх. Сообразно с этим шихта должна иметь возможность опускаться и погружаться в жидкий металл. Однако в верхней части тигля куски шихты могут заклиниваться и свариваться, образуя «мосты». Зависание шихты крайне нежелательно, так как оно может привести к сильному неконтролируемому перегреву жидкого ме­ талла и разрушению футеровки. Даже временное зависание шихты увеличивает продолжительность плавления и расход электроэнер­ гии. Для устранения зависания шихту в процессе плавления необ­ ходимо периодически осаживать при помощи ломика с резиновой изоляцией ручки.

По мере оседания шихты постепенно погружают оставшуюся часть ее, следя за тем, чтобы холодные куски не попадали в жидкий металл, так как это может вызвать вскипание металла и сваривание холодной шихты в верхней части тигля с образованием трудноустра­ нимых мостов. Нельзя допускать также оголения металла, поскольку это ведет к окислению и насыщению его газами. Во избежание этого при необходимости в тигель по ходу плавления присаживают шла­ ковую смесь, состоящую из извести, плавикового шпата и шамота.

Во время плавления необходимо следить за показаниями прибо­ ров и поддерживать максимальную мощность источника тока и ве­ личину cos ср установки на уровне, близком единице. По мере про­ грева и оплавления шихты реактивная мощность установки изме­ няется, что требует периодической подстройки контура в резонанс. Подстройку осуществляют включением или отключением конден­ саторов.

О к и с л е н и е п р и м е с е й . Окисление марганца, кремния и фосфора происходит уже в период плавления. При высоком со­ держании фосфора в шихте шлак периода плавления во избежание восстановления фосфора при повышении температуры необходимо удалить. Новый шлак наводят из извести, плавикового шпата и шамота. Чтобы повысить активность сравнительно холодных шлаков при индукционной плавке, содержание плавикового шпата в шлако­ вой смеси увеличивают до 20%. Такие шлаки интенсивно разрушают футеровку, поэтому в индукционной печи стараются не применять процессы, требующие активного участия шлака.

Чтобы улучшить взаимодействие между шлаком и металлом, шлак от потерь тепла изолируют (закрывают тигель крышкой) или даже подогревают дугой, элементами сопротивления и другими спо­ собами.

При необходимости дополнительного окисления примесей (фос­ фора и углерода) в тигель малыми порциями присаживают железную руду и шлаковую смесь. Интенсивное кипение металла в тигле может привести к выплескиванию металла, поэтому очередную пор­

286

цию руды присаживают лишь после успокоения ванны. Расход же­ лезной руды составляет 3—5% от массы металла.

Окисление примесей возможно также и путем продувки металла газообразным кислородом, имея, однако, в виду, что интенсивность продувки металла в связи с опасностью его выплескивания из тигля должна быть невелика. В среднем окисление примесей редко продол­

печах возможно осуществлять и диффузионное, и глубинное раски­ сление. Технология раскисления металла в индукционной печи мало отличается от технологии раскисления в дуговых электропечах. Од­ нако интенсивное электродинамическое движение металла значи­ тельно ускоряет процессы раскисления, распределения присадок и рафинирования металла от продуктов раскисления. Поэтому в ин­ дукционных печах раскисление и рафинирование металла требуют меньшего времени. В то же время преимущества диффузионного раскисления в связи с низкой температурой шлака выражены в ин­ дукционных печах еще слабее, чем в дуговых.

При необходимости в индукционных печах можно проводить и десульфурацию металла. -Для этого необходимо несколько раз ска­ чивать и наводить высокоосновной восстановительный шлак, при­ менять подогрев шлака, увеличивать расход плавикового шпата. Это вызывает увеличение продолжительности плавки, снижает стойкость футеровки, усложняет работу. Поэтому в большинстве случаев стремятся так подбирать шихту и так вести процесс, чтобы необходимость специального проведения десульфурации была ис­ ключена.

Р а з д е л I V

РАЗЛИВКА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ СТАЛИ

Глава 22'

-КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И СТРОЕНИЕ СТАЛЬНОГО

СЛИТКА

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ И РОСТА КРИСТАЛЛОВ

Соответственно рассмотренным в разделе II представлениям о жидком состоянии при небольшом перегреве сравнительно с темпе­ ратурой плавления структура жидкости близка к структуре кристал­ лов. Во время охлаждения при приближении к температуре кристал­ лизации в жидком металле протекают процессы, приводящие к уве­ личению продолжительности оседлой жизни частиц и большей ста­ бильности квазикристаллов, из которых возникают зародыши новой фазы,

287

Возникновение и разрушение зародышей происходят непре­ рывно. Критерием того, образуется ли устойчивый зародыш, или он остается в метастабильном состоянии, является соотношение раз­ меров самого крупного квазикристалла и критического зародыша. По аналогии с ранее изложенным [см. уравнение (72)] определяют, пользуясь следующим уравнением:

Полученная формула отличается от приведенной в уравнении (72) тем, что в ней учитывается не пересыщение, а температура кристал­ лизации Ткр, степень переохлаждения по сравнению с температурой ликвидуса (ДТ).

Анализ уравнения (84) показывает, что вблизи температуры лик­ видуса, т. е. при ДТ = 0, величина г становится бесконечно боль­ шой. С увеличением степени переохлаждения уменьшается критичес­

Радиус атома железа равен 0,8 -10-8 см, из чего следует, что даже при больших переохлаждениях критический зародыш будет состоять из сотен и тысяч атомов. Переохлаждения металла легче достигнуть в микрообъемах, в которых заведомо будут отсутство­ вать твердые включения; могущие быть центрами кристаллизации. М. П. Браун и Ю. Я. Скок на образцах железа массой 10 г, рас­ плавленных в кварцевых тиглях, достигли переохлаждения на 290° С ниже температуры кристаллизации, а А. А. Духин в каплях диамет­ ром 50—100 мкм достиг переохлаждения на 500—550° С.

В реальных слитках столь глубокое переохлаждение не дости­ жимо. Необходимо иметь в виду, что переохлаждение, с одной сто­ роны, увеличивает скорость и вероятность образования зародыша, с другой — уменьшает подвижность частиц в жидкости и замедляет образование зародыша.

В присутствии в металле нерастворимых примесей, какими яв­ ляются, например, неметаллические включения, центры кристаллиза­ ции возникают в первую очередь на этих примесях. В этом случае важную роль играет структурное соответствие примеси и кристал­ лизующегося металла. На легкоплавких металлах, например, обна­ ружено явление дезактивации нерастворимых примесей, структурно неоднородных с металлом при предварительном большом перегреве. Растворимые в металле примеси способны изменять величину меж­ фазной энергии сгт_ж. На уменьшении величины сгт_ж, а следова­ тельно, и снижении необходимой степени переохлаждения и одно­ временном уменьшении критического радиуса зародыша (в конечном счете уменьшении размера зерна в металле) основано действие моди­ фицирующих добавок в стали. По данным В. Е, Неймарка, при опти-

288

мальной концентрации такие элементы, как Al, Ti,V, В и Са, дей­ ствуют в углеродистой и легированной стали как модификаторы, измельчающие кристаллическую структуру. В то же время такие

добавки, как Zr, Nb и Mg, оказывают незначительное влияние на структуру слитка.

Некоторые из отмеченных модифицирующих добавок одновре­ менно являются сильными раскислителями, и введение их в металл сопровождается образованием окисной дисперсной фазы, которая сама по себе интенсифицирует кристаллизацию.

Р о с т к р и с т а л л а и о б р а з о в а н и е д е н д р и т н о й с т р у к т у р ы. При кристаллизации чистых веществ, когда остаются постоянными степень переохлаждения расплава и его состав, а на границе кристаллизации ; сохраняются равновесные условия, кристалл должен расти в идеально ограниченной форме, присущей данному веществу, а в каждой точке кристалла должна сохраняться пе­ риодичность кристаллической решетки.

В реальных же сплавах кристаллизация сопровождается появлением структурных несовершенств, и, что особенно характерно для сплавов на железной основе, образо­ ванием дендритов. Дендриты представляют собой непрерывную пространственную решетку, у которой от толстого ствола ответвляются ветви первого порядка, от них — второго, затем третьего и т. д. (рис. 107). Все ветви имеют почти правиль­ ную кристаллографическую ориентацию.

Дендриты бывают разнообразных размеров. Чем менее стесненно они растут, тем большей величины они достигают. Масса знамени­ того кристалла Чернова, найденного в усадочной раковине 100-т слитка, составляет 3,45 кг, а высота 39 см.

Образование дендритной структуры литой стали было выявлено впервые Д. К. Черновым, н он считал это доказательством ее кри­ сталлического строения. Изучение кристаллической структуры се­ рых чугунов дало Д. К. Чернову основание полагать, что причиной дендритного роста кристаллов являются примеси. Это предположение получило дальнейшее развитие в работах советских ученых. В пред­ ложенной Д. Д. Саратовкиным схеме роль примесей в образовании дендритов сводится к блокированию грани кристалла и прекращению ее роста, вызывающему выбрасывания осей нового порядка (рис. 108). При перемещении граней СВ и АВ со скоростями vc и vx через промежуток времени т в положения СхО и А гО (рис. 108, а) возра­ стает градиент концентрации примесей перед гранями АВ и СВ, в то время как в вершине кристалла по линии ВО градиент концен­ трации примесей ниже и имеет минимальное значение в направле­ нии роста ребра О. При блокировании участков А ; ^ и С ^ ^ мономолекулярным слоем примеси рост грани прекращается, кристалл

растет в виде иглы в направлении ВО (рис. 108, б). На грани обра­ зуются выступы и зубцы, некоторые из них начинают расти как ос­ новная игла (рис. 108, в).

При больших скоростях охлаждения, когда исключаются условия скопления примесей у растущих граней кристалла, дендритная структура кристаллов металла заменяется ячеистой, характеризую­ щейся отсутствием осей второго по­ рядка, а кристаллы имеют вид парал­ лельных стволов, прилегающих друг к другу (рис. 109). Ячеистая струк­ тура, например, наблюдается при охлаждении пластин кремнистой ста­ ли (1,5—2,0% Si) толщиной от 1 до 0,1 мм со скоростью 104—105°С/с.

Средний диаметр ячейки в этом случае тем меньше, чем выше скорость охла-

Рнс. 109. Ячеистая структура металла Ж Д е н И Я , 11 В н а и б о л е е быСТрОЗЗТВер-

девающнх пластинах ом составляет

‘2—2,5 мкм.

Вусловиях кристаллизующихся слитков ячеистая структура практически не образуется, и для реального стального слитка харак­ терна дендритная структура.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СЛИТКА СПОКОЙНОЙ СТАЛИ

Кристаллизация стального слитка сопровождается окислением примесей, их перераспределением по объему слитка и другими про­ цессами. Совокупность всех процессов, в конечном счете, и опреде­

щ е м с я с л и т к е . В изложнице с момента заливки в нее металла вплоть до полного затвердевания слитка получают развитие конвек­ тивные потоки. Наличие их в жидкой части слитка подтверждается экспериментальными данными и в первую очередь равномерным по

290