книги из ГПНТБ / Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие

промышленного типа питаются переменным током от мотор-генера­ торов, работающих на частоте 500—2500 гц. Применяются также ламповые и искровые генераторы.

Индукционные печи удобны тем, что не требуют электродов, благодаря чему предотвращается опасность науглероживания ме­ талла и упрощается управление печью. Кроме того, под действием магнитного потока (магнитных силовых линий) усиливается цир­ куляция металла, что очень важно для ускорения химических ре­ акций и получения однородного металла.

Получение стали в электропечах. В зависимости от футеровки различают кислые и основные электропечи. Собственно все виды передела чугуна на жидкую сталь являются процессами рафиниро­ вания, заключающимися в том, что находящиеся в чугуне в качест­ ве примесей элементы (углерод, кремний, марганец и др.) подвер­ гаются окислению кислородом воздуха или соединениями, легко отдающими кислород. При этом получаются газообразные или жид­ кие окислы, не растворяющиеся в металле или растворяющиеся в очень ограниченном количестве. Газообразные соединения уходят в атмосферу, а жидкие образуют шлаки, всплывающие благодаря меньшему удельному весу на поверхность металла и таким образом отделяющиеся от него.

При кислом процессе нельзя удалить серу и фосфор (требуют­ ся чистые исходные материалы). В основных электропечах эти эле­ менты удаляются легко, поэтому основные печи применяются для получения высококачественных сорто^ стали. Кислые же печи при­ меняются главным образом для получения стальных фасонных от­ ливок.

Плавка в основной электропечи начинается 'с расплавления на­ груженного скрапа и чугуна. По ходу выгорания примесей различа­ ют несколько вариантов плавки: 1) с полным окислением; 2) с ча­ стичным окислением; 3) без окисления.

Плавка с полным окислением применяется, когда в шихте со­ держится значительное количество фосфора и других примесей. В этих условиях примеси не успевают выгореть за время расплав­ ления и для ускорения процесса окисления в ванну добавляют же­ лезную или марганцевую руду. Введение марганцевой руды предох­ раняет ванну от перенасыщения окислами железа. МпОг разлагает­ ся с образованием Мп30 4, которая при соединении с углеродом дает СО по реакции

Мп30 4 + 4С ЗМп + 4СО.

Вследствие выделения СО ванна «кипит». Процесс получения стали распадается на несколько периодов.

В течение окислительного периода (кипа) происходит удале­ ние из металла фосфора и значительной части газов (поглощаемых металлом во время расплавления). В процессе расплавления про­ исходит окисление фосфора с образованием (Са0 ) 4 -Р 20 5 . Одно­ временно идет окисление Мп, Si, С. Продукты окисления примесей образуют шлак. После образования шлака берут пробу металлаі

60

если в пробе окажется значительное количество фосфора, то шлак «скачивают». Скачивание (дефосфация) необходимо для предупре­ ждения перехода фосфора обратно в металл. Когда металл ока­ жется достаточно чистым по содержанию фосфора, удалением «чер­ ного» шлака заканчивается окислительный период плавки.

После этого начинается восстановительный период, во время которого, кроме раскисления металла, производят десульфурацию и доводят химический состав стали до заданного. При плавке Q.пол­ ным окислением окисляется значительное количество углерода, и содержание его в металле понижается. Для повышения содержа­ ния углерода до нужного предела ванну науглероживают (на по­ верхность металла забрасывают куски малосернистого кокса, бой электродов и т. д.). Одна часть углерода идет на восстановление растворенной в металле FeO, а другая расплавляется в металле.

При дуговой электроплавке в отличие от мартеновской и кон­ верторной раскисление ванны производится не столько за счет при­ садки раскислителей, сколько за счет раскислительного шлака. Раз­

FeS + С + CaO = CaS + СО -+- Fe; MnS + C + CaO = CaS + CO-j-Mn.

CaS, образуемый в ходе этих реакций, нерастворим в металле и уходит в шлак.

Доводка и окончание плавки заключается в присадке в печь небольшого количества раскислителей — ферросилиция и алюми­ ния. Легирующими примесями являіртся Ni, Mo, Cr, W, V. Никель и молибден окисляются в меньшей степени и вводятся до полного раскисления ванны, хром и вольфрам — в уже раскисленную ванну, а ванадий — перед выпуском металла.

Плавка с полным окислением производится только для получе­ ния стали с малым содержанием углерода.

Для получения фасонного литья чаще применяют плавку с ча­ стичным окислением. Единственным источником кислорода при та­ кой плавке служат ржавчина или окалина железного лома и про­ никающий в печь воздух. Применяется этот способ, когда содержа­ ние фосфора в шихте лишь незначительно выше допустимого в го­ товом металле, так что для окисления фосфора достаточно тех окислов железа, которые имеются в ванне после расплавления. При частичном окислении выгорает лишь кремний, а 'фосфор, марганец и углерод в большей или меньшей степени остаются в металле.

Плавка без окисления производится при восстановительном режиме на чистом по сере и фосфору и незаржавленном ломе. Это по существу переплавка чистого скрапа, и ведется она главным об­ разом при наличии в скрапе хрома, вольфрама и других ценных при­ месей для получения соответствующих сталей. Руды при этом в ванну не подают и шлака не спускают.

61

П р и м е ч а н и е . В числителе — данные для жидкой шихты, в знаменателе — для твердой.

Плавка в кислой дуговой электропечи протекает подобным об­ разом, но имеет свои особенности: 1) футеровка — динасовый кир­ пич; 2) сера и фосфор не удаляются, печь работает без спуска шла­ ка, который в основном состоит из силикатов железа и марганца; 3) раскисление ведется присадками, роль шлака заключается в свя­ зывании FeO и МпО кремнеземом. В конце процесса идет восста­ новление кремния, способствующее раскислению ванны.

Технико-экономическая характеристика дуговых печей. Про­ должительность плавки в дуговой электропечи зависит от ее емко­ сти, от вида футеровки, от характера завалки и сорта выплавляе­ мого металла. Большие печи работают экономичнее, чем малые, так как они имеют меньший расход электроэнергии на 1 т годного ли­ тья и большую производительность одного агрегата (табл. 2). В кислых печах плавка идет быстрее, чем в основных. Угар металла

при твердой завалке составляет 5— 8%, при жидкой — 2%. Нормальный выход годного литья 91—92%.

Из табл. 2 следует, что производи­ тельнее и дешевле работать на жидкой шихте, которая к тому же требует меньше материалов на огнеупорную футеровку. Учитывая экономичность больших электропечей, в эксплуатацию вводятся печи емкостью 200 т.

Пути совершенствования электро­ плавки стали. Применение кислорода

62

содержание в металле газовых включений (0 2, N2, Н2) и улучша­ ется качество стали. Некоторое повышение стоимости металла оку­ пается тем, что из него можно изготовлять более прочные конструк­ ции меньших габаритов. Для плавки под вакуумом индукционная печь размещается в герметически изолированной камере, из кото­ рой откачивается воздух. В таких печах плавка идет при вакууме, равном тысячным долям мм ртутного столба.

Электрошлаковый переплав осуществляется в электропечах сопротивления (рис. 30). В обычных печах сопротивления нагрева­ тельным элементом (стержнем, спиралью) является материал, об­ ладающий высоким электросопротивлением, в результате чего эле­ мент разогревается при прохождении через него тока. Таким эле­ ментом сопротивления в печах для электрошлакового переплава (ЭШП) является ванна расплавленного шлака. Опущенный в нее расходуемый электрод, отлитый из стали, подвергаемой рафиниро­ ванию, плавится, капли металла проходят через шлак, дегазируют­ ся, очищаются от примесей и застывают в нижней части, образуя слиток. Флюс для ЭШП имеет различный состав, например: CaF2—65%; А120 3—30%; СаО—5%. Способ ЭШП применяется для получения стали с особо высокими характеристиками.

Директивы XXIV съезда КПСС считают необходимым широко внедрят!, высокоэффективные способы улучшения качества стали путем внепечного вакуумирования, обработки ее синтетическими шлаками, электрошлакового и вакуумного переплава.

§ 4. Разливка стали в слитки

Оборудование для разливки. Сталеразливочный ковш (рис. 31) представляет собой стальной кожух 8, футерованный внутри огне­ упорным кирпичом. Жесткость кожуха усиливается кольцами и реб­ рами жесткости. Среднее кольцо имеет две цапфы для захвата ковша крюками разливочного крана. Из ковша сталь вытекает че­ рез»отверстие в днище, в которое вставляется стакан 2 из огнеупор­ ного материала (шамотовый или графитовый) диаметром 25—40лг.ѵ. Отверстие закрывается пробкой 1, сделанной из того же материа­ ла, что и стакан. Пробка прикрепляется к стальному стержню 7, защищенному от действия жидкой стали надетыми на пего трубка­ ми из огнеупорного материала. Перемещая рукояткой 4 в направ­ ляющих 5 и 5 тягу, связанную горизонтальной траверсой 6 со стер­ жнем 7, можно открывать и закрывать пробкой выпускное отвер­ стие в стакане.

Для удаления растворенных в стали газов и шлаковых вклю­ чений, а также для выравнивания состава стали ее выдерживают некоторое время в ковше (для ковша емкостью 45 т выдержка со­ ставляет около 10 мин). После выдержки ковш переносят электро­ мостовым краном к разливочному участку, где установлены излож­ ницы (металлические формы, наполняемые расплавленным метал­ лом). В изложницы для получения слитков разливают основную массу стали, и только около 5% ее идет для получения фасонных

63

отливок. В этом случае сталь из ковша заливается в специальные формы.

Изложница отливается из жаростойкого чугуна и представляет собой толстостенную форму, открытую, как правило, сверху и снизу.

Для слитков, подвергающихся затем прокатке, применяются из­ ложницы квадратного или плоского сечения, а для слитков, пред­ назначенных для ковки,—.многоугольного сечения. Для прокатки

рительно подогретой до 80—100° изложницы покрывают смазкой из каменноугольной смолы или графита.

Способы разливки стали. Существуют три способа разливки стали: 1) сверху; 2 ) снизу; 3) непрерывная.

При разливке сверху (рис. 32, а) разливочный ковш транспорти­ руется электромостовым краном к подготовленным под заливку изложницам и останавливается над каждой из них. Изложницы, открытые снизу, устанавливаются перед заливкой на толстые чу­ гунные плиты-поддоны и по периметру обмазываются огнеупорным материалом. После установки разливочного ковша над изложницей открывается стопорное устройство, и струя жидкого металла за­ полняет изложницу.

При разливке снизу (сифонный способ) изложницы устанав­ ливаются на специальные керамические плиты (сифонный кирпич), соединенные между собой шамотными трубами (рис. 32, б). Эти плиты имеют внутри каналы, объединяющие их в единую литнико­ вую систему. Через один общий литник можно отливать одновре­ менно до 40 слитков. Такая схема разливки получила название «паук». Существуют и другие способы установки изложниц.

64

Отсутствие брызг при заполнении изложниц снизу позволяет получить более чистую поверхность слитка, но размывание метал­ лом огнеупоров центрального литника и каналов сифонных кирпи­ чей приводит к образованию большего количества неметалличе­ ских включений, чем при разливке сверху. Кроме этого, сифонная разливка имеет еще ряд недостатков: потеря металла в виде лит­ никовой системы, более трудоемкая подготовка изложниц к залив­ ке, однократное использование сифонного припаса (керамических плит, труб и др.) Однако, оценивая сравнительную экономичность

Рис. 32. Разливка стали сверху (а) и снизу (б)

обоих способов, следует иметь в виду, что дополнительные затраты на сифонную разливку полностью окупаются уменьшением стоимо­ сти зачистки поверхности слитков.

Некоторую особенность представляет получение слитков из кипящей стали, т. е. из стали, раскисление которой происходит в изложнице за счет взаимодействия углерода металла с растворен­ ным в металле кислородом. Содержания FeO в такой стали доста­

стали выделяются N2 и Н2, растворимость которых в жидком метал-, ле при понижении температуры уменьшается. Таким образом по­ лучают малоуглеродистую сталь с содержанием С от 0,05 до 0,25%. Слиток кипящей стали имеет малую усадочную раковину, но зна­ чительное количество пузырей.

При заполнении изложницы кипящей сталью'необходимо в оп­ ределенный момент прекратить выделение окиси углерода, так как в противном случае объем металла будет увеличиваться и над слит­ ком образуется «шапка». Чтобы закрыть газам выход из металла, необходимо создать твердую корку в верхней части слитжа. С этой

пелью после заполнения изложницы и некоторой выдержки на ки­ пящую сталь накладывается чугунная плитка. Образующаяся при этом корка затвердевшей стали приводит к повышению давления внутри слитка и прекращению выделения газов. Газовые пузыри, распределенные по объему слитка, завариваются при последующей прокатке.

Кипящую сталь обычно разливают сифонным способом.

затравка вместе с приварившимся к ней слитком начинает вытяги­ ваться из кристаллизатора. Слиток, имеющий еще жидкую сердцевину, проходит зону вторичного охлаждения 6, где обрызгивается водой и затвердевает по всему сечению. Под действием тянущих валков вытягиваемый из кристаллизатора слиток изгибается, а за­ тем продолжает перемещаться по роликам горизонтально установ­ ленного рольганга 10. При помощи автогенного резака 8 от слитка отрезается заготовка 9 необходимой длины, которая передается на последующую операцию прокатки или транспортируется на склад.

При непрерывной разливке облегчаются условия труда, умень­ шается площадь разливочного отделения, становится ненужным дорогостоящее оборудование разливочных пролетов (тележки, из­ ложницы, сифонный припас и т. д.), обжимные прокатные титаны, нагревательные колодцы и др. Но главное достоинство непрерывной разливки состоит в том, что отходы металла составляют 2—3% вместо 15—20% при получении слитков ранее рассмотренными спо­ собами. Потери металла здесь возникают только при разрезании слитка.

66

Директивами XXIV съезда КПСС предусмотрено значительное увеличение объема непрерывной разливки стали.

Разливка под вакуумом позволяет получить металл с мини­ мальным содержанием кислорода, азота и водорода.

Сталь из разливочного ковша 1 (рис. 34) попадает в промежу­ точную воронку 2, выходное отверстие которой сообщено с каме­ рой 4. Изложница 5 устанавливается в камере, крышка 7 герметиче­ ски закрывается, и через патрубок 6 производится отсос воздуха. Расплавленный металл, заполняющий воронку 2, создает своеобраз­ ный «гидравлический» затвор, изолирующий внутреннюю полость камеры от атмосферы и позволяющий поддерживать необходимый вакуум при заполнении изложницы струей металла. В начале раз­ ливки металл накапливается в воронке, для чего в ее нижней части вставляется алюминиевый лист 3 такой толщины, чтобы за время расплавления этого листа в воронке успело накопиться необходи­ мое количество жидкой стали. При этом способе вакуумирование стали происходит в падающей струе металла.

Более просто вакуумирование стали может быть осуществле­ но, если ковш с жидким металлом перед разливкой поместить в ка­ меру, имеющую герметически закрывающуюся крышку. Соединив камеру с вакуум-насосом, из нее можно отсосать воздух и выделя­ ющиеся из стали газы. В такой же камере можно установить из­ ложницу и после заполнения ее сталью обработать вакуумом.

Пути уменьшения прибыльной части слитка. После заполнения изложницы сталью начинается кристаллизация — переход из жид­ кого в твердое состояние. При затвердевании сталь уменьшается в объеме приблизительно на 8 %. При остывании в изложнице в пер­ вую очередь затвердевают наружные слои слитка, образуется кор­ ка, и в этом замкнутом объеме продолжается дальнейшая кристал­ лизация. Жидкий металл, находящийся внутри постепенно нараста­ ющей корки, тоже охлаждается, объем его уменьшается, и под коркой образуется пустота — так называемая усадочная раковина.

Верхняя часть слитка, затвердевающая в последнюю очередь, содержащая усадочную раковину и питающая нижележащую часть слитка во время затвердевания и усадки, называется прибылью. Прибыль является дефектной частью слитка и идет в отход.

Глубина усадочной раковины зависит от формы слитка, спосо­ ба разливки и скорости наполнения верхней части слитка. При сифонной разливке более горячий металл оказывается в нижней части слитка и застывает позднее, чем в верхней, поэтому усадочная раковина получается более глубокой, чем при разливке сверху, ко­ гда верхняя часть слитка питается более горячим металлом и за­ стывает позже, чем нижняя.

Существует несколько способов сосредоточения усадочной ра­ ковины в самой верхней части слитка и ее уменьшения.

В изложнице, расширяющейся кверху (рис. 35, а), охлажде­ ние большой массы металла, находящейся вверху, происходит мед­ леннее; металл, стекая вниз, питает усадочную раковину, умень­ шая е'е.

На рис. 35, б показана изложница с утепленной прибыльной надставкой, представляющей чугунную коробку, выложенную ша­ мотным кирпичом или набитую огнеупорной массой. В результате замедленного охлаждения сталь в надставке долго находится в жидком состоянии и, стекая вниз, питает усадочную раковину. Та­ ким образом, не устраняя усадки, этот способ позволяет «вывести» усадочную раковину за пределы слитка и сосредоточить ее в над­ ставке.

Для уменьшения усадочной раковины применяют обогрев при­ быльной части слитка коксовым газом или электродугой (рис. 35, в).

При разливке сверху применяют замедление заливки к концу заполнения изложницы, при этом питание жидким металлом верх­ ней части слитка продолжается дольше, что приводит к уменьше­ нию усадочной раковины.

При разливке снизу применяют следующий способ: заполнив изложницу сталью, прекращают подачу металла в центровой'Уштник, а после образования корки на слитке вновь открывают стопор ковша и подают в литник сталь. При такой разливке «с допрерсовкой» слиток питается жидким металлом, поступающим в изложни­ цы под ферростатическим давлением, определяемым высотой’бтолба Н (рис. 35, г). Однако при этом способе возможно загрязнение донной части слитка остывшими и загрязненными порциями метал­ ла из сифонных путей.

В настоящее время сталь разливается преимущественно в рас­ ширяющиеся кверху изложницы с прибыльными надставками.

68

Слиток кипящей стали в отличие от рассмотренных выше усло­ вии кристаллизации спокойной стали не имеет усадочной раковины: она скомпенсирована объемом многочисленных пузырей.

Строение стального слитка. При соприкосновении жидкой стцли с относительно холодными стенками изложницы 1 (рис. 36) возникает корковый слой 3, состоящий из мелких неориентирован­ ных кристаллов. Изложница, разогреваясь, расширяется, а корко­ вый слой, охлаждаясь, суживается. Поэтому между слитком и стен­ ками изложницы образуется воздушная прослойка 2, плохо прово­ дящая тепло, в результате чего ско­

объема стали становится ничтожной, и в этой зоне начинается рост кристаллов одновременно во всей массе. Возникает область неори­

богатый неметаллическими включениями. В верхней части распо­ лагается усадочная раковина 5.

Дефекты стального слитка и способы их устранения. Стальному слитку присущи такие дефекты, как усадочная раковина, усадочные рыхлоты, химическая неоднородность состава (ликвация), неметал­ лические включения, газовые раковины, трещины, плены и др.

Усадочные раковины и усадочные рыхлоты возникают из-за различия в объеме жидкой и затвердевшей стали. Возникновение этих дефектов и меры уменьшения их рассмотрены выше.

Ликвация возникает из-за разности состава между твердой и жидкой фазами, затвердевающими неодновременно. При медленном затвердевании в первую очередь затвердевают кристаллы, содержа-

69