книги из ГПНТБ / Каблуковский А.Ф. Перспективы развития электрометаллургии

Первую обжиговую плавку для 1,5-т тигля проводят по еле-

дующему режиму мощности:

Далее печь включают на полную мощность — 550 кет. Общая продолжительность плавки под током 7—7,5 часа. После первой плавки замеряют диаметр верха, середины и низа тигля и тол­ щину подины.

Рис. 27. Футеровка основного тигля индукционной печи высокой частоты

После каждой плавки тигель в наклоненном состоянии очи­ щают от остатков металла и шлака железными гребками. Для заделки трещин и восстановления разрушенных мест остывшей футеровки применяют массу для набивки тигля с добавлением в нее для лучшего спекания 3—5% (вес.) жидкого стекла и 10%

огнеупорной глины. В горячем состоянии тигель подмазывают

такой же массой, увлажненной водой. При подварке подины поврежденные места заполняют массой для набивки тиглей. Мас­ су слегка утрамбовывают и покрывают металлическим листом

(материал листа подбирают в зависимости от химического со­ става выплавляемой марки стали).

В зависимости от сортамента выплавляемых сталей размеры

тигля могут увеличиваться за счет уменьшения толщины стенок

и подины и уменьшаться в результате зарастания футеровки тугоплавкими шлаками. Для восстановления первоначальных размеров разработанного тигля применяют подварку с шабло­ ном. После очистки футеровки от шлака в тигель вставляют

металлический шаблон без дна и загружают шихтовые мате­ риалы. Пространство между стенками тигля и шаблоном запол­ няют массой для набивки новых тиглей. Массу засыпают слоями

толщиной 30—40 мм, каждый слой слегка утрамбовывают металлическим штырем. Продолжительность подварочной плав­ ки удлиняется на 1—1,5 часа из-за работы печи на пониженной мощности.

Для устранения зарастания тигля и увеличения его емкости выплавляют несколько плавок стали с повышенным содержа­ нием кремния.

В процессе эксплуатации футеровка основного тигля при­ обретает слоистое строение.

Поверхность тигля, соприкасающаяся с металлом, покрыта, как правило, шлаковой корочкой толщиной 5—8 мм. Под ней по всей высоте стенки располагается на глубину 25—35 мм слой спекшейся футеровки. По мере приближения к индуктору спек­

шийся слой переходит в полуспекшийся и неспекшийся или бу­ ферный слой. Наличие буферного слоя и неравномерного спека­ ния основной огнеупорной футеровки по толщине стенки надеж­

но предохраняет индуктор от проникновения жидкого металла и обеспечивает безаварийную работу печи в течение всей кампа­ нии.

Примененный способ изготовления футеровки показал воз­

можность замены кислых тиглей на действующих индукцион­ ных печах большой емкости основными и устранения таким образом острого недостатка в различных отраслях промышлен­ ности в высококачественной электростали.

Вакуумные индукционные печи

Любая сталь, выплавленная в дуговой или индукционной электропечах, содержит те или иные количества кислорода, во­ дорода, азота и неметаллических включений.

Оставшиеся в твердой стали различные соединения элемен­ тов с кислородом и азотом (неметаллические включения) нару­

шают сплошность металлического строения и неблагоприятно

влияют на качество стали. Значительно улучшается качество электростали при использовании для выплавки ее индукционных вакуумных печей различной емкости. Одним из основных пре­ имуществ выплавки стали в вакуумных индукционных печах является возможность получения металла с минимальным содер-

66

жанием кислорода, азота и водорода. Из раскислителей, которые обычно используют в промышленной практике, только углерод при взаимодействии с кислородом, растворенным в жидком ме­ талле, образует нерастворимые в последнем окислы в газообраз­ ном состоянии. При выплавке стали в обычных дуговых и индук­ ционных печах углерод является более слабым раскислителем,

чем кремний и алюминий, так как процесс раскисления проте­ кает при атмосферном давлении. Как указывает А. М. Самарин,

в случае создания над жидким металлом давления ниже атмос­

ферного раскислительная способность углерода возрастает обратно пропорционально внешнему давлению над металлом,

т. е. чем меньше это давление, тем больше раскислительная спо­ собность углерода [25]. В вакуумных печах при остаточном дав­

лении около 1 мм рт. ст. раскислительная способность углерода повышается почти в 100 раз. При этом углерод становится более

сильным раскислителем, чем алюминий. В результате этого соз­ дается возможность получения стали, раскисленной только угле­ родом, т. е. с весьма низким содержанием кислорода. Низкое давление азота и водорода в плавильном пространстве вакуум­ ных печей способствует очищению стали от этих газов, раство­ ренных в жидком металле. Раскисление металла углеродом под вакуумом сопровождается его выгоранием, поэтому в процессе вакуум-плавки можно достигнуть очень низкого содержания углерода (менее 0,01%) при достаточно высокой раскисленности

стали; получение металла с низким содержанием углерода в обычных плавильных печах сопряжено с большими трудно­ стями, так как требует высоких температур и введения больших

количеств окислителя, что приводит к повышению содержания кислорода (0,10—0,20%).

Реакция восстановления углеродом окиси железа и других

из металла, очищает его от газов и неметаллических включений. Исследованиями А. М. Самарина было установлено, что полнота

раскисления жидкого металла в вакууме находится в прямо­ линейной зависимости от обезуглероживания, при этом скорость удаления из металла кислорода в несколько раз выше скорости обезуглероживания. Несоответствие между количествами уда­ ленных из металла углерода и кислорода объясняют тем, что часть кислорода удаляется в виде соединений с серой и кремнием (высокая летучесть SiO), а также в виде СО2 в области низких

концентраций углерода. Несмотря на отсутствие шлака, вы­ держка жидкого металла под вакуумом понижает содержание серы. Это объясняется улетучиванием серы с поверхности метал­ ла вследствие повышения ее активности и образования соедине­ ний с кислородом.

При вакуумной плавке из металла могут испаряться такие вредные примеси, «ак свинец, олово, мышьяк и висмут.

Выплавка в вакууме значительно улучшает пластичность ря­

да сталей и сплавов при горячей деформации. Кроме того, ва­

куумный переплав повышает ударную вязкость и улучшает электротехнические свойства сталей. Если ударная вязкость нихрома, выплавляемого обычным способом, составляет 4 кгм1см2, то при выплавке нихрома в вакуумной печи ударная вязкость его повышается до 13 кгм/см2.

Обычно хромоникелевый сплав с высоким содержанием хро­ ма (33%) с трудом поддается прокатке; тот же сплав, выплав­ ленный в вакуумной печи, имеет лучшие пластические свойства и прокатывается при высоких температурах без рванин и тре­ щин.

В результате снижения содержания кислорода и неметалли­ ческих включений электротехнические свойства вакуумной трансформаторной стали значительно повышаются. Ваттные по­

тери у трансформаторной стали, выплавленной в вакууме, на

20—25 % ниже, чем у обычной.

Стойкость шариковых подшипников в известной мере опреде­ ляется количеством и размерами неметаллических включений и карбидов в стали. При выплавке в вакууме количество включе­

ний в шарикоподшипниковой стали заметно сокращается и они

имеют более дисперсный характер.

Подшипники из стали, содержащей 1,0% V, 5% Сг, 5% Мо

и 0,65% С, выплавленной обычным способом, имели стойкость 150 час. при 200°; при выплавке той же стали в вакууме стойкость

увеличилась в 7 раз — до 1080 час. [26].

При вакуумной выплавке нержавеющей стали значительно улучшается ее качество в результате уменьшения содержания углерода и азота и повышения чистоты металла по неметалличе­ ским включениям.

Влияние выплавки в вакууме на свойства нержавеющей ста­ ли показано в табл. 11.

68

тые камеры, из которых с помощью насосов выкачивают воздух

игазы до остаточного давления 0,0001 мм рт. ст.

Ввакуумных печах с индукционным нагревом жидкий металл

интенсивно перемешивается и вследствие этого хорошо дегази­ руется и очищается от неметаллических включений и вредных

примесей. Недостатком печей этого типа является сравнительно быстрое разрушение тиглей из-за реакции восстановления между углеродом металла и окислами футеровки. Повышение содер­

жания в выплавляемой стали магния, циркония, алюминия и дру­ гих элементов в результате восстановления высокоогнеупорных окислов может снижать качество металла.

Для создания вакуума при выплавке и разливке стали и сплавов применяют вакуумные насосы. Насосы делятся на две основные группы:

а) механические, в которых газы эвакуируются механически

при вращении соответствующих частей насоса;

б) пароструйные, в которых газ откачивается под воздей­ ствием струи пара рабочей жидкости.

Из-за малой скорости откачки (0,2 л!сек при остаточном дав­

лении 1 мм рт. ст.) одноступенчатые пластинчато-роторные на­ сосы не нашли широкого применения.

Более часто на вакуумных металлургических установках при­ меняют золотниковые (плунжерные) насосы типа ВН-6 и много­

пластинчатые насосы типа РВН-60. Скорость откачки насоса ВН-6 при остаточном давлении 0,1 мм рт. ст. составляет ПО л]сек. При большой скорости откачки (1000 л!сек) предель­

ный вакуум насоса РВН-60 невелик и равен 15 мм рт. ст.

Механические насосы быстро изнашиваются из-за попадания на трущиеся поверхности частиц пыли, шлака и металла из

вакуумируемого пространства. Для увеличения срока службы насосов применяют специальные фильтры для очистки газов

от механических примесей.

По принципу действия пароструйные насосы делятся на два типа — эжекторные и диффузионные. У эжекторных насосов, работающих при относительно высоких давлениях, газ захваты­ вается струей пара рабочей жидкости в основном за счет вязко­ стных явлений на границе газа и струи пара Диффузионные на­ сосы используют в сочетании с насосами предварительного раз­

режения— механическими или эжекторными — при относитель­ но низких давлениях, от десятых долей миллиметра ртутного столба и ниже. Действие их основано на диффузии газа в струю пара. В пароструйных насосах отсасываемые газы проникают

в струю пара, увлекаются вместе с ним к холодильнику насоса и затем выбрасываются в атмосферу. Пар после конденсации

в холодильнике в виде рабочей жидкости вновь стекает в испа­ ритель. В качестве рабочих жидкостей, превращающихся перио­ дически в парообразное состояние, используют ртуть, очищен­

69

ные нефтяные масла и селиконы (эфиры фосфорной и крем­

невой кислот).

Для создания высокого разрежения (остаточное давление 0,0001—0,00001 мм рт. ст.) чаще всего применяют пароструйные насосы Н-2Т; Н-5Т; Н-8Т, имеющие скорость откачки соответ­ ственно 2000, 5000, 8000 л)сек и бустерные насосы ВН-1500 со скоростью откачки 500 л/сек.

За последнее время в США и других странах созданы раз­ личные конструкции вакуумных индукционных печей с емкостью плавильных тиглей от 5 кг до 1,1 т [27].

На рис. 28 показана конструкция индукционной вакуумной печи емкостью 150 кг ОКБ треста «Электропечь». Установка предназначена для работы на полунепрерывном процессе,

т. е. для проведения ряда плавок без нарушения вакуума в пла­

вильной камере. Оборудование электропечи обеспечивает выпол­ нение всех технологических операций, необходимых по ходу

плавки, без напуска воздуха в плавильную камеру.

Этими технологическими операциями являются: установка в камеру изложниц поддона с изложницами; вакуумная обработка изложниц, т. е. их дегазация; загрузка в плавильный тигель шихтовых материалов; нагрев шихтовых материалов в тигле, расплавление металла и его дегазация; пробивка мостов, обра­ зующихся в процессе расплавления садки; введение в металл

добавок различных материалов; расплавление настылей, обра­

зующихся на стенках тигля в процессе дегазации металла; из­ мерение температуры расплавленного металла термопарой по­ гружения; отбор проб расплавленного металла; удаление плен и

шлака с зеркала металла; передача разливочной тележки из ка­ меры изложниц в плавильную камеру: разливка металла из тигля

в изложницы; передача разливочной тележки из плавильной ка­ меры в камеру изложниц; очистка стенок тигля от остатков ме­ талла и шлака; удаление из камеры изложниц поддона с комп­

лектом изложниц, заполненных металлом.

Установка состоит из следующих основных частей: плавиль­ ная камера, камера изложниц, камера загрузки шихтовых ма­

териалов, камера дозатора, камера устройства для отбора проб и измерения температуры металла, система трубопроводов и ва­ куумных насосов, система регулирования и управления ва­ куумом, система измерения и регистрации вакуума, электриче­ ское оборудование.

Плавильная камера представляет собой горизонтально рас­ положенный цилиндрический сосуд, состоящий из двух частей. Внутренние стенки и днище изготовляют из нержавеющей ста­ ли, корпус камеры снабжают сплошными рубашками водяного

охлаждения. Уплотнение между частями плавильной камеры обеспечивают прокладками из вакуумной резины. Неподвижную часть корпуса плавильной камеры устанавливают на фундаменте,

подвижную монтируют на тележке, которая может перемещаться

70

Рис. 28. Вакуумная индукционная печь ОКБ-735 емкостью 150 кг:

1 — блок вакуумный; 2 — камера излож­ ниц; 3 — шлаковня; 4 — дозатор; 5 — крышка; б — плавильный тигель печи; 7— камера для загрузки шихты; 8 — площад­ ка; 9 — плавильная камера; 10 — камера отбора проб и измерения температуры;

11 — тележка

ООН

5970

по рельсовому пути. В плавильной камере расположена индук­ ционная печь, смонтированная на кронштейне, закрепленном на неподвижной части корпуса.

Механизм наклона обеспечивает поворот печи в сторону сли­ ва на угол 100°, в обратную сторону — для удаления окисных

пленок — на угол 45° и для очистки тигля на угол 90°. Каркас индукционной печи выполняют из уголков дюралюминия, низ каркаса экранируют медным листом. Плавильный тигель изго­

товляют из высокоогнеупорных материалов (двуокись циркония,

окись магния, окись алюминия) набивкой в индукторе по метал­

лическому шаблону.

Удовлетворительная стойкость футеровки тигля получена при

использовании огнеупорных масс следующего состава:

Перед набивкой огнеупорные массы увлажняют 4—6% воды.

Плавильная камера соединяется с камерой изложниц водо­ охлаждаемым шиберным затвором, установленным на патрубке торцовой стенки неподвижной части корпуса. Через этот затвор подают в плавильную камеру тележку с изложницами. На ци­ линдрической поверхности плавильной камеры смонтированы: камера загрузки шихты, шестисекционный дозатор, устройства

для отбора проб и измерения температуры металла, смотровые отверстия со стеклами для наблюдения за процессами.

Камера оборудована предохранительным клапаном, сооб­ щающим плавильное пространство с атмосферой в случае аварийного повышения давления. Установку обслуживают с пло­ щадки, поднятой на 2100 мм над уровнем пола цеха.

Все камеры, соединенные с плавильной, являются вакуумны­ ми шлюзами, обеспечивающими выполнение необходимых техно­ логических операций без нарушения вакуума в плавильной ка­ мере.

Откачка газов из камер производится тремя форвакуумными (типа ВН6-Г) и двумя бустерными (типа ВН-4500; ВН-1500) на­ сосами.

Для улавливания и откачки воды со скоростью 15 л/сек при­ менена азотная ловушка Ду-500 с автоматической подачей жидкого азота из металлического сосуда Дьюара емкостью 15 л.

72

Плавка под вакуумом обеспечивает минимальный угар та­ ких элементов, как титан, кремний, алюминий, цирконий, вана­

дий и др.

Железо, никель, кобальт, вольфрам, медь и молибден практик чески не угорают. Однако необходимо учитывать, что при темпе­ ратуре 1500° и остаточном давлении 10 мм рт. ст. могут возго­ няться из ферросплавов шихты марганец, кремний, алюминий,,

титан.

Раскисление ванны углеродом осуществляют при установив­ шемся вакууме и хорошо нагретом металле. Если содержание окислов в металле значительное, то сухой порошок электродного боя вводят постепенно, небольшими порциями. Процесс раскисле­ ния углеродом проводят на пониженной мощности, а в случаях,

бурного кипения ванны—при отключенной печи.

Прекращение заметного вскипания металла после очередной

добавки углерода означает конец периода раскисления.

Обычно раскисление углеродом применяют при выплавкесталей и сплавов с повышенной чистотой по неметаллическим включениям и газам. Перед выпуском, для большей дегазации

ванны, печь отключают и металл подстуживают до появления за­ стывшей корочки, затем печь снова включают на полную мощ­ ность и металл нагревают до требуемой температуры.

При выплавке некоторых сортов стали и сплавов металл рас­ кисляют силикокальцием, алюминием, кальцием и магнием: за 2—3 мин. до выпуска плавки.

Металл сливают в изложницы равномерно, непрерывной струей. Чрезмерно быстрый наклон печи вызывает всплески ме­ талла и размывание стенок изложниц.

2.ЭЛЕКТРОПЕЧИ С РАСХОДУЕМЫМ ЭЛЕКТРОДОМ

Всовременной электрометаллургии все большее применение для выплавки высококачественных сталей и сплавов ответствен­

ного назначения находят электропечи с расходуемым электродом.

электродах, а на металлических, имеющих одинаковый химиче­ ский состав с выплавляемым металлом, Плавильное простран­

ство в печи с расходуемым электродом образуется не огнеупор­ ной футеровкой, повышающей во всех случаях загрязненность

металла включениями, а водоохлаждаемым медным кристал­ лизатором, в котором происходит формирование и затвердевание:

слитка.

Применяют два вида печей с расходуемым электродом: ва­ куумные и открытые.

В первом случае металлический электрод плавится теплом электрической дуги в вакууме 10~2—1СН мм. рт. ст., во втором — плавление электрода происходит за счет высокой температуры:

шлака, имеющего повышенное электросопротивление.

73

При вакуумной плавке с расходуемым электродом дости­ гается несколько большая плотность и однородность стального слитка и меньшая загрязненность металла неметаллическими включениями, чем при плавке на воздухе (электрошлаковый переплав).

Однако простота изготовления и обслуживания установок, а также отсутствие сложного и дорогостоящего вакуумного обо­ рудования делают электрошлаковый способ получения слитков

•не менее перспективным, чем дуговой вакуумный переплав. Строительство специализированных электросталеплавильных

цехов, оборудованных индукционными, электрошлаковыми и

.дуговыми вакуумными печами позволит осуществить многократ­ ный переплав слитков и обеспечить различные отрасли промыш­ ленности металлом требуемого качества.

Дуговые вакуумные печи (с расходуемым электродом)

Создание промышленных вакуумных дуговых электропечей и развитие производства слитков литого металла в них позволяет значительно улучшить качество стали и сплавов специального и ■особо ответственного назначения.

В отличие от плавки в индукционной вакуумной печи вакуум­ ный переплав расходуемого электрода в медной водоохлаж­ даемой изложнице значительно уменьшает развитие ликвацион-

ных явлений в слитках и обеспечивает получение более тяжелых

•отливок с большим поперечным сечением. При плавке в вакуум­ ной дуговой печи устраняется контакт жидкого металла с огне­ упорной футеровкой и тем самым обеспечивается меньшая за­ грязненность слитка неметаллическими включениями. В процес­ се плавки создаются дополнительные возможности для протека­ ния процесса дегазации как с поверхности твердой части элек­

трода, нагретого до высоких температур, так и из оплавленной ■нижней части электрода и падающих капель. По имеющимся данным [28], в результате переплава в вакуумной дуговой печи нержавеющей стали типа 18-8 содержание кислорода снижается на 50—90%, водорода — до 80%, неметаллических включений на 12—77%. По данным Института металлургии АН СССР [25], при дуговом вакуумном переплаве шарикоподшипниковой стали

содержание кислорода снижается с 0,0052 до 0,0012%, т. е.

в четыре-пять раз, что значительно увеличивает долговеч­ ность работы подшипников в машинах и механизмах. В вакуум­ ной дуговой печи удалению газовых пузырей и стойких неметал­ лических включений способствуют высокая температура металла в зоне плавления, малая глубина ванны и некоторое перемешива­

ние металла магнитным полем, создаваемым соленоидом. Благо­ даря быстрому протеканию процесса кристаллизации в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе слиток характеризуется высокой степенью однородности химического состава по сечению и высоте. Так, в слитках диаметром 457 мм расхождение в со-

74