книги из ГПНТБ / Производство шарикоподшипниковой стали М. И. Колосов, А. И. Строганов, И. Я. Айзеншток. 1960- 21 Мб

температурой металла при разливке и образованием в связи с этим заворотов на слитках.

Поэтому описаннуую технологию следует совершенствовать с целью получения хорошей поверхности слитка и проката.

Применение кислорода при выплавке стали. В электросталеплавильном производстве применение кислорода

нашло широкое распространение, что объясняется более полным и эффективным использованием легирующих из отходов, сокра­ щением продолжительности плавки, уменьшением удельного расхода электроэнергии и материалов, облегчением труда об­ служивающего персонала.

Кислород в печь подается либо посредством железных тру­ бок, либо с помощью водоохлаждаемых фурм, торец которых

обычно располагается на расстоянии 200 мм от поверхности ван­ ны. Для выплавки шарикоподшипниковой стали применяются железные трубки, диаметр которых зависит от емкости печи и

давления кислорода. Например, для печей емкостью до 20 т ра­ ционально применять трубки диам. ’/2 и 3/4", а для 20—40-т пе­ чей 3/4-Р/2".

Оптимальное давление кислорода 7—8,5 ати. При этом дав­ лении пропускная способность шестиметровой трубки диам. 3/4" составляет 250—280 ж3 кислорода; продолжительность службы ее 10—20 мин. Для уменьшения расхода железных трубок их покрывают огнеупорной массой или футеруют шамотными коль­ цами.

Для электроплавки обычно попользуют технический кисло­ род с содержанием 95—98% О2.

На заводах применяют как осушенный, так и неосушенный

кислород. Авторы рекомендуют применять только осушенный кислород.

При выплавке шарикоподшипниковых сталей кислород при­ меняют как для плавок с окислением, так и для плавок, прово­ димых методом переплава. В обоих случаях рационально ис­

пользовать кислород в периоды расплавления и кипа.

При выплавке стали методом переплава даже непродолжи­ тельная продувка ванны кислородом позволяет подогреть ме­ талл и выровнять температуру металла без потерь легирующих элементов.

Оптимальным временем продувки ванны кислородам явля­ ется последняя четверть периода расплавления.

На 40-т печах продувку начинают в период расплавления после того, как израсходовано 1%000—13000 квт-ч, что составляет

—70—75% от общего расхода электроэнергии на расплавление.

Продувку, как правило, ведут до конца расплавления.

134 Технология выплавки стали в основной электрической печи '

При применении кислорода ванна к концу расплавления на­

грета выше, чем в условиях обычного расплавления. В окисли­ тельном периоде применение кислорода позволяет нагревать металл с большей скоростью и до более высоких температур; при этом отсутствуют резкие понижения температуры металла

и шлака, вызываемые присадками руды.

Продувка ванны кислородом изменяет температурный ре­ жим плавки и поэтому дефосфорацию металла 'следует прово­

дить иначе, чем на обычных плавках. Для успешной дефосфо­ рации на плавках с применением кислорода в завалку присажи­ вают 2—3% извести, благодаря чему при полном расплавлении шихты содержание фосфора в металле не превышает 0,015— 0,020%.

По данным В. Г. Сперанского, применяя кислород с соблю­ дением указанного выше шлакового режима, можно получать, как правило, в первой пробе после расплавления не более 0,015—0,025% фосфора, против 0,050—0,070% в обычных усло­ виях [186].

Чтобы избежать восстановления фосфора в металле, после

полного расплавления ванны скачивают шлак. В окислительный период поддерживают более основные шлаки, чем на обычных

плавках, и своевременно удаляют их из печи.

При соблюдении указанных условий (по данным большого

количества плавок) содержание фосфора в готовой стали в плавках с применением кислорода такое же, как и в обычных плавках.

Применение кислорода сокращает период расплавления в плавках с окислением на 25—30% и в плавках, проводимых ме­ тодом переплава на 15—20%, при снижении расхода электро­

энергии на 8—10%.

На заводе «Днепроспецсталь», даже при малом расходе кис­ лорода в период плавления (7—10 л3/т) при выплавке инстру­ ментальных и конструкционных сталей продолжительность плав­

ления сокращается на 12 мин., а расход энергии на 33 квт-ч/т,

или на 6,5% [186].

Основные показатели выплавки шарикоподшипниковой ста­ ли на Челябинском заводе с применением кислорода, приведе­

ны в табл. 64.

Приведенные данные показывают, что применение кислоро­ да позволило сократить суммарную продолжительность пери­ одов расплавления и кипения на 25 мин., или на 10,6%, а расход электроэнергии на 44 квт-ч.

Необходимо оговорить, что эти данные получены при расхо­ де кислорода 8,1 л£3/т, при pacxcte 14 м?/т (который характерен

для работы большинства заводов) эффект применения кислоро­ да стал бы еще большим.

Таблица 64

Основные показатели выплавки стали UIX15 на ЧМЗ с применением

кислорода

Продолжительность периодов плавки час. — мин.

Метод выплавки

Сприсадкой железной

При продувке ванны кислородом в период расплавления обыч­ но выгорает 0,15—0,25% углерода.

В окислительный период применяют или только кислород, или кислород в сочетании с железной рудой (в тех случаях, когда ванна перегрета и высоко содержание фосфора). Ско­ рость выгорания углерода при применении кислорода увеличи­ вается в три раза по сравнению с обычными плавками и состав­

ляет по данным Челябинского металлургического завода,

0,017—0,025% С/мин.

На заводе компании «Тимкин Роллер Биринг» при выплав­

ке шарикоподшипниковой стали средняя скорость выгорания углерода при работе с кислородом составляет 0,0145% С/мин против 0,0040% С/мин на плавках без применения кислорода

[187].

По другим данным, средняя скорость выгорания углерода со­ ставляет 0,025—0,030% С/мин [188].

Такие высокие скорости выгорания углерода получаются в

случае применения только газообразного кислорода в течение

всего окислительного периода плавки.

Повышение скорости выгорания углерода при применении

газообразного кислорода позволяет сократить продолжитель­ ность окислительного периода на 10—30 мин. [97, 189 и др]. Об­ щее же повышение производительности электропечей, достигае­ мое в результате сокращения периодов расплавления и кипения, составляет от 7 до 13%.

Повышение производительности зависит в основном от удель­ ного расхода кислорода, марки стали и садки печи.

В процессе продувки происходит постепенное повышение температуры ванны, которое для сталей типа ШХ15 составляет

136 Технология выплавки стали в основной электрической печи

1,43 град/мин; металл к концу окислительного периода нагре­

вается до 1615° [190].

Степень окисленности шлаков при продувке ванны кислоро­ дом ниже, чем при применении руды. Так, на заводе «Днепро-

спецсталь» общее содержание железа в шлаках конца окисли тельного периода в плавках с применением кислорода колеба­ лось от 7,89% до 8,65%, а в плавках с окислением рудой — от 13,61% до 25,66%. Это подтверждают также данные С. М. Гну-

чева, которые показывают, что при выплавке конструкционных сталей с применением кислорода, при любых концентрациях уг­

лерода содержание окислов железа в шлаках конца окислитель­

ного периода в два раза меньше, чем при обычном методе вы­ плавки, а концентрация кислорода в ванне перед окончатель­ ным раскислением металла алюминием при обоих методах вы­ плавки одинакова [191].

По данным ЦНИИЧМ, концентрация кислорода в металле

перед удалением окислительного шлака, при прочих равных ус­

ловиях, зависит от количества введенного в ванну окислителя с последней порцией руды, а не от рода окислителя.

Важной стороной вопроса применения кислорода является расход кислорода на тонну стали, который определяет во мно­ гом экономичность этого процесса.

Расход кислорода при прочих равный условиях зависит от коэффициента полезного использования его ванной печи.

При применении кислорода для продувки ванны в зависимо­ сти от марки стали, количества окисляемого углерода, давления

кислорода, диаметра трубок и т. д. коэффициент использования

кислорода, по данным различных заводов, изменяется от 53 до

92% [188, 190].

В условиях выплавки шарикоподшипниковой стали этот ко­ эффициент составляет примерно 75%.

Баланс по кислороду, сделанный для 29-т электросталепла­

В этом случае коэффициент использования кислорода соста­ вил 71,5% [97].

При высоком начальном содержании углерода в ванне коэф­

фициент использования кислорода очень высок, а при низком,

со сталью, полученной обычным способом.

В настоящее время большинство работников заводов и ис­ следователей считают, что при использовании кислорода качест­ во электростали вообще и шарикоподшипниковой и конструк­ ционной в частности не уступает, а во многих случаях превосхо­ дит качество сталей аналогичных марок, выплавленных обыч­ ным способом.

Многолетний опыт Челябинского1 завода показал, что приме­ нение кислорода в периоды расплавления и кипения при выплав­

ке шарикоподшипниковой стали марок ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ не ухудшает качества этих сталей по загрязненности неметалличес­ кими включениями. Брак стали по неметаллическим включени­ ям был одинаков и составил для плавок, выплавленных с кисло­ родом, 0,66% и для плавок с железной рудой — 0,68%. Анало­

гичные данные получены и на заводе «Днепроспецсталь» [188]. Ф. П. Еднерал [97], анализируя литературные данные, приходит к выводу, что качество электростали, выплавленной с примене­

нием газообразного кислорода, неизменно выше, благодаря меньшему содержанию в нем газов и неметаллических вклю­ чений.

О. А. Михайлов приводит данные о выплавке конструкцион­

ной и шарикоподшипниковой сталей с применением кислорода на шести заводах США, которые говорят о том, что качество стали не ухудшалось, а на некоторых заводах даже улучша­ лось [190].

С. М. Гнучев [191], рассматривая вопрос о внедрении на оте­ чественных заводах кислорода для выплавки конструкционных сталей, приводит данные по группам сталей 12—20ХНЗА и 12—

20Х2Н4А, выплавленных с кислородом, показывающие, что со­ держание кислорода, количество и состав неметаллических включений в них были такими же, как и в стали аналогичных,

марок, выплавленной обычным методом, без применения кисло­ рода.

При рассмотрении вопроса о применении кислорода для вы­

плавки шарикоподшипниковой стали должна быть учтена эко­ номика этого процесса. Так, например, применение кислорода

138 Технология выплавки стали в основной электрической печи

Баланс сравнительной стоимости окислителей при работе с рудой и кислородом, сделанный по материалам работы заводов США [188], приводится в табл. 65.

В приведенном балансе не учтен фактор повышения произ­ водительности электропечи при применении кислорода.

Расход кислорода на различных заводах колеблется от 3 до 30 л3/т; наиболее часто расход составляет 12—14 ж3/т [188, 189, 190]. Интенсивность подачи кислорода составляет 0,30— 0,50 m^/muhIt.

Все вышеизложенное подтверждает, что применение кислоро­

щий производительность печей, улучшающий технико-экономи­ ческие показатели их работы без ухудшения качества стали.

Выплавка стали в индукционных печах. — Од­ ним из важных преимуществ индукционных печей по сравнению с другими плавильными агрегатами является интенсивное элект­ родинамическое перемешивание металла, способствующее очи­

щению его от неметаллических включений; недостатком этих пе­

чей является низкая температура шлака, снижающая его реак­ ционную способность.

Индукционные печи используются преимущественно для пе­ реплава отходов,, а печи с железным сердечником иногда для дуплекс-процесса.

В частности, на Чехословацком заводе в Кладно шарикопод­ шипниковую сталь выплавляли дуплекс-процессом: 20-т основ­ ная мартеновская печь — низкочастотная 17-т печь Фрика с ос­ новной футеровкой, Подготовленный в мартеновской печи ме­

талл, чистый по фосфору и сере, с содержанием углерода около 0,25%, заливали в электропечь, в которой производили его на­ углероживание древесным углем.

Рафинировку в электропечи проводили под шлаком, кото­ рый составляли из обожженной глины (шамота) и магнезитово­

го порошка (в соотношении 5: 3 по весу).

Предварительное раскисление металла осуществляли сили­ комарганцем, а окончательное — силикоцирконием в печи (1,0— 1,5 кг/т в зависимости от содержания в металле кремния).

Для легирования ванны применяли феррохром с содержани­ ем углерода не более 2,0%.

Продолжительность рафинировки 1,5—2,0 час. Характерно, что все плавки выпускались со строго ограниченным узким ин­ тервалом температуры металла. Сталь разливали в слитки раз­ весом 930 кг.

Поставку стали вели в поофилях: квадрат 80—150 мм и круг

5—120-и.и.

Неметаллические включения в стали контролировали по шкале IE на трех образцах от штанги; центральную часть штан­ ги не контролировали, так как при изготовлении колец эта часть штанги высверливалась. Плавку считали годной, если средний балл по оксидам не превышал четырех. Оксиды находились в стали в виде большого количества мелких глобулярных включе­

ний, равномерно распределенных по всему полю шлифа, нит- *риды циркония встречались в незначительном количестве.

Индукционные печи с железным сердечником из-за сложно­

сти конструкции не нашли широкого применения.

На заводе «Днепроспецсталь» выплавляли шарикоподшип­ никовую сталь в индукционной печи без железного сердечника

с кислым тиглем емкостью 4 т. Процесс вели методом перепла­

ва на отходах шарикоподшипниковой стали.

Качество шарикоподшипниковой стали, выплавленной в ин­ дукционной печи, не превосходило качество стали, полученной в дуговых печах.

При сравнении индукционных и дуговых печей (для выплав­ ки шарикоподшипниковой стали) необходимо учесть, что ем­ кость индукционных печей не превышает в настоящее время 12 т. тогда как емкость дуговых печей достигает 80—100 т.

При увеличении емкости электросталеплавильных печей зна­ чительно улучшаются технико-экономические показатели их ра­

боты. Кроме того, в результате сокращения числа плавок соот­

ветственно уменьшается объем контроля шарикоподшипниковой стали.

Выплавка стали в вакуумных печах. Наиболее совершенным способом выплавки стали следует признать вы плавку в вакуумной печи. В этом случае повышается раскисли-

140 Технология выплавки стали в основной электрической печи

тельная способность углерода, что позволяет уменьшить расход

раскислителей, образующих твердые продукты раскисления.

Ф. П. Еднерал [84] провел 3 плавки стали ШХ15 в основной

дуговой печи емкостью 100 кг. После конечного (раскисления плавки алюминием около 30 кг металла заливали в вакуумную печь и выдерживали примерно в течение 30 мин. при давлении около 10 мм рт. ст. После выпуска металла в изложницу вакуум снимали и металл застывал под атмосферным давлением. В ре­ зультате вакуумной обработки содержание кислорода и неме­ таллических включений в стали снижалось (табл. 66, 67).

Таблица 66

Снижение содержания кислорода в стали после вакуумирования

Содержание кислорода

Таблица 67

Снижение содержания неметаллических включений в стали после вакуумирования

Содержание неметалличес­

При вакуумировании содержание углерода снизилось на

0,06—0,11%, а содержание марганца, кремния и хрома осталось, практически без изменения.

О. Винклер исследовал шарикоподшипниковую сталь после выдержки в более глубоком вакууме [131]. Сталь, выплавленная в мартеновской печи с кислой футеровкой и в дуговой — с основ­ ной футеровкой, была затем переплавлена в высокочастотной.

печи в тигле из электроплавленого магнезита, выдержана и раз­

Примечание. Числитель—содержание элемента до вакуумирования, знамена­ тель — после вакуумирования.

Содержание кислорода значительно снизилось, так же как и содержание марганца. В одной плавке содержание марганца осталось неизменным, так как ферромарганец был введен в

сталь за 5 мин. до ее выпуска в изложницу.

Обработка шарикоподшипниковой стали под вакуумом за­ метно повышает ее сопротивление усталости, а продолжитель­

ность службы подшипников увеличивается в четыре раза по сравнению с подшипниками, изготовленными из обычной стали.

Отбраковка шариков при изготовлении особо ответственных подшипников из вакуумированной стали снизилась, по сообще­

нию А. М. Самарина, в восемь раз по сравнению с обычной сталью.

К сожалению, в настоящее время масштабы вакуумной ме­ таллургии весьма ограничены.

Анализ существующих способов' выплавки шарикоподшип­ никовой стали в электропечах позволяет полагать, что удовлет­ ворительные результаты могут быть получены в случае созда­

ния необходимых условий для максимального удаления включе­ ний из металла по ходу плавки; включения, образующиеся при выпуске и разливке, можно ограничить в размерах путем добав­ ки избыточного количества сильного раскислителя, например

алюминия. Выпускать сталь из печи следует при пониженных температурах.

142 Технология выплавки стали в основной электрической печи

Окончательное раскисление следует проводить алюминием, и оно должно быть преимущественно глубинным. Расход алю­ миния должен быть достаточным для получения остаточного со­ держания алюминия, препятствующего в дальнейшем образова­ нию крупных включений. Использование комплексных раскисли­ телей в конце плавки оказывается нерациональным. Решающим моментом является правильно выбранный температурный ре­ жим плавки. Высокая температура металла в окислительный и частично восстановительный период благоприятствует очище­ нию металла от включений и активному проведению всех опе­ раций.

Температура же металла на выпуске должна быть как мож­ но ниже, чтобы предотвратить образование эндогеннных вклю­ чений.

При этом необходимо обеспечивать оптимальную темпера­

туру металла во время разливки,, при которой может быть до­ стигнута хорошая поверхность слитков и соответственно гото­

вого проката.