Материаловедение и технология конструкционных материалов

что и наблюдается во втором периоде. Окончательное раскисление металла после доводки по химическому составу осуществляется добавкой алюминия и, в отдельных случаях, редкоземельных элементов.

Следует отметить, что одним из раскислитеЛей стали является углерод, реакция которого с FeO обеспечивает «кипение» ванны, т.е. выделение пузырьков СО. Разливку стали могут осуществ­ лять на различных стадиях завершенности раскисления. Если процесс «кипения» закончился, то получают слитки спокойной стали. В противном случае сталь может быть полуспокойной и кипящей.

Плавка в печах с кислой футеровкой обычно применяется в литейных цехах при производстве стальных отливок. Кислый шлак содержит до 60 % Si02, который способен в больших ко­ личествах растворять оксид железа, образуя (Fe0)2Si02. Для вы­ свобождения FeO и создания его избытка в шлаке в ходе первого (окислительного) периода плавки в печь небольшими порциями забрасывают известняк или руду. Во втором периоде для рас­ кисления металла снимают окислительный шлак и наводят новый из смеси песка и измельченного шамота. Оксид железа переходит из стали в шлак, в результате чего происходит самораскисление металла. Таким образом, плавка в печи с кислой футеровкой позволяет экономить раскислители и обеспечивает более низкое содержание неметаллических включений в стали. Однако сле­ дует иметь в виду, что в печи с кислой футеровкой затруднено удаление серы и фосфора, так как в ней невозможно создать высо­ коосновный шлак. Поэтому к содержанию этих примесей в исход­ ной шихте предъявляют повышенные требования.

11.2.3. Разливка стали и получение слитка

После завершения плавки жидкую сталь выливают в ковши и подают на разливку в изложницы или на установки непре­ рывной разливки стали (УНРС). Схемы разливки приведены на рис. 11.7.

Для разливки чаще всего используют стопорные ковши, сварной массивный кожух 1 которых выкладывается огнеупор­ ным шамотным кирпичом 2. Специальный стопор 3, представ­ ляющий собой штангу с нанизанными на нее цилиндрами из

272 Раздел II. Производство черных и цветных металлов

шамота, закрывает отверстие в днище ковша. С помощью ры­ чажной системы 4 стопор можно поднимать вверх, открывая от­ верстие и давая возможность жидкой стали 5 заполнять литую чугунную изложницу 7. Насадка 6 из теплоизоляционного ма­ териала позволяет замедлить охлаждение верхней части слитка, что обеспечивает благоприятные условия питания слитка в про­ цессе его затвердевания и увеличивает его плотность. Глуходон­ ные изложницы применяются, как правило, для крупных слит­ ков массой 10...100 т.

Меньшие по массе слитки получают, используя сифонную схему заполнения изложниц. В этом случае сталь из стопорного ковша поступает в выполненную из керамики литниковую систе­ му 8, обеспечивающую спокойное заполнение изложницы сталью и способствующую задержанию шлака на пути к изложнице. Сифонный метод разливки позволяет одновременно через один стояк заливать несколько изложниц.

В ходе затвердевания слитка в его верхней части образуется усадочная раковина, размер которой меньше, если изложница заливается сверху. Тем не менее сифонная разливка предпочти­ тельнее, так как в этом случае поверхность слитка чище, а в ме­ талле реже встречаются неметаллические шлаковые включения.

Наиболее прогрессивной считается разливка стали на УНРС. В этом случае сталь из стопорного ковша через промежуточное разливочное устройство 9, обеспечивающее равномерность по­ дачи расплава, поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор 10. Проходя через него, сталь частично затвердевает, образуя корку на поверхности, которая граничит со стенками кристаллизатора, и опускается в зону вторичного охлаждения, где опорные роли­ ки 11, повторяющие конфигурацию слитка, опрыскиваются во­ дой из системы орошения 12. Ниже опорных располагаются тя­ нущие ролики 13, обеспечивающие равномерность удаления из кристаллизатора слитка 14. Ацетиленокислородные резаки 15 позволяют разрезать непрерывно подаваемый слиток на мерные части, которые поступают на прокатку.

Слитки, получаемые на УНРС, не имеют усадочных раковин, более однородны по химическому составу, однако на их поверх­ ности часто образуются трещины, связанные с перепадом тем­ ператур по сечению и большими усилиями вытяжки слитка из кристаллизатора.

По мере их роста в расплаве перед фронтом кристаллизации ска­ пливаются примеси, снижающие равновесную температуру кри­ сталлизации, и в момент, когда эта температура становится значительно ниже реально существующей, в расплаве зарожда­ ются кристаллы, не связанные с зоной столбчатых кристаллов. Они свободно растут во всех направлениях, образуя зону равно­ осных кристаллов 3.

Изменяя скорость охлаждения и вводя специальные добав­ ки — модификаторы, можно в широких пределах менять соот­ ношение между протяженностью зон.

Так как плотность стали в твердом состоянии выше, чем в жидком, по мере продвижения фронта кристаллизации к цен­ тру слитка уровень расплава медленно понижается, образуя усадочную раковину 4, которая удаляется вместе с прибыльной частью перед прокаткой слитка.

11.2.4. Рафинирование стали

Присутствующие в стали неметаллические включения (оксиды, нитриды, сульфиды) и газы (водород и азот) резко снижают ее прочностные и эксплуатационные характеристики. Б связи с этим разработано большое количество способов очистки стали, кото­ рые можно разделить на две группы. К первой группе относятся

274 Раздел II. Производство черных и цветных металлов

методы, которые предусматривают рафинирующую обработку стали после ее выпуска из печи перед разливкой. Это обработка расплавленной стали синтетическими шлаками и многочислен­ ные способы обработки вакуумом. Ко второй группе относятся методы, предполагающие повторный переплав стали после ее за­ твердевания в изложницах. Широко применяются электрошлаковый, вакуумно-дуговой, электронно-лучевой, плазменно­ дуговой переплавы и их сочетания.

На рис. 11.9 схематически представлены наиболее часто встре­ чающиеся способы рафинирования стали.

Для обработки синтетическим шлаком (рис. 11.9, а) смесь, состоящая из 45 % СаО, 40 % А120 3, 10 % MgO и 5 % CaF2 и со­ держащая менее 3 % Si02 и 0,5 % FeO, расплавляется в отдель­ ной электродуговой печи и в виде жидкого шлака 3 заливается в ковш 2 для обработки. Сталь из стопорного ковша 1 пропуска­ ется через слой шлака. Тонкие струи или отдельные капли, про­ ходя через шлак, очищаются от сульфидов и растворенных газов. При этом содержание серы снижается на 50...70 %, а число неме­ таллических включений — в 1,5 раза, в результате чего резко возрастают прочностные характеристики стали, особенно удар­ ная вязкость.

Суть данного способа очистки заключается в том, что любая примесь всегда в некоторой пропорции распределяется между шлаком и металлом. Чистый синтетический шлак быстро рас­ творяет примеси, а дробление струи увеличивает поверхность контакта, облегчая переход примесей и включений из металла в шлак.

Вакуумную дегазацию (рис. 11.9, б) целесообразно сочетать с раскислением. Образующиеся при этом пузырьки СО и Н2, всплывая на поверхность, захватывают неметаллические вклю­ чения и переводят их в шлак. Простейший способ вакуумирования заключается в выдержке ковша 4 с расплавом в течение 12...15 мин под давлением 0,05...0,1 МПа в автоклаве 5, герме­ тически закрытом крышкой 6.

Электрошлаковый переплав (рис. 11.9, в) считается наибо­ лее эффективным методом рафинирования, так как после него содержание серы снижается до 0,005 %, а количество оксидов и сульфидов уменьшается вдвое. Для начала процесса на медный поддон 7 устанавливают расходуемый электрод 9 и водоохлаж­ даемую изложницу 8. В зазор между ними засыпается флюс, содер-

жащий А120 3, СаО и CaF2. При включении тока между поддоном и электродом загорается электрическая дуга, которая расплав­ ляет флюс.

Расплав флюса гасит дугу, и процесс автоматически перехо­ дит в электрошлаковый, при котором тепло выделяется за счет электросопротивления шлака. Электрод из обычной стали рас­ плавляется в шлаке и капли 11, проходя через слой шлака 10, очищаются от примесей и скапливаются под шлаком в виде ванночки 12, питающей растущий вверх слиток 13.

Вакуумно-дуговой переплав (рис. 11.9, г) внешне похож на электрошлаковый, но расплавленный металл не проходит через слой шлака; между ванночкой расплавленной стали и расходуе­ мым электродом постоянно горит электрическая дуга 15. Очист­ ка, в основном от газов и частично от неметаллических включений, происходит под воздействием вакуума в камере 14 ив результате направленной кристаллизации слитка 13 снизу вверх.

МЕТАЛЛУРГИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

я.

Производство меди

В земной коре содержится около 0,01 % меди. Обычно это сульфидные руды, состоящие из смеси CuS, Cu2S и FeS. Среднее содержание меди в рудах менее 3 %, пустая порода состоит из песка, глины и известняка. В связи с низким содержанием меди руды подвергаются обогащению.

Извлечение меди из руд производится двумя способами: пирометаллургическим и гидрометаллургическим. Первый чаще применяется для сульфидных, а второй — для оксидных руд.

Общая схема пирометаллургического способа получения меди приведена на рис. 12.1. Как следует из схемы, перед обога­ щением руда измельчается. Наиболее приемлемым методом обо­ гащения медных руд считается флотация. Смесь измельченной руды с водой, называемая пульпой 2, загружается в чаны 1 и про­ дувается сжатым воздухом. Пузырьки воздуха 3 адсорбируют на своей поверхности несмачиваемые водой частицы руды 4, со­ держащие соединения металлов, и поднимают их на поверхность, образуя пену. Пустая порода смачивается водой и в виде шлама 5 оседает на дне чанов.

Пену снимают, сушат и получают концентрат, который перед плавкой спекается в обжиговых печах. Чаще других использу­ ется обжиг в кипящем слое, при котором концентрат 6 загружается на решетку 7, через которую снизу из топки 8 подается горячий воздух 9. При температуре свыше 600 °С происходит частичное удаление серы и спекание руды в комки, которые называют огарком.

Огарок плавят в отражательных печах, куда он засыпается из бункеров 10. Печные газы 11 плавят огарок, перегревают рас­ плав до 1600 °С и обеспечивают дальнейшее окисление FeS с обра­ зованием FeO и S02. Сплавляясь с пустой породой, FeO образует шлак 12, ниже которого располагаются более тяжелые сульфи­ ды меди и железа, так называемый медный штейн 13.