Производство сталей в электропечах

Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сталей и сплавов. В них можно получать высокую температуру, создавать окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферы и вакуум, раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений – продуктов раскисления.

В металлургии нашли применение дуговые и индукционные электропечи, печи электрошлакового переплава, а также электронно-лучевые печи и плазменно-дуговые печи.

Дуговая плавильная электропечь (рис.1.12) [10] имеет три угольных электрода (из графитизированной массы).

Рис.1.12. Схема дуговой электрической плавильной печи

Питание на электроды подается от трехфазного трансформатора переменного тока. Между электродами и металлической шихтой зажигают электрические дуги при рабочем напряжении 160-600 В и токе 1 - 10 кА. Длина дуги автоматически регулируется путем перемещения электродовПлавильное пространство печи ограничено стенками, подиной и сводом, футерованными огнеупорным кирпичом. Для загрузки печи свод снимают. Печь имеет возможность наклоняться в сторону загрузочного окна или летки. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, в литейных – с кислой футеровкой.

В основной дуговой печи можно осуществлять плавку методом переплава (на шихте из легированных отходов) или с окислением примесей (на углеродистой шихте)

При плавке методом дугового переплава шихта должна иметь меньше Mn, Si, P, чем в выплавляемой стали. После расплавления шихты наводят основной шлак для удаления серы, регулируют содержание углерода и затем проводят диффузионное раскисление.

Плавку на углеродистой шихте применяют для производства конструкционных сталей. В печь загружают стальной лом (до 90%) чушковый передельный чугун (до 10%), электродный бой или кокс для науглероживания металла и известь (2 -3%). Сущность процесса выплавки стали рассмотрена выше.

Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимости в печь вводят ферросплавы. После этого сталь раскисляют и выпускают в ковш.

При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы.

В индукционной тигельной плавильной печи (рис. 1.13) металл помещается металлический сосуд, футерованный огнеупорным материалом, (тигель) и подвергается воздействию переменного электромагнитного поля, в результате чего в нем индуктируются вихревые токи, нагревающие металл [10].

Переменное магнитное поле создается индуктором, через который от генератора высокой частоты проходит однофазный ток частотой от 500 до 2000 Гц. Емкость индукционных тигельных печей – от 60 кг до 25 т.

Индукционные тигельные печи позволяют получать очень чистые металлы с минимальным содержанием примесей, характеризуются высокой скоростью нагрева, легкостью регулирования температуры, незначительным угаром металла, возможностью плавки в защитной газовой среде или в вакууме.

Рис.1.13. Схема индукционной тигельной электрической плавильной печи

При вакуумной индукционной плавке индуктор с тиглем, дозатор шихты и изложницы помещают в вакуумные камеры. Плавка, введение легирующих добавок, раскислителей, разливка металла в изложницы производятся без нарушения вакуума в камере, благодаря чему получают сплавы высокого качества с малым содержанием газов, неметаллических включений, легированные любыми элементами.

Для повышения качества металла используют обработку синтетическим шлаком, вакуумную дегазацию, электрошлаковый переплав, вакуумно-дуговой пепреплав, вакуумно-индукционных переплав, переплав в электронно-лучевых и плазменных печах.

Обработка синтетическим шлаком, состоящим из СаО (55%), АЛ₂О₃ (40%) и небольшого количества SiO₂, MgO, FeO, заключается в том, что выплавленный в электропечи шлак заливают в ковш непосредственно перед заливкой стали [10]. Благодаря перемешиванию стали и шлака реакции между ними протекают быстрее, чем в плавильной печи. В результате снижается содержание серы, кислорода и неметаллических включений, увеличивается пластичность и прочность стали.

При вакуумной дегазации стали ковш с жидкой сталью помещают в герметичную камеру, в которой создается давление 0,27-0,67 кПа (рис.1.14).

При таком разряжении из жидкой стали интенсивно выделяются газы (водород и азот). Всплывающие пузырьки захватывают неметаллические включения.

Рис.1.14. Схема вакуумной дегазации стали в ковше

Электрошлаковый переплав - бездуговой процесс электроплавки сталей (и других сплавов), при котором необходимое для плавки тепло выделяется при прохождении электрического тока через расплавленный электропроводящий шлак. Под действием выделяющейся в шлаке теплоты металл электродов плавится и стекает под шлак, где застывает в слиток.

Изоляция кристаллизующегося металла от атмосферы слоем шлака позволяет получать сталь высокого качества даже без применения вакуума. Электрошлаковые печи по конструкции проще дуговых, тем более вакуумных, а электрический режим в них гораздо стабильнее.

Вакуумно-дуговой пепреплав и вакуумно-индукционных переплав стали осуществляют в вакуумных дуговых или индукционных печах при пониженном остаточном давлении 100-0,1 МПа. Вакуумный переплав позволяет эффективно очистить металл от газов (азота, кислорода, водорода), примесей и неметаллических включений. Эти методы используются в производстве сплавов для особо ответственных изделий (например, для изготовления дисков и валов турбин и компрессоров).

Переплав в электронно-лучевых и плазменных печах применяют для выплавки сплавов и сталей особо высокого качества.