Выплавка стали

Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап), т.е. металлические отходы, поступающие в переплавку для изготовления годного металла. Так как содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне, то сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение их содержания до требуемого уровня путём избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. Важной целью металлургического передела является и введение легирующих элементов, которые требуются для конкретной марки производимой стали.

Обеспечение нужного химического состава стали достигается регулировкой физико-химического взаимодействия расплавленного металла, называемого металлической ванной, со шлаком, газовой средой и футеровкой печи. Регулировка осуществляется изменением состава и количества флюса и шлака, а также газовой среды (количество газовой среды можно уменьшать вакуумированием, т.е. отсасыванием газа с получением давления ниже атмосферного), подачей кислорода в ванну, добавкой специальных раскислителей (типа марганца, кремния и алюминия) и управлением температурным режимом плавки.

Чугун переделывают в сталь в различных по принципу действия плавильных агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических дуговых и индукционных печах.

Полвека назад 80% мировой стали производили в мартеновских печах. Но в настоящее время использование мартеновских печей постепенно прекращают, поскольку они имеют низкую производительность. Сейчас из развитых стран в мартеновских печах производят сталь только Россия, Украина и Китай.

В настоящее время наиболее широко применяется выплавка стали в кислородных конвертерах, использующих жидкий чугун и имеющих значительно бόльшую производительность (в 10 раз), чем мартеновские печи.

Кислородный конвертер (рис. 2.2) – это сосуд грушевидной формы, закреплённый в поворотном механизме, который может вращать конвертер в обе стороны на любой угол. Корпус конвертера сварен из листовой стали толщиной около 100 мм, покрытой футеровкой толщиной около 1 м. Конвертер имеет высоту около 9 м и способен осуществлять выплавку 300 т стали за 30 мин.

а) б) в) г) Рис. 2.2. Последовательность операций при выплавке стали в кислородном конвертере: а – загрузка стального лома и последующая заливка чугуна; б – введение фурмы и подача кислорода; в – выпуск стали; г – слив шлака

Перед плавкой конвертер наклоняют (рис. 2.2-а) и загружают через горловину стальной лом, а затем заливают чугун при температуре порядка 1300С. После этого конвертер поворачивают в вертикальное положение (рис. 2.2-б), внутрь него вводят водоохлаждаемую фурму, через которую подают под давлением технический кислород. Расстояние сопла фурмы от ванны по ходу плавки может изменяться с целью обеспечения рационального режима продувки. Одновременно с началом продувки в конвертер загружают известь для создания шлака, боксит (Al₂O₃), который применяют для разжижения шлака, и железную руду. Струи кислорода проникают в металл, вызывая его циркуляцию и перемешивание со шлаком. Благодаря интенсивному окислению примесей чугуна кислородом в зоне под фурмой развивается высокая температура, доходящая до 2400С. Когда содержание углерода в металле достигает заданного, подачу кислорода прекращают, поворачивают конвертер (рис. 2.2-в) и выпускают сталь, имеющую температуру 1600С, в ковш, после чего сливают шлак (рис. 2.2-г).

Из-за интенсивной подачи кислорода в конвертерах трудно выплавлять стали, содержащие легкоокисляющиеся легирующие элементы, поэтому в них выплавляют низколегированные стали.

Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами, так как в них можно создавать любую требующуюся температуру, атмосферу или вакуум и получать сталь любого химического состава с минимальным количеством неметаллических включений. Электропечи бывают двух типов: дуговые и индукционные.

Дуговая электропечь (рис. 2.3-а) работает на трёхфазном переменном токе и имеет три цилиндрических графитных электрода 3, которые размещены по вершинам равносто­рон­него треугольника (рис. 2.3-б). Корпус печи 5 образует стальной кожух, футерованный огнеупорным кирпичом. Перед загрузкой шихты свод 4 понимают и отводят печь в сто-

а) Рис. 2.3. Устройство дуговой электропечи: а – условное продольное сечение: 1 – кабель; 2 – электродержатель; 3 – электрод; 4 – съёмный свод; 5 – корпус печи; 6 – выпускной жёлоб; 7 – поворотное основание; 8 – опорный ролик; 9 – под; 10 – рабочее окно; б – размещение электродов на виде сверху

рону, где и производят загрузку (до 400 т шихты, основную массу которой (90% и более) составляет стальной лом, представляющий отхо­ды машиностроитель­ных заво­дов, иногда дополняемый чушковым пе­редельным чугуном). После загруз­ки печь возвращают на место и вновь накрывают сводом 4. При включении тока силой 1…10 кА и напряжением 160…600 В между электродами 3 и металлической шихтой возникает электрическая дуга, создающая в рабочем пространстве печи темпе-ратуру до 2500С, что приводит к быстрому расплавлению шихты и образованию жидкой ванны на поде 9. Во время работы длина дуги регулируется автоматически путём перемещения электродов 3. Ход плав-

ки контролируется через рабочее окно 10. Готовая сталь сливается в ковш по выпускному жёлобу 6. Для контроля и слива печь имеет привод, который может наклонять её как в сторону рабочего окна 10, так и в сторону выпускного жёлоба 6.

В электродуговых печах выплавляют высококачественные стали. Эти печи используют не только в металлургических цехах, но и в литейных.

Рис. 2.4. Устройство индукционной печи: 1 – тигель; 2 – водоохлаждаемый индуктор; 3 – электрическая шина генератора; 4 – съёмный свод; 5 – выпускной жёлоб; 6 – поворотная ось; 7 – стойка

Индукционная печь (рис. 2.4) имеет водоохлаждаемый индуктор 3 (вода протекает внутри самой обмотки, имеющей полое прямоугольное поперечное сечение), на который подаётся однофазный переменный ток от генератора. Внутри индуктора находится тигель, т.е. предназначенный для плавки сосуд, выполненный из огнеупорного материала и вмещающий до 25 т металла. Ток создаёт переменный магнитный поток, пронизывающий куски металла в тигле и наводящий в них мощные вихревые токи, нагревающие металл до расплавления и необходимых температур перегрева. После окончания плавки левую сторону печи поднимают вверх, поворачивая тигель относительно оси 6, в результате чего жёлоб 5 наклоняется вниз и происходит выпуск металла. Индукционная печь обладает преимущества-

ми перед дуговой: в ней отсутствует электрическая дуга, что позволяет выплавлять очень чистую сталь с низким содержанием углерода, газов и малым угаром легирующих элементов; при плавке в металле возникают электродинамические силы, которые перемешивают металл в печи и способствуют выравниванию химического состава и всплыванию неметаллических включений; небольшие размеры печи позволяют помещать её в камеру, где можно создать любую атмосферу или вакуум; обеспечивается очень быстрый нагрев, поскольку металл разогревается изнутри сразу же по всему объёму, а не постепенно прогревается с поверхности, обращённой к источнику тепла.

Но при этом индукционная печь имеет и недостатки: малую стойкость тигля и недостаточную температуру шлака для протекания металлургических процессов между ним и металлом, что обуславливает необходимость использования только высококачественной шихты, свободной от примесей.

Выплавленную сталь выпускают из той или иной плавильной печи в разливочный ковш, с помощью которого её разливают в изложницы, т.е. металлические формы для отливки металла в виде слитка. Слитки могут отливать массой 300 т и более, но наиболее употребляемыми являются слитки от 0,5 до 10 т.

Рис. 2.5. Строение стального слитка: 1 – прибыль; 2 – усадочная раковина; 3 – усадочная рыхлость; 4 – мелкозернистый слой (корка); 5 – зона столбчатых зёрен; 6 – зона крупных равноосных зёрен; 7 – донная часть

При затвердевании слитка формируется его сложное неоднородное строение (рис. 2.5). Наружный слой (корка) небольшой толщины имеет плотную мелкозернистую структуру 4, обусловленную высокой скоростью затвердевания из-за большой разницы между температурами изложницы и жидкого металла. По мере повышения температуры изложницы интенсивность отвода в неё теплоты уменьшается, что приводит к понижению скорости кристаллизации и увеличению размеров зёрен, которые растут по нормали к внутренним стенкам изложницы (т.е. удаляясь от направления максимальной теплоотдачи) и приобретают продолговатую (называемую столбчатой) форму 5. В центральной (осевой) части слитка, которая застывает последней, и отвод тепла из которой достаточно равномерен во всех направлениях, образуются близкие по размерам (равноосные) крупные зёрна 6. Зона столбчатых зёрен 5 имеет намного большую толщину, чем наружная мелкозернистая корка 4, и при некоторых условиях кристаллизации может распространяться до самой оси слитка, полностью устраняя зону равноосных зёрен 6.

Стальные слитки неоднородны не только по зернистому строению, но и по химическому составу, т.е. обладают значительной ликвацией. В верхней (прибыльной) части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы, фосфора и углерода увеличивается в несколько раз, а в нижней (донной) части, наоборот, уменьшается. Поскольку сильная зональная ликвация приводит к недопустимой неравномерности свойств металла, то перед обработкой давлением прибыльную и донную часть слитка обычно обрезают, особенно учитывая, что в прибыльной части обычно образуются дефекты в виде усадочной раковины 2 и рыхлости 3.

В результате удаления прибыльной и донной частей слитка теряется порядка 30% исходного металла.