Выплавка стали в открытых и вакуумных индукционных печах

Химический состав стали и сплавов, по существу, определяет материал для изготовления плавильного тигля индукционной печи. Металл с повышенным содержанием марганца, титана, алюминия и циркония выплавляют в тиглях с основной футеровкой. Марганец активно взаимодействует с кислой футеровкой тигля и быстро разрушает ее с образованием легкоплавких силикатов марганца. Алюминий, титан и цирконий восстанавливают кремний из кислой футеровки и повышают его содержание в стали. Успешное проведение плавки в индукционных печах по установленной технологии во многом зависит от качества металлошихты, шлакообразующих, ферросплавов и раскислителей. В индукционной плавке обычно используют материалы с минимальным содержанием серы, фосфора, цветных металлов и других нежелательных примесей.

Плавки ведут способами переплава легированных отходов или сплавления компонентов шихты с ферросплавами. Подбор шихты по габаритности и плотная укладка составляющих в плавильный тигель обеспечивают ускоренное расплавление материалов и низкий расход электроэнергии. Загрузку малых печей осуществляют вручную, большегрузных – с помощью загрузочных корзин. По мере плавления и оседания в тигель загружают оставшуюся часть шихты. Для разрушения «мостов> и зависаний используют газообразный кислород. По мере плавления шихты в тигель присаживают шлакообразующие материалы, уменьшая тем самым контакт жидкого металла е атмосферой.

После расплавления шихты шлак скачивают и наводят новый, состоящий из 70% кварцита, 20% извести и 10% шамота для кислых тиглей или 60–65% извести, 5–15% магнезита и 20–30% плавикового шпата для основных. Затем приступают к раскислению и доводке металла до требуемого химического состава. Для раскисления шлака используют порошки кокса, ферросилиция, силикокальция, алюминия и боркалька (33% СаО и 67% А1). Последний изготовляют смешиванием порошка алюминия с гашеной известью и применяют после прокаливания смеси при температуре –600 °С. Глубинное раскисление металла осуществляют введением в расплав алюминия, силикокальция, алюмокальция, алюмобария и других раскислителей.

Корректировку химического состава осуществляют после получения анализа отобранных проб металла не позднее, чем за 10–20 мин до выпуска плавки. Температуру металла по ходу плавки и перед выпуском контролируют термопарой погружения. Угар отдельных элементов при индукционной плавке следующий, %: Сr 4–6, Мn 4–8, V 3–8, W – 2, Ni 1,5–3, Мо – 3, Si 5–15.

Плавка в индукционной вакуумной печи состоит из периодов: загрузки шихты, откачки печи до рабочего давления (кроме печи полунепрерывного действия). расплавления шихты, доводки и рафинирования металла, выпуска и разливки, очищения тигля.

Требования к материалам для плавки в вакуумных печах более высокие, чем для открытых индукционных печей. Обычно в качестве шихты применяют отходы легированных сталей и сплавов, образующиеся в передельных цехах, и специальную заготовку известного химического состава. Перед загрузкой шихту подвергают дробеструйной очистке для удаления поверхностных загрязнений, а в отдельных случаях – обжигу для удаления влаги и масел. Для легирования применяют металлические материалы и высокопроцентные прокаленные ферросплавы. После загрузки включают ток и расплавляют шихту на полной мощности. При переплаве углеродсодержащих материалов скорость плавления регулируют величиной подводимой мощности с учетом бурления жидкого металла или пространство над тиглем заполняют аргоном до остаточного давления 6,7–13 кПа.

Обычно скорость расплавления в крупных вакуумных индукционных печах составляет без подогрева шихты 2,7–3,2 т/ч.

После успокоения ванны и расплавления всей садки давление в печи снижают до рабочего. Для сокращения периода плавления (75% всего времени плавки) в тигель заливают жидкий полупродукт из другого сталеплавильного агрегата (конвертера, дуговой печи и др.).

В вакуумной печи достаточно полного раскисления металла достигают углеродом. Применение вакуума смещает равновесие реакции раскисления углерода в правую сторону и обеспечивает получение весьма низких содержаний кислорода. Константа равновесия реакции [С] + [О] = СО:

или

Раскисление металла углеродом в вакууме зависит только от парциального давления СО в газовой фазе над металлом. Чем ниже давление, тем выше раскислительная способность углерода и тем меньше кислорода должно находиться в равновесии с данной концентрацией углерода. Одновременно с раскислением металла происходит и его обезуглероживание. Выделяющиеся пузырьки СО создают условия для более активного удаления азота и водорода, а также всплывания неметаллических включений. Наиболее активно раскисление металла происходит в первый период плавки, когда при переходе металла из твердого состояния в жидкое, условия зарождения пузырьков СО наиболее благоприятны. Некоторые расплавы на основе железа и никеля раскисляют водородом, вводимым в металл через пористую огнеупорную вставку днища тигля. Для предотвращения взрыва в печи поддерживают низкое парциальное давление водорода и подают смесь аргона и водорода.

Минимальное содержание кислорода в металле достигается присадкой металлических раскислителей (кальция, магния, алюминия) и их сплавов с никелем и другими веществами (лигатуры). В процессе выдержки металла в вакууме из него удаляются газы и примеси цветных металлов. Ускоряют процессы дегазации и испарения продувкой металла нейтральными и активными газами. Присадкой в шихту ВИП извести (80%) и плавикового шпата (20%) достигают степени десульфурации стали к моменту расплавления садки на уровне 70–80%.

Чистый металл по неметаллическим включениям получают за счет минимальной выдержки расплава в тигле под вакуумом (20–30 мин) и соблюдения правил присадки легирующих и раскислителей, оговоренных в технологических инструкциях на выплавку тех или иных сталей и сплавов.

Металл из ВИП разливают в слитки или литые заготовки без нарушения вакуума и в атмосфере инертного газа. ВНП обеспечивает существенное повышение механических, электротехнических, антикоррозионных и других свойств сталей и сплавов и производство таких металлических материалов, которые невозможно изготовить обычной плавкой в атмосфере.