Производство стали в вакуумных индукционных печах

Производство стали в вакуумных печах.

Применение вакуума при выплавки стали позволяет получать металл практически любого химического состава с низким содержанием газов, неметаллических включений, примесей цветных металлов.

Как уже отмечалось, реакции дегазации и раскисления металла углеродом в вакууме протекают более полно. Кроме того при плавки металла в глубоком вакууме (<10'² Па) из металла удаляются некоторые неметаллические включения.

В настоящее время вакуумные индукционные печи делятся на периодические и полунепрерывные. В печах периодического действия после каждой плавки печь открывают для извлечения слитка и загрузки шихты. В печах полунепрерывного действия загрузка шихты, смена изложниц и извлечение слитка проводятся без нарушения вакуума в плавильной камере.

В промышленности применяют печи полунепрерывного действия. Печи периодического действия используют в основном в лабораториях и для фасонного литья. Емкость существующих вакуумных индукционных печей достигает 60 т.

Рисунок 9.20 - Схема вакуумной индукционной печи полунепрерывного действия

Здесь показана схема вакуумной индукционной печи (рис. 9.20) полунепрерывного действия. Печи этого типа имеют три камеры: плавильную (2), загрузочную (8) и камеру изложниц (1). В плавильной камере установлен водоохлаждаемый индикатор с огнеупорным тиглем (3), в котором проводиться плавление шихты. Каркас тигля, выполненный из уголков нержавеющей стали, опирается на цапфы. При сливе металла и чистке тигля последний наклоняется с помощью механического или гидравлического привода. Камера изложниц и загрузочная камера сообщаются с плавильной камерой через вакуумные затворы (6 и 10), которые позволяют загружать шихту в печь и выгружать слиток без нарушения вакуума в плавильной камере. Присадка легирующих и раскислителей осуществляется через дозатор (9), установленный на крышке печи (7). Для контроля процесса плавки печь снабжена гляделкой (4) и термопарой (5).

Технология выплавки металла в вакуумной индукционной печи полунепрерывного действия определяется маркой выплавляемой стали и качеством шихтовых материалов. Для плавки применяют шихтовые температурах <15°С наступают трудности при разбеге (перегрузка электродвигателя) вследствие превышении вязкости масла. Поэтому температуры помещений не должны превышать 15 °С. При давлении засасывания > 1 торр, потребление мощности насоса сильно возрастает. Увеличение компрессионной работы связано с более сильным нагревом насоса.

Помимо этого еще необходимо указать, что высокое давление всасывания и работа с газобалластом ведут к превышению расхода масла. Насос не должен применяться в качестве компрессора.

Дуговая электросталеплавильная печь. Металл в ней не соприкасается с газами, и получается более чистым, чем, например, в мартеновской печи. Многие легированные стали выплавляются только в электрических печах.

Прежде всего расскажем, как производят разливку стали в вакууме. Сталеразливочный ковш с жидкой сталью помещают в камеру, где создана разреженная атмосфера, и выдерживают его определенное время. Содержащийся в жидкой стали углерод начинает взаимодействовать с кислородом закиси железа и неметаллических включений, восстанавливает железо и другие элементы. Образующаяся при этом газообразная окись углерода бурно выделяется из металла в атмосферу камеры, откуда она непрерывно отсасывается вакуумными насосами. Реакции эти протекают энергично, и содержание кислорода в. жидкой стали быстро понижается. Одновременно уменьшается содержание в стали азота и водорода, так как пузырьки окиси углерода увлекают с собой в атмосферу камеры азот и водород. Все это приводит к тому, что насыщенность стали газом резко понижается и содержание неметаллических включений уменьшается, а качество стали становится значительно лучше.

Чтобы получить сталь особо высокого качества, ее не только разливают, но и выплавляют в вакууме. Для этой цели применяются специальные вакуумные дуговые и индукционные электропечи.

Однако вакуумирование - довольно сложный процесс, он требует дорогого оборудования, поэтому творческая мысль искателей уже много лет занята поисками более простых путей получения металла высокой чистоты.

В Институте электросварки имени Е. О. Патона сконструирована специальная установка для электрошлакового переплава. Сущность процесса состоит в том, что конец металлического стержня, изготовленного из обычной электростали и выполняющего роль электрода, расплавляется в слое жидкого шлака специального состава, нагретого до высокой температуры электрическим током. Капли расплавленной стали проникают через слой шлака, дегазируются и очищаются от неметаллических включений, а затем скапливаются в медной водоохлаждаемой форме, остывают и затвердевают.

Полученная таким образом сталь однородна по химическому составу, слитки ее отличаются плотной структурой.

Другой метод обработки жидкой стали - так называемыми синтетическими шлаками - имеет давнюю историю. Еще в 1925 г. видный советский металлург А. С. Точинский предложил сливать расплавленную сталь в сталеразливочный ковш, в который заранее налито определенное количество жидкого синтетического шлака. Такой же способ обработки жидкого металла с помощью синтетических шлаков был позднее предложен во Франции Р. Перреном. Этот способ назван способом Точинского - Перрена. Практика показала, что обработка в ковше жидкой стали синтетическими шлаками приводит к укрупнению частиц неметаллических включений и поэтому они легче всплывают.

В этом и суть процесса. Он прост, но исключительно эффективен. Качество стали при этом заметно улучшается.

В последние годы у металлургов появились такие современные помощники, как электронный луч и плазма. Они могут творить с металлом то, что не под силу старому труженику металлургии - огню. В электроннолучевых и плазменных установках, которые уже работают на некоторых заводах, рождаются сверхчистая сталь, металлы и сплавы. В струе плазмы можно быстро получить температуру более 10 000° С. При обычных, давно известных нам металлургических процессах достичь такой высокой температуры невозможно.

Теперь, после того как мы познакомились с различными способами производства стали, продолжим наше путешествие по металлургическому заводу и проследим дальнейший путь металла и его превращения материалы, очищенные от масла и влаги. Для легирования используют ферросплавы и чистые металлы. Перед загрузкой шихту предварительно прокаливают. После загрузки печи включают ток и расплавление шихты ведут на максимальной мощности. При появлении первых порций жидкого металла и при наличии в шихте углерода в печь напускают аргон до давления 1,3 • 10⁴ Па для предотвращения выплесков жидкого металла в следствие бурного протекания реакции [С] + [О] = СО_газ. После полного расплавления шихты металл рафинируют при давлении 1,3 - 0,13 Па от водорода, азота, кислорода и примесей цветных металлов. Раскисление стали происходит в основном по реакции [С] + [О] = СО_газ, равновесие которой при низких давлениях сдвигается вправо. В период рафинировки осуществляют также легирование металла. В первую очередь присаживают хром и ванадий, потом титан. Перед разливкой в металл вводят алюминий, редкоземельные металлы, кальций и магний. Для получения плотного слитка разливку проводят обычно в атмосфере аргона.

Основным недостатком вакуумных индукционных печей является контакт жидкого металла с огнеупорной футеровки тигля, что может приводить к загрязнению металла материалом тигля.