Технико-экономическая характеристика отдельных способов производства стали (стр. 7 из 9)
Кристаллизатор представляет собой медную водоохлаждаемую трубку со стенкой толщиной от 8 до 30 мм. Кристаллизаторы бывают двух типов: глухие и сквозные. При плавки металла в сквозном кристаллизаторе можно вытягивать слиток вниз по ходу плавки. Сквозные кристаллизаторы применяют при плавке тугоплавких металлов и сплавов. При плавке стали используют глуходонные кристаллизаторы. Сверху кристаллизатор имеет фланец. Через кристаллизатор к слитку подводится ток.
Вакуумные дуговые печи работают как на постоянном, так и на переменном токе. При переплаве стальных электродов применяют постоянный ток. «Плюс» подается на электрод, «минус» – на слиток.
После установки расходуемого электрода в камере печи и откачки ее до необходимого давления (около 10-2 Па) зажигают электрическую дугу между электродом и металлической затравкой, лежащей на дне кристаллизатора. Под действием тепла электрической дуги нижний торец электрода оплавляется и капли металла стекают в кристаллизатор, образуя жидкую металлическую ванну. По мере оплавления электрод с помощью механизма подается вниз для поддержания расстояния между электродом и металлом.
Рафинирование металла от вредных примесей происходит во время прохождения жидких капель металла через электрическую дугу и с поверхности расплава в кристаллизаторе.
Одним из преимуществ вакуумного дугового переплава является отсутствие контакта жидкого металла с керамическими материалами. Основной недостаток – ограниченное время пребывания металла в жидком состоянии, что существенно снижает рафинирующие возможности вакуума.
Плазменно-дуговой переплав (ПДП) применяется для получения стали и сплавов особо высокой чистоты. Источником тепла в установке служит плазменная дуга (рис. 16). Исходным материалом для получения слитков служит стружка или другие дробленные отходы металлообрабатывающей промышленности. Металл плавится и затвердевает в водоохлаждаемом кристаллизаторе, а образующийся слиток вытягивается вниз. Благодаря высокой температуре из металла интенсивно испаряются сера и фосфор, а также удаляются неметаллические включения.
рис.16. Схема плазменной дуги
Плазменная плавка специальных сталей и сплавов является одним из важных способов получения металла высокого качества. В плазменных печах источником энергии является низкотемпературная плазма (Т = 105 К). Плазмой называется ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны. Степень ионизации низкотемпературной плазмы близка к 1 %. Низкотемпературная плазма получается при введении в дуговой электрический разряд газообразного вещества. В этом случае газ ионизируется и образуется плазма. В металлургии в качестве плазмообразующего газа чаще всего применяют аргон.
Для плавки стали применяют два типа агрегатов: печи с огнеупорной футеровкой и медным водоохлаждаемым кристаллизатором.
Плазменные печи с огнеупорной футеровкой во многом похожи на дуговые сталеплавильные печи. В отличие от дуговых сталеплавильных печей в плазменной печи вместо графитовых электродов устанавливают один или три плазматрона, что зависит от размеров печи. В печах постоянного тока анодом служит ванна жидкого металла, ток к которой подводится через подовой электрод.
Металлургические возможности плазменных печей с нейтральной атмосферой очень широки и металл можно раскислять, десульфурировать, рафинировать от газов и неметаллических включений, легировать азотом.
Слитки полученные этим способом, имеют высококачественную поверхность.
Электронно-лучевая плавка
(ЭЛП) осуществляется за счет тепла, образующегося в результате облучения переплавляемого металла потоком электронов. Переплав ведется в вакуумных установках при остаточном давлении 0,001 Па, а затвердевание слитка—в водоохлаждаемом кристаллизаторе (рис. 17). Глубокий вакуум и благоприятные условия затвердевания обеспечивают получение особо чистого металла. Поэтому ЭЛП применяют для получения сталей особо высокой чистоты, сплавов со специальными свойствами, а также чистых тугоплавких металлов (W, Mo, Nb и др.).
Длительность плавки на печах емкостью 5-100т составляет 3,5-6,5 ч. Длительность заправки возрастает с 15-20 до 35 мин при росте емкости печи, длительность завалки равна 5-10 мин. Продолжительность периода плавления составляет 1,2-3,0 ч, возрастая при увеличении емкости печи. Длительность окислительного периода изменяется в пределах 0,5-1,5 ч. Длительность восстановительного периода обычно уменьшается при росте емкости печи для 80–т печах составляет 30-40 мин.
Выход годных слитков по отношению к массе шихты при выплавке стали составляет 88-90% ; выход годных слитков по отношению к массе жидкого металла равен 98- 98,5% для слитков массой 4-6,5т и 97-97,5% для 1-2т.
Простои составляют 4-9% календарного времени. Доля исходных материалов в себестоимости 90-94% для высоколегированных сталей.
Важным техническим показателем процесса электроплавки является расход электроэнергии на 1т стали.Расход электроэнергии колеблется в пределах от 500 до 1000 квт*ч на 1т. Эти величины приблизительно соответствуют расходу теплоты 500-900 тыс. кал, что на 25-35% меньше расхода теплоты в мартеновском процессе.
Легирование стали
Легированием называют процесс присадки в сталь легирующих элементов, чтобы получить так называемую легированную сталь, т. е. такую сталь в составе которой находятся специальные (легирующие) примеси, введенные в нее в определенных количествах для того, чтобы сообщить стали какие-либо особые физико-химические или механические свойства.
Легирующими могут быть как элементы, не встречающиеся в простой стали, так и элементы, которые в небольших количествах содержатся во всякой стали (С, Мn, Si, Р, S). Очень часто операцию легирования совмещают с операцией раскисления (особенно если металл легируют марганцем, кремнием или алюминием).
С точки зрения влияния на свойства стали легирующие элементы делят на две большие группы:
1-я—легирующие элементы, расширяющие γ oбласть твердых растворов. В эту группу входят и элементы, обладающие неограниченной растворимостью в железе (никель, марганец, кобальт), и элементы, образующие сплавы, в которых гомогенная область непрерывного ряда твердых растворов ограничивается гетерогенной вследствие появления новых фаз (углерода, азота, меди).
2-я — легирующие элементы, суживающие γ область. Сюда входят и элементы, образующие с железом сплавы с полностью замкнутой γ областью (бериллий, алюминий, кремний, фосфор, титан, ванадий, хром, молибден, вольфрам), и элементы, образующие сплавы с суженной γ областью (ниобий, тантал, цирконий, церий).
.Главное - избежать ненужного взаимодействия легирующих примесей с кислородом, чтобы уменьшить «угар» легирующих и обеспечить получение в стали минимума продуктов окисления - неметаллических включений, загрязняющих стали и снижающих их качество.
В зависимости от степени сродства к кислороду легирующие элементы также делят на две большие группы:
1-я — легирующие элементы, сродство к кислороду у которых меньше, чем у железа (никель, кобальт, молибден, медь). Они в условиях плавки и разливки практически не окисляются, поэтому могут быть введены в металл в любой момент плавки. Обычно эти элементы вводят в металл в начале плавки вместе с шихтой. Отходы, образующиеся при выплавке и прокатке (ковке, штамповке) сталей, содержащих эти элементы, а также отходы изделий, изготовленных из этих сталей, следует хранить и использовать отдельно (экономически выгодно загружать в печь не чистые никель, медь и т, п., а отходы шихты, содержащие эти примеси; если такие отходы загружать в печь при выплавке стали любой марки, то сталь при выпуске будет содержать никель, медь и т. д., а это не всегда полезно)
2-я — легирующие элементы, сродство к кислороду у которых больше, чем у железа (например, кремний, марганец, алюминий, хром, ванадий, титан). Чтобы избежать большого угара этих элементов при легировании, их вводят в металл после раскисления или одновременно с раскислением в самом конце плавки (часто даже в ковш, а иногда и непосредственно в изложницу или кристаллизатор).
Кроме легирующих этих двух основных групп применяют легирующие, введение которых в металл связано с возможной опасностью для здоровья, так как пары этих металлов или их соединений вредны. К таким элементам относятся сера, свинец, селен, теллур. Эти элементы вводят в металл непосредственно в процессе разливки стали и при этом принимают специальные меры безопасности. Легирующие примеси вводят в металл или в чистом виде, или в виде сплавов, или в виде соединений. Во всех случаях для удешевления стали стремятся использовать максимальное количество дешевых отходов (шлак, руду), содержащих нужный элемент. Иногда для легирования и раскисления стали применяют, так называемые экзотермические брикеты, в состав которых могут входить содержащие легирующий элемент окислы, порошкообразные раскислители и восстановители, и окислители. Кроме того, в состав смесей могут входить различные шлакообразующие добавки, обеспечивающие, получение включений, быстро удаляющихся из металла. При выпуске металла в ковш, в который загружены подобные брикеты, они «зажигаются», при реакции между восстановителями и окислителями выделяется необходимое количество тепла, легирующие примеси, входящие к состав окислов, восстанавливаются. Металл при таком методе работы не охлаждается. При правильном подборе состава смесей получают сталь, более чистую, при одновременном сокращении расхода раскислителей и легирующих.