Электродуговые печи (стр. 5 из 6)

При плавке под белым шлаком на шлаковый покров задают раскислительные смеси, состоящие из молотых и порошкообразных кокса, 75%-ного ферросилиция, силикокальция, алюминия. Элементы-раскислители восстанавливают FeO и МnО шлака, при этом нарушается равновесное распределение кислорода между металлом и шлаком, что вызывает переход кислорода из металла в шлак:

(FeO) + C = [Fe] + {CO}.

[FeO]

Уменьшение содержания закиси железа и марганца сопровождается посветлением шлака. Обычно концентрацию закиси железа в шлаке доводят до 0,5%, одновременно снижается содержание кислорода в металле до 0,004—0,010% (в зависимости от содержания углерода и кремния в стали). Конечный шлак восстановительного периода имеет следующий состав: 55—60% (СаО— CaF₂); 18—23% SiO₂; 9—14% MgO; 5—10% А1₂О₃, менее 0,5% FeO, менее 0,5% МnО.

При плавке под карбидным шлаком на шлаковый покров присаживают раскислительные смеси с увеличенным количеством кокса. Затем плотно закрывают рабочие окна печи, добиваясьее герметичности. Под электродами в зоне наиболее высоких температур образуется карбид кальция:

(СаО) + ЗС_тв = (СаС₂) + {СО}.

Образовавшийся карбид кальция наряду с углеродом раскисляет шлак, что и вызывает переход кислорода из металла в шлак:

3 (FeO) + СаС₂ = 3 [Fe] + (СаО) + 2 {СО).

[FeO]

Содержание карбида кальция в слабокарбидных шлаках составляет 1,0—1,5%, в сильнокарбидных до 2—3%. Перед выпуском плавки карбидный шлак переводят в белый. С этой целью содержание карбида кальция в шлаке уменьшают добавками извести, плавикового шпата, шамотного боя. Если этого недостаточно, то приоткрывают заслонки печи и карбид кальция окисляется поступающим в печь воздухом.

Недостатком карбидного шлака является повышенное науглероживание металла, что и исключает его применение при выплавке малоуглеродистых сталей. Раскисление металла может быть осуществлено также только диффузионным способом — под белым или карбидным шлаком. Однако, как уже указывалось, такой метод раскисления приводит к затягиванию восстановительного периода.

Технология проведения диффузионного раскисления подобна рассмотренной выше и отличается только отсутствием осаждающего раскисления, осуществляемого в начале восстановительного периода. Взамен его в металл после скачивания окислительного шлака добавляют только ферромарганец, а затем наводят восстановительный шлак, как указывалось выше.

В восстановительный период создаются благоприятные условия для протекания реакции удаления серы из металла (СаО) + + [FeS] = (CaS) + (FeO), или в ионной форме [S] + (О^2-) = = (S^2-) + [О]. Высокая основность шлака, повышенная его жидкоподвижность, раскисленность шлака и металла позволяют довести показатель распределения серы между шлаком и металлом (S)/[S] до 15—40, а в некоторых случаях до 60—70. Содержание серы можно снизить до 0,020—0,025% и даже менее 0,01%.

Тепловой режим восстановительного периода характеризуется небольшим и постепенным понижением температуры металла по сравнению с концом окислительного периода, когда металл нагревается несколько выше температуры выпуска. В этот период в печь вводится меньшая мощность, чем в окислительный период, и она составляет 25—45% максимальной мощности.

Восстановительный период заканчивается легированием металла и окончательным раскислением, после чего производят выпуск металла в ковш.

§ 8. Жаропрочные стали и сплавы

К жаропрочным, или окалиностойким, относят стали, обеспечивающие эксплуатацию изделий при температурах свыше 500 °С в течение заданного времени.

Оценку жаропрочности сталей, проводят по их сопротивлению пластической деформации (пределу текучести) и разрушению (пределу длительной прочности). Жаропрочность металлов определяется, прежде всего, энергией межатомных связей, которая характеризуется физическими константами материала — температурой плавления, коэффициентом теплового расширения, теплопроводностью и др. При данной температуре плавления жаропрочность металла зависит от температуры его рекристаллизации.

Развитию дислокационного механизма ползучести препятствует легирование сталей, образование в них дисперсных карбидных или интерметаллических фаз. Чем дисперснее и стабильнее эти фазы, тем выше степень упрочнения стали. Легирование твердых растворов, приводящее к увеличению энергии связей между атомами, обусловливает торможение процессов диффузии и рост температуры рекристаллизации. В сталях и сплавах на никелевой основе упрочняющий эффект обеспечивают первичные карбиды (TiC, VC, ZrC, NbC), вторичные карбиды (Ме₂₃С₆, Ме₆С, Ме₇Сз), интерметаллические фазы (Ni₃Ti, Ni₃Al, Ni₃Nb и др.). Стали и сплавы с интерметаллическими фазами обладают большей жаропрочностью по сравнению с карбидосодержащими.

По содержанию легирующих элементов жаропрочные стали, и сплавы разделяют на низко-, средне- и высоколегированные. По структуре различают перлитные, мартенситные, аустенитные стали и т. д. Существует классификация сталей в зависимости от их назначения.

Рассмотрим основные свойства характерных представителей жаропрочных сталей и сплавов. Для изготовления изделий, эксплуатируемых при температурах 350...400°С, применяют стали 15, 20, 25, 30, 40 и 45; для деталей паронагревателей, трубопроводов, турбин с рабочей температурой среды 500...580 °С — низкоуглеродистые стали перлитного класса, легированные кобальтом, молибденом, ванадием (16М, 25ХМ, 12Х1МФ). После нормализации (950... 1050 ⁰С) и отпуска (650...750°С) стали имеют структуру пластинчатого перлита.

Нагруженные детали установок с температурой рабочей среды 450...470°С изготовляют из хромистых сталей. Для повышения эксплуатационных характеристик в состав сталей вводят ванадий, вольфрам, молибден, ниобий, титан, за счет чего повышается температура рекристаллизации. Эти элементы, образуя карбиды и фазы Лавеса, увеличивают жаропрочность стали. Легирование бором, цирконием, церием, а также азотирование способствуют дополнительному увеличению ее жаропрочности. Для достижения оптимальной жаропрочности высокохромистые стали 15X11МФ, 1ХКВНМФ закаливают в масле при 1000...1060 °С и отпускают при 700...740 °С. Структура их после отпуска — сорбит или троостит.

Более высокой жаропрочностью по сравнению с перлитными, мартенситными, ферритными и мартенситно-ферритными обладают аустенитные стали. Они характеризуются большим содержанием хрома и легируются молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием и бором. Аустенитные стали пластичны, хорошо свариваются, но плохо обрабатываются резанием. Для достижения высокой жаропрочности сталей обычно проводят их термообработку: закалку при 1050...1200 °С в воде, масле и на воздухе; старение при 6ОО...8ОО°С.

В зависимости от структуры после термообработки различают стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением. Стали 4ХМН14В2М, 4Х15Н7Г7Ф2МС с карбидным упрочнением применяют для изготовления клапанов авиационных двигателей. Стали с карбидным упрочнением менее прочные, чем с интерметаллидным.

§ 9. Металлургическое производство с точки зрения охраны окружающей среды

Литейные цехи. Наиболее крупными источниками пыле- и газовыделения в атмосферу в литейных цехах являются: вагранки, электродуговые и индукционные печи, участки складирования и переработки шихты и формовочных материалов; участки выбивки и очистки литья.

При плавке 1 т металла в открытых чугунолитейных вагранках выделяется 900—1200 м³ колошникового газа, содержащего оксиды углерода, серы и азота, пары масел, полидисперсную пыль и др. При разбавлении колошникового газа воздухом, подсасываемым через завалочное окно вагранки, количество отходящих газов увеличивается в 1,5—3,5 раза. Параметры и состав газов, отходящих от открытых чугунолитейных вагранок, приведены в табл. 3.

Химический состав ваграночной пыли зависит от состава металлозавалки, топлива, условий работы вагранки и может колебаться в следующих пределах (мас. доли, %): SiO₂ — 20-50; CaO — 2-12: А1₂О₃ — 0,5-6; MgO — 0,5-4; (FeO + Fe₂O₃) — 10-36; МnО —0,5-2,5; С — З0-45.

Дисперсный состав ваграночной пыли:

Размер частиц, мкм . . <5 5—10 10—25 25—50 50—75 75—150 >150

Фракционный состав:

при горячем дутье, % 16,6 13,3 16,0 13,2 12,5 18,4 10

при холодном дутье, % 2,4 6,2 21,8 26,4 29,9 13,3

Медианный размер пыли при горячем дутье 20 мкм, а при холодном дутье 70 мкм.

В закрытых чугунолитейных вагранках производительностью 5—10 т/ч на 1 т выплавленного чугуна выделяется 11—13 кг пыли, 190—200 кг оксида углерода, 0,4 кг диоксида серы, 0,7 кг углеводородов и др. Концентрация пыли в отходящих газах составляет 5—20 г/м³, медианный размер пыли 35 мкм.

В табл. 4 приведены выбросы загрязняющих веществ электродуговыми печами при выплавке стали.

Состав пыли зависит от марки выплавляемой стали. Примерный химический состав пыли, мае. доли, %: Fе₂О₃ — 56,8; Мn₂О_з —10,0; Аl₂О_з —5,0; Si₂ —6,9; СаО —6,9; МgО — 5,8;

остальное — хлориды, оксиды хрома и фосфора. Средний фракционный состав пыли:

Размер частиц, мкм 0—2 2—4 4 6 6 8 8 10 >10

Фракционный состав, % ... 52,2 22,5 6,2 7,3 2,5 9,3