Кдуговым также относятся печи косвенного нагрева (рис. 3.3, б), где часть энергии дуги между двумя электродами передается металлу излучением. Сравнительно низкие температуры металла препятствуют применению этих печей для переплава черных металлов, они используются в основном в цветной металлургии.
При производстве стали в электропечах используются следующие шихтовые материалы: металлическая часть, шлакообразующие, окислители, добавочные материалы (раскислители и легирующие) и науглероживающие компоненты. Основную часть металлошихты составляет металлический лом.
В производстве реализуются две основные технологии плавки в электродуговых печах: на углеродистой или свежей шихте (с окислением примесей); на шихте из отходов легированных сталей (метод переплава).
В состав углеродистой шихты входят стальной лом (около 90%), передельный чугун в чушках (< 10%), железная руда, агломерат или окалина (1,0-1,5%), электродный бой или кокс для науглероживания металла и известь (2—3%). После загрузки шихты электроды опускают вниз, включают ток и шихта плавится.
На металл уже в периоды завалки и плавления шихты воздействует окислительная печная атмосфера (реакции (3.1)—(3.4)). Затем примеси металла окисляются оксидами шлака и железной руды по реакциям (3.8)—(3.10).
Образовавшиеся оксиды примесей металла совместно с СаО из извести формируют высокоосновной шлак, обеспечивающий дефос- форизацию стали по реакции (3.11). Уже при плавлении окисляется более 50% фосфора.
Шлак играет важную роль в окислительных процессах. Он обеспечивает передачу кислорода металлу из печной атмосферы и оксида железа FeO. Растворяющийся в металле кислород участвует в реакциях окисления (3.5)—(3.7).
Интенсивное окисление железа, а также кремния, марганца, углерода и других примесей по реакциям (3.1)—(3.4) происходит в результате продувки ванны кислородом. При этом выделяется значительное количество теплоты, быстро завершается процесс плавления шихты.
После полного расплавления шихты и перемешивания содержимого ванны берут пробу на полный химический анализ, затем скачивают шлак с фосфором, наводят новый шлак и начинается окислительный период плавки.
Для дальнейшего окисления углерода и фосфора проводят неоднократную загрузку руды и извести. Кислород руды через шлак окисляет углерод по реакции (3.7). Окисление интенсифицируется продувкой кислородом, при этом протекает реакция (3.4). Выделяющиеся пузырьки оксида углерода СО заставляют кипеть металл, что ускоряет прогрев ванны и удаление из металла газов и неметаллических включений, а также фосфора.
Шлак скачивают 2—3 раза, и содержание фосфора доводится до 0,01%. Когда содержание углерода в стали становится равным нижнему пределу его содержания в выплавляемой марке стали (%), кипение, а вместе с ним и окисление заканчиваются.
Затем проводят раскисление стали двумя методами: глубинным раскислением без восстановительного периода; раскислением в восстановительный период.
Первый метод применяют при выплавке углеродистой и низколегированной конструкционной стали, а также стали с последующим внепечным рафинированием. Сталь выплавляют под одним шлаком, без наведения последующего восстановительного шлака. В металл вводят ферросилиций, ферромарганец, феррохром. После 10—20 мин раскисления в печи (по реакциям (3.12)—(3.14)) сталь выпускают в ковш, где проводится окончательное раскисление ферросилицием и алюминием.
Второй метод, когда раскисление проводят под восстановительным шлаком, наводимым после скачивания окислительного шлака, применяется при получении сталей с заданными свойствами, пониженным содержанием примесей или легируемых легкоокис- ляемыми элементами. Восстановительный период плавки направ лен на раскисление металла, удаление серы, доведение стали до заданного химического состава, регулирование температуры металла. Сначала в печь подают кокс или электродный бой. В результате присадки металл науглероживается. После этого в печи наводится известковый восстановительный шлак из смеси извести, плавино вого шпата и шамота в количестве 2,0—3,5% от массы металла. За тем проводят диффузионное раскисление под белым шлаком. С этой целью на шлак подают порошок кокса и ферросилиция; шлак свет леет за счет уменьшения содержания в нем оксидов. Восстановлю ние оксида железа в шлаке происходит по реакциям (3.15) и (3.16), Содержание оксида железа в шлаке снижается, и оксид из металла начинает переходить в шлак. Во время восстановительного периода сера удаляется из металла по реакции (3.18). Когда достигнуты заданные состав металла и температура, выполняют конечное раскисление стали. После этого выпускают металл из печи в ковш.
Вторая разновидность плавки (метод переплава) в электропечи основывается на рациональном использовании содержащихся в шихте легирующих элементов, поэтому она проводится без окисления или с частичным окислением. Шихта для такой плавки помимо пониженного содержания фосфора должна иметь меньшее, чем в выплавляемой стали, количество марганца, кремния и углерода.
К роме того, с целью наведения шлака для защиты металла от окисления кислородом атмосферы и науглероживания электродами имеете с шихтой во время завалки вводят шлакообразующие вещества. Во время плавки удаляются фосфор и сера. Поскольку часть цементов окисляется в период плавки, необходимо проводить раскисление. Оксиды легирующих элементов восстанавливаются ферросилицием, алюминием, молотым коксом.
Чтобы интенсифицировать процесс переплава, применяют частичное окисление газообразным кислородом.
Общая продолжительность выплавки стали в дуговых электропечах вместимостью 5—100 т составляет 3,5—6,5 ч.
Сравнение отдельных способов производства стали показывает, что выход годного металла в электропечах составляет 92—93%, и конвертерах с комбинированной продувкой — 91—92%, в обычных конвертерах с продувкой сверху и мартеновских печах — 90%, и двухванных печах и мартеновских печах с продувкой кислородом - 87—88%.
Способы повышения качества стали.
Качество стали определяются: прочность, пластичность, минимальное газосодержание, содержание вредных примесей.
Основным критерием оценки качества является соединение серы и фосфора.
Для повышения качества применяются следующие методы:
1) обработка металла синтетическим шлаком. При перемешивании расплавленного шлака и металла реакция раскисления стали ускоряется в стали скитается соединение вредных примесей и кислорода.
2) Ваакумная дегозация заключается в том, что ковш с жидкой сталью помещают в герметичную камеру в которую насосами создается разряжение из стали удаляется азот и водород закладывают.
3) Электрошлаковый переплав, металл является электродом, который помещают в шлаковую ванну. Конец электрода оплавляется, капли металла проходя через шлак очищаются от серы газов. Этим способом получают высококачественные стали, которые используются для производства ответственных деталей (шарикоподшипников).
4) Вакуумно дуговой переплав получают еще более чистые стали которые используются для особо ответственные деталей.
Спокойные стали раскисляют марганцем, алюминием и кремнием в плавильной печи и ковше. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слишком усадочной раковины.
Кипящие стали раскисляют только марганцем, что недостаточно. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании слитка частично реагирует с углеродом и выделяется в виде газовых пузырей окиси углерода, создавая впечатление «кипения» стали.
Раздел 2. Металловедение и термическая обработка.
Тема 2.1. Внутреннее строение и кристаллизация металлов.
В технике наиболее распространены металлы и сплавы физические и химические свойства которых определяются строением их атомов. Типовая модель атома представляет собой положительно заряженное ядро окруженное облаком отрицательно заряженных электронов. Электроны расположены на внешних оболочках или орбитах слабее связаны с ядром, чем те, что на внутреннем и во многом определяют свойства металлов. Они легко отделяются от атома, чем и обусловлена высокая электро и теплопроводность металла. Атомы с недостающими электронами превращаются в положительно заряженные ионы, благодаря чему являются сильными восстановителями. За счет того, что электроны равномерно распределены между ионами металл имеет высокую пластичность. Атомы металла расположены в определенной последовательности образуют правильные пространственные фигуры – кристаллические решетки.
В отличае от металла, материал которых не имеет кристаллической решетки называется аморфными.
Наибольшее распространение получили кристаллические решетки:
- объемно центрированный куб (хром, вольфрам, малибден),
- гранецентрированный куб (алюминий, медь, никель, золото, серебро), (железо при тем-ре свыше 910 градусов) До 910 градусов – одну решетку, свыше 910 – другую решетку.
- гексоганальная решетка (магний, цинк, титан)
Реальные металлы применяемые при изготовлении деталей имеют нарушения вышеописанных решеток, которые называются дефектами. В реальных условиях дефекты кристаллических решеток во многом определяются механическими свойствами металлов.
Деффекты классифицируются по геометрической форме и размерам на следующие группы:
- точечные дефекты (несовершенство) – это вак5ансии, т.е. узлы решетки в которых атомы отсутствуют, либо дополнительные атомы внедренные в межузловое пространство.