Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами, так как в них можно получать высокую температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений — продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сталей и сплавов.
Плавильные электропечи бывают дуговыми и индукционными.
Дуговая плавильная электропечь питается трехфазным переменным током и имеет три цилиндрических электрода 9 из графтизированной массы. Электрический ток от трансформатора кабелями 7 подводится к электрододержателям 8, а через них — к электродам 9 и ванне металла. Между электродами и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга, электроэнергия прекращается в теплоту, которая передается металлу и шлаку излучением. Рабочее напряжение 160......600 В, сила тока 1-10 кА. Во время работы печи длина дуги регулируется автоматически путем перемещения электродов. Стальной кожух 4 печи футерован огнеупорным кирпичом 7, основным (магнезитовый, магнезитохромитовый) или кислым (динасовый). Подину 12 печи набивают огнеупорной массой. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6 из огнеупорного кирпича. Для управления ходом плавки имеются рабочее окно 10 и летка для выпуска готовой стали по желобу 2 в ковш.
Печь загружают при снятом своде. Механизмом 11 печь может наклоняться в сторону загрузочного окна и летки. Вместимость этих печей 0,5-400 т. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных с кислой.
В основной дуговой печи можно осуществить плавку двух видов: на шихте из легированных отходов (методом переплава) и на углеродистой шихте (с окислением примесей).
Плавку на шихте из легированных отходов ведут без окисления примесей. Шихта для такой плавки должна иметь меньше, чем в выплавляемой стали, марганца и кремния и низкое содержание фосфора. По сути это переплав. Однако в процессе плавки примеси (алюминии, титан, кремний марганец, хром) окисляются. Кроме этого, шихта может содержать оксиды. После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак, при необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Затем проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак мелко раздробленны и ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Так выплавляют легированные стали из отходов машиностроительных заводов,
При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов. Порядок ввода определяется сродством легирующих элементов к кислороду. В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали — конструкционные, инструментальные, жаропрочные и жаростойкие.
Плавку на углеродистой шихте применяют для производства конструкционных сталей. В печь загружают шихту: стальной лом (90 %), чушковый передельный чугун (до 10 %), электродный бой или кокс для науглероживания металла и известь 2-3 %.
Затем электроды опускают и включают ток; шихта под действием электродов плавится, металл накапливается на подине печи. Во время плавления шихты кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляются железо, кремний, фосфор, марганец, и частично углерод. Оксид кальция из извести и оксиды железа образуют железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла.
После нагрева металла и шлака до температуры 1500-1540°С в печь загружают руду и известь и проводят период «кипения» металла; происходит дальнейшее окисление углерода. Когда содержание углерода будет меньше заданного на 0,1%, кипение прекращают и удаляют из печи шлак. Затем приступают к удалению серы и раскислению металла, доведению химического состава до заданного. Раскисление производят осаждением и диффузионным методом. После удаления железистого шлака в печь подают силикомарганец и силикокальций - раскислители для осаждающего раскисления. Затем в печь загружают известь, плавиковый шпат и шамотный бой. После расплавления флюсов и образования высокоосновного шлака на его поверхность вводят раскислительную смесь для диффузионного раскисления (известь, плавиковый шпат, молотый кокс и ферросилиций), углерод кокса и кремний ферросилиции восстанавливают оксид железа в шлаке, содержание его в шлаке снижается, и кислород из металла по закону распределения переходит в шлак. По мере раскисления и понижения содержания FeO шлак становится почти белым. Раскисление под белым шлаком длится 30-60 мин.
В этот период создаются условия для удаления из металла серы, что объясняется высоким (до 55-60 %) содержанием СаО в шлаке, низким (менее 0,5 %) содержанием FeO и высокой температурой металла.
Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимости в печь вводят ферросплавы для получения заданного химического состава металла, после чего выполняют конечное раскисление стали алюминием и силикокальцием и выпускают металл из печи в ковш.
10. Обработка металла синтетическим шлаком заключается в следующем. Синтетический шлак, состоящий из 55 % СаО, 40 % А12О3. небольшого количества SiO2, MgO и минимума FeO, выплавляют в электропечи и заливают в ковш. В этот же ковш затем заливают сталь. При перемешивании стали и шлака поверхность их взаимодействия резко возрастает и реакции между ними протекают гораздо быстрее, чем в плавильной печи. Благодаря этому, а также низкому содержанию оксида железа в шлаке сталь, обработанная таким способом, содержит меньше серы, кислорода и неметаллических включений, улучшается ее пластичность и прочность. Такие стали применяют для изготовления ответственных деталей машин
Вакуумную дегазацию стали проводят для уменьшения содержания в металле газов и неметаллических включений. Вакуумирование стали производят в ковше, при переливе из ковша в ковш, при заливке в изложницу и т. п. Для вакуумирования в ковше ковш с жидкой сталью помещают в камеру, закрывающуюся герметичной крышкой. Вакуумными насосами в камере создается разрежение до остаточного давления 0,267-0,667 кПа. При понижении давления из жидкой стали выделяется водород и азот. Всплывающие пузырьки газов захватывают неметаллические включения, в результате чего содержание их в стали снижается. Все это улучшает прочность и пластичность стали.
Электрошлаковый переплав (ЭШП) разработан в Институте электросварки им. Е. О. Патона. Переплаву подвергают выплавленный в дуговой печи и прокатанный на круглые прутки металл. Источником теплоты при ЭШП является шлаковая ванна, нагреваемая при прохождении через нее электрического тока. Электрический ток подводится к переплавляемому электроду, погруженному в шлаковую ванну 2 и к поддону 9, установленному в водоохлаждаемом металлическом кристаллизаторе 7, в котором находится затравка 8. Выделяющаяся в шлаковой ванне 2 теплота нагревает ее до температуры 1700 °С и более и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла 3 проходят через шлак, образуя под шлаковым слоем металлическую ванну 4.
Перенос капель металла через основной шлак способствует их активному взаимодействию, удалению из металла серы неметаллических включений и растворенных газов. Металлическая ванна непрерывно пополняется путем расплавления электрода под воздействием кристаллизатора постепенно формируется в считок 6 Последовательная и направленная кристаллизация способствует удалению из металла неметаллических включении и газа, получению плотного однородного слитка.
В результате ЭШП содержание кислорода в металле снижается в 1,5-2 раза, понижается концентрация серы, в 2-3 раза уменьшается содержание неметаллических включений, они становятся мельче и равномерно распределяются в объеме слитка. Слиток отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверхности благодаря наличию шлаковой корочки 5, высокими механическими и эксплуатационными свойствами стали и сплавов. Слитки выплавляют круглого, квадратного, прямоугольного сечения массой до 110 т. Наиболее широко ЭШП используют при выплавки высококачественных сталей для шарикоподшипников, жаропрочных сталей для дисков и лопаток турбин, валов компрессоров, авиационных конструкций.
Разливка стали, разливка в изложницы, непрерывная разливка, строение стального слитка. Схемы разливки в изложницу, схема непрерывной разливки стали, схемы слитков спокойной и кипящей стали.
Изложницы – чугунные формы для изготовления слитков. Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями.
В изложницы сверху сталь разливают непосредственно из ковша 1. При сифонной разливке одновременно заполняются несколько изложниц (4…60). Изложницы устанавливаются на поддоне 6, в центре которого располагается центровой литник 3, футерованный огнеупорными трубками 4, соединённый каналами 7 с изложницами. Жидкая сталь 2 из ковша 1 поступает в центровой литник и снизу плавно, без разбрызгивания наполняет изложницу 5.
Непрерывная разливка стали состоит в том, что жидкую сталь из ковша 1 через промежуточное разливочное устройство 2 непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна – кристаллизатор 3, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток 5.
Спокойные и кипящие углеродистые стали разливают в слитки массой до 25 тонн, легированные и высококачественные стали – в слитки массой 0,5…7 тонн, а некоторые сорта высоколегированных сталей – в слитки до нескольких килограммов.
Разливка стали в изложницы а – сверху; б – снизу (сифоном)
После затвердения стали, залитой в изложницы, в полученном слитке наблюдаются три зоны зона 1 вблизи поверхности — плотный слой мелких кристаллов, зона 2 — крупнокристаллическая, столбчатые кристаллы которой расположены перпендикулярно оси слитка, зона 3 — кристаллы, беспорядочно ориентированные в слитке.