Способы получения жидкой стали для фасонного литья

В литейных цехах, изготовляющих фасонные стальные отливки, плавку стали производят главным образом в мартеновских и электрических дуговых и индукционных печах.

В зависимости от требований, предъявляемых к стали, и качества шихтовых материалов используют печи с основной или кислой футеровкой, определяющей характер процесса плавки.

Основной процесс проводится в печах, футерованных магнезитовым крипичом, или с магнезитовой, а также доломитовой набивкой. Эти огнеупорные материалы состоят преимущественно из окиси магния (МgО) и окиси кальция (СаО).

В печах с основной футеровкой плавка ведется с применением основного шлака, содержащего высокий процент окиси кальция. Такой шлак позволяет удалить из жидкой стали большую часть содержащихся в ней вредных примесей — серы и фосфора, которые соединяются с окисью кальция в прочные соединения.

Кислый процесс проводится в печах, футерованных материалами, одержащими главным образом окись кремния (SiO₂).

Мартеновские печи

 

В фасонолитейных цехах преимущественно применяются мартеновские печи с основной футеровкой емкостью от 20 до 60 т. Показатели работы мартеновских печей даны в табл.

 

Основные показатели работы мартеновских печей
Емкость печи по завалке, т	Площадь пода, м2	Съем стали с 1 м2 площади пода в сутки, т	Удельный расход условного топлива на 1 т стали, кг	Стойкость (количество плавок)
10 15 20 30	9,5 12,5 15,0 20,0	4,5—6,0 4,5—6,0 5,0—6.5 5,5— 6,5	190—280	460—600
40 50	25,0 29,0	6,0—7,5 6,0 — 7,5	180 — 260	400-500

 

Под печи выполнен из чугунных плит, покрытых слоем теплоизоляционного материала, нескольких рядов магнезитового кирпича и верхнего слоя магнезитовой наварки (при основном процессе) из магнезитового порошка в смеси с каменноугольной смолой.

 

Схема устройства мартеновской печи.

 

Свод печи делается из магнезитохромитовых или динасовых кирпичей. В передней стене 9 расположены окна 6, закрываемые дверцами, через которые загружают шихтовые материалы, ведется наблюдение за ходом плавки и отбираются пробы металла.

Под ванны имеет наклон к задней стенке, в которой находится летка для выдачи металла. Летка во время плавки заделывается доломитом или магнезитом.

К обеим торцевым стенкам примыкают головки с каналами 1, 2, 3 и 7, через которые подается топливо и воздух и отводятся продукты горения.

Для повышения температуры пламени в печи газообразное топливо и воздух предварительно нагреваются до 1100—1200° С при прохождении через воздушный 12 и газовый 13 регенераторы, которые нагреваются теплом отходящих продуктов горения. Регенераторы заложены кирпичной кладкой с проходами для газа.

Нижняя часть печи состоит из двух пар шлаковиков 10 и 11 (газовых и воздушных), соединенных с одной стороны с головками печи, а с другой — с регенераторами. Шлаковики служат для собирания шлака и пыли, уносимых из рабочего пространства продуктами горения. Две пары регенераторов 12 и 13 предназначены для аккумуляции теплоты отходящих продуктов горения и передачи ее газу и воздуху. Регенераторы соединены боровами с перекидными клапанами и работают попарно и попеременно: в то время как одна пара регенераторов нагревает воздух и газ, другая — аккумулирует тепло отходящих продуктов горения. Спустя 10—15 мин происходит перевод клапана в новое положение и начинает работать другая пара регенераторов.

Жидкое топливо (мазут), также применяемое в этих печах, вводится с помощью форсунок и распыляется струей воздуха под давлением 5—6 кгс/см³. Такие печи имеют только одну пару регенераторов и соответственно одну пару шлаковиков.

Плавку стали в мартеновских печах применяют преимущественнодля крупных стальных отливок. Мартеновский способ выплавки стали обладает следующими преимуществами: возможностью использования большого количества стального лома и передела в жидкую сталь исходных материалов разнообразного химического состава; высоким качеством и возможностью выплавки сталей многих марок; относительно небольшой стоимостью передела. Емкость мартеновских печей составляет 5—500 т, а в цехах фасонного литья машиностроительных заводов 5—100 т.

По конструкции современные мартеновские печи подразделяют на неподвижные или стационарные и качающиеся. Большинство мартеновских печей стационарного типа. Преимущество качающихся печей — это слив стали в ковш в несколько приемов, порциями, а также слив шлака в шлаковню по ходу плавки через порог загрузочного окна. Недостаток таких печей — сложность конструкции печи.

Мартеновские печи строят с кислой и основной футеровкой. Динасовый кирпич применяют для кладки главных сводов, сводов головок и регенераторов, вертикальных каналов, стен шлаковиков в насадках и других частях основной мартеновской печи, а в кислых печах, кроме того, для кладки пода, передней и задней стенок, а для наварки пода после каждой плавки применяют кварцевый песок. Нижнюю часть регенераторов и борова выкладывают из шамотного кирпича, наружную часть — из обычного красного кирпича. Для уменьшения потерь теплоты через кладку регенераторов шлаковики (выше уровня пола цеха и ниже его на 1—1,65 м), а также часть рабочего пространства печи снаружи облицовывают теплоизоляционным материалом. Для повышения стойкости кладки и улучшения условий труда современные мартеновские печи оборудуют системой водяного охлаждения.

Продолжительность службы мартеновской печи при динасовом своде для больших печей составляет 250—300 плавок, для печей малой и средней емкости 400—500 плавок, а при магнезитовой футеровке свода да 700 и более плавок.

Современные мартеновские печи снабжены необходимой контрольно-измерительной аппаратурой и оборудованы устройством для автоматического регулирования расхода топлива и воздуха, а также давления в рабочем пространстве. Автоматически производится переключение клапанов, механизирован подъем заслонок рабочих окон и т. д.

Топливо мартеновских печей. На заводах, не имеющих доменного производства, применяют генераторный или коксовый газ или жидкое топливо, а на заводах, имеющих доменное производство, — смесь коксового и доменного газов с добавкой для подсвечивания факела пламени генераторного газа или смолы.

Процесс выплавки стали в мартеновских печах. В зависимости от футеровки ванны — основной (магнезитовой) или кислой (динасовой) — процесс выплавки стали может быть основным или кислым. В настоящее время почти вся сталь выплавляется в печах с основной футеровкой. Это объясняется тем, что в основном мартеновском процессе можно переплавлять шихту с более высоким содержанием фосфора и серы, чем в готовой стали. Мартеновским процессом можно выплавлять углеродистые, низко- и среднеуглеродистые стали, используемые для производства фасонных отливок.

Кислый мартеновский процесс, благодаря некоторым особенностям, обеспечивает получение плотной структуры стали, поэтому он незаменим при выплавке высококачественных сталей.

Наибольшее распространение для производства фасонных отливок получил скрап-процесс с использованием твердого передельного мартеновского чугуна.

Основной скрап-процесс на твердом чугуне. При скрап-процессе основным источником кислорода для окисления примесей чугуна является газовая фаза печи. Только незначительную часть кислорода дает железная руда, вводимая в печь по ходу плавки в количестве около 30%. Шихту для скрап-процесса рассчитывают так, чтобы она содержала около 1% Мn, не более 0,3% Р, не более 0,05—0,06% S и минимальное количество кремния. Обычно шихта при скрап-процессе содержит около 30% передельного мартеновского чугуна, до 15% стальной стружки при выплавке углеродистых сталей и около 10% при выплавке легированных. Остальную часть металлической шихты составляет привозной стальной лом и собственный возврат. Шихту рассчитывают исходя из того, чтобы содержание углерода в ней было на 0,3—0,5% больше содержания углерода в готовой стали.

Процесс плавки условно можно разделить на следующие периоды: заправка печи, завалка и плавление, кипение, раскисление и выпуск.

Заправка печи. В процессе эксплуатации печи ее под, стенки, откосы изнашиваются. Для поддержания пода, откосов печи в надлежащем состоянии их периодически обновляют, осуществляя заправку печи. Для заправки печи применяют обожженный, молотый и просеянный доломит или металлургический магнезит, а иногда сырой дробленый доломит. Заправку печи производят в минимальное время, чтобы устранить окисление пода. Обычно эта операция не превышает 10—15 мин. Заправку заканчивают заделкой выпускного отверстия магнезитовым порошком.

Заправку печи осуществляют машинами и вручную. Ее начинают, как только уровень металла в печи при выпуске готовой стали начнет понижаться.

Завалка шихты при работе на скрап-процессе на твердом чугуне. Чем быстрее производят завалку, тем меньше продолжительность плавки. На под следует загружать мелкий чистый лом (10—20% общего количества стального лома в шихте); на лом известняк (6—7% массы металлической шихты) и иногда боксит; иногда же вместо известняка применяют известь. Это сокращает плавку стали и сокращает расход чугуна, идущего на завалку. Поверх известняка загружают боксит, после чего в течение 10—15 мин прогревают известняк. На прогретый известняк загружают передельный чугун (10—15% массы металлической шихты), затем стальную стружку, на которую загружают крупный лом. После хорошего прогрева металлической части шихты заваливают остальной чугун. При работе скрап-процессом на твердой завалке заправку порогов проводят быстро, чтобы предупредить заплывание их плавящимся чугуном, загружаемым в конце, периода завалки.

Плавление. Период плавления в печах, работающих скрап-процессом, длится условно от конца завалки до полного расплавления и является самым длительным периодом мартеновской плавки. В период плавления полностью окисляется кремний и частично марганец и фосфор, содержащиеся в передельном чугуне, а также происходит процесс образования шлака. Для ускорения периода плавления воздух обогащают кислородом, который при работе печи на мазуте вводят в форсунки и вдувают вместе с воздухом распылителями.

При выплавке углеродистых сталей содержание углерода сразу же после расплавления не должно превышать более чем на 0,3% допускаемого содержания углерода в готовой стали. Если углерода содержится меньше, то в печь вводят соответствующее количество передельного или зеркального чугуна.

К моменту полного расплавления стали образуется шлак из окислов металлической части шихты, флюсов (известняк, боксит), материала пода и кладки печи. Образование шлака до полного расплавления способствует ускорению и интенсификации процессов дефосфорации, обессеривания, кипения ванны. Для этого в печь за 15—40 мин до полного расплавления стали вводят такое количество извести и боксита, чтобы основность шлака  составляла 1,5—2,0. Такой шлак содержит 30—35% СаО; 18—25% SiO₂; 10—15% FеО. После расплавления этот шлак скачивают из печи для снижения содержания фосфора в стали. После спуска шлака наводится новый шлак нормальной основности (СаО>40% и SiO₂<20%) из свежеобожженной извести и боксита.

По окончании наведения нового шлака ванну переводят на режим «чистого кипения», происходящего только за счет кислорода, содержащегося в жидкой ванне. При этом постоянно повышают основность шлака, доводя ее к моменту окончания кипения до 2,2—3,5. В период чистого кипения в стали увеличивается содержание марганца за счет его восстановления из шлака. Одновременно происходит окисление углерода со скоростью около 0,25% в час. Скорость окисления углерода может быть повышена подачей кислорода в ванну. Чистое кипение способствует очистке стали от растворенных газов и неметаллических включений. Период чистого кипения наиболее ответственный, поэтому в этот период плавки периодически контролируют состав стали и шлака.

После получения в стали заданного количества углерода производят предварительное раскисление силикомарганцем, силикошпигелем и доменным ферросилицием. Через 5—10 мин приступают к окончательному раскислению и доведению стали до заданного химического состава. При выплавке легированных сталей добавки в виде ферросплавов вводят в печь в разное время: никель — в начале плавки вместе с завалкой, хром — после предварительного раскисления, молибден — в период дефосфорации и наведения шлака и т. д.

Окончательное раскисление производят во время выпуска стали в ковш или на желобе мелкораздробленным ферросилицием ФС45 или ФС75. Для раскисления в ковш вводят 0,8—1 кг алюминия на 1 т стали.

Интенсификация мартеновского процесса кислородом. Основным преимуществом применения кислорода в мартеновских печах является повышение производительности печей и снижение расхода топлива на 1 т стали, а также уменьшение количества продуктов горения.

Интенсификацию мартеновского процесса осуществляют следующими способами: газификацией топлива дутьем, обогащенным кислородом; подачей кислорода для обогащения воздуха горения; расплавлением заваленного в печь скрапа кислородной струей и прямым окислением примесей ванны.

Существует несколько способов подачи кислорода для обогащения воздуха. Наиболее распространен способ подачи кислорода непосредственно в головки мартеновской печи. В печах с газовым отоплением кислород вводят в газовую струю на выходе последней из газового канала в печь. Расход кислорода при обогащении воздуха в печах, отапливаемых жидким топливом, колеблется в пределах 15—25 м³/т, а в газовых печах составляет 35 м³/т. Воздух обогащают кислородом главным образом в период завалки и расплавления. Производительность печи при этом увеличивается на 10—12%.

Для ускорения процесса расплавления вводят струю чистого кислорода на скрап, заваленный в печь. Плавить скрап кислородной струей необходимо после нагрева его до 1400° С. Для ускорения процесса окисления углерода применяют метод окисления металла чистым кислородом, вводимым непосредственно в ванну. При таком прямом окислении металла кислородом значительно лучше удаляются фосфор и сера.

Прямое окисление кислородом осуществляют при помощи трубок или специальных сопл с водяным охлаждением, которые устанавливают в передней или задней стенках, а иногда в своде печи. Удельный расход кислорода при прямом окислении углерода ванны 2,5—5,0 м³/т.

Кислый мартеновский процесс обычно используют для выплавки высококачественных сталей. Окислительная способность шлака в кислом мартеновском процессе ниже, чем в основном, соответственно ниже концентрации кислорода в сплаве. При плавке высококачественных сталей применяют чистые по сере и фосфору исходные шихтовые материалы и топливо с минимальным содержанием серы.

Используют два варианта кислого мартеновского процесса: кремневосстановительный (пассивный) и с ограниченным восстановлением кремния (активный).

При кремневосстановительной кислой мартеновской плавке процесс ведут так, что кремний восстанавливается из шлака и материала пода печи. Количества восстановившегося кремния достаточно для получения спокойной стали без введения дополнительных раскислителей.

При процессе с ограниченным восстановлением кремния в печь вводят железную руду или окалину для повышения окислительной способности шлака и понижения его температуры. Это способствует уменьшению восстанавливаемого кремния до 0,1—0,12%. Наряду с железной рудой или окалиной применяют также добавку в шлак извести, которая снижает в нем концентрацию кремния.