Выплавка стали в индукционных печах

В индукционных печах выплавляют в небольших количествах высококачественные легированные стали с малым содержанием углерода и специальные сложные сплавы. Нагрев и расплавление шихты в этих печах происходит за счет тепла, выделяемого индуктированным в ней током.

СХЕМА ИНДУКЦИОННОЙ ПЕЧИ

Индукционная печь состоит из тигля, изготовленного из огнеупорного материала, вокруг которого расположен спиральный многовитковый индуктор. Индуктор изготовлен из медной трубки, в которой циркулирует вода, охлаждающая индуктор. Частота тока зависит от емкости печи (от 10 кг до 10 т). В индукционных печах питание индуктора осуществляется от высокочастотных генераторов с частотами от 10 МГц для печей малой емкости и до 10кГц для печей большой емкости. Индукционные печи могут быть открытыми и закрытыми для плавки в защитной атмосфере или вакууме.

Индукционные печи удобны тем, что не требуют электродов, благодаря чему исключается науглероживание металла и упрощается управление печью. Кроме того, под действием магнитного поля усиливается циркуляция металла, что важно для ускорения химических реакций и получения однородного металла.

Плавку в индукционных печах ведут способом переплава, используя легированные отходы и чистые по сере и фосфору лом и ферросплавы. Дефосфорация и десульфурация, а также диффузионное раскисление в индукционных печах затруднены, ввиду низкой температуры шлака.

Индукционные печи обладают следующими положительными качествами: отсутствие науглероживания стали, возможность выплавки стали и сплавов с низким содержанием углерода, малый угар легирующих элементов, меньшее поглощение газов металлом по сравнению с другими печами. Однако, индукционные печи не получили широкого распространения, главным образом в связи с тем, что плавка в них менее экономична, чем в дуговых печах.

Разливка стали

Заключительной стадией любого процесса выплавки стали является выпуск стали из печи в ковш и разливка ее в слитки.

Сталеразливочный ковш имеет форму усеченного конуса, несколько уширенного кверху. Корпус ковша стальной, футерован внутри огнеупорным кирпичом. Емкость ковша определяется емкостью печи и может превышать 400 тонн. Высота таких ковшей около 6м, а малый диаметр около 5,5 м. В дне ковша находится разливочный стакан с пробкой – стопором с ручным или механизированным управлением.

После выпуска сталь выдерживают в ковше 5 – 15 минут в зависимости от ее температуры, марки стали и количества металла. Ковш под разливку нагревают до 700 ∘C, температура в начале разливки 1480–1540 ∘C, в конце 1390–1450 ∘C. Во время выдержки в ковше из металла удаляется часть продуктов растворения и газы, выравнивается состав металла.

Для получения из жидкой стали слитков используют разливку стали в изложницы и непрерывную разливку. Небольшой процент (около 5%) выплавленной стали используется для получения фасонных стальных отливок. В этом случае сталь из ковша заливается в специальные литейные формы.

Изложницы – металлические (чаще всего чугунные) формы для получения стальных слитков. Изложницы отливаются из жаростойкого чугуна и представляют собой толстостенную форму, открытую сверху и снизу (иногда они имеют дно). Форма поперечного сечения изложницы определяется назначением слитка, маркой стали и др. Высота изложниц больше их среднего поперечного размера в 2,5 – 3 раза. Внутренние стенки изложниц выполняются с небольшой конусностью, что облегчает извлечение (раздевание) слитка. Для удобства перемещения изложницы имеют цапфы или скобы.

Для слитков, подвергаемых затем прокатке, применяются изложницы квадратного или прямоугольного сечения. Для слитков, предназначенных для ковки и штамповки – многоугольные (восьмигранные). Для прокатки труб слитки получают в изложницах круглого сечения. Для прокатки листа удобны слитки прямоугольного сечения.

Слитки для прокатки имеют массу от 200 кг до 20 и более тонн, для ковки до 300 тонн. Из мелких слитков в 250-300 кг получают проволоку.

Перед заливкой стенки изложниц очищают и покрывают смазкой из каменноугольной смолы и графита для увеличения срока службы и предохранения от припекания стали. Стойкость изложниц от 100 (для крупных слитков) до 300 (для мелких) заливок.

Способы разливки стали в изложницы. Существуют два способа разливки стали в изложницы – разливка сверху и разливка снизу (сифонная).

Разливка стали сверху заключается в заполнении изложницы жидким металлом непосредственно из ковша или через воронку. Изложницы при этом устанавливают на толстые чугунные плиты – поддоны и по периметру обмазывают огнеупорным материалом.

При разливке сверху можно предельно снизить температуру заливки, что хорошо сказывается на качестве слитка. Разливка сверху сопровождается сильным разбрызгиванием, затвердевшие на стенках брызги ухудшают качество поверхности слитка и поэтому перед горячей обработкой слитки нужно подвергать обдирке. При заливке сверху создаются также неблагоприятные условия для удаления газов.

Разливка снизу (сифонная).

Изложницы устанавливают не на металлические поддоны, а на специальные керамические пустотелые плиты (сифонный припас), собранные в чугунном поддоне. Эти плиты имеют внутренние каналы, объединяющие их в единую литниковую систему. Сталь из ковша заливается в центральный стояк, выложенный шамотными трубками, и поступает одновременно в целый ряд изложниц (до 40).

Отсутствие брызг при заполнении изложницы снизу, позволяет получать более чистую поверхность слитка, но размывание металлом огнеупоров сифонного припаса приводит к образованию неметаллических включений. Имеет место также потеря металла в литниковой системе, более трудоемка подготовка изложниц к заливке, сифонный припас используется однократно.

Однако, дополнительные затраты на сифонную разливку полностью окупаются уменьшением стоимости зачистки поверхности слитков.

Практически применяют оба способа. Выбор способа зависит от множества конкретных причин.

Непрерывная разливка стали

Это наиболее совершенный способ разливки стали. Сущность способа непрерывной разливки состоит в следующем.

Жидкая сталь через промежуточное разливочное устройство 1 поступает в медный водоохлаждаемый кристаллизатор 2.

Кристаллизатор имеет высоту 800-1200мм, сечение его может быть различным, например: 150 на 300, 600 на 1200, 350 на 2200мм для получения прямоугольных слитков (слябов) или от 150 на 150 до 400 на 400мм для получения квадратных слитков (блюмов).

В кристаллизатор перед заливкой вводится временное дно – затравка с пазом в форме ласточкина хвоста (углубление).

Вследствие интенсивного охлаждения жидкий металл затвердевает у стенок кристаллизатора и затравки. Затравка при помощи тянущих валиков 3 движется вниз, вытягивая за собой затвердевающий слиток. Слиток выходит из кристаллизатора с еще жидкой сердцевиной и затвердевает полностью после вторичного охлаждения водяными струями 4.

Скорость движения слитка 0,5 – 2,5 м/мин. Ограничивается выходом наружу жидкой сердцевины при резке. Резка газокислородная или гидравлическими ножницами. Во время резки режущее устройство движется вместе со слитком. С целью уменьшения высоты установки для непрерывной разливки стали слиток изгибают под углом 90° и он от движения по вертикали переходит к движению по горизонтали (установка радиальной разливки).

Способ непрерывной разливки позволяет избежать использования дорогостоящего и громоздкого оборудования – изложниц, разливочных устройств, обжимных прокатных станов и др. Позволяет сократить производственный цикл, повысить производительность труда, увеличить выход годного металла (отходы 2 – 3% вместо 15 – 25% при разливке в изложницы).