Технология и потребительские свойства инструментальной углеродистой стали

     В период «кипения» углерод интенсивно окисляется, поэтому шихта должна содержать избыток углерода. На данном этапе металл доводится до заданного  химического состава, из него удаляются  газы и неметаллические включения.

     Затем проводят раскисление металла в  два этапа. Сначала раскисление  идет путем окисления углерода металла, при одновременной подаче в ванну  раскислителей – ферромарганца, ферросилиция, алюминия. Окончательное  раскисление алюминием и ферросилицием  осуществляется в ковше, при выпуске  стали из печи. После отбора контрольных  проб сталь выпускают в ковш.

     Электропечи имеют преимущества по сравнению  с другими плавильными агрегатами:

а) легко  регулировать тепловой процесс, изменяя  параметры тока;

б) можно  получать высокую температуру металла,

в) возможность  создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений.

г) технология электроплавки гарантированно обеспечивает экологическую безопасность.

Различают дуговые и индукционные электропечи.  

     При строительстве металлургических заводов  отдают предпочтение, как правило, двум типам печей:

– печи постоянного тока с одним катодом (ДППТ)

– дуговой  печи трёхфазного переменного тока с высоким сопротивлением контура (ДСП)

     

       

     Рис.2 Схема дуговой печи трёхфазного переменного тока 

     Дуговая печь питается трёхфазным переменным током. Имеет три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы, закреплённых в электрододержателях 8, к которым подводится электрический  ток по кабелям 7. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает  электрическая дуга. Корпус печи имеет  форму цилиндра. Снаружи он заключён в прочный стальной кожух 4, внутри футерован основным или кислым кирпичом 1. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной12 и сводом 6. Съёмный  свод 6 имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса рабочее окно 10 (для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через  сливное отверстие со сливным  желобом 2. Печь опирается на секторы  и имеет привод 11 для наклона  в сторону рабочего окна или желоба. Печь загружают при снятом своде.

     Вместимость печей составляет 0,5 – 400 тонн. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных – с кислой.

     В основной дуговой печи осуществляется плавка двух видов:

     а) на шихте из легированных отходов (методом  переплава),

     б) на углеродистой шихте (с окислением примесей).

     Плавку  на шихте из легированных отходов  ведут без окисления примесей. После расплавления шихты из металла  удаляют серу, наводя основной шлак, при необходимости науглероживают и доводят металл до заданного  химического состава. Проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак измельченные ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Так выплавляют легированные стали  из отходов машиностроительных заводов.

     Плавку  на углеродистой шихте применяют  для производства конструкционных  сталей. В печь загружают шихту: стальной лом, чушковый передельный чугун, электродный  бой или кокс, для науглероживания  металлов и известь. Опускают электроды, включают ток. Шихта под действием  электродов плавится, металл накапливается  в подине печи. Во время плавления  шихты кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляются железо, кремний, фосфор, марганец, частично, углерод. Оксид кальция из извести и  оксид железа образуют основной железистый шлак, способствующий удалению фосфора  из металла. После нагрева до 1500 – 1540 C загружают руду и известь, проводят период «кипения» металла, происходит дальнейшее окисление углерода. После прекращения кипения удаляют шлак. Затем приступают к удалению серы и раскислению металла заданного химического состава. Раскисление производят осаждением и диффузионным методом. Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимости вводят в печь ферросплавы для получения заданного химического состава. Затем выполняют конечное раскисление алюминием и силикокальцием, выпускают сталь в ковш.  

Вместимость от десятков килограммов до 30 тонн. Схема индукционной тигельной печи представлена на рис 3.  

      

     

     Рис.3 . Схема индукционной тигельной печи 

Индукционная  тигельная плавильная печь состоит из водоохлаждаемого индуктора 3, внутри которого находится тигель 4 (основные или кислые огнеупорные материалы) с металлической шихтой, через индуктор от генератора высокой частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500 – 2000 Гц).

     При пропускании тока через индуктор в металле 1, находящемся в тигле, индуцируются мощные вихревые токи, что  обеспечивает нагрев и плавление  металла. Для уменьшения потерь тепла, печь имеет съёмный свод 2.

     Тигель  изготавливают из кислых (кварцит) или  основных (магнезитовый порошок) огнеупоров. Для выпуска плавки печь наклоняют  в сторону сливного жёлоба.

     Под действием электромагнитного поля индуктора при плавке происходит интенсивная циркуляция жидкого  металла, что способствует ускорению  химических реакций, получению однородного  по химическому составу металла, быстрому всплыванию неметаллических  включений, выравниванию температуры.

     В индукционных печах выплавляют сталь  и сплавы из легированных отходов  методом переплава, или из чистого  шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов методом сплавления.

     После расплавления шихты на поверхность  металла загружают шлаковую смесь  для уменьшения тепловых потерь металла  и уменьшения угара легирующих элементов, защиты его от насыщения газами.

     В основных печах раскисление проводят смесью из порошкообразной извести, кокса, ферросилиция, ферромарганца  и алюминия.

     В основных печах выплавляют высококачественные легированные стали с высоким  содержанием марганца, титана, никеля, алюминия, а в печах с кислой футеровкой – конструкционные, легированные другими элементами стали.

     В печах можно получать стали с  незначительным содержанием углерода и безуглеродистые сплавы, так  как нет науглероживающей среды.

     При вакуумной индукционной плавке индуктор, тигель, дозатор шихты и изложницы, помещают в вакуумные камеры. Получают сплавы высокого качества с малым  содержанием газов, неметаллических  включений и сплавы, легированные любыми элементами.  

     Рис. 4. Доводка и разливка стали 

       

     Из  плавильных печей сталь выпускают  в ковш. После этого в ковше (агрегат печь-ковш) происходит:

     – раскисление полупродукта стали)

     – коррекция и усреднение температуры  и химсостава

     – рафинирование и модифицирование 

     Современный агрегат печь-ковш имеет конструкцию  такого состава:

     – система для нагрева металла  электрической дугой 

     – система подачи ферросплавов и материалов для рафинирования стали в  ковше 

     – средства для перемешивания металла  инертным газом и пр.

     Из  ковша сталь разливают в изложницы  или с помощью машин для  непрерывного литья заготовок. Разливка в изложницы является устаревшим и энергетически затратным по сравнению с непрерывной разливкой.

     В изложницах (чугунные формы для изготовления слитков)или кристаллизаторах сталь затвердевает и получают слитки, которые подвергаются прокатке, ковке.

     Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными  сечениями.

     Слитки  с квадратным сечением переделывают на сортовой прокат: двутавровые балки, швеллеры, уголки. Слитки прямоугольного сечения – на листы. Слитки круглого сечения используются для изготовления труб, колёс. Слитки с многогранным сечением применяют для изготовления поковок.

     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.

     Сталь разливают в изложницы сверху (рис. 5 а), снизу (сифоном) (рис.5 б) и на машинах непрерывного литья.

     

      

     Рис. 5. Разливка стали в изложницы  

     а – сверху; б – снизу (сифоном) 

     В изложницы сверху сталь разливают  непосредственно из ковша 1. При этом исключается расход металла на литники, упрощается подготовка оборудования к  разливке. К недостаткам следует  отнести менее качественную поверхность  слитков, из-за наличия пленок оксидов  от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы.

     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.

     Поверхность слитка получается чистой, можно разливать  большую массу металла одновременно в несколько изложниц.

     Процесс розливки стали является технологически устаревшим и энергозатратным.

     Процесс непрерывной разливки стали является одним из наиболее быстроразвивающимся  в современной металлургии. В  большинстве стран мира этим способом разливают около 90-95% выплавляемой стали.

     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.

     Перед заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку – стальную штангу со сменной головкой, имеющей паз, которая в начале заливки служит дном кристаллизатора. Вследствие интенсивного охлаждения жидкий металл у стенок кристаллизатора и на затравке затвердевает, образуется корка, соединяющая металл с затравкой. После прохождения  тяговых роликов 6, затравку отделяют. Окончательное затвердевание в  сердцевине происходит в результате вторичного охлаждения водой из брызгал 4. Ролики 6 обеспечивают вытягивание  и регулирование скорости слитка. Затем затвердевший слиток попадает в зону резки, где его разрезают  газовым резаком 7, на куски заданной длины.  

      

     Рис. 6. Схема непрерывной разливки стали (вертикальная МНЛЗ) 

     Существует  несколько типов МНЛЗ: – вертикальные; – криволинейные; – радиальные; – горизонтальные.

     При непрерывной разливке стали, благодаря  более быстрому охлаждению и затвердеванию, слитки получаются однороднее, прочнее, отходов почти нет. 

В машиностроении, строительстве, на транспорте широко применяется металлический  прокат: листы, полосы, ленты, рельсы, балки  и т. д. Его получают в результате обжатия слитка металла в горячем  или холодном состоянии между  вращающимися валками прокатного стана. Таким образом, обрабатывают сталь, цветные металлы и их сплавы (рис.7).

Ниже  представлены несколько образцов распространённых видов проката (рис.8): труба, арматура, балка, швеллер, лист, уголок, полоса и т.д.