Подготовка шихты для индукционных печей
Обновлено: 17.05.2024
Футеровка индукционных печей
Плавильное пространство индукционной печи имеет форму тигля, футерованного огнеупорной массой, которая должна:
1) обладать высокой огнеупорностью и шлакоустойчивостью;
2) иметь стенки минимально возможной толщины, чтобы улучшить магнитную связь между индуктором и шихтой;
3) обладать значительной механической прочностью, чтобы сопротивляться нагрузке от массы жидкого металла и при ударах во время завалки шихты и осаживания ее ломиком в процессе плавления;
4) иметь высокую термостойкость и не давать больших объемных изменений при резком перепаде температур, достигающем 1200—1300°С по толщине стенки тигля (внутри — жидкий металл, снаружи — охлаждаемый водой медный индуктор).
Столь высокие и в известной мере противоречивые требования к футеровке индукционных печей привели к тому, что проблема огнеупорных материалов для печей такого типа еще окончательно не решена. Если стойкость кислых тиглей превышает 150 плавок, что можно считать удовлетворительным, то стойкость тиглей из основных огнеупоров колеблется от 10 до 100 плавок. Она увеличивается при выплавке менее тугоплавких сплавов (высокоуглеродистых и высокохромистых), при проведении плавок методом переплава, а также при непрерывной работе печи, когда тигель не охлаждается до комнатной температуры.
Кислая футеровка выполняется из кварцита с содержанием кремнезема не менее 95%. В качестве связующего используют 1,5—2,0% технической борной кислоты. Массу для набивки тигля составляют на две трети из молотого кварцита с размером зерен 2—3 мм и на одну треть из кварцитовой муки (0—1,5 мм) без увлажнения.
Основная футеровка может быть изготовлена из различных огнеупорных составов. Для малых тиглей успешно применяют смесь металлургического магнезитового порошка с бывшим в употреблении молотым термостойким магнезитохромитовым кирпичом в отношении 1:1. Смесь имеет следующий состав: 20% зерен размером 2—4 мм, 35% зерен 1—2 мм, 35% пыли. 8% каустического магнезита, 1% плавикового шпата и 1% глины в качестве связующего материала. После хорошего перемешивания смесь увлажняют водой (2—4%) и снова перемешивают.
Тигли крупных печей емкостью более 1 т целесообразно изготавливать из бывшего в употреблении сводового термостойкого хромагнезитового кирпича, размолотого до ситового состава: 15% фракции 2—4 мм, 35% фракции 1—2 мм и 50% менее 1 мм. В массу добавляют 2% плавикового шпата и увлажняют 2—4% воды. Набивку тигля производят после выдерживания перемешанной массы в течение 48 ч.
Применяют также массу из плавленого магнезита с добавкой в качестве связующего 3% борной кислоты или 5% плавикового шпата. Ситовый состав этой смеси: 15% фракции 2—4,5 мм, 25% 1—2 мм, 25% 0,4—1 мм и 35% пыли.
Все исходные материалы после размола и рассеивания следует очищать от опилок и стружки магнитом.
Набивка тигля производится либо в прессформе, либо непосредственно в печи. В прессформах набивают тигли для печей емкостью не более 300—400 кг. Для этого используют разъемную металлическую пресс-форму с шаблоном, соответствующим форме и размеру тигля. Перед набивкой прессформу смазывают машинным маслом, чтобы легче извлечь тигель. Сначала набивают стенки тигля слоями 20—25 мм с помощью пневматической трамбовки при давлении воздуха 4—5 атм, а затем дно тигля. Закрыв крышку и закрепив ее болтами, прессформу с набитым тиглем переворачивают, придавая тиглю тем самым нормальное положение, снова отпускают болты, вынимают шаблон и снимают разъемную наружную часть прессформы. После сушки на воздухе в течение 3—15 дней тигель устанавливают в печь па основание, набитое смесью магнезитового порошка с 10% каустического магнезита или 1,5% борной кислоты. Зазор между тиглем и индуктором засыпают мелким магнезитовым порошком или кварцевым песком.
Непосредственно в печи набивают, как правило, все кислые тигли и основные тигли печей емкостью 400 кг и более. При использовании в качестве связующего борной кислоты набивку производят сухой смесью, а при набивке смеси, содержащей глину, плавиковый шпат и каустический магнезит, производят увлажнение 2% воды. В последнее время для футеровки печей емкостью 1 т опробывают специальные блоки.
При набивке в печи используют шаблоны, сваренные из листового железа толщиной 3—7 мм. Шаблоны для кислых тиглей могут иметь плоское дно, а у шаблонов для основных тиглей с целью повышения стойкости тигля дно должно быть чашеобразным. На заготовке для шаблона просверливают отверстия диаметром 3—5 мм с шагом 100—150 мм, располагая их равномерно по всей поверхности листа. Отверстия облегчают выход газов при сушке и спекании тигля. Наружные размеры шаблона должны быть одинаковыми с внутренними размерами тигля. Среднюю толщину стенок тигля в зависимости от среднего внутреннего диаметра тигля определяют из следующих соотношений:
При изготовлении основных тиглей набивку ведут обязательно с помощью пневматических трамбовок при давлении воздуха 4—5 атм. Набивку кислых тиглей производят вручную плоскими металлическими трамбовками.
Толщина каждого нового слоя огнеупорной смеси, засыпаемой для уплотнения, не должна превышать 15—25 мм при набивке основных тиглей и 50—70 мм при набивке кислых тиглей. Эти требования вызваны тем, что плотность набивки основного тигля значительно больше влияет на срок его службы, чем плотность набивки кислого тигля. Во всех случаях после уплотнения каждого слоя его поверхность слегка взрыхляют металлическим прутком, чтобы обеспечить лучшее сцепление смеси со следующим слоем и устранить слоистость футеровки.
Набивку тигля в печи производят в следующей последовательности. На под из шамотных кирпичей укладывают один-два слоя миканида и слой асбеста толщиной 5—6 мм. Внутреннюю поверхность индуктора либо обкладывают листовым асбестом в несколько слоев общей толщиной 9—10 мм, либо обмазывают смесью кварцитовой муки и алебастра (4:1). После этого слоями набивают подину до третьего снизу витка индуктора. На подину устанавливают железный шаблон, тщательно его центруют, фиксируя относительно индуктора деревянными клиньями, и кладут на дно какой-либо груз, чтобы шаблон не смещался во время набивки. Верхний слой подины, не прикрытый шаблоном, хорошо взрыхляют и начинают набивать откосы. Набивку откосов следует вести особенно тщательно слоями не более 15—20 мм, так как уплотнять материал под скошенной частью шаблона трудно, а именно это место является наиболее нагруженным в тепловом отношении, и наиболее часто тигель разрушается на откосах. Стенки тигля набивают до верхнего витка индуктора. Верх тигля и сливной носок выполняют из фасонного кирпича (шамотного или магнезитохромитового) или из смеси 60% кварцевого песка, 30% огнеупорной глины и 10% жидкого стекла.
После окончания футеровки из шаблона удаляют груз, убирают площадку, обдувают индуктор сжатым воздухом и начинают готовить печь к работе.
Сушка и спекание тигля производятся либо с помощью железного шаблона, использованного при набивке (если тигель предназначен для плавки стали), либо с помощью специального графитового шаблона, который вставляют в тигель вместо железного (если в тигле необходимо плавить никелевые или другие сплавы с ограниченным содержанием железа). В обоих случаях нагрев шаблона происходит вихревыми токами, протекающими в железе или в графите при включении индуктора.
Нагрев шаблона ведут медленно, чтобы не вызвать растрескивания стенок тигля. Сушка и спекание кислого тигля происходят в течение 1—4 ч, основного — в течение 2—10 ч. Железный шаблон при этом не должен оплавляться. На графитовом шаблоне можно получать более высокие температуры и даже довести поверхность внутренней стенки тигля до оплавления, так как температура плавления графита превышает 4000° С. Через каждые 30—40 мин рекомендуется печь отключать и осматривать индуктор. При появлении влаги на витках индуктора его обдувают сжатым воздухом.
После окончания сушки с помощью железного шаблона загружают шихту для первой плавки. Лучше всего назначать для первой плавки высокоуглеродистую сталь. Мощность печи повышают постепенно по специальному графику, разрабатываемому на основании опыта для каждой установки. В процессе плавления шихты и оплавления шаблона стенки тигля спекаются на некоторую глубину, достигающую после проведения двухтрех плавок 25—30 мм. Остальная часть стенки тигля не спекается. Наличие буферного неспекшегося слоя огнеупорной массы обязательно для нормальной эксплуатации тигля, так как позволяет компенсировать объемные изменения при изменении температуры внутреннего спекшегося слоя, смягчает сотрясения тигля при загрузке и осаживании шихты, препятствует проникновению жидкого металла к индуктору при возникновении трещины в спеченном слое.
Уход за тиглем при работе печи во многом определяет срок его службы. После слива металла из печи тигель необходимо тщательно очистить от остатков металла и шлака с помощью металлического скребка. Периодически следует проводить контрольные промеры глубины тигля и его диаметра на трех уровнях — внизу, в средней части и вверху. При местном износе стенки тигля эта часть быстро темнеет после слива металла, что позволяет обнаружить место повреждения.
При эксплуатации основного тигля нельзя допускать образования ям на подине и трещин на откосах и в стенке тигля. Углубления на подине заправляются после тщательной очистки смесью мелкого магнезитового и магнезитохромитового порошка в отношении 1:1 с 10% молотой глины. При заделке мелких трещин смесь немного увлажняют жидким стеклом (1—2%). Большое значение для увеличения стойкости основного тигля имеет сокращение перерывов между плавками.
Кислые тигли допускают более серьезный ремонт, чем основные. При уменьшении толщины их стенок на 25—30% в очищенный от настылей тигель вставляют шаблон без дна, изготовленный из листового железа толщиной 2 мм, заполняют его шихтой и слоями по 50—60 мм, утрамбовывают зазор кварцитом с помощью прутка диаметром 8—10 мм. Первую плавку после ремонта ведут на 1—1,5 ч дольше. Аналогичным образом подваривают подину тигля, засыпав смесь из кварцита и 2% борной кислоты и слегка утрамбовав ее, накрывают дно листом железа и загружают шихту. Обычно кислый тигель, даже если он не имеет видимых дефектов, ломают через 150 плавок и набивают новый.
Выбор и расчет оборудования литейных цехов , страница 2
Исходя из потребности металла (см. таблицы 3.1.2.1.), опредиляется потребное количество печей [4] для Бр.О5Ц5С5 по формуле:
(3.1.3.1)
где В – требуемое количество металла для плавки (т), В=8880,1
К – коэф-т неравномерности работы оборудования, К=1,1–1,3
Ф – действительный годовой фонд работы оборудования (час), Ф=3890 [см. гл. 2]
р – производительность одной печи (т/ч), р=1,4
Для плавки Бр.О5Ц5С5 применяются печи характеристики которых представлены [4] в таблице 3.1.3.3.
Установленная мощность, кВт×(кВ×А)
Расход электроэнер-гии, кВт×ч/т
Индукционные тигельные печи промышленной частоты
Исходя из потребности металла (см. таблицы 3.1.2.1.), рассчитывается потребное количество печей для СЧ 20 по формуле:
(3.1.3.2)
где В – требуемое количество металла для плавки (т), В=12722,4
К – коэф-т неравномерности работы оборудования, К=1,1–1,3
Ф – действительный годовой фонд работы оборудования (час), Ф=3890
р – производительность одной печи (т/ч), р=1,7
Для плавки СЧ 20 применяются печи характеристики которых представлены в таблице 3.1.3.4.
Установленная мощность, кВт×(кВ×А)
Расход электроэнер-гии, кВт×ч/т
Индукционные тигельные печи промышленной частоты
Результаты расчетов представлены в таблице 3.2.1.
3.2. Заливочно-выбивной участок.
Вид оборудования и его количество в цехе зависят от способа изготовления отливок. В проектируемом цехе отливки изготовляются непрерывным литьем.
3.2.1. Технологический процесс изготовления отливок.
Для получения отливок значительной длины и в сечении правильной формы мы в проектируемом цехе применяются линии непрерывного литья УГНЛ–200Б для Бр.О5Ц5С5(разработанную в Национальной академии наук Беларуси «Институт технологии металлов») и линия непрерывного литья А-126 для серого чугуна (Одесский Научно-исследовательский институт специальных способов литья).
Техническая характеристика УГНЛ–200Б:
1. Сечение отливаемых слитков, 30…200 мм;
2. Максимальное усилие вытягивания, 50 кН;
— тип ИЛК–0,4–С1 (модернизированная);
— прижимное устройство – пневмоцилиндр;
— электропривод ЭПУ–1–2–3727 ПУХЛ4, Uсети
380В, 50Гц, N=4,75 кВт, n=150 мин -1 , двигатель;
— редуктор Ч–160–80–51–2–К–УЗ ТУ2–056–178–83, цилиндрический с четырьмя выходными валами.
5. Электродвигатель привода типа 4А160S6 N=11 кВт, n=1000 мин -1 ;
6. Электродвигатель обратного хода 4А160S6 N=11 кВт, n=1000 мин -1 ;
Технологический процесс изготовления заготовок на линии непрерывного литья состоит из подготовки линии и непосредственно самой вытяжки.
Подготовка заключается в визуальном осмотре узлов линии, футеровки металлоприемника, установки кристаллизатора, заглушки и затравки.
Плавка стали в индукционных тигельных печах
Плавку стали в индукционных тигельных печах можно осуществлять кислым и основным процессом .
В кислом тигле индукционных печей, как и в кислых дуговых печах, нежелательно выплавлять стали, содержащие марганец, титан, алюминий, цирконий и другие активные элементы, так как окислы марганца, взаимодействуя с кислой футеровкой, могут вызвать ее преждевременный износ, а титан, алюминий, цирконий энергично восстанавливают кремний шлака и футеровки.
При проведении кислой индукционной плавки, как и вообще при всех кислых процессах, отсутствуют условия для перехода из металла в шлак фосфора и серы . Кроме того, в индукционных печах в связи с более низкой температурой шлака и большей глубиной ванны менее благоприятны условия и для окисления углерода. И хотя избыток углерода можно удалить, все же не рекомендуется, чтобы содержание углерода в шихте превышало более чем на 0,1% допустимое его содержание в готовой стали, а содержание фосфора и серы должно быть ниже допустимых пределов для стали.
В индукционных печах с кислым тиглем плавку ведут, как,правило, без окисления . Большинство легирующих добавок дают в завалку. В связи с быстрым ходом плавки не остается времени для многократной проверки состава металла, поэтому плавка базируется на предварительном расчете, точном знании состава шихты и ее тщательном взвешивании.
Плавка стали в основных индукционных тигельных печах
При плавке стали в индукционных печах с основным тиглем можно использовать любой скрап , так как процесс выгорания марганца, кремния и углерода протекает достаточно быстро, а при необходимости в основной печи можно удалять также фосфор и серу. Но так как индукционные печи вследствие более низкой температуры шлака и меньшей удельной поверхности раздела металл—шлак приспособлены для этих процессов хуже, чем дуговые печи, то в индукционных печах целесообразнее плавку осуществлять переплавом или сплавлением чистых шихтовых материалов .
Ниже рассмотрены элементы технологии плавки стали в индукционной печи с основным тиглем на «свежей» шихте.
Шихтовые материалы и их загрузка впечь
Шихту для индукционных печей следует составлять, учитывая рациональный подбор размеров кусков шихты и плотную их укладку в печи. В мелких кусках шихты генерируется недостаточно высокая удельная мощность, и это приводит к увеличению длительности плавления и расхода электроэнергии. Чем ниже частота тока, тем больше глубина его проникновения и тем меньше удельная мощность. Поэтому размеры кусков шихты следует увеличивать с уменьшением частоты тока. Рекомендуют следующие соотношения:
| Частота тока, Гц | Размеры кусков шихты, мм | Частота тока, Гц | Размеры кусков шихты, мм |
| >10000 | =10 | ||
| 10000 | >=5 | =20 |
Шихта не должна быть сильно окислена , так как при этом между отдельными кусками получается плохой электрический контакт, вихревые токи замыкаются в каждом отдельном куске шихты, а это увеличивает продолжительность плавления и расход электроэнергии . Плавка проходит тем быстрее и электроэнергии расходуется тем меньше, чем плотнее уложена шихта. Наиболее рационально шихту укладывать следующим образом.
На дно тигля для смягчения даров крупных кусков уложить мелкую шихту и с целью предохранения металла от окисления завалить немного шлака, ферромарганца и ферросилиция. На дно следует присаживать также тугоплавкие ферросплавы, температура плавления которых выше достигаемых в тигле температур. При таком расположении они начнут растворяться сразу после появления первых порций жидкого металла.
Наиболее крупные куски уложить у стенок тигля на 2/3 высоты индуктора так, чтобы магнитные силовые линии пересекали максимальную площадь сечения куска.
Остальную часть шихты загружать до 2/3 высоты по оси тигля с максимальной плотностью укладки , а выше — менее плотно. Не рекомендуется заполнять тигель выше уровня индуктора, так как куски, лежащие выше индуктора, не пересекаются магнитными силовыми линиями и нагреваются в основном вследствие теплопроводности от нижележащих кусков, но затрудняют осаживание шихты в процессе плавления.
На малых печах шихту загружают вручную. Печи большой емкости можно загружать бадьей, что позволяет сократить время загрузки до 1—2 мин.
После окончания загрузки индукционную печь необходимо закрыть крышкой и включить ток. В начале периода плавления сначала, после включения печи, между кусками шихты в местах их плохого контакта происходят замыкания. В цепи индуктора эти замыкания вызывают толчки тока, поэтому плавление начинают на пониженной мощности источника. По мере прекращения толчков источник тока переключают на полную мощность.
Плавление шихты начинается в первую очередь на половине высоты индуктора у стенок тигля, затем постепенно распространяется вниз и вверх. Сообразно с этим шихта должна иметь возможность опускаться и погружаться в жидкий металл . Однако в верхней части тигля куски шихты могут заклиниваться и свариваться, образуя «мосты». Зависание шихты крайне нежелательно, так как оно может привести к сильному неконтролируемому перегреву жидкого металла и разрушению футеровки. Даже временное зависание шихты увеличивает продолжительность плавления и расход электроэнергии. Для устранения зависания шихту в процессе плавления необходимо периодически осаживать при помощи ломика с резиновой изоляцией ручки.
По мере оседания шихты постепенно погружают оставшуюся часть ее, следя за тем, чтобы холодные куски не попадали в жидкий металл, так как это может вызвать вскипание металла и сваливание холодной шихты в верхней части тигля с образованием трудноустранимых мостов. Нельзя допускать также оголения металла , поскольку это ведет к окислению и насыщению его газами. Во избежание этого при необходимости в тигель по ходу плавления присаживают шлаковую смесь, состоящую из извести, плавикового шпата и шамота.
Во время плавления необходимо следить за показаниями приборов и поддерживать максимальную мощность источника тока . По мере прогрева и оплавления шихты реактивная мощность установки изменяется, что требует периодической подстройки контура в резонанс. Подстройку осуществляют включением или отключением конденсаторов.
Окисление примесей
Окисление марганца, кремния и фосфора, при плавке стали в индукционной печи, происходит уже в период плавления. При высоком содержании фосфора в шихте шлак периода плавления во избежание восстановления фосфора при повышении температуры необходимо удалить. Новый шлак наводят из извести, плавикового шпата шамота. Чтобы повысить активность сравнительно холодных шлаков при индукционной плавке, содержание плавикового шпата в шлаковой смеси увеличивают до 20% . Такие шлаки интенсивно разрушают футеровку печи, поэтому в индукционной печи стараются не применять процессы, требующие активного участия шлака.
Чтобы улучшить взаимодействие между шлаком и металлом, шлак от потерь тепла изолируют (закрывают тигель крышкой) или даже подогревают дугой, элементами сопротивления и другими способами.
При необходимости дополнительного окисления примесей (фосфора и углерода) в тигель малыми порциями присаживают железную руду и шлаковую смесь. Интенсивное кипение металла в тигле может привести к выплескиванию металла, поэтому очередную порцию руды присаживают лишь после успокоения ванны. Расход железной руды составляет 3—5% от массы стали.
Окисление примесей возможно также и путем продувки металла газообразным кислородом , имея, однако, в виду, что интенсивность продувки стали в связи с опасностью его выплескивания из тигля должна быть невелика. В среднем окисление примесей редко продолжается более 15 мин.
Раскисление и рафинирование
В индукционных печах возможно осуществлять и диффузионное, и глубинное раскисление. Технология раскисления металла в индукционной печи мало отличается от технологии раскисления в дуговых электропечах. Однако интенсивное электродинамическое движение металла значительно ускоряет процессы раскисления, распределения присадок и рафинирования металла от продуктов раскисления. Поэтому в индукционных печах раскисление и рафинирование металла требуют меньшего времени. В то же время преимущества диффузионного раскисления в связи с низкой температурой шлака выражены в индукционных печах еще слабее, чем в дуговых.
При необходимости в индукционных печах можно проводить и десульфурацию металла. Для этого необходимо несколько раз скачивать и наводить высокоосновной восстановительный шлак, применять подогрев шлака, увеличивать расход плавикового шпата . Это вызывает увеличение продолжительности плавки, снижает стойкость футеровки печи, усложняет работу. Поэтому в большинстве случаев стремятся так подбирать шихту и так вести процесс, чтобы необходимость специального проведения десульфурации была исключена.
Основы работы индукционной тигельной печи
В индукционных печах можно переплавлять магнитную и немагнитную шихту. При плавлении немагнитной шихты ее разогрев осуществляется за счет джоулева тепла, выделяющегося при циркуляции в металле индуцируемых полем индуктора вихревых токов Фуко. Магнитные материалы нагреваются, кроме того, и за счет тепловых потерь при их перемагничивании, величина которых определяется шириной петли гистерезиса. Ферромагнитные свойства сохраняются, как известно, до точки Кюри (740—770° С).
Рассмотрим нагрев немагнитных материалов. Для упрощения представим себе шихту в виде сплошного блока цилиндрической формы, помещенного внутрь индуктора.
Поле, создаваемое соленоидом в зазоре между индуктором и цилиндром, образует цилиндрическую волну, падающую на поверхность цилиндра. Вектор напряженности магнитного поля в зазоре направлен вдоль оси цилиндра, а напряженность электрического поля направлена по касательной к поперечному сечению цилиндра. Проникающая внутрь цилиндра волна индуцирует вихревые токи прежде всего в поверхностном слое цилиндра. Эти токи циркулируют в плоскости витков индуктора в направлении, противоположном направлению тока индуктора. Токи образуют свое электромагнитное поле, также противоположное полю индуктора. Поэтому в более глубокие слои цилиндра поле индуктора проникает ослабленным и плотность тока, наводимого в более глубоких слоях, будет меньшей.
Глубина проникновения тока — это условная величина, равная расстоянию от поверхности, на котором плотность тока уменьшается в е раз по сравнению с плотностью тока у поверхности (ее — основание натуральных логарифмов, равное 2,718).
Глубина проникновения тока зависит от частоты изменения электромагнитного поля, удельного омического сопротивления и магнитной проницаемости материала.
В начале плавки основное количество тепла выделяется в поверхностном слое, и он прогревается в первую очередь. Неравномерность прогрева можно наблюдать визуально, если в высокочастотный индуктор вставить массивный блок, например, из графита.
С повышением температуры сопротивление металла увеличивается. Спустя некоторое время после начала нагрева сопротивление становится неодинаковым по сечению (максимум у поверхности), вследствие чего максимум плотности тока смещается от поверхности в глубь цилиндра. При этом в процесс прогрева вовлекаются все новые слои металла, увеличиваются глубина проникновения тока и мощность, передаваемая садке.
Неравномерность распределения плотности тока по сечению нагреваемого цилиндра значительно ускоряет нагрев, так как позволяет последовательно концентрировать в отдельных слоях высокую мощность. Если бы сила тока распределялась по всему сечению равномерно, то плотность тока и концентрация тепла были бы незначительными и для прогрева металла потребовались бы во много раз более мощные источники питания печей. Поэтому при индукционном нагреве очень большое значение имеет соотношение между глубиной проникновения тока и сечением прогреваемого блока.
Для одного и того же материала глубина проникновения тока зависит только от частоты, а это означает, что существует оптимальное соотношение между частотой и размерами твердой шихты, а также между частотой и диаметром тигля. Таким образом, для эффективного плавления одного и того же металла в индукционных печах разной емкости требуется различная частота питающего тока.
Все закономерности справедливы не только для расплавленного металла, но и для каждого отдельного куска шихты, если под d2 понимать диаметр отдельного куска. Поэтому для достижения высокого значения электрического к. п. д. печи необходимо выдерживать определенные соотношения не только между частотой тока и диаметром тигля, но и между частотой тока в индукторе, размерами и формой кусков шихты. Однако при использовании любой шихты куски надо укладывать так, чтобы при этом получался максимальным объем активного слоя.
В случае плавления магнитной шихты справедливы те же соотношения. Но в начальный период плавки магнитная шихта потребляет примерно на 40% больше мощности, чем немагнитная. При нагреве магнитной садки сильнее выражен и эффект неравномерного распределения плотности тока по сечению. Большая потребляемая мощность и более высокая концентрация тепла позволяют нагревать магнитную шихту с большей скоростью, чем немагнитную.
С повышением температуры шихты ее магнитная проницаемость уменьшается, что приводит и к уменьшению скорости нагрева. Выше точки Кюри магнитные металлы нагреваются так же, как и немагнитные.
После расплавления металл в индукционных тигельных печах находится в непрерывном движении. Движение металла вызывается действием ряда электродинамических эффектов, главным образом наличием отталкивающих усилий между проводниками с противоположным направлением токов (индуктором и садкой) и сжимающих усилий между проводниками с одинаковым направлением токов (между токопроводящими слоями садки). Электродинамические силы направлены радиально к оси цилиндра и создаваемое ими давление достигает максимума у оси цилиндра, на середине его высоты.
Под действием электродинамических усилий жидкий металл вытесняется из области с высоким давлением в места с более низким давлением, т. е. вверх и вниз, в результате чего возникает циркуляция металла.
Естественное электромагнитное перемешивание металла способствует выравниванию его температуры и состава по объему ванны и ускоряет плавку. Но при циркуляции по схеме на поверхности ванны образуется выпуклый мениск металла, шлак стекает к стенкам тигля и оголяет поверхность металла. Чтобы предотвратить это, приходится увеличивать расход шлакообразующих, что отрицательно отражается на технико-экономических показателях работы печи.
Выпуклого мениска не получается, когда уровень металла в тигле находится выше индуктора. В этом случае циркуляция не выходит на поверхность, а вблизи поверхности возникают завихрения, создающие обратный мениск, и поверхность ванны становится почти плоской. Для получения плоской поверхности индуктор делают секционным, и после расплавления металла, когда подводимую мощность можно уменьшить, верхнюю секцию отключают. Уровень металла оказывается выше включенных витков индуктора, и мениск не образуется.
Иногда интенсивность естественного перемешивания металла оказывается недостаточной для получения однородного состава. В этом случае целесообразно на время перемешивания переключить индуктор от источника питания током повышенной частоты к источнику питания током более низкой, например промышленной, частоты. При этом электродинамическое давление возрастает и усиливается циркуляция металла.
Шихта для выплавки стали и требования к ней
Примерно треть этого количества составляют брак, литейные отходы, обрезь слитков, отходы при прокатке и ковке, а также стружка от обдирки слитков , т. е. собственные отходы металлургических заводов. Остальная часть шихты складывается из отходов, возвращаемых заводами потребителями, направляемого в переплав изношенного и устаревшего оборудования и инструмента и лома, собранного отделениями вторчермета. Кроме того, в ограниченных количествах используется специально выплавляемая шихта — мягкое железо, а также передельный чугун и металлизованные окатыши .
Металлический лом, используемый в качестве шихты при выплавке стали, делится на две категории: группа нелегированных (А) и легированных (Б) отходов .
Нелегированный (углеродистый) лом не должен быть загрязнен цветными металлами (свинцом, цинком, оловом и др.), особенно никелем, медью и мышьяком , которые практически полностью переходят из шихты в металл и могут оказать существенное влияние на свойства стали. Нежелательно также, чтобы в углеродистых отходах содержалось фосфора более 0,05%, так как удаление таких количеств фосфора потребует продолжительного окислительного периода. Поэтому металлический лом испольуемый в качестве шихты, должен быть освобожден от лома цветных металлов и рассортирован по происхождению . Знание происхождения лома позволяет примерно оценить его состав и более правильно использовать его при шихтовке.
На заводах качественных сталей в электросталеплавильных цехах выплавляют сотни различных марок легированной стали. Часть из них содержит элементы, не поддающиеся окислению и трудно удаляемые при пользовании обычными процессами. Отходы, содержащие такие элементы, могут быть использованы в качестве шихты при выплавке стали определенного сортамента. Отходы легированных сталей должны быть рассортированы в группы, близкие по составу марок, и храниться отдельно от других отходов . Отходы некоторых наиболее сложно легированных марок следует хранить помарочно.
Металлический лом должен иметь определенные габариты. Мелкий лом, как правило, более окислен, замусорен и загрязнен маслом. Значительная окисленность лома не позволяет точно оценить долю угара металла, что чревато при таком качестве шихты непопаданием в заданный химический состав готовой плавки. Разложение в зоне электрических дуг ржавчины (гидрата окиси железа) и масла приводит к появлению в атмосфере печи атомарного водорода, интенсивно поглощаемого металлом.
Малая насыпная масса мелкого лома не позволяет завалить в печь всю шихту в один прием, вследствие чего, после расплавления первой порции шихты, приходится осуществлять подвалку. Это снижает производительность печи и увеличивает потери тепла.
Особые заботы доставляет переплав стружки . Длинная стружка затрудняет загрузку шихты; как правило, она сильно загрязнена маслом и уже на месте получения смешивается с отходами стали других марок, а часто и со стружкой цветных металлов. По этим причинам стружку следует переплавлять на заводах вторчермета и электросталеплавильным цехам поставлять изготовленные из нее паспортные болванки с известным химическим составом. Стружка, поставляемая непосредственно в электросталеплавильные цеха, должна быть спрессована и обожжена. Дополнительные затраты на подготовку стружки вполне окупаются экономией, получаемой при использовании доброкачественной шихты.
Нежелательно, чтобы в шихте были чрезмерно крупные куски — бракованные слитки, недоливки и т. п. В дуговой печи можно расплавлять крупногабаритный лом, но продолжительность плавления при этом увеличивается, длительное время приходится работать на высокой мощности, что отрицательно сказывается на стойкости футеровки печи. По этой причине максимальная масса отдельных кусков не должна превышать одной пятидесятой массы всей садки .
Для производства стали некоторых марок в состав шихты вводят специально выплавленную предварительно заготовку. Чаще всего она по своему составу представляет собой низкоуглеродистую сталь с ограниченным содержанием углерода, фосфора и серы, т. е. мягкое железо, полученное методом плавки на свежей шихте.
Мягкое железо должно быть в менее крупных кусках, чем легированные отходы , так как в связи с низким содержанием углерода оно плавится при более высокой температуре. Поэтому слитки мягкого железа прокатывают на заготовку, которую затем рубят на куски определенного размера.
Мягкое железо намного дороже углеродистого лома и его использование в отрицательно сказывается на себестоимости стали. Использование в шихте мягкого железа может быть оправдано только серьезными технологическими затруднениями выплавки стали нужной марки.
Следует отметить, что для электропечной плавки характерен постоянно наблюдаемый недостаток качественного лома. В связи с этим в течение длительного времени изыскивают материалы, которые могли бы заменить лом. В частности, неоднократно предпринимались попытки заменить часть лома передельным чугуном в качестве шихты. Однако все эти попытки заканчивались, как правило, неудачно.
Передел чугуна в сталь заключается в окислении находящихся в нем в избыточных количествах углерода, кремния, фосфора. Электропечи, плохо приспособлены для проведения окислительных процессов, поэтому использование их для передела значительного количества чугуна в качестве шихты нецелесообразно.
Обнадеживающие результаты получены при использовании в шихте электропечей полупродукта — предварительно продутого в реакторе чугуна . Однако появление и совершенствование кислородно-конвертерного процесса сделали более целесообразным переработку чугуна в сталь монопроцессом в конвертере.
В последние годы проводятся интенсивные всесторонние исследования плавки стали в электропечах с использованием высокометаллизированных окатышей в качестве шихты (90—95% Fe oбщ , 85—90% Fe мeт ). Построены промышленные комплексы для работы с непрерывной загрузкой окатышей в дуговую печь и с непрерывной разливкой стали. Использование чистых по сере, фосфору и сопутствующим примесям металлизованных окатышей позволяет при обычном качестве шихты выплавлять, применяя этот процесс, качественные стали. Плавка металлизированных окатышей в электропечах (бездоменный процесс) при успешном решении проблемы эффективного восстановления окатышей может оказаться более эффективной по всем показателям, чем выплавка стали из чугуна в конвертерах.
Таблица 1. Химический состав шлакообразующих и окислителей
Кликните на рисунок, чтобы увеличить.Шлакообразующие
При выплавке стали в основных дуговых печах для образования основного шлака используют известь, известняк, плавиковый шпат, шамотный бой и песок . В кислых печах шлак наводят из песка, шамотного боя и извести.
Наиболее важной составляющей шлаковых смесей, использемых в качестве шихты, является известь, которую получают обжигом известняка в шахтных печах при температуре 1100—1300° С. При обжиге углекислый кальций известняка разлагается на окись кальция и углекислый газ
Химический состав обожженной извести приведен в таблице. Содержание серы в известняке, применяемом в качестве шихты, в большинстве случаев низкое, однако оно возрастает после обжига за счет серы топлива. Повышенное содержание серы в шлаке затрудняет процесс десульфурации стали. Содержание других окислов в извести ограничивают по следующим соображениям: кремнезема, чтобы при заданной основности шлака количество его было меньше; окиси магния, чтобы шлак был более жидкотекучим и активным; окислов железа, чтобы не затруднять процесс десульфурации .
Для выплавки высококачественной стали, в качестве шихты используют только свежеобожженную известь . При хранении известь интенсивно поглощает влагу из воздуха с образованием гидроокиси кальция
которая рассыпается в порошок. Влага, внесенная известью, в печи разлагается на кислород и водород, вызывая обогащение стали водородом. Поэтому применение пылеватой извести, так называемой «пушонки», в электропечах совершенно недопустимо.
Вместо извести в окислительный период можно пользоваться необожженным известняком . Применяют известняк, содержащий не менее 97% СаСО3 (не менее 54% СаО). Известняк не гигроскопичен, его можно длительное время хранить. Разложение углекислого кальция в электропечи вызывает выделение пузырьков СО2, которые обеспечивают перемешивание металла и шлака и способствуют дегазации металла. Окислительный углекислый газ окисляет примеси в металле, в частности углерод.
Отрицательной стороной применения известняка вместо извести является дополнительная затрата электроэнергии на разложение карбоната кальция .
Для разжижения высокоосновных шлаков, в качестве шихты, применяют плавиковый шпат, песок и шамотный бой .
Как отмечалось при изучении свойств шлака, особенно сильно понижает его вязкость CaF2. К тому же использование CaF2 позволяет разжижать высокоосновные шлаки без уменьшения их основности, что чрезвычайно важно для эффективного удаления серы.
Поэтому широкое применение для наводки шлака получил плавиковый шпат , который в случае его использования при электроплавке должен содержать 90—95% CaF2, не более 3,0% SiO2 и не более 0,2% S.
Песок также понижает температуру плавления основных шлаков, но при этом понижается и основность шлака. Поэтому в основных печах песок находит ограниченное применение, в то время как в кислых печах он является главным шлакообразующим материалом . Основное требование, предъявляемое к песку, — высокое (минимум 95%) содержание SiO2.
При выплавке нержавеющих сталей и для разжижения густых магнезиальных шлаков иногда используют бой шамотных огнеупоров, содержащих примерно 60% SiO2 и 35% Аl2O3.
Окислители
Для интенсификации окислительных процессов в металл необходимо вводить окислители - кислород. Источниками кислорода служат железная руда, окалина и агломерат . Широкое распространение получила продувка металла газообразным кислородом.
Железную руду в качестве окислителей применяют при выплавке стали методом полного окисления. Присадка руды небольшими порциями обеспечивает длительное равномерное кипение металла без повышения его температуры , так как присаживаемая руда постоянно охлаждает металл. Это имеет особое значение для эффективного удаления фосфора.
Руду в качестве окислителей используют в завалку и в окислительный период. Руда, присаживаемая в окислительный период через шлак, должна быть в кусках определенного размера , желательно 50—100 мм в диаметре. Мелкая руда растворяется в шлаке, а крупные куски вызывают бурное вспенивание металла и шлака.
Кроме соответствия требованиям, касающимся определенного размера кусков, руда применяемая в качестве шихты должна удовлетворять и требованиям по химическому составу: в ней должно содержаться много окислов железа и мало кремнезема, серы и фосфора . Наиболее богатой является криворожская руда, но в ней содержшся довольно много фосфора и серы. Чистая по сере и фосфору бакальская руда характеризуется повышенным содержанием пустой породы, что вызывает понижение основности шлака, увеличение его количества и требует дополнительных затрат электроэнергии.
Иногда вместо руды в качестве окислителей используют заменители — агломерат и окалину от проката. Окалина от проката углеродистых сталей является наиболее чистым окислителем , но вследствие малого удельного веса она задерживается в шлаке. Необходимо учитывать также, что прокатная и кузнечная окалина может содержать легирующие элементы, которые целесообразно использовать.
Для интенсификации окисления углерода во время окислительного периода плавки на свежей шихте, а также для быстрого повышения температуры металла, окисления избыточного углерода и сопутствующих примесей при переплаве легированных отходов широко применяют продувку металла кислородом. Газообразный кислород чистотой около 99,5% подают в ванну под давлением 1—2 МПа (10—12 ат).
Основное требование, предъявляемое к газообразному кислороду как окислителю, низкое содержание влаги (не более 1 г/м 3 ) . Поэтому перед продувкой кислород должен быть осушен в специальных поглотителях влаги.
Раскислители и легирующие
Для раскисления стали и ее легирования раскислители и легирующие элементы применяют в чистом виде или в виде сплавов с железом или друг с другом.
Наибольшее распространение для раскисления и легирования стали получили металлические алюминий, никель, хром, марганец, молибден, кобальт и титан, ферросплавы — ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферровольфрам, феррованадий, ферромолибден, ферротитан, феррониобий, ферробор и другие, а также комплексные сплавы — силикомарганец, силикокальций, силикоцирконий силикоалюминий, сплавы алюминия, марганца и кремния, кремния, кальция и алюминия и другие.
Сплавы, применяемые в качестве раскислителей и легирующих, должны удовлетворять ряду требований:
1. Содержание основного легирующего элемента в сплаве должно быть максимальным . При низком содержании легирующих элементов увеличивается масса присадки, что удлиняет время ее проплавления и ведет к увеличению расхода электроэнергии и снижению производительности печи. Исключение составляют ферросплавы тугоплавких металлов — ферровольфрама и ферромолибдена, для более быстрого растворения которых желательно иметь более низкое их содержание в сплаве.
2. Сплавы должны быть чистыми от вредных для стали примесей, шлаковых включений и газов . Это особенно важно, потому что значительную часть их присаживают в печь лишь к концу плавки, когда рафинирование ванны уже закончено.
3. Куски сплавов должны быть определенного габарита . Наличие крупных кусков удлиняет время их растворения, затрудняет точность взвешивания и может быть причиной повышенного расхода сплава.
Кроме того, сплавам каждого элемента предъявляются свои особые требования, которые изложены в разделе «производство ферросплавов».
Науглероживатели . К числу науглероживателей принадлежат материалы, содержащие углерод и используемые для увеличения содержания углерода в металле. Они входят либо в состав шихты, либо их вводят в жидкий металл. Для науглероживания в электросталеплавильных цехах используют главным образом кокс и электродный бой, в редких случаях (вследствие дефицита) — древесный уголь и сажу.
Основное требование, предъявляемое к науглероживателям, заключается в том, что они должны быть чистыми по вредным примесям (главным образом иметь низкое содержание серы) и вносить мало золы .
Читайте также: