Рафінування та розливання сталі

Для підвищення якості сталі її піддають рафінуванню, тобто очищенню сталі від домішок, які погіршують її якість. Очищати сталь можна в сталеварних агрегатах і поза ними. Як бачимо це два шляхи рафінування сталі. Кожний із них по-різному впливає на техніко-економічні показники сталеварних агрегатів.

У процесі рафінування сталі в агрегатах продовжується час перебування розплавів у них, що спричинює збільшення собівар­тості сталі та зменшення продуктивності агрегатів.

Впровадження позаагрегатного рафінування сталі потребує спеціального обладнання, яке може бути різної складності: ковші, печі, установки та ін. Рафінують сталь одразу після випуску з аг­регату, тобто розплавлену, ябо після кристалізації, тобто тверду. У процесі рафінування розплавленої сталі її вакуумують, про­дувають інертними газами, перемішують із синтетичними флюса­ми тощо.

Тверду сталь переплавляють електрошлаковим, вакуумно-ду­говим, вакуумно-індукційним способами тощо. Після закінчення варіння сталь випущена у ківш продовжує вбирати гази з довкілля (у даном випадку це атмосфера цеху). Отже, щоб ізолю­вати сталь від повітря, а також зменшити кількість домішок, роз­чинених у ній, сталь вакуумують. Вакуумування проводять кількома способами.

І.Об'ємне вакуумування. При цьому способі ківш зі сталлю переносять у вакуумну камеру, де за допомогою потужних помп зменшують тиск до (60... 150) Па. Із розплаву, де тиск газів знач­но вищий, ніж над розплавом, гази виходять у камеру, звідки їх випомповують. Внаслідок такої операції в розплаві зменшується кількість кисню, азоту, водню тощо. Наприклад, за 15 хв. перебу­вання розплаву у вакуумній камері кількість водню в сталі змен­шується на 40%.

2. Порційне вакуумування. На відміну від попереднього спо­собу, де одночасно вакуумують цілий ківш розплаву, у процесі порційного рафінування вакуумують лише невеликі порції сталі. А відбувається це так.

Рис. 5.9. Схема порційного

вакуумування, розплавленої сталі

Над ковшем З (рис. 5.9), заповне­ним розплавленою сталлю 4, ставлять камеру 1. У камері за допомогою помп створюється вакуум, як і в разі попе­реднього способу. Під дією атмосфер­ного тиску розплав через патрубок 2, який з'єднує камеру з ковшем, виштов­хується в камеру, де й проходить дега­зацію. Потім камеру піднімають і порція дегазованого розплаву повер­тається в ківш, а камера займає попе­реднє положення, і так почергово.

З усіх інертних газів у металургії найчастіше застосовують аргон, яким продувають розплавлену сталь. Пе­ремішуючи розплав, аргон сприяє при­скоренню хімічних реакцій, виведенню

газів і неметалевих включень з розплаву на його поверхню. Буль­башки аргону в розплаві завжди рухаються знизу вгору. Кисень і водень проникають у бульбашки аргону і разом виходят на по­верхню розплаву, а потім в атмосферу.

На очищення 1 т сталі витрачається 1 аргону. Звичайно

собівартість сталі зростає, але поліпшується якість. Вміст кисню в сталі після аргонування зменшується в 1,5 рази.

Рис. 5.10. Схема продування розплавленої сталі аргоном:

І — подання аргону, 2 — ківш, З — розплав

Шляхи продування розплаву різні: через фурми, вставлені в роз­плав, або через шпарувате днище чи збоку. На рис. 5.10 зображено схему подання аргону через днище.

Очищення сталі синтетичними флюсами. Флюси виплавляють в електричних печах. Основними складниками флюсів є СаО(55%) і А1О (40%), решта SiO, MgO і FeO. Флюси нагрівають до температу­ри (1650...1700) °С і виливають у ківш, який підставляють до стале-варного агрегату. Сталь потуж­ним струменем виливається у

Рис. 5.11. Схема установки для електрошлакового переплавлення сталі

ківш, перемішується з флюсами. Складові флюсів взаємодіють з домішками, які є у сталі й утворені продукти реакції спливають на поверхню розплаву. Внаслідок такого способу очищення розпла­ву вміст сірки в сталі зменшується вдвічі, а час сталеваріння ско­рочується. Так, варіння сталі в дуговой печі скорочується на (30...50) хв., що приводить до економії електроенергії, зниження собівартості сталі. Електрошлаковим способом рафінують мар­тенівську сталь і сталі, що отримані в електропечах (рис. 5.11).

Суть цього способу полягає у тому, що зі сталі, яку треба очи­стити від домішок виготовляють вальцюванням або литтям еле­ктрод 1, який закріплюють в електротримачі над охолоджуваним водою кристалізатором 2. До початку процесу на дно кристаліза­тора кладуть затравку б, насипають шар флюсів (99% CaF, реш­та А1 і кальцієва селітра) і вмикають струм. Між електродом і за­травкою виникає електрична дуга, теплота якої й розплавляє флюси. У разі досягнення певної товщини розплавлених флюсів дуга гасне. Струм, який проходить через флюси, нагріває їх до температури 2000 °С. У нагрітому шарі флюсів 3 сталевий елект­род 1 плавиться. Розплавлена сталь проходить через шар флюсів, очищаєтья від домішок 4 і находить до охолоджуваного водою кристалізатора, де формується у вигляді виливка 5 круглої, квад­ратної чи іншої форми. Маса виливка досягає 110 т. Шар шлаку,

який утворився в процесі очищення сталі, захищає очищений ме­тал від окиснення. Одночасно переплавляють кілька електродів.

Отримані виливки не містять дефектів лікваци, мають гладку поверхню, однорідну щільну мікроструктуру та значну якість: вміст кисню у виливку зменшується у (1,5... 2) рази, сірки у (2... 3) рази, зменшується вміст неметалевих включень. Очищену сталь використовують для виготовлення лопатей турбін, валків, ком­пресорів тощо.

Щоб очистити сталь від газів та неметалевих включень її пе­реплавляють у вакуумних дугових печах, які працюють на постійному струмі (рис. 5.12).

Електроди виготовляють зі сталі, виплавленої в мартенів­ських печах. Електрод З, який кріплять до охолоджуваного во­дою штока 2, виконує роль катода, анодом є затравка 8, а потім

очищений виливок, який перебуває в тиглі б, охолоджується во­дою. Між катодом і анодом виникає електрична дуга. Електрод розплавляється і краплями 4 стікає у тигель з розплавом 5, де за­стигає у вигляді виливка 7. Оскільки піч 1 вакуумована, то гази та неметалеві включення виходять з розплаву.

Довговічність виробів, виготовлених з очищеної цим спосо­бом сталі, збільшується в (1,5...2,5) рази. Корозієстійкість сталі у водному розчині, який містить 3% NaCl, збільшується вдвічі. Поліпшується структура виливка.

Розливання сталі — це дуже відповідальний момент у вироб­ництві. Готову сталь випускають із сталеварних агрегатів у роз­ливні ковші, з яких її розливають у виливниці або в проміжні ковші машин безперервного розливання. Ковші викладено во­гнетривкою цеглою. У днищі кожного ковша є отвір, через який сталь надходить до виливниць або на розливні машини. Діаметр ковша — близько 5,5 м, висота — близько 6 м. У такій ківш вміщується до 400 т сталі.

Виливницями називають чавунні форми, в яких крис­талізується і набуває певної форми розплавлена сталь або інший

Рис. 5.13. Схеми розливання у виливниці:

а — заповнення виливниць ролзплавом зверху;

б — заповнення виливниць розіглавом знизу

сплав чи метал. Продукцію, отриману розливанням, називають виливками.

Поперечний розріз виливниць може мати форму квадрата, прямокутника чи круга. Виливки квадратної форми переробля­ють на листи, а з круглих роблять труби, колеса та ін. Маса ви­ливків становить (7...300) т. Заповнювати виливниці розплавом можна двома шляхами: зверху або знизу (сифоном). Звідси похо­дять назви способів розливання.

1. Розливання зверху. При цьому спосрбі розливання (рис. 5.13, а) виливницю 5 заповнюють розплавом 2 з ковша 1. Кожну виливницю заповнюють окремо. Коли сталь застигає, її об'єм зменшується приблизно на 6%, що сприяє утворенню запа­дини. Для зменшення глибини западини верхню частину вилив­ниці утеплюють. Цей спосіб широко використовують для отри­мання великих виливків. Він простий, відсутні втрати металу на заповнення ливника, але малопродуктивний і дає малу якість по­верхні виливків.

2. Розливаняя знизу (сифонне). При цьому способі розливан­ня одночасно заповнюють розплавом (4...60) виливниць (рис. 5.13, б). Виливниці 5 встановлюють на піддон б, у центрі якого позміщено ливник у вигляді труби 4, виготовленої з вогнетривів. Ливник з'єднаний із виливницями за допомогою каналів 7. Роз­плав 2 із ковша 1 подають до центрального ливника 3 і знизу він поступово заповнює виливниці 5. Цим способом отримують як малі, так і середні за розміром виливки. Продуктивність цього способу значно вища, ніж щойно розглянутого, поверхня ви­ливків якісніша. Проте він має такі недоліки: складно з'єднувати виливниці та ливники; великі втрати металу на заповнення лив­ника; не виключена можливість забруднення сталі неметалевими включеннями у ливнику та каналах.

Безперервне розливання сталі впроваджено у виробництво порівняно недавно. Це перспективний спосіб, у майбутньому він буде основним способом розливання всіх металів і сплавів.

Сьогодні у світі працюють сотні установок безперервного розливання. їх тепер називають машинами безперервного лиття заготівель (МБЛЗ). Відомі різні типи МБЛЗ, проте найширше ви­користовують горизонтальні та вертикальні.

На рис. 5.14 показано схему МБЛЗ вертикального типу. Роз­плавлена сталь з ковша 7 надходить до проміжного ковша 6, а звідси — до кристалізатора 5, який охолоджується водою.

На початку розливання днищем кристалізатора є за­травка, виготовлена з такого самого металу чи сплаву, який розливають. Затравка має фор­му 2 "ластівчиного хвоста". У наслідок інтенсивного охолод­ження біля стінок кристалізато­ра утворюється тверда оболон­ка, у середині якої перебуває розплав. Виливок рухається вниз, потрапляє до зони вто­ринного охолодження за допо­могою бризкалок 4, де відбу­вається повна кристалізація ви­ливка. У міру того, як виливок виходить із кристалізатора, йо­го місце займає розплав, який безперервним потоком надхо­дить із проміжного ковша.

Швидкість заливання роз­плаву співмірна швидкості ви­тягання виливка з кристаліза­тора і становить (0,5... 10) м/хв. (для розливання сталі). Після

проходження тягових роликів 3 виливок потрібної довжини відрізають ацетилено-кисневим різаком 2. Відрізок виливка 1 по­дають на оброблення (вальцюванням, куванням тощо).

Виливки, отриманні на машинах безперервного розливання, мають гладку поверхню, дрібнокристалеву структуру. Для їх от­римання не потрібні виливниці, а для оброблення виливків — ве­ликі вальцівні. Продуктивність таких машин велика. Однопото-кова машина за 1 годину розливає (100...150) тонн сталі. Ці ма­шини можуть бути одно- та багатопотоковими (до 8-ми потоків).

Недоліком МБЛЗ вертикального типу є їх висота. Тому ос­таннім часом починають застосувати машини горизонтального типу. Ці машини мають вигнутий кристалізатор. Виливок, який виходить із кристалізатора, вирівнюють на валках. Такі машини дешевші, ніж вертикальні, проте такі виливки важко витягати у разі виходу машини з ладу.

Рис. 5.14. Схема вертикальної машини безперервного розливання сталі

На МБЛЗ отримують сортові заготовки, розмір сторони яких (60... 150) мм, круглі діаметром (60...330) мм, а також труби.

Розливання металів та сплавів на МБЛЗ збільшує вихід при­датного металу, зменшує затрати енергії, поліпшує якість ви­ливків, оскільки використовують вакуум.