Виды печей для выплавки сталей

Обновлено: 08.05.2024

Производство стали в электропечах (электрометаллургия)

Плавка в электропечах имеет ряд преимуществ перед плавкой в конверторах и мартеновских печах. Высокая температура позволяет применять сильноосновные шлаки, вводить большое количество флюсов и достигать максимального удаления из стали серы и фосфора. Для плавки в электропечи не требуется воздуха; окисляющая способность печи невысока, поэтому количество FeO в ванне незначительно, сталь получается достаточно раскисленная и плотная.

Исходными материалами для плавки в электропечах являются стальной лом, железная руда, окалина. Передельный мартеновский чугун применяют только для сталей с высоким содержаниемуглерода, но чаще заменяют электродным боем или малосернистым коксом.

В качестве флюсов в основных печах применяют известь, а в кислых печах — кварцевый песок. Для разжижения основных шлаков применяют плавиковый шпат, боксит и шамотный бой, а для кислых шлаков — известь и шамотный бой. Для раскисления стали, кроме обычных ферросплавов, применяют комплексные раскислители (АМС, содержащий по 10% кремния, марганца и алюминия, силикомарганец, силикокальций).

Все материалы, загружаемые в электрические печи, должны быть сухими, чтобы не произошло насыщения стали водородом от разложения влаги.

Рис. 1. Схема дуговых электропечей с разными способами нагрева

Электрические печи для плавки металла делятся на три вида: печи сопротивления

,
дуговые
и
индукционные.
Для плавки стали применяют в основном дуговые и индукционные печи, а в печах сопротивления плавят сплавы цветных металллов.

Дуговые
печи
наиболее распространены в промышленности, так как устройство и эксплуатация их несложны, коэффициент полезного действия высок и, кроме того, в них можно выплавлять самые разнообразные сорта стали и сплавов цветных металлов. В дуговых печах электроэнергия превращается в тепловую энергию дуги, которая передается плавящейся шихте посредством излучения.

На рис. 6 показаны схемы трех основных типов дуговых электропечей, различающихся по способу нагрева: печи прямого действия (рис. 1, а), печи косвенного действия (рис. 1, б) и печи с закрытой дугой (рис. 1,в).

Печи прямого действия с вертикальным расположением электродов в настоящее время применяются только для выплавки стали и имеют емкость от 0,5 до 180 т.

Дуговая электропечь одета стальным кожухом и выложена огнеупорным кирпичом. Рабочее пространство печи сверху ограничено-сводом 1, снизу — подом. Свод печи съемный. Через него пропущены электроды 6. Современные электропечи работают на трехфазном переменном токе и потому имеют три электрода.

Применяют угольные или графитовые электроды диаметром 200—500 мм. В передней стенке печи находится завалочное окно 2, которое служит для завалки шихты и наблюдения за ходом плавки. Для выпуска металла в задней стенке имеется отверстие 5 с желобом 4. В некоторых печах жидкий металл выпускается через желоб 4, вставляемый в завалочное окно 2. Для наклона печи служит механизм 3.

Кладку электросталеплавильных печей делают либо основной— при выплавке главным образом высококачественных и легированных сталей для поизводства слитков, либо кислой — при выплавке углеродистых и низколегированных сталей для фасонного литья.

В зависимости от емкости и конструкции печи загружаются различно: через завалочное окно вручную, лотками и завалочной машиной или сверху бадьей или корзиной после подъема и отвода в сторону свода или выкатывания печи.

После загрузки печи к электродам подводят ток. Благодаря высокой температуре горения дуги (около 3500° С) происходит бурное плавление шихты.

В
первом периоде плавки
примеси окисляются кислородом, находящимся в печи (главным образом кислородом железной руды). Образующаяся закись железа растворяется в металле и вступает в соединение с кремнием, марганцем, фосфором и углеродом. Образующиеся SiO2, MnO, FeO и создают шлак.

Во
втором периоде
электроплавки происходит науглероживание металла, если количество углерода окажется ниже заданной нормы, затем раскисление и удаление серы. Раскислителем служит карбид кальция СаС2.

В
третьем периоде
плавки производят доводку с целью получения легированных сталей: вводят феррохром, ферротитан, феррованадий и другие ферросплавы.

Индукционные
печи
применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов с низким содержанием углерода, а также для производства тонкостенного фасонного литья специальными методами (по выплавляемым моделям, под давлением и т. п.). Принцип действия индукционной печи заключается в том, что под действием переменного тока, подводимого к первичной катушке (индуктору) 2 (рис. 2), во вторичном кольце (расплавляемый металл 1, находящийся в тигле 3 индуктируется ток, энергия которого создает высокую температуру. Благодаря этому шихта расплавляется быстро и процесс плавки ускоряется.Эти печи существуют двух видов: с железным сердечником и без сердечника (высокочастотные печи). Печи с железным сердечником применяют в литейных цехах для получения сплавов цветных металлов. Большое распространение в производстве стали получили индукционные высокочастотные печи без железного сердечника. Они применяются для плавки стали и специальных высоколегированных сплавов. емкость высокочастотных печей от 10 кг до 10 т.

Тигель высокочастотной печи изготовляют либо из кислых, либо (реже) из основных материалов.

Рис 2. Индукционная электропечь

Электрошлаковый
переплав
стали представляет собой совершенно новый метод получения высококачественных легированных сталей, в том числе и быстрорежущих. Он разработан Институтом электросварки им. Е. О. Патона Академии наук УССР.

Сущность его состоит в том, что слитки из стали, полученной в обычных печах, перерабатываются на электроды для последующей переплавки их в электрошлаковой печи. плавление электродов происходит не за счет тепла электрической дуги, а за счет тепла, выделяющегося в слое расплавленного шлака, служащего сопротивлением при прохождении через него электрического тока. Принцип электрошлакового переплава очень прост. Электрод-слиток 1 (рис. 3) диаметром до 150 мм и длиной от 2 до б м вводят в медный водоохлаждаемый кристаллизатор 2, который представляет собой полый цилиндр. К дну кристаллизатора прикреплен поддон 5 с затравкой 4 — это шайба из переплавляемой стали. На затравку насыпают электропроводный флюс из порошка алюминия с магнием. В зазор между слитком-электродом и стенкой кристаллизатора засыпают рабочий флюс 3, состоящий из Аl2O3, CaFe2 и СаО. Плавка происходит следующим образом.

Электрод опускают до соприкосновения с флюсом, находящимся на затравке, и включают ток. В процессе плавления рабочий флюс превращается в шлак с температурой 2500° С. Под действием тепла электрод расплавляется, каждая капля его проходит через слой расплавленного шлака и очищается от вредных примесей и газов. Из этих капель формируется новый слиток. Содержание серы в слитке уменьшается в полтора-два раза. В стали почти нет неметаллических включений, что объясняется тем, что в печи нет огнеупорной кладки, соприкасающейся с металлом. Особенно ценным свойством этой стали является почти равномерное распределение в слитке остающихся после переплава включений, крупные скопления которых являются основной причиной разрушения изделий. Слитки не имеют пористости, усадочной рыхлости, мельчайших внутренних трещин, что очень важно при работе деталей в условиях ударных нагрузок. Электрошлаковый переплав с успехом применяют для получения шарикоподшипниковой, быстрорежущей, нержавеющей и некоторых других сталей.

Рис. 3 Схема процесса электрошлаковой плавки слитков

Вакуумно-дуговая, плазмо-дуговая и электронно-лучевая переплавка

Вакуумно-дуговую переплавку (ВДП) проводят в вакуумных дуговых печах с электродом 6, что переплавляется (рис. 4, б), при этом слиток 3 образуется, как и в охлаждаемом водой кристаллизаторе 2. В корпусе 7 печи поддерживается вакуум около 1,5 Па, что способствует качественному очищению металла от газов, а направлена кристаллизация обеспечивает удаление неметаллических примесей, образование плотной структуры и исключает образование усадочной раковины. Вместимость печей для ВДП достигает 60 т.

а — электрошлаковая;
б — вакуумно-дуговая;
в – плазмо-дуговая;
г — электронно-лучевая;

— охлаждаемый водой поддон;
— кристаллизатор;
— слиток;
— металлическая ванна;
— расплавленный шлак;
— заготовка (электрод);
— вакуумная камера;
— плазмотрон;
— электронная пушка;
— устройство для извлечения слитка.

Плазмо-дуговую переплавку (ПДП) применяют для производства сталей и сплавов особо высокой чистоты. Источником нагрева является плазменная дуга с температурой 10 000-15 000 °С (рис. 4, в).

Переплавка производится в вакуумных установках, подобных тем, что используются для ПДП при остаточном давлении 0,001 Па (рис. 4, г).

Российские заводы, использовавшие мартеновские печи

16 марта 1870 году на Сормовском заводе была запущена первая в Российской империи мартеновская печь. Она была предназначена для переработки передельного чугуна и лома в сталь нужного химического состава и качества. Основатель завода — греческий купец, принявший российское подданство, Дмитрий Егорович Бенардаки привёз в 1870 году молодого инженера Александра Износкова, который и построил первую в России мартеновскую печь весом в 2,5 тонны.

В 1998 году мартеновские печи на Сормовском заводе перестали действовать. В июне 2005 года было заключено охранное обязательство на здание цеха, где была установлена первая российская мартеновская печь, между ОАО «Завод „Красное Сормово“» и министерством культуры Нижегородской области, в котором собственник обязался обеспечить сохранность объекта, а также неизменность его облика и интерьера. В мае 2012 года был произведён демонтаж здания прокатного цеха в нарушение требований федерального закона «Об объектах культурного наследия (памятниках истории и культуры) народов РФ». Отдел полиции № 8 Управления МВД России по городу Нижнему Новгороду устанавливает лиц, ответственных за уничтожение объекта культурного наследия.

Информация на август 2009 г.[

источник не указан 3213 дней]

Бежицкий сталелитейный завод
Волгоградский металлургический комбинат «Красный Октябрь»
Выксунский металлургический завод — последнюю мартеновскую печь закрыли в первом полугодии 2021 г.
Гурьевский металлургический завод — две печи действуют по сей день
Златоустовский металлургический завод — мартеновский цех выведен из эксплуатации
Ижевский металлургический ) — мартеновское производство остановлено в 2009 году
Кулебакский металлургический завод — остановлена 20 декабря 2011 года
Металлургический завод Петросталь (дочернее предприятие ОАО «Кировский завод»)
ОАО «Уральская Сталь» (бывш. Орско-Халиловский металлургический комбинат) — все печи остановлены в апреле 2013 года
Нижнетагильский металлургический завод имени В. В. Куйбышева
Нижнетагильский металлургический комбинат
Омутнинский металлургический )
Северский трубный завод — мартеновское производство остановлено в 2008 году
Таганрогский металлургический завод — мартеновское производство прекращено в октябре 2013 года
Челябинский металлургический комбинат
Челябинский трубопрокатный завод
Череповецкий металлургический комбинат — остановлен в 2011 году
Чусовской металлургический завод — остановлен в 2013 году
Белорецкий металлургический комбинат — 4 мартеновских печи, выведены из работы под руководством группы Мечел.

Печи для нагрева и термической обработки цветных металлов

Методическая печь обычно имеет прямоугольное рабочее пространство, вытянутое по горизонтали. Нагреваемые изделия непрерывно передвигаются механическими толкателями от загрузочного торца печи к торцу выгрузки нагретых изделий. Температура методической печи по ее длине не одинакова и имеет максимальное значение на стороне выгрузки изделий. Топливо подается в методическую печь со стороны выгрузки изделий, а отходящие газы отводятся через отверстия в поду в воздухоподогреватели.

Камерная печь отличается от методической печи несколько меньшими размерами и периодичностью в работе, так как нагреваемые изделия неподвижно лежат на поду от начала и до конца нагрева, после чего происходит смена всей садки печи. Температура по всему рабочему пространству камерной печи одинакова. Нагревательные и термические печи для цветных металлов и сплавов во многих случаях работают на электронагреве.

Шихтовые материалы

Металлы, сплавы, специальные лигатуры, шлакообразующие присадки и другие материалы, которые используют для приготовления различных сплавов, в литейном производстве называют шихтовыми материалами или шихтой. В состав шихты входят: свежие материалы (доменные чугуны различных марок, медь, алюминий, цинк, никель и др.), которые поступают в литейные цехи с металлургических заводов; лом черных сплавов и лом цветных сплавов, представляющие собой переработанные промышленные отходы; специальные ферросплавы и лигатуры (промежуточные сплавы более тугоплавких элементов с легкоплавкими), поступающие с металлургических заводов; отходы литейного производства и механических цехов (литники, прибыли, бракованные детали и брикетированная стружка). Количественное соотношение различных материалов в шихте зависит от качества исходных материалов и от требований, которые предъявляют к изготовляемым сплавам.

Основные типы плавильных печей

В литейном производстве используются плавильные печи, работающие на твердом, жидком или газообразном топливе (коксе, нефти, мазуте, газе), и печи электрические. К первому типу печей относят вагранки и тигельные печи, ко второму типу — дуговые электрические печи и электрические индукционные печи. Наибольшее распространение для плавки чугуна получили печи шахтного типа—вагранки. Серый чугун, получаемый в этих печах, используют для отливок различных по сложности деталей. В электрических печах плавится сталь, легированный чугун, а также белый чугун, перерабатываемый затем в ковкий чугун. Схема вагранки приведена на рис. 35. Вагранка представляет собой шахтную печь, основой которой является сварной металлический кожух 1, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом 2. Щель между кожухом и футеровкой засыпается сухим кварцевым песком 3. В верхней части вагранки находится загрузочное окно 4. Часть шахты вагранки, расположенная ниже загрузочного окна, футеруется чугунными пустотелыми кирпичами 5, которые предохраняют ее от разрушения при загрузке шихты 7.

Загружают вагранку с помощью скипового подъемника или консольного крана. Верхняя часть вагранки заканчивается искрогасителем 6.

Для поддержания горения в вагранке через специальные отверстия 8, называемые фурмам и, подается воздух (дутье), нагнетаемый вентилятором. Расплавленный чугун по поду 9, расположенному в нижней части шахты, стекает через специальное отверстие и желоб в копильник 10. В начале работы в вагранку загружают слой кокса высотой 500—1500 мм и поджигают его. Этот слой кокса называется холостой колошей. Затем на холостую колошу загружают рабочую коксовую колошу, флюс и первую порцию металлической шихты. После загрузки материалов через фурмы подают воздух, необходимый для горения топлива. В плавильном поясе чугун и шлаки расплавляются и стекают в горн вагранки. Образующиеся газы, поднимаясь вверх, нагревают металлическую шихту и топливо, а затем уходят в трубу.

По мере сгорания кокса и плавления чугуна загружаемая в вагранку шихта опускается вниз, а на ее место загружают новые порции шихтовых материалов. В процессе плавки жидкий чугун скапливается в горне вагранки. Шлак всплывает на поверхность чугуна и периодически выпускается через шлаковую летку. Накопившийся чугун сливается через летку по желобу в специальный копильник, а затем в ковш. Производительность вагранок 0,5—30 т чугуна в час.

В целях пожарной безопасности и предохранения от загрязнения окружающей местности вагранки снабжают искрогасителями, которые одновременно являются и пылеуловителями.

Для плавки стали в литейных цехах используют мартеновские и электродуговые печи с основной и кислой футеровкой, а также индукционные тигельные печи.

На рис. 36 показана схема дуговой электропечи. Источником тепла в этой печи является электрическая дуга, возникающая между расплавом 3, находящимся в ванне печи 4, и тремя графитовыми электродами 1 (проходящими через свод печи 6), по которым подается электрический ток. Вместимость таких печей составляет 1,5—10 т. Длительность плавки 1,5—4 ч. Приготовленный металл выливается при наклоне печи, осуществляемом специальным механизмом, через желоб 5. Загрузка шихты в печь производится через окно 2 или через свод печи, поднимаемый и поворачиваемый специальным механизмом.

Плавка стали в дуговой электрической печи состоит из следующих операций: заправки электропечи, завалки шихты, расплавления шихты и разливки готовой стали.

Индукционная печь (рис. 37) состоит из каркаса 6, сделанного из немагнитного материала, внутри которого находится индуктор (катушка), выполненный из витков 7 медной трубки, по которым протекает охлаждающая вода. Витки отделены друг от друга изоляцией '8. Плавильный тигель 5 в этой печи выполнен из набивной футеровки. Верхние части футеровки 1 и 3 и ее нижняя часть 4 делают из фасонных огнеупорных кирпичей, слой 2 выполняется огнеупорной обмазкой. Источником тепла в этих печах является индукционный ток, возбуждаемый в загруженной в тигель шихте при пропускании по индуктору переменного тока повышенной частоты.

Рис. 38. Дуговая однофазная электропечь для плавки медных сплавов

Плавка цветных сплавов производится в тигельных печах с мазутным или газовым отоплением, в электрических печах сопротивления, а также в дуговых или индукционных электрических печах.

Медные сплавы плавят в тигельных, пламенных и электрических печах. Наиболее широко применяют дуговые однофазные электрические печи типа ДМК (рис. 38). Печь представляет собой металлический барабан 1, футерованный огнеупорным кирпичом 2. Тепло, необходимое для расплавления меди, создается электрической дугой, возникающей между двумя горизонтально расположенными электродами 3. Установленный на роликах 4 барабан 1 может поворачиваться на определенный угол двигателем и зубчатой передачей.

Шихтовые материалы загружают через рабочее окно, снабженное желобом, по которому выпускают готовый расплав. Для выплавки медных сплавов шихтовыми материалами служат чушки, машинный лом, отходы собственного производства и т. д. В процессе плавки меди, цинка и свинца выделяются вредные газы и пары, поэтому плавильные печи снабжают мощной вытяжной вентиляцией.

Алюминиевые сплавы плавят в тигельных и пламенных печах, электрических печах сопротивления и индукционных печах. На рис. 39 показана тигельная печь с газовым обогревом для
плавки алюминиевых сплавов. Печь имеет огнеупорную футеровку 1, внутрь которой вставлен чугунный тигель 2. Газ подводится в горелку 4 и сгорает в пространстве между футеровкой и тиглем. Отверстие 3 предусмотрено для выпуска металла при прогорании тигля. Продукты горения и газы из сплава отводятся вытяжным колпаком 5. Печь подвешена цапфами на боковых опорах и может наклоняться с помощью штурвала и червячной передачи.

Виды плавильных печей в металлургии

Одним из основных видов оборудования, которое используется в сфере металлургии, являются плавильные печи. Применяться они могут на самых разных этапах. В самом начале, когда металл нужно отделить от остатков руды, потому что там много примесей, необходимо его расплавить.

Это позволит вытащить из всей этой массы чистый металл. На следующих этапах также плавильная печь применяется уже при производстве металлопроката или каких-то отдельных изделий.

Изобретены такие печи были очень давно. Разумеется, с тех пор они существенно изменились, стали мощнее. Разновидностей плавильных печей тоже стало много. Работать они могут на жидком, газообразном, твердом топливе и электричестве.

Основные виды плавильных печей используемых в металлургии

Индукционная. В такой печи ток проходит через металл в тигле. Это и способствует выделению тепла и нагреву металла. Понятно, что работают они на электричестве. Применяются индукционные плавильные печи в литейном производстве, а также ювелирными мастерами.
Электрическая дуговая. Здесь функцию источника тепла выполняет электрическая дуга переменного или постоянного тока. При расплавлении металла, его прокачивают, чтобы обеспечить равномерность процесса. С помощью таких печей плавят чугун, создают различные сплавы, сталь, цветные металлы и не только. Электрические дуговые печи достаточно сложные в плане эксплуатации и требуют больших физических, временных и финансовых затрат. По этой причине, например чугун, выплавленный в электрической дуговой печи, стоит дороже. Он лучше качеством. Кроме того сами издержки выше. Это сказывается на итоговой стоимости готового материала.
Газовая. На вопрос о том, на каком именно топливе работает такая печь, отвечает само название. Благодаря качественным теплоизоляционным материалам, использованным при производстве таких печей, теплопотери сводятся к минимуму. Кроме того здесь можно максимально точно регулировать температуру, которая требуется. Это хорошо сказывается и на энергозатратах, и на качестве самого металла. Внутри газовой печи образуется воздушно-газовая смесь. И при горении выделяется очень много энергии, что делает КПД таких печей максимальным. Плавильный тигель в такой печи, который нагревается за счёт газовоздушной смеси, изготовлен из специального сплава, выдерживающего очень высокие температуры. Нагреваться газовая печь может до 1400°C. Используется она не только для плавки, но и нагрева некоторых металлов в процессе обработки.
Плавильная печь сопротивления. Это разновидность печи, которая работает на электричестве. Особенность её в том, что работает она по принципу теплового действия в проводнике. Одним из основных рабочих элементов являются нихромовые пластины. Они регулярно выходят из строя, и их нужно менять. Тем не менее использование такой плавильной печи считается выгодным, так как общие затраты на обслуживание небольшие.
Муфельная. Она содержит муфель, выполняющий защитную функцию, не позволяя расплавленному металлу контактировать с продуктами сгорания. Максимальный уровень нагрева таких печей относительно невысокий. Поэтому спектр задач, которые можно с их помощью решить, достаточно ограниченный.

Какую плавильную печь выбрать и где её купить

При выборе такого оборудования необходимо ориентироваться на то, какие именно задачи с его помощью планируется выполнять.

Приобрести сегодня оборудование для металлургической промышленности можно у крупных поставщиков либо напрямую у производителей. Как правило, и те, и другие предлагают доставку, пусконаладочные работы, обслуживание, ремонт и другие услуги.

Материаловед

Чугун переделывается в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических печах.

Производство стали в мартеновских печах

Мартеновский процесс (1864—1865, Франция). Впервые после многочисленных попыток удалось получить на поду пламенной печи жидкую сталь, так как до этого таким путем получали сталь в тестообразном состоянии. Мартен применил для сталеплавильной печи принцип регенерации тепла отходящих печных газов для подогрева топлива и воздуха, подаваемого в печь. В период до семидесятых годов ХХ века являлся основным способом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла – стального скрапа. Вместимость печи составляет 200…900 т. Способ позволяет получать качественную сталь.

Мартеновская печь (рис. 3) по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.

Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие 9 для выпуска готовой стали.

Рис. 3. Схема мартеновской печи

Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. Своды выполняют из термостойкого хромомагнезитового кирпича, что позволяет нагревать его до 1800 0 С. Горячий газ подают в печь по центральному каналу, воздух – по двум боковым. Поэтому с обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут.

Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1.

Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, который предназначен для нагрева воздуха и газов.

Отходящие от печи газы имеют температуру 1500…1600 0 C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 0 C. Через один из регенераторов подают воздух, который, проходя через насадку, нагревается до 1200 0 C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом. На выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6.

Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли, направляются во второй регенератор.

Охлаждённые газы покидают печь через дымовую трубу 8.

После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны, и поток газов в печи изменяет направление.

Температура факела пламени достигает 1800 0 C. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

Продолжительность плавки составляет 3…6 часов, для крупных печей – до 12 часов. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне пода. Отверстие плотно забивают мало спекающимися огнеупорными материалами, которые при выпуске плавки выбивают. Печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт – 400…600 плавок.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

– скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25…45 % чушкового передельного чугуна, процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но много металлолома.

– скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55…75 %), скрапа и железной руды (15…30 % от массы металлической части шихты). Железную руду добавляют для ускорения окисления примесей чугуна. Процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали в шлаке преобладают основные оксиды, то процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые – кислым.

Наибольшее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой.

В печь загружают железную руду и известняк, а после подогрева подают скрап. Во время загрузки твердых материалов в печь расходуется максимальное количество топлива для обеспечения быстрого прогрева и расплавления шихтовых материалов. После разогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун. В период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор, марганец и частично углерод. Оксиды образуют шлак с высоким содержанием оксидов железа и марганца (железистый шлак). После этого проводят период «кипения» ванны: в печь загружают железную руду и продувают ванну подаваемым по трубам 3 кислородом. В это время отключают подачу в печь топлива и воздуха и удаляют шлак.

Для удаления серы наводят новый шлак, подавая на зеркало металла известь с добавлением боксита для уменьшения вязкости шлака. Содержание CaO в шлаке возрастает, а FeO уменьшается.

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.

В основных мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в плавильных электропечах.

В кислых мартеновских печах шлак кислый и не содержит свободной извести. Следовательно, удаления серы и фосфора в такой печи не происходит, поэтому применяют шихту с низким содержанием серы и фосфора. Выплавляют качественные стали и высококачественные легированные стали. Стали содержат меньше водорода и кислорода, неметаллических включений. Следовательно, кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, её используют для особо ответственных деталей: коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.

Основными технико-экономическими показателями производства стали в мартеновских печах являются:

– производительность печи – съём стали с 1м 2 площади пода в сутки (т/м 2 в сутки), в среднем составляет 10 т/м 2 ;

– расход топлива на 1т выплавляемой стали, в среднем составляет 80 кг/т.

С укрупнением печей увеличивается их экономическая эффективность.

Посмотрите видеофильм «Выплавка стали в мртеновских печах».

Производство стали в кислородных конвертерах

Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Первые опыты в 1933—1934 – Мозговой.

В промышленных масштабах – в 1952—1953 на заводах в Линце и Донавице (Австрия) – получил название ЛД-процесс. В настоящее время способ является основным в массовом производстве стали.

Кислородный конвертер – сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом.

Вместимость конвертера – 130…350 т жидкого чугуна. Конвертер крепится в литом стальном кольце, имеющем две цапфы, которыми оно опирается на подшипники двух стоек, поэтому в процессе работы конвертер может поворачиваться на 360 0 для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30 %), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит Al₂O₃ и плавиковый шпат CaF₂ для разжижения шлака.

Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах представлена на рис. 4.

После очередной плавки стали выпускное отверстие заделывают огнеупорной массой и осматривают футеровку, ремонтируют.

Перед плавкой конвертер наклоняют, с помощью завалочных машин загружают скрап (рис. 4, а), заливают чугун при температуре 1250…1400 0 C (рис. 4, б).

Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородном конвертере

Рис. 4. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах

После этого конвертер поворачивают в рабочее положение (рис. 4, в), внутрь вводят охлаждаемую фурму и через неё подают кислород под давлением 0,9…1,4 МПа. Фурма не доходит до уровня металла на 1200…1400 мм, поэтому кислород подается на поверхность залитого в конвертер металла, а не вдувается под зеркало металла (как воздух в ранее применяемых конвертерах). Одновременно с началом продувки загружают известь, боксит, железную руду. Кислород проникает в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Под фурмой развивается температура 2400 0 C. В зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо. Оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Растворенный кислород окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и их содержание падает. Происходит разогрев металла теплотой, выделяющейся при окислении.

Фосфор удаляется в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура невысока (содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,15 %). При повышенном содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает производительность конвертера.

Сера удаляется в течение всей плавки (содержание серы в чугуне должно быть до 0,07 %).

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 4, г), где раскисляют осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, затем сливают шлак (рис. 4, д).

Недостатком кислородно-конвертерного способа получения стали является большое пылеобразование, обусловленное обильным окислением и испарением железа.

В кислородных конвертерах выплавляют стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные, а также низколегированные стали. Легирующие элементы в расплавленном виде вводят в ковш перед выпуском в него стали.

Плавка в конвертерах вместимостью 130…300 т заканчивается через 25…30 минут.

Посмотрите учебный видеофильм «Технология выплавки стали в кислородных конвертерах».

Производство стали в электропечах

Плавильные 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.

Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей.

Различают дуговые и индукционные электропечи.

Дуговая плавильная печь

Схема дуговой печи показана на рис. 5. 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, подиной 12 и сводом 6. Съёмный свод 6 имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса имеется 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 для скачивания шлака или желоба для слива стали. Печь загружают при снятом своде.

Вместимость печей составляет 0,5…400 тонн.

Схема дуговой плавильной печи

Рис. 5. Схема дуговой плавильной печи

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. Шихта для такой плавки должна иметь меньше, чем в выплавляемой стали марганца и кремния, а также пониженное содержание фосфора. 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 углеродистых сталей. Плавка проводится в два периода: окислительный и восстановительный.

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 активно 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 0 C загружают руду и известь, проводят период «кипения» металла, происходит дальнейшее окисление углерода. Кипение металла ускоряет удаление из него газов, неметаллических включений, способствует удалению фосфора. Периодически шлак удаляют и добавляют руду и известь. Когда содержание углерода становится на 0,1 % меньше заданного, кипение прекращают. После прекращения кипения удаляют шлак.

Во время восстановительного периода плавки металл раскисляют белым шлаком (известь, плавиковый шпат, кокс и ферросилиций) и приступают к удалению серы и раскислению металла до 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, и выпускают сталь в ковш.

При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов.

В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали – конструкционные, инструментальные, жаростойкие и жаропрочные.

Индукционные тигельные плавильные печи

В индукционных плавильных печах выплавляют наиболее качественные коррозионно-стойкие, жаропрочные и другие стали и сплавы, к которым предъявляются повышенные требования.

Вместимость - от десятков килограммов до 30 тонн.

Индукционные печи могут оснащаться системами для создания вакуума или контролируемых атмосфер.

Так как в индукционных печах тепло возникает в металле, шлак в них нагревается только через металл.

Схема индукционной тигельной печи представлена на рис. 6.

Схема индукционной тигельной печи

Рис. 6. Схема индукционной тигельной печи

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.

Выплавка стали из чугуна в индукционных печах распространения не получила, так как окисление и рафинирование с помощью шлака в них почти невозможно.

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.

При плавке в кислых печах, после расплавления и удаления плавильного шлака наводят шлак из боя стекла (SiO2). Для окончательного раскисления перед выпуском металла в ковш вводят ферросилиций, ферромарганец и алюминий.

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.

Посмотрите учебный видеофильм «Оборудование электросталеплавильного цеха».

Производство стали в электропечах

В настоящее время для выплавки стали широко применяют электропечи. Основными достоинствами электропечей являются:

возможность быстрого нагрева металла, что позволяет вводить в печь большое количество легирующих добавок;
возможность создать окислительную, восстановительную, нейтральную или вакуумную атмосферу, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений;
возможность плавно и точно регулировать температуру металла.

Поэтому электропечи используют для выплавки высоколегированных, конструкционных, специальных сталей и сплавов.

Плавильные печи

Основное количество электростали выплавляют в дуговых печах. Доля стали, выплавляемой в индукционных печах, в общем объеме выплавки невелика.

Дуговая плавильная печь

Дуговая электропечь состоит из рабочего пространства с электродами и токоподводами и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение электродов и загрузку шихты (рисунок 24). Плавку стали ведут в рабочем пространстве печи, ограниченным куполообразным сводом, снизу сферическим подом и с боков стенками. Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух. Она может быть основной (магнезитовой, магнезитохромитовой) или кислой (динасовой). В съемном своде расположены три цилиндрических электрода из графитизированной массы, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх или вниз, автоматически регулируя длину дуги. Печь питается трехфазным переменным током.

Шихтовые материалы загружают на под печи сверху в открываемое рабочее пространство. После их расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Плавление и нагрев шихты осуществляется за счет тепла электрических дуг, возникающих между электродами и жидким металлом или металлической шихтой.

Для управления ходом плавки в печи имеются рабочее окно и отверстие для выпуска по желобу готовой стали (летка). С помощью поворотного механизма печь может наклоняться в сторону сталевыпускного отверстия или рабочего окна. Вместимость дуговых печей может составлять 0,5 – 400 т. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных – с кислой.
В основной дуговой печи можно осуществить плавку двух видов:

без окисления примесей методом переплава шихты из легированных отходов;
с окислением примесей на углеродистой шихте.

Плавка без окисления примесей

Шихта для такой плавки должна иметь низкое содержание фосфора и меньше, чем в выплавляемой стали, марганца и кремния. Производят нагрев и расплавление шихты. По сути это переплав. Однако в процессе плавки часть примесей окисляются (алюминий, титан, кремний, марганец).

После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак. При необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Затем проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак мелкораздробленный ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Плавкой без окисления примесей выплавляют стали из отходов машиностроительных заводов.

Плавка с окислением примесей

Плавку применяют для производства конструкционных сталей и ведут на углеродистой шихте. В печь загружают шихту, состоящую из стального лома (~90%), чушкового передельного чугуна (до 10%), электродного боя или кокса для науглероживания металла и известь (2-3%) . Затем опускают электроды, включают ток и начинают плавку. Шихта под действием тепла дуги плавится, металл накапливается на подине печи. Во время плавления шихты кислородом воздуха, оксидами шихты окисляются железо, кремний, фосфор, марганец и частично углерод. Оксид кальция и оксиды железа образуют основной железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла.

После прогрева металла и шлака до температуры 1500 – 1550 °С в печь загружают руду и известь и проводят период кипения. Когда содержание углерода будет меньше заданного на 0,1%, кипение прекращают и удаляют из печи шлак. Затем проводят удаление серы и раскисление металла, доведение химического состава до заданного. Раскисление проводят осаждением и диффузионным методом. После удаления железистого шлака в печь подают раскислители (силикокальций, силикомарганец) для осаждающего раскисления. Затем в печь загружают известь, плавиковый шпат, шамотный бой для получения высокоосновного шлака. После расплавления флюсов и образования высокоосновного шлака на его поверхность вводят раскислительную смесь для диффузионного раскисления (известь, ферросилиций, плавиковый шпат, молотый кокс). Углерод кокса и кремний ферросилиция восстанавливают оксид железа в шлаке и содержание его в шлаке снижается.

В этот период создаются условия для удаления из металла серы, что объясняется высоким содержанием СаО в шлаке (около 60%), низким содержанием FeO (менее 0,5 %) и высокой температурой металла. Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимости в печь вводят ферросплавы для получения заданного химического состава металла. Затем выполняют конечное раскисление стали и выпускают из печи в ковш.
В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали. Это конструкционные, инструментальные, жаропрочные и жаростойкие стали.

Индукционная плавильная печь

Печь состоит из водоохлаждаемого индуктора, внутри которого находится тигель с металлической шихтой (рисунок 25). Через индуктор от генератора высокой частоты проходит переменный ток повышенной частоты. Ток создает переменный магнитный поток, пронизывая куски металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи, нагревающие металл до расплавления и необходимых температур перегрева. Тигель может быть изготовлен из кислых и основных огнеупоров. Емкость тигля составляет до 25 т.

В соответствии с заданным химическим составом металла при загрузке тщательно подбирают состав шихты. Необходимое для этого количество ферросплавов загружают на дно тигля вместе с шихтой. После расплавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, а также для защиты его от насыщения газами.

При плавке в кислой печи после расплавления и удаления шлака наводят новый шлак с высоким содержанием SiO2. Металл раскисляют ферросилицием, ферромарганцем и алюминием перед выпуском его из печи. В печах с кислой футеровкой выплавляют конструкционные стали, легированные другими элементами.

В печах с основной футеровкой выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, никеля, титана, алюминия.
Индукционные печи имеют ряд преимуществ перед дуговыми. Основными их них являются:

отсутствие электрической дуги, что позволяет выплавлять сталь с низким содержанием углерода, газов и малым угаром элементов;
наличие электродинамических сил, которые перемешивают металл в печи способствуют выравниванию химического состава, всплыванию неметаллических включений;
небольшие размеры печей позволяют помещать их в камеры, где можно создать любую атмосферу или вакуум.

К недостаткам этих печей можно отнести:

недостаточная температура шлака для протекания металлургических процессов между металлом и шлаком;
малая стойкость футеровки, что приводит к частым ремонтам и остановкам.

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

Читайте также: