Получение стали в электропечах

В настоящее время около 30% мировой выплавки стали приходится на электропечи. Они имеют преимущество перед другими плавильными агрегатами, так как в них можно получать высокую температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений — продуктов раскисления. Поэтому печи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей. Существуют несколько групп печей: сопротивления, дуговые, индукционные, плазменные и электронно-лучевые.

Дуговые плавильные печи

Они работают на трехфазном переменном токе и имеют три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Схема дуговой плавильной печи.

Электрический ток от трансформатора по кабелям 7 подводится к электродержателям 8, а через них — к электродам 9 и ванне металла. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга, электроэнергия превращается в теплоту, которая передается металлу и шлаку излучением. Длина дуги регулируется автоматически, электроды по мере сгорания наращивают, свинчивая с новыми электродами. Стальной под печи футерован огнеупорным кирпичом 1 — основным или кислым. Плавильное пространство ограничено стенками 5, облицованными огнеупорным кирпичом 4, подиной 12 и сводом 6 из огнеупорного кирпича. Подину набивают огнеупорной массой, свод печи съемный. Ход плавки контролируют через окно 10. Готовую сталь выпускают через выпускное отверстие по желобу 2 в ковш. Печь имеет привод 11 для наклона в сторону рабочего окна или желоба.

В основной дуговой печи можно осуществлять плавку двух видов: на шихте из легированных отходов (методом переплава) и на углеродистой шихте (с окислением примесей). В первом случае плавку ведут без окисления примесей. В сталь вводят легирующие элементы в виде феррорасплавов. Порядок ввода определяется сродством легирующих элементов к кислороду. Плавку на углеродистой шихте с полным окислением примесей проводят в том случае, если используемые шихтовые материалы содержат фосфор и значительно отличаются по составу других элементов от заданной марки стали.

Емкость дуговых печей колеблется в пределах 0,5−400 т. При электровыплавке на 1 т стальных слитков расходуется 600−1000 кВт-ч электроэнергии. Рабочее напряжение во время плавки составляет 100−200 В на малых печах и 400- 600 В на крупных, а сила тока измеряется тысячами и десятками тысяч ампер.

Индукционные печи

В индукционной печи (рис. 4.7) металлическую шихту 1 расплавляют в тигле 5, расположенном внутри индуктора 4, который представляет собой спираль со многими витками из токопроводящего материала.

Рис. 4.7. Индукционная тигельная плавильная печь:

а — схема; б — внешний вид; 1 — металлическая шихта - получаемый чистый металл; 2 — съемный свод; 3 — сливной носок; 4 — индуктор; 5 — тигель Через индуктор пропускают переменный ток. Для питания печей малой емкости применяют ламповые и искровые генераторы с частотой тока до 106 Гц, для печей большой емкости — машинные генераторы (до 104 Гц). Создаваемый при этом внутри индуктора переменный магнитный поток наводит в металле вихревые токи, которые обеспечивают сто нагрев и плавление. Тигель 5 изготовляют из кислых (кварцит) или основных (магнезитовый порошок) огнеупоров. В индукционных печах с основной футеровкой выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, никеля, титана, алюминия, с кислой футеровкой — конструкционные легированные стали с другими элементами. Для уменьшения потерь теплоты печь имеет съемный свод 2.

Важной особенностью индукционных печей является интенсивная циркуляция жидкого металла, вызываемая взаимодействием электромагнитных нолей, возбуждаемых, с одной стороны, токами, проходящими по индуктору, с другой — вихревыми токами в металле. Электромагнитные силы оказывают на жидкий металл статическое и динамическое воздействие, в результате чего его верхняя часть отжимается от стенок тигля, а во всем объеме возникает электродинамическая циркуляция. Характер циркуляционных потоков жидкого металла показан на рис. 4.7 стрелками.

Выпуклый мениск затрудняет обработку металла шлаком, который стекает к стенкам тигля; достаточно высокая скорость турбулентного движения металла усиливает износ футеровки.

Индукционные печи имеют преимущество перед дуговыми: в них отсутствует электрическая дуга, что позволяет выплавлять сталь с низким содержанием углерода, газов и малым угаром элементов. В них выплавляют сталь и сплавы из легированных отходов методом переплава или из чистого железа и скрапа с добавкой феррорасплавов методом сплавления. Емкость этих печей может колебаться в широких пределах: 0,01−25 т.

Плазменные печи

Плавку стали в плазменно-дуговых печах (ПДП) применяют для получения высококачественных сталей и сплавов. Источником теплоты служит низкотемпературная плазма (3000°С), получаемая с помощью плазмотронов. Подовые ПДП по конструкции схожи с обычной дуговой электропечью. В них катодом дугового разряда постоянного тока служат катоды плазмотронов, анодом — обрабатываемый металл. Дуга обдувается потоком инертного газа (обычно аргона или гелия). Шихта быстро расплавляется, в нейтральной газовой среде происходит дегазация выплавляемого металла, легкоиспаряющиеся элементы, входящие в его состав, не испаряются. Плазменные высокочастотные печи (ПВП) обычно применяют для выращивания монокристаллов и переработки чистых веществ.

Электронно-лучевые печи (установки)

Преобразование электрической энергии в тепловую происходит непосредственно в расплавленном металле как результат соударения с ним электронов, вылетающих из электронной пушки. Переплавляемый металл подастся в печь в виде расходуемого электрода, слитка, порошка и т. д. Расплавляясь, он стекает каплями в водоохлаждаемый кристаллизатор (изложницу) или тигель. Плавка, проходящая при высокой температуре и глубоком вакууме, используется для получения особо чистых тугоплавких металлов и сплавов, слитков из стали и сплавов для деталей особо ответственного назначения и т. п.

Далее рассмотрены методы переплава в электрошлаковых, плазменно-дуговых и электронно-лучевых печах. В агрегатах данного типа производится сравнительно небольшое количество металла специального назначения. Возможно, в будущем они найдут более широкое применение. Пока основная масса электростали, производимой в мире, выплавляется в дуговых печах, и иод словом «электросталь» понимается именно сталь, выплавленная в дуговой сталеплавильной печи.