Способы повышения качества стали

Современная техника предъявляет всё возрастающие требования к качеству металла: его механическим и эксплуатационным свойствам, газосодержанию, точности химического состава. Для удовлетворения этих требований необходимо уменьшение в металле вредных примесей, газов, неметаллических включений. Очистку материала от нежелательных примесей называют рафинированием.

Способы рафинирования стали можно разбить на две группы: внепечную обработку и переплав.

При внепечной обработке качество выпущенной из печи жидкой стали повышается путём дополнительной обработки в ковше или вспомогательном устройстве. К способам внепечной обработки относятся обработка синтетическим шлаком, вакуумирование, продувка инертными газами, продувка порошкообразными материалами.

Обработка синтетическим шлаком (т.е. шлаком, состоящим из различных веществ, сведённых в единое целое) заключается в заливке в ковш перед выпуском туда стали специально выплавленного в электропечи шлака, состоящего из 55% негашёной извести СаО, 40% глинозёма Al₂O₃ и небольшого количества других веществ, содержащих кремний и магний. Когда в этот же ковш затем выливают сталь из печи, то происходит её интенсивное перемешивание с синтетическим шлаком, в результате которого поверхность их взаимодействия резко возрастает, и реакции между ними протекают гораздо быстрее, чем в плавильной печи. Благодаря этому сталь, обработанная синтетическим шлаком, содержит значительно меньше серы, кислорода и неметаллических включений, что приводит к повышению её прочности и пластичности. Такую сталь применяют для изготовления ответственных деталей различных машин.

Вакуумирование проводят для уменьшения газовых (кислорода, водорода, азота) и неметаллических включений. Вакуумирование выполняют различными способами с помощью вакуумных камер, соединённых с вакуумными насосами, создающими значительно разряжение, в результате которого начинается выделение угарного газа СО, жидкий металл закипает, и происходит его интенсивное перемешивание, повышающее его однородность. Выделяющиеся пузырьки различных газов отсасываются вакуумным насосом, захватывая с собой из металла различные неметаллические примеси. В результате значительно повышается прочность, пластичность и однородность стали.

Вакуумирование в ковше осуществляют путём его установки на 10…20 мин в герметичную вакуумную камеру. Циркуляционное вакуумирование осуществляют с помощью специальной установки, состоящей из вакуумной камеры со всасывающей и сливной трубами, которые опускают внутрь жидкого металла, находящегося в ковше. Одной трубой металл всасывается в камеру, где и вакуумируется, а по другой стекает обратно в ковш. Обычно используют трёх- или четырёхкратный прогон стали через камеру, что при скорости всасывания 20 т/мин занимает 20…30 мин. Поточное вакуумирование осуществляют при непрерывной разливке (рис. 2.10- б), для чего разливочный ковш 1 герметично устанавливают на вакуумную камеру 9 и сначала пропускают сталь через неё, а уже затем подают её в промежуточное загрузочное устройство 2.

Продувка инертными газами влияет на процесс рафинирования так же, как и вакуумирование. При этом способе происходит интенсивное перемешивание расплава и удаление из него вредных примесей и газов.

Продувка порошкообразными материалами обеспечивает максимальный контакт твёрдых частиц с жидким металлом. Газом-носителем может быть кислород, воздух, природный газ или аргон. Например, для удаления фосфора в струе кислорода в металл вдувают твёрдую смесь, состоящую из извести, железной руды и плавикового шпата (СаF₂).

Если при внепечной обработке осуществляется рафинирование жидкого металла, только что выпущенного из печи, то переплав – это повторная плавка ранее выплавленного и затвердевшего металла. При переплаве используют слитки, предварительно полученные обычными способами выплавки. К переплавным способам рафинирования относят электрошлаковый, вакуумно-дуговой, электронно-лучевой и плазменно-дуговой переплавы.

 

Рис. 2.11. Электрошлаковый переплав:

1 – переплавляемый электрод; 2 – шлаковая ванна; 3 – капля жидкого металла; 4 – металлическая ванна; 5 – образующийся слиток; 6 – водоохлаждаемый металлический кристаллизатор; 7 – шлаковая корочка; 8 – поддон; 9 – затравка

При электрошлаковом переплаве (рис. 2.11) повторной плавке подвергается выплавленный в сталеплавильной печи и прокатанный в круглый пруток металл, который выполняет роль электрода. Электрический ток подводится к переплавляемому электроду 1, погружённому в шлаковую ванну 2, и к затравке 9, установленной в водоохлаждаемом металлическом кристаллизаторе 6, полость которого имеет форму требуемого слитка. Выделяющаяся теплота нагревает шлаковую ванну 2 до температуры выше 1700°С и вызывает оплавление конца электрода, с которого начинают капать капли жидкого металла 3, проходящие через шлак и образующие под шлаковым слоем металлическую ванну 4. Движение капель металла через шлак способствует их активному взаимодействию, приводящему к удалению из металла серы, неметаллических включений и растворённых газов. Металлическая ванна 4 непрерывно пополняется расплавленным металлом электрода и под воздействием кристаллизатора 6 постепенно

формируется в слиток 5, который растёт вверх. Последовательная кристаллизация способствует получению плотного однородного слитка. В результате электрошлакового переплава содержание кислорода в металле уменьшается в 1,5–2 раза, серы – в 2–3 раза. Уменьшается и количество неметаллических включений, которые становятся более мелкими и равномерно распределяются в объёме слитка, который отличается хорошим качеством поверхности благодаря наличию шлаковой корочки 7 и имеет высокие механические и эксплуатационные свойства. Электрошлаковый переплав применяют для выплавки высококачественных сталей для шарикоподшипников, жаропрочных сталей для дисков и лопаток турбин, валов компрессоров, авиационной техники. Слитки выплавляют круглого, квадратного и прямоугольного сечений массой до 110 т.

 

Рис. 2.12. Вакуумно-дуговой переплав:

1 – водоохлаждаемый шток; 2 – вакуумная камера; 3 – переплавляемый электрод; 4 – металлическая ванна; 5 – образующийся слиток; 6 – водоохлаждаемая изложница; 7 – затравка

При вакуумно-дуговом переплаве (рис. 2.12) внутреннее пространство печи предварительно вакуумируют до остаточного давления не более 1,33 Па. При подаче постоянного напряжения между выполненным из переплавляемого металла расходуемым электродом 3 (катодом) и затравкой 7 (анодом) возникает электрическая дуга, которая расплавляет конец электрода. Капли жидкого металла, проходя зону дугового разряда, дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток. Сильное охлаждение слитка и разогрев дугой ванны металла создают условия для направленного затвердевания, вследствие чего неметаллические включения сосредотачиваются в верхней части слитка, а усадочная раковина уменьшается. Полученные при вакуумно-дуговом переплаве слитки содержат мало газов и неметаллических включений, отличаются высокой равномерностью химического состава и повышенными механическими свойствами. Из них изготовляют ответственные детали турбин, двигателей, авиационной техники. Масса слитков достигает 50 т.

Но отсутствие шлаковой ванны не позволяет снизить содержание серы.

Рис. 2.13. Электронно-лучевой переплав:

1 – электронная пушка; 2 – вакуумная камера; 3 – электромагнитный корректор луча; 4 – переплавляемая заготовка; 5 – металлическая ванна; 6 – образующийся слиток; 7 – водоохлаждаемый кристаллизатор

Переплав в электронно-лучевых печах (рис. 2.13) применяют для получения чистых и ультрачистых тугоплавких металлов (молибдена, ниобия, циркония и др.), для выплавки специальных сталей и сплавов. Источником теплоты в этих печах является энергия, выделяющаяся при торможении свободных электронов, пучок которых направлен на металл. Получение электронов, их разгон, концентрация в луч и направление луча в зону плавления осуществляется электронной пушкой. Металл плавится и затвердевает в водоохлаждаемых вакуумных кристаллизаторах при остаточном давлении 1,33 Па. Вакуум внутри печи, большой перегрев и высокие скорости охлаждения слитка способствуют удалению газов и примесей, получения металла особо высокого качества, чистоты и однородности структуры. Например, содержание газов в металле снижается в сотни раз. Однако при переплаве материалов, содержащих легкоиспаряющиеся элементы изменяется химический состав металла.

Рис. 2.14. Плазменно-дуговой переплав:

1 – плазмотрон; 2 – вакуумная камера; 3 – плазменная дуга; 4 – переплавляемая заготовка; 5 – металлическая ванна; 6 – образующийся слиток; 7 – водоохлаждаемый кристаллизатор

Переплав в плазменно-дуговых печах (рис. 2.14) применяют для получения высококачественных сталей и сплавов. Источником теплоты является низкотемпературная плазма (30000°С), создаваемая плазмотроном (плазменным генератором) в нейтральной среде заданного состава (аргон, гелий). Плазменно-дуговые печи позволяют быстро расплавить шихту, в нейтральной среде происходит дегазация выплавляемого металла, и при этом легкоиспаряющиеся элементы сохраняются в составе металла.  

Дата добавления: 2014-01-05