Плавка металла на заводе

Обновлено: 22.01.2025

Поступающие для плавки частицы одного или нескольких металлов загружаются в специальные плавильные печи, под влиянием высокой температуры доводятся до жидкой однородной массы, которая отливается в формы для получения слитков.

Материал, поступающий в плавку, называется шихтовым, или шихтой. Шихта может быть в виде чистых металлов, бракованных слитков и изделий, лома, обрезков, стружки и опилок и других отходов ювелирного производства.

Шихтовый материал в зависимости от степени и характера загрязнения подвергается различной обработке.

Возвратные отходы от переработки драгоценных металлов своего производства (литники, высечка, стружка, обрезки и др.), не вызывающие сомнения в отношении содержания основных и легирующих компонентов, поступают в плавку без предварительной подготовки.

Отходы драгоценных металлов (опилки, мелкие обрезки, стружка), загрязненные в процессе работы, проходят очистительную обработку и только после этого поступают в плавку.

Шихтовые материалы, загрязненные вредными примесями (металлами, не отвечающими составу сплава; материалами, отрицательно влияющими на свойства сплава, и т.д.), подвергают предварительной плавке, а затем отправляют на аффинажные заводы или на заводы вторичных драгоценных металлов.

Очистка шихты. Отходы драгоценных металлов, возвращающиеся от рабочих (опилки, стружка, мелкие обрезки и т.д.), не могут быть не загрязнены. Очистительной обработкой этих отходов занимаются сами рабочие. Собранные опилки прокаливают в муфельной печи для удаления всех сгорающих примесей (дерева, воска, щетины от щеток, бумажной и другой пыли). Остывшую шихту разрыхляют и тщательно промагничивают для извлечения стальных примесей (опилок, обломков лобзиковых пилок и сверл, окалины). Очищенные таким образом отходы драгоценных металлов можно считать подготовленными к плавке для определения слитка на пригодность к дальнейшему использованию.

Сплавляют для различных целей — соединения частей одного металла в один слиток, приготовления сплавов и припоев (легкоплавких, легкотекучих сплавов), освежения сплава и т. д.

Плавку драгоценных металлов производят в индукционных печах с графитовым тиглем.

Шихтовый материал загружается в тигель — огнеупорный сосуд плавильной печи, в котором расплавляют металл. Последовательность загрузки зависит от величины и состояния шихты (крупные куски, слитки или мелкие обрезки, стружка и т.д.), состава и температурных характеристик компонентов, входящих в сплав.

Порядок загрузки и плавки шихты. При плавке однородного металла шихту можно загружать в тигель одновременно, если плавильная печь обеспечивает быстрый нагрев шихты. В противном случае, сначала загружают крупные куски или брикеты, а по мере их расплавления добавляют мелкие обрезки и другие отходы. Расплав из золота нагревают до 1200…1250°С, серебра — до 1100…1150оС.

Для приготовления двойных золотосеребряных сплавов загрузку шихты начинают с серебра. Его загружают на дно тигля, а сверху засыпают золото и расплавку ведут одновременно, если куски шихты приблизительно одного размера. Если же величина шихтовых материалов различна, то загружают сначала крупные куски, а по мере их расплавки добавляют мелкие, серебряные или золотые. Температура нагрева расплава для золотых сплавов с содержанием до 30 % Ag- 1200…1250°С, для сплава с содержанием 40…70 % Ag- 1180…1240°С, для сплава с содержанием 80% Ag- 1170…1230°С.

При легировании золота медью (приготовление двойных золотомедных сплавов) плавку шихты начинают с золота. Если величина шихтовых материалов различна, то плавят раньше слитки и крупные куски золота, а затем догружают мелочь. Медь загружают только после того, как полностью расплавится золотая шихта. Для всех сплавов с содержанием меди в качестве медной лигатуры используют прокат марок не ниже M1. Расплав, содержащий до 2 % Сu, нагревают до 1190…1250°С; 8,4 % Сu- до 1180… 1240°С; 42,7% Сu- до 1150…1230°С.

Загрузку золотоникелевомедного сплава начинают с золота. После его расплавления догружают никель и медь. Тигель нагревают на 150…250° выше температуры полного расплавления.

При плавке серебряных сплавов загрузку тигля начинают с серебра и после полного расплавления загружают медь. Для сплавов серебра 875-й пробы и выше температура нагрева 1090…1140°С.

Плавку золотых припоев с содержанием легкоплавких металлов цинка и кадмия можно производить двумя способами: 1) цинк и кадмий вводят в расплав в последнюю очередь подогретыми до температуры 150°С; 2) сначала создают промежуточные лигатуры легкоплавких металлов с медью при постепенном нагревании металлов, а затем сплавляют весь набор сплава.

Защитные покровы, флюсы, раскислители. При плавке драгоценных металлов и сплавов для предохранения расплавов от окисления, насыщения кислородом и другими газами из окружающей среды, а также для верхней теплоизоляции расплавов (для сокращения расходов, теплоты на плавку) применяют следующие защитные покровы: древесный уголь, буру, борную кислоту, хлористый кальций, хлористый натрий, хлористый калий, хлористый барий.

Флюсы очищают расплавы от нежелательных компонентов, загрязнений и примесей путем окисления и перевода оксидов в шлаки. В большинстве случаев в качестве флюсов используются те же вещества, что и для защитных покровов.

Раскислители восстанавливают окисленные компоненты расплава до металлов для повышения его жидкотекучести и качества отливаемых слитков. Для драгоценных сплавов раскислителями являются цинк, фосфористая медь и марганцовокислый калий.

При выборе защитных покровов, флюсов и раскислителей необходимо учитывать характер их взаимодействия с расплавами и отдельными компонентами расплавов. Например, древесный уголь, один из лучших защитных покровов для серебра и его сплавов, не пригоден для платины, так как платина, металлы платиновой группы и никель, а также сплавы с содержанием этих металлов при плавке подвержены науглероживанию. Недопустимо также применение угля совместно с калиевой селитрой и поташом, так как эти флюсы при нагревании в присутствии углерода образуют взрывоопасные соединения.

Древесный уголь может выполнять роль как защитного покрова, так и флюса. Для плавок драгоценных металлов и сплавов лучшим считается хорошо прокаленный березовый уголь. Температура вспышки угля 250…300°С. Уголь прокаливается без доступа воздуха до вишнево-красного цвета. Хранится в сушильных шкафах при температуре на 20…50° выше температуры окружающей среды. В качестве защитного покрова может быть применен при плавке серебра, серебряно-медных сплавов, золота и золотых сплавов без содержания платины, металлов платиновой группы и никеля.

Бура (плавленая) используется в качестве флюса и защитного покрова при плавке драгоценных металлов. Обладает свойством хорошо отшлаковывать оксиды многих металлов и шлаковых включений. Расплавленная бура обладает хорошей смачиваемостью. Находясь в шихте, она обволакивает нерастворимые тугоплавкие включения и оксиды и поднимает их на поверхность. Переплавленную, мелкоистолченную и прокаленную при температуре 450°С буру хранят в сухой посуде с притертой пробкой. В качестве флюса и защитного покрова бура может применяться для всех драгоценных металлов и сплавов, как самостоятельно, так и в сочетании с другими флюсами. Для лучшего скольжения расплава по стенкам бурой покрывают рабочую часть тигля.

Борная кислота (плавленая) используется в качестве флюса при плавке золотых сплавов.

Буру или борную кислоту засыпают на дно прогретого тигля до загрузки шихты, таким образом, смачивая частицы металла до начала их окисления.

Смесь поташа с бурой (1:1 по массе) применяют как флюс при очистительных плавках. Смесь должна быть прокалена. Флюс вводят порциями. При загрязнении шихты нежелательными металлами применяют смесь буры с калиевой или натриевой селитрами.

При плавке драгоценных сплавов с селитрой можно повысить пробу сплава до 20 ед. При плавке с селитрой шихту нагревают под покровом буры до температуры отливки и в расплав двумя- тремя приемами вводят селитру.

Другие флюсы — хлористый кальций, хлористый барий, хлористый натрий, хлористый калий — также применяют при очистительных плавках. Свойства и действие флюсов однотипны. Температура плавления 772…925°С. Образуют хорошие защитные покровы для сплавов с температурой плавления до 1300°С. Хлористый кальций, хлористый барий, хлористый натрий или хлористый калий, как и буру, применяют в переплавленном, измельченном и прокаленном виде.

Лучший раскислитель для золотых сплавов — цинк. Его вводят из расчета 0,05…0,1 % от массы шихты. Для серебряных сплавов используют фосфористую медь.

Процесс плавки. Перед загрузкой шихты в тигель следует проверить исправность плавильной системы и подготовить для отливки слитка изложницы. Тигель перед загрузкой в него металла прогревают, на дно прогретого тигля засыпают флюс из расчета 1 % от массы шихты. Затем в тигель загружают шихту и задают нужную температуру. После расплавления шихты расплав покрывают небольшим количеством свежего флюса и перемешивают. Не понижая температуры нагрева, расплаву дают отстояться, чтобы флюс отшлаковал ненужные оксиды и примеси, вводят раскислитель. В расплавы припоев и сплавов, содержащих цинк, раскислитель не вводится в связи с достаточным количеством компонентов, выполняющих роль раскислителя. Изложницы, нагретые до 100°С для удаления следов влаги, натирают технологической смазкой и устанавливают для отливки. После этого расплав отливают через сливной желоб тигля в изложницы, и после полной кристаллизации и выдержки слиток извлекают.

На предприятиях, оборудованных плавильными комплексами, плавку и отливку производят в центробежных или вакуумных установках.

В условиях мастерских, не оборудованных плавильными печами, шихту нагревают газопламенной горелкой. Плавку проводят в специальных тигельках (плошках), рассчитанных для массы металла не более 30 г. Плошки изготовляют из смесей на основе огнеупорной глины, каолина, графита, шамота. В этих же целях можно использовать шамотный кирпич или кусок древесного угля, обмазанного огнеупорной глиной. Используют также плошки из кварцевого стекла. Но самой доступной в любых условиях является плошка, изготовленная из асбестового картона толщиной 6…8 мм. Обрезанный по размеру картон увлажняют и придают ему форму легкого прогиба (углубление не должно превышать 6…7 мм, чтобы не создать эффект отраженного пламени), сушат и перед плавкой глазуруют бурой. Асбестовый тигелек выдерживает 3…4 плавки. Однако все эти тигельки недолговечны, застывающая бура отслаивает глиняную обмазку, а кварцевый тигелек сразу после отливки резко охлаждают в воде, иначе, бура, остывая, разрывает поверхность кварца. Плавку припоя в плошках осуществляют с добавлением легкоплавкого компонента под слегка пристывший слиток с продолжением плавки.

Слитки трехкомпонентных сплавов «золото — медь — серебро» при охлаждении ниже 450°С сохраняют первоначальную кубическую гранецентрированную решетку и свойства твердого раствора, поэтому слитки необходимо подвергать резкому охлаждению. Это придает им мягкость и пластичность.

Для отливки слитков драгоценных металлов используют чугунные и стальные изложницы (рис. 3). Изложница, или ингус, представляет собой металлический брусок с выфрезерованным пазом по форме будущего слитка. Нерабочая стенка изложницы делается выше, она служит экраном, направляющим расплав в паз. Размеры изложниц и толщина их стенок зависят от размеров слитка. Изложницы для горизонтальной отливки делают сплошными. Они могут иметь несколько ячеек. Для вертикальной отливки изготовляют разъемные изложницы, с заливной воронкой с торца. Изложницы рекомендуется делать из серого гематитового чугуна с малым содержанием примесей серы и фосфора или низкосортных сталей (как правило, разъемные).

Изложницы прокаливают до температуры 500…550°С с технологическими смазками. Роль технологических смазок — обеспечить хорошее качество отливаемых слитков, т. е. хорошее растекание расплава по ячейке, препятствовать образованию раковин и наплывов и пригоранию расплава к стенкам изложницы. В качестве смазок употребляют: льняное, конопляное, подсолнечное, веретенное и машинное масла, пчелиный воск и водную эмульсию молотого мела.

Перечисленные масла рекомендуются для отливки слитков из серебра, золота и припоев. Если смазку производят непосредственно перед отливкой, то перед использованием масло обязательно обезвоживают кипячением на водяной бане при 110… 120°С в течение 2 ч. Смазку наносят тонким слоем на рабочую поверхность изложницы, подогретой до температуры не более 100 °С.

Пчелиный воск — одна из лучших смазок. Используется в тех же случаях, что и масла. Наносится на рабочую поверхность изложницы, нагретой до 50…70оC.

Водная эмульсия молотого мела применяется при отливке высокотемпературных металлов и сплавов — золота, платины, палладия. После нанесения слоя эмульсии на рабочую поверхность изложницы, нагретой до 150…200°С, ее тщательно просушивают до полного удаления влаги. Просушенную изложницу рекомендуется прокаливать при температуре 550°С, тогда изложница выдерживает более 100 заливок. Делают это заранее, так чтобы к моменту отливки изложница имела рабочую температуру 150…200°С.

Плавка и отливка металлов — один из наиболее опасных процессов, при котором несоблюдение мер безопасности труда может вызвать серьезные травмы. Выполнять плавку можно только на полностью исправном и налаженном оборудовании. Вся плавильная оснастка должна быть заранее подготовлена и разложена на удобных для работы участках. Плавку следует проводить в защитных очках и с предельной осторожностью. Загружать шихту в нагретый тигель нужно при помощи специального жестяного совочка, размеры которого позволяют безопасно провести операцию. Помешивание расплава и снятие шлака осуществляют специальной графитовой или кварцевой мешалкой, длина которой обеспечивает удобство работы и надежную защиту рук от ожогов. Особой осторожности требует разлив металла в изложницы. Кроме того, что необходим навык, надо убедиться в правильности установки изложницы и степени смазки ее. Лишняя смазка может вызвать разбрызгивание сплава. Плавильщик обязан работать в защитном фартуке из кожи, брезента или войлока. Выброс слитков из изложниц и охлаждение их производят в рукавицах.

Этапы выплавки стали

Для удаления примесей в плавильном агрегате для каждой из них создают определенные условия, проводя выплавку стали в несколько этапов.

Первый этап

На этом этапе идет расплавление шихты и нагрев жидкого металла. Температура металла невысока. Начинается интенсивное окисление железа, так как оно содержится в наибольшем количестве в чугуне и по закону действующих масс окисляется в первую очередь. Одновременно начинает окис-лятся примеси Si, P, Mn. Образующийся оксид железа (FeO) при высоких температурах растворяется в железе и отдает свой кислород более активным элементом (примесям в чугуне), окисляя их. Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную печь добавляют железную руду, окалину, содержащие оксиды же-леза.

Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу, в соответствии с которым хи-мические реакции, выделяющие теплоту, протекают интенсивнее при более низких температурах, а реакции поглощающие теплоту, протекают активнее при высоких температурах. Поэтому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут процессы окисления кремния, фосфора, марганца, протекающие с выделением теплоты, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре металла.

Наиболее важной задачей этого этапа является удаление фосфора. Для этого необходимо проведение плавки в основной печи, в которой можно использовать основной шлак, содержащий СаО, применяемый для удаления фосфора. В ходе плавки фосфорный ангидрид Р₂О₅ образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)₃⋅Р₂О₅. Оксид кальция СаО более сильное основание, чем оксид железа. Поэтому при невысоких температурах он связывает ангидрид Р₂О₅ в прочное соединение , (CaO)⋅Р₂О₅ переводя его в шлак. Для удаления фосфора из металла шлак должен содержать достаточное количество оксида железа FeO. Для повышения содержания FeO в шлаке в сталеплавильную печь в этот период плавки добавляют железную руду, окалину, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание его в шлаке возрастает. В соответствии с законом распределения, когда вещество растворяется в двух несмешивающихся жидкостях, распределение его между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения постоянного для данной температуры. Поэтому удаление фосфора из металла замедляется и для более полного удаления фосфора из металла шлак, содержащий фосфор удаляют, и наводят новый со свежими добавками (CaO).

Второй этап

Этап начинается по мере прогрева металлической ванны до более высоких температур, чем на первом этапе. При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, проходящая с поглощением тепла. Для окисления углерода на этом этапе в металл вводят зна-чительное количество руды, окалины или вдувают кислород.

Образующийся в металле оксид железа реагирует с углеродом и пузырьки оксида углерода СО выделяются из жидкого металла, вызывая кипение ванны. При кипении ванны:

уменьшается содержание углерода в металле;
выравнивается температура и состав ванны;
удаляются частично неметаллические включения в шлак.
Все это способствует повышению качества металла.

В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в ванне находится в виде сульфида железа, растворенного в металле [FeS] и шла-ке (FeS). Чем выше температура, тем большее количество FeS растворяется в шлаке или больше серы переходят из металла в шлак. Сульфид железа, раство-ренный в шлаке, взаимодействует с оксидом кальция СаО, также растворенным в шлаке, образуя соединение CaS, которое растворимо в шлаке, но не растворя-ется в металле. Таким образом сера удаляется в шлак.

Третий этап

Этот этап является завершающим, в котором производится раскисление и, если требуется, легирование стали. Раскисление представляет собой технологическую операцию, при которой растворенный в металле кислород переводится в нерастворимое соединение и удаляется из металла. При плавке повышенное содержание кислорода в металле необходимо для окисления примесей. В готовой же стали кислород является нежелательной примесью, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Для раскисления стали используют элементы-ракислители, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. В качестве раскислителей используют марганец, кремний, алюминий. Существует несколько способов раскисления стали. Наиболее широко применяются:

Осаждающий способ

Раскисление по этому способу осуществляют введением в жидкую сталь раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алю-миния), содержащих Mn, Si, Al. В результате раскисления образуются оксиды MnO, SiO₂, Al₂O₃, которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак. Однако часть оксидов не успевает всплыть и удалится из металла, что понижает его свойства. Этот способ называют иногда глубинным, так как рас-кислители вводятся в глубину металла.

Диффузионный способ

По этому способу раскисление осуществляют раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и другие раскислители загружают в мелкоизмельченном виде на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответс-твии с законом распределения оксид железа, растворенный в стали, начнет пе-реходить в шлак. Образующиеся при таком способе раскисления оксиды остаю-тся в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает в ней содержание неметаллических включений повышает ее качество.

Ввиду того, что скорость процесса перемещения кислорода из металла в шлак определяется скоростью его диффузии в металле, этот способ имеет и не-которые недостатки. Из-за малой скорости диффузии кислорода в металле про-цесс удаления кислорода идет медленно, возрастает продолжительность плавки. В зависимости от степени раскисленности различают стали:

кипящие;
спокойные;
полуспокойные.

Кипящая сталь

Это сталь, выплавленная без проведения операции рас-кисления. При разливке такой стали и при ее постепенном охлаждении в излож-нице будет протекать реакция между растворенными в металле кислородом и углеродом
[O]+[C]=CO_г

Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода СО будут выделятся из кристаллизующегося слитка, и металл будет бурлить. Такую сталь называют кипящей. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений, представляющих продукты раскисления. Поэтому она обладает хорошей пластичностью.

Спокойная сталь

Это сталь, полученная после проведения операции рас-кисления. Такая сталь при застывании в изложнице ведет себя спокойно, из нее не выделяются газы. Такую сталь называют спокойной.
Полуспокойная сталь. Сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Раскисление ее проводят частично, удаляя из нее не весь кислород. Оставшийся кислород вызывает кратковременное кипение металла в начале его кристаллизации. Такую сталь называют полуспокойной.

Легированные стали

Легированием называют процесс присадки в сталь специальных (легирующих) элементов с целью получить так называемую леги-рованную сталь с особыми физико-химическими или механическими свойствами. Легирование осуществляют введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в сплав. Легирующие элементы, сродство к кислороду которых меньше, чем у же-леза (Ni, Cu, Co, Mo), при плавке и разливке практически не окисляются и по-этому их вводят в печь в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al и др.), вводят в металл после или одновременно с раскислением.

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.

Выплавка стали: технология, способы, сырье

Железную руду получают привычным способом: открытой или подземной добычей и последующей транспортировкой для первоначальной подготовки, где материал измельчается, промывается и перерабатывается.

Руду засыпают в доменную печь и подвергают струйной обработке горячим воздухом и теплом, который превращает ее в расплавленное железо. Далее оно извлекается из нижней части печи в формы, известные как свиньи, где происходит остывание для получения чугуна. Он превращается в кованое железо или перерабатывается в сталь несколькими способами.

Что такое сталь?

Вначале было железо. Оно является одним из наиболее распространенных металлов в земной коре. Его можно встретить почти везде, в сочетании со многими другими элементами, в виде руды. В Европе начало работы с железом датируется 1700 г. до н.э.

В 1786 году французские ученые Бертолле, Мондж и Вандермонде точно определили, что разница между железом, чугуном и сталью обусловлена различным содержанием углерода. Тем не менее сталь, изготовленная из железа, быстро стала самым важным металлом промышленной революции. В начале XX века мировое производство стали составило 28 миллионов тонн - это в шесть раз больше, чем в 1880 году. К началу Первой мировой войны ее производство составляло 85 миллионов тонн. В течение нескольких десятилетий она практически заменила железо.

Содержание углерода влияет на характеристики металла. Существует два основных вида стали: легированная и нелегированная. Сплав стали относится к химическим элементам, отличным от углерода, добавленного к железу. Таким образом, для создания нержавеющей стали используется сплав 17 % хрома и 8 % никеля.

В настоящее время существует более 3000 каталогизированных марок (химических составов), не считая тех, которые созданы для удовлетворения индивидуальных потребностей. Все они способствуют превращению стали в наиболее подходящий материал для решения задач будущего.

Сырье для выплавки стали: первичное и вторичное

Выплавка данного металла с использованием многих компонентов – самый распространенный способ добычи. Шихтовые материалы могут быть как первично используемые, так и вторично. Основной состав шихты, как правило, составляет 55 % чугуна и 45 % оставшегося металлолома. Ферросплавы, переделанный чугун и технически чистые металлы используются как основной элемент сплава, ко вторичным, как правило, относят все виды черного металла.

Железная руда является самым важным и основным сырьем в черной металлургии. Для производства тонны чугуна требуется около 1,5 тонны этого материала. Для производства одной тонны чугуна используется около 450 тонн кокса. Многие металлургические заводы применяют даже древесный уголь.

Вода - важное сырье для черной металлургии. Она в основном используется для закалки кокса, охлаждения доменных печей, производства пара в дверях угольной печи, работы гидравлического оборудования и удаления сточных вод. Для производства тонны стали требуется около 4 тонн воздуха. Флюс используется в доменной печи для извлечения загрязнений из плавильной руды. Известняк и доломит объединяются с экстрагированными примесями с образованием шлака.

Как дутьевые, так и стальные печи, облицованы огнеупорами. Они используются для облицовочных печей, предназначенных для плавки железной руды. Диоксид кремния или песок используется для формования. Для производства стали различных марок применяют цветные металлы: алюминий, хром, кобальт, медь, свинец, марганец, молибден, никель, олово, вольфрам, цинк, ванадий и др. Среди всех этих ферросплавов марганец широко используется в выплавке стали.

Железные отходы, полученные из демонтированных конструкций заводов, механизмов, старых транспортных средств и т. д., перерабатываются и широко используются в этой отрасли.

Чугун для стали

Выплавку стали с использованием чугуна производят гораздо чаще, чем с другими материалами. Чугун - это термин, который обычно относится к серому железу, однако он также идентифицирован с большой группой ферросплавов. Углерод составляет примерно от 2,1 до 4 мас.%, тогда как кремний составляет обычно от 1 до 3 мас.% в сплаве.

Выплавка чугуна и стали проходит при температуре плавления между 1150 и 1200 градусов, что примерно на 300 градусов ниже, чем температура плавления чистого железа. Чугун также демонстрирует хорошую текучесть, отличную обрабатываемость, устойчивость к деформации, окислению и отливке.

Сталь также является сплавом железа с переменным содержанием углерода. Содержание углерода в стали составляет от 0,2 до 2,1 мас.%, И это наиболее экономичный легирующий материал для железа. Выплавка стали из чугуна полезна для различных инженерных и конструкционных целей.

Железная руда для стали

Процесс выплавки стали начинается с переработки железной руды. Породу, содержащую железную руду, измельчают. Руду добывают с использованием магнитных роликов. Мелкозернистая железная руда перерабатывается в крупнозернистые комки для использования в доменной печи. Уголь очищается от примесей в коксовой печи, что дает почти чистую форму углерода. Затем смесь железной руды и угля нагревают для получения расплавленного железа или чугуна, из которого производится сталь.

В основной кислородной печи расплавленная железная руда является основным сырьем и смешивается с различными количествами стального лома и сплавов для производства различных марок стали. В электродуговой печи переработанный стальной лом расплавляется непосредственно в новую сталь. Около 12% стали изготовлено из переработанного материала.

Технология выплавки

Плавление - процесс, посредством которого металл получают либо в виде элемента, либо как простое соединение из его руды путем нагревания выше температуры плавления обычно в присутствии окислителей, таких как воздух, или восстановителей, таких как кокс.

В технологии выплавки стали металл, который сочетается с кислородом, например оксидом железа, нагревается до высокой температуры, и оксид образуется в сочетании с углеродом в топливе, выходящим как монооксид углерода или диоксид углерода.
Другие примеси, все вместе называемые жилами, удаляются добавлением потока, с которым они объединяются, образуя шлак.

В современных плавках стали используется отражательная печь. Концентрированная руда и поток (обычно известняк) загружаются в верхнюю часть, а расплавленный штейн (соединение меди, железа, серы и шлака) вытягивается снизу. Вторая термообработка в конвертерной печи необходима для удаления железа из матовой поверхности.

Кислородно-конвекторный способ

Кислородно-конвертерный процесс является ведущим процессом сталеплавильного производства в мире. Мировое производство конвертерной стали в 2003 году составило 964,8 млн тонн или 63,3 % от общего производства. Производство конвертера является источником загрязнения окружающей природной среды. Основными проблемами этого являются снижение выбросов, сбросов и уменьшение отходов. Суть их заключается в использовании вторичных энергетических и материальных ресурсов.

Экзотермическое тепло генерируется реакциями окисления во время продувки.

Основной процесс выплавки стали с использованием собственных запасов:

Расплавленный чугун (иногда называемый горячим металлом) из доменной печи выливается в большой огнеупорный футерованный контейнер, называемый ковшом.
Металл в ковше направляется непосредственно для основного производства стали или стадии предварительной обработки.
Высокочистый кислород под давлением 700-1000 килопаскалей вводится со сверхзвуковой скоростью на поверхность ванны железа через охлаждаемую водой фурму, которая подвешена в сосуде и удерживается в нескольких футах над ванной.

Решение о предварительной обработке зависит от качества горячего металла и требуемого конечного качества стали. Самые первые конвертеры со съемным дном, которые могут быть отсоединены и отремонтированы, все еще используются. Были изменены копья, используемые для дутья. Для предотвращения заклинивания фурмы во время продувки применялись щелевые манжеты с длинным сужающимся медным наконечником. Кончики наконечника после сгорания сжигают CO, образующийся при выдувании в CO₂, и обеспечивают дополнительное тепло. Для отвода шлака используются дротики, огнеупорные шарики и шлаковые детекторы.

Кислородно-конвекторный способ: достоинства и недостатки

Не требует затрат на оборудование по очищению от газа, так как пылеобразование, т. е. испарение железа, снижено в 3 раза. За счет снижения выхода железа наблюдается рост выхода жидкой стали в 1,5 - 2,5 %. Преимуществом стало и то, что интенсивность продувки в таком способе увеличивается, что дает возможность повысить производительности конвертера на 18 %. Качество стали выше, потому что температура в зоне продувки снижена, что приводит к уменьшению образования азота.

Недостатки данного способа выплавки стали привели к снижению спроса на потребление, так как повышается уровень потребления кислорода на 7 % из-за большого расхода на сжигание топлива. Наблюдается повышенное содержание водорода в переработанном металле, из-за чего приходится некоторое время после окончания процесса вести продувку при помощи кислорода. Среди всех способов кислородно-конвертерный обладает самым повышенным шлакообразованием, причиной является невозможность следить за процессом окисления внутри оборудования.

Мартеновский способ

Мартеновский способ на протяжении большей части 20-го века составлял основную часть обработки всей стали, изготовленной в мире. Уильям Сименс в 1860-х годах искал средства повышения температуры в металлургической печи, воскресив старое предложение об использовании отработанного тепла, выделяемого печью. Он нагревал кирпич до высокой температуры, затем использовал тот же путь для ввода воздуха в печь. Предварительно нагретый воздух значительно увеличивал температуру пламени.

Природный газ или распыленные тяжелые масла используются в качестве топлива; воздух и топливо нагреваются до сгорания. Печь загружается жидким доменным чугуном и стальным ломом вместе с железной рудой, известняком, доломитом и флюсами.

Сама печь изготовлена из высокоогнеупорных материалов, таких как магнезитовый кирпич для очагов. Вес мартеновских печей достигает 600 тонн, и их обычно устанавливают группами, так что массивное вспомогательное оборудование, необходимое для зарядки печей и обработки жидкой стали, может быть эффективно использовано.

Хотя мартеновский процесс практически полностью заменен в большинстве промышленно развитых стран основным кислородным процессом и электродуговой печью, им изготавливают около 1/6 всей стали, произведенной во всем мире.

Достоинства и недостатки данного способа

К преимуществам относят простоту использования и легкость в получении легированной стали с примесью различных добавок, которые придают материалу различные специализированные свойства. Необходимые добавки и сплавы добавляют непосредственно перед окончанием выплавки.

К недостаткам можно отнести сниженную экономичность, по сравнению с кислородно-конверторным способом. Также качество стали более низкое, по сравнению с остальными методами выплавки металла.

Электросталеплавильный способ

Современный способ выплавки стали с использованием собственных запасов представляет собой печь, которая нагревает заряженный материал с помощью электрической дуги. Промышленные дуговые печи имеют размеры от небольших единиц грузоподъемностью около одной тонны (используются в литейных цехах для производства чугунных изделий) до 400 тонн единиц, применяемых для вторичной металлургии.

Дуговые печи, используемые в исследовательских лабораториях, могут иметь емкость всего несколько десятков граммов. Промышленные температуры электрической дуговой печи могут составлять до 1800 °C (3,272 °F), в то время как лабораторные установки могут превышать 3000 °C (5432 °F).

Дуговые печи отличаются от индукционных тем, что зарядный материал непосредственно подвергается воздействию электрической дуги, а ток в выводах проходит через заряженный материал. Электрическая дуговая печь используется для производства стали, состоит из огнеупорной футеровки, обычно водоохлаждаемой, больших размеров, покрыта раздвижной крышей.

Печь в основном разделена на три секции:

Оболочка, состоящая из боковых стенок и нижней стальной чаши.
Очаг состоит из огнеупора, который вытягивает нижнюю чашу.
Крыша с огнеупорной футеровкой или водяным охлаждением может быть выполнена в виде секции шара или в виде усеченного конуса (коническая секция).

Достоинства и недостатки способа

Данный способ занимает лидирующие позиции в области производства стали. Метод выплавки стали применяется для создания высококачественного металла, который либо совсем лишен, либо содержит незначительное количество нежелательных примесей, таких как сера, фосфор и кислород.

Главным плюсом метода является использование электроэнергии для нагревания, благодаря чему можно легко контролировать температуру плавления и достичь невероятной скорости нагревания металла. Автоматизированная работа станет приятным дополнением к прекрасной возможности качественной переработки различного металлического лома.

Читайте также: