Огляд існуючих способів виробництва сталі

Рисунок 2.2 Вплив сумарного вмісту легуючих елементів на довговічність підшипникових сталей

 

 

 

 

 

 

3 ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ  СПОСОБІВ ВИРОБНИЦТВА СТАЛІ ТА  ОБГРУНТУВАННЯ ПРИЙНЯТОГО СПОСОБУ  ВИПЛАВКИ

 

 В даний час в  країнах СНД майже 90% підшипникової  сталі масового призначення виплавляють  в електродугових печах і близько  10% в кислих мартенівських печах. Це пояснюється тим, що плавильні електропечі мають такі переваги, порівняно з іншими плавильними агрегатами:

• легко регулювати тепловий процес, змінюючи параметри струму;
• можна отримувати високу температуру металу;
• можливість створювати окисну, відновну, нейтральну атмосферу і вакуум, що дозволяє розкислювати метал з утворенням мінімальної кількості неметалічних включень.

Підшипникова сталь, поряд зі сталлю для прокатних валків, рейок і залізничних коліс належить до матеріалів для виробів з контактною поверхнею. Для такого роду продукції дуже важлива відсутність в поверхневому і підповерхневому шарах твердих включень, що деформуються. При дії тиску на такі включення вони руйнуються, викришуються і тим самим формують центри зародження тріщини, що призводить у результаті до руйнування вироба. До подібних небажаних включень відносяться, перш за все, включення Al₂O₃, CaO та MgO. Силікати (оксиди на основі SiO₂) відрізняються підвищеною пластичністю в порівнянні з названими раніше типами включень і тому вони більш прийнятні в такого роду виробах. Саме тому підшипники зі сталі, виплавленої в кислих печах (мартенівських і дугових) мають більшу стійкість, ніж підшипники із сталі, виплавленої в основних печах. Це обумовлено саме зміною складу включень при переході від основної футерівки до кислої.

Як у випадку виплавки в електропечі, так і в разі мартенівської плавки можливо застосування обробки металу в ковші синтетичними вапняно-глиноземистими шлаками.

Іншим напрямком, за яким вдосконалюється  якість вітчизняної підшипникової  сталі, є технологія рафінуючих переплавів: вакуумно-дугового, електрошлакового, плазмового і електроннопроменевого. Рафінуючі переплави є дуже ефективними: завдяки принциповій зміні процесу кристалізації сталі збільшилася щільність зливка, знизився загальний вміст газів, домішок, неметалічних включень і зменшилися розміри останніх у злитку.

Важливим напрямком розвитку промисловості при виплавці сталі  у відкритих дугових електропечах, стало позапічне вакуумування в  ковші, в установках циркуляційного чи порційного вакуумування, вакуум-шлакова  обробка.

 

3.1 Виплавка в мартенівських печах

 

Вельми обмежений обсяг  виробництва кислих мартенівських  сталей типу ШХ20СГ в СНД і за кордоном пояснюється особливостями її виробництва: паливо і шихтові матеріали при кислому процесі повинні мати низький вміст сірки і фосфору, так як ці елементи при виплавці в такій печі не видаляються із сталі.

При відсутності чистих руд  можливий варіант, коли спочатку виплавляють  спеціальну заготівлю в основних мартенівських печах, а потім  переплавляють її в кислих. Незважаючи на високі експлуатаційні властивості  одержуваної сталі, цей процес є  економічно невигідним.

У кислій печі підшипникову сталь можна виплавляти активним процесом або шляхом відновлення кремнію. Якщо у міру розплавлення в піч не вводять ніяких добавок, то в міру підвищення температури металу шлак насичується кремнеземом внаслідок окислення кремнію, що відновлюється з подини. В'язкість шлаку збільшується, а швидкість переходу кисню з атмосфери печі через шлак знижується. На певній стадії плавки починається процес відновлення кремнію, збільшується його концентрація в металі. Цей процес називають відновленням кремнію. Виплавку ведуть в кислих мартенівських печах ємністю 30...120 т. Футерівку цих печей виконують з чистих силікатних матеріалів, що містять близько 97% SiO₂. шихту складають з рідкого чавуну (50%), губчастого заліза (30%), і відходів підшипникової сталі (20%).

 

Рисунок 3.1 Схема мартенівської  печі

1, 5 - голівка печі; 2 - газові  і повітряні канали в головці  печі; 3 - звід печі, 4 - робочий простір  печі; 6, 8 - газові і повітряні регенератори; 7 - подини печі; 9 - завалочні вікна

 

Вміст сірки і фосфору  в сталевій ванні після розплавлення низький, що пояснюється, перш за все, дуже високою чистотою видобутої залізної руди, з якої виготовляється чавун. Окислення здійснюють киснем. Такі розкислювачі як кальцій чи алюміній при такому методі виплавки не використовують.

У СНД виплавку підшипникових сталей в кислих мартенівських електропечах здійснюють активним процесом в печах місткістю 90 т.

Активний процес характеризується тим, що руду, вапно (чи вапняк) вводять  по ходу плавки. Це підвищує рідкотекучість шлаку, обмежує відновлення кремнію  і збільшує його окислювальну здатність. Відбувається інтенсивне кипіння, вміст  кремнію не перевищує 0,10...0,12%. В якості шихтових матеріалів використовують чистий по сірці і фосфору чавун, чисту  шихтову заготівлю і до 10% від  садки власні відходи кулькової  сталі.

Остаточне розкислення проводять  в печі силікокальцієм (1,26 кг/т) і  кусковим алюмінієм (0,4 кг/т), присадку розкислювачів закінчують до появи  шлаку.

 

3.2 Виплавка в електродугових печах

 

Підшипникову сталь виплавляють  за двома технологічними схемами: з  обробкою пічним шлаком і з обробкою металу в ковші високоглиноземистим  синтетичним шлаком, одержаним в  окремій печі.

Залежно від застосовуваної шихти за обома технологічними варіантами виплавка може бути проведена методом переплаву або на свіжій шихті. Під час виплавки сталі методом переплаву з обробкою пічним шлаком використовують від 70 до 100% відходів підшипникової сталі. Остаточне розкислення проводять пічним кусковим алюмінієм шляхом присадки його в піч за 5 хвилин до випуску (0,5 кт/т сталі). При виплавці на свіжій шихті з обробкою пічним шлаком використовують вуглецевий брухт (74...77%), чавун (18...21%), і відходи підшипникової сталі (4,5%). Остаточне розкислення металу проводять первинним алюмінієм у кількості 0,5 кг/т.

Високоглиноземистим синтетичним  шлаком може оброблятися сталь, виплавлена ​​як на свіжій шихті, так і методом  переплаву. Фізико-хімічні процеси, що протікають в ковші при взаємодії  рідкої сталі з рідким вапняно-глиноземистим  синтетичним шлаком, в основному  зводяться до того, що при зливі  рідкого металу з досить великої  висоти в ківш відбувається їх інтенсивне перемішування і взаємне емульгування. Поверхня контакту металу і шлаку  при їх взаємному емульгуванні надзвичайно  збільшується в порівнянні зі звичайним  способом рафінування металу в печі.

Схема дугової печі показана на рис. 3.1. 

 

 

 

Рисунок 3.2  Схема дугової  плавильної печі

1. основна цегла; 2 – зливний жолоб; 3- шихта; 4 - сталевий кожух; 5 – стінки; 6 – склепіння; 7, 8 – кабелі; 9 – електроди; 10 - робоче вікно; 11- привід для нахилу; 12 - подина

 

В останні роки дослідження  спрямовані на зниження основності рафінувальних  шлаків. Застосування шлаків зі зниженою основністю, напівкислих і кислих шлаків утворено прагненням наблизити  склад включень в основній електродуговій сталі до складу їх в кислій мартенівській  чи кислій індукційній сталях.

При таких процесах має  знижуватися число великих глобулярних  включень, але підвищуватися число  сульфідних і, можливо, силікатних включень. При рафінуванні сталі кислими  шлаками домінуючим виглядом кисневих включень стають тонкі рядки дрібних  зерен корунду.

 

3.3 Спеціальні способи виплавки

Виплавка змішуванням в ковші рідких розплавів. Особливістю цієї технології є одночасне комплексне використання трьох металургійних агрегатів: мартенівської печі з основною футерівкою, в якій виплавляють залізовуглецевий напівпродукт; дугової електропечі для виплавки рідкої лігатури; шлакоплавильної електропечі для виплавки синтетичного шлаку.

Отримання сталі здійснюється шляхом змішання в сталерозливному ковші залізовуглецевих напівфабрикату і рідкої лігатури в процесі рафінування розплавів синтетичним шлаком і продування аргоном.

Передумови підвищення якості та експлуатаційних властивостей сталі, отриманої за технологією змішання з продувкою металу в ковші  аргоном в порівнянні із звичайною  електросталлю, засновані на наступних  теоретичних положеннях і експериментально встановлених фактах:

• поліпшуються умови розкислення і легування сталі в ковші;
• в процесі розкислення беруть участь не тільки алюміній і кремній, але і вуглець, який утворює газоподібні продукти реакцій і володіє при обраній технології змішування розкислювальною здатністю на порядок вище, ніж кремній;
• рівномірно розподілені легуючі елементи в обсязі ковша;
• в якості об'єкта розкислення використовують залізовуглецевий розплав необхідної окисленості, яку легко регулювати.

Вакуумна плавка, переплав та вакуумна дегазація сталі.

Загальні особливості  вакуумної обробки полягають  в наступному: рідкий метал не окислюється  атмосферним киснем; внаслідок зниження тиску в печі зменшується розчинність  азоту та водню, вони виділяються  з рідкого металу і відкачуються; внаслідок підвищення розкиллювальної  здатності вуглецю зменшується  вміст кисню в металі і, як наслідок, знижується вміст неметалічних включень внаслідок відновлення їх вуглецем; також знижується вміст домішок  деяких кольорових металів (олово, миш'як, свинець, вісмут та ін); підвищується хімічна  однорідність сталі.

Для позапічного вакуумування підшипникової сталі всіх марок  в основному застосовують такі найбільш продуктивні способи:

• циркуляційний (RH) - продуктивність однієї установки близько 400 тис. т на рік;
• порційний (DH) - продуктивність близько 200 тис. т на рік;
• вакуумування в ковші-печі ASEA-SKF (з дуговим підігрівом і електромагнітним перемішуванням) - продуктивність близько 200 тис. т на рік.

Всі перераховані установки  можуть працювати в комплексі  з будь-якими сталеплавильними агрегатами - електродуговою, мартенівською та конверторною печами.

У всіх зазначених способах сталь розливають в злитки або  на установках безперервного розливання сталі.

Електрошлаковий переплав. Підшипникова сталь стала одним з перших об'єктів, на яких була випробувана, а потім успішно впроваджена технологія ЕШП. При проходженні електричного струму через шар рідкого шлаку у ньому виділяється тепло, розплавляється кінець електрода, зануреного в шлак.

1 – електрод-злиток; 2- кристалізатор; 3 – робочий флюс; 4 – запал; 5 - піддон

Рисунок 3.3 Схема процесу електрошлакової плавки

 

Склад шлаку підбирають таким  чином, щоб він володів високою  рафінуючою здатністю і високим  електроопором. Розплавлений метал, проходячи  через шлак, рафінується від кисневих включень і сірки. Потрапляючи в водоохолоджуваний кристалізатор очищений метал швидко і цілеспрямовано кристалізується, що запобігає утворенню дефектів зливка.Особливостями зливків електрошлакового переплаву є висока щільність, відсутність великих неметалевих включень, рівномірний розподіл дрібних включень, відсутність внутрішніх та поверхневих розкатаних забруднень, усадочних дефектів, підвищена пластичність при горячій механічної обробці.

При ЕШП ступінь десульфурації  становить 80%. вміст сульфідних і  оксидних включень зменшується в 1,5-2 рази [3]. Цей процес є досить дорогим, тому сталь, виплавлену таким чином  доцільно використовувати тільки в  тих випадках, коли вироблені підшипники використовуються в особливо відповідальних виробах і агрегатах (літаки, атомні реактори і т.д.).

 Проаналізувавши відомі  способи виплавки конструкційної підшипникової сталі марки ШХ20СГ, можна відзначити, що кожний з розглянутих способів має як переваги, так і недоліки. Тому на мою думку доцільно проводити виплавку конструкційної підшипникової сталі марки ШХ20СГ в електродуговій печі, так як вона має такі переваги: використання електричної енергії (електричного струму), можливість розплавити шихту практично будь-якого складу, точне регулювання температури металу та його хімічного складу. Немаловажливо - простота процесу і можливість отримання чистого по сірці і фосфору металу. Технологія плавки визначається складом сталі, що виплавляється, и вимоги, які пред'являються до неї, а також якістю шихти [4].

 

 

 

 

 

 

 

4 АПАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГІЧНА СХЕМА ВИРОБНИЦТВА СТАЛІ

 

 Електродугова сталеплавильна піч  – найбільш оптимальний спосіб виплавки конструкційної шарикопідшипникової сталі. Дугова сталеплавильна піч - піч, в якій теплота електричної дуги використовується для плавки сталі. Ємність дугових печей коливається від 6 до 200 тонн. Ці печі служать в першу чергу для виплавки легованих і високоякісних сталей, які важко одержувати в конвертерах і мартенівських печах. Одна з головних особливостей дугової печі - можливість досягнення в робочому просторі високої температури (до 2500 ° С) [3].