Класифікація сталі та її технологія

Сталлю називають сплав заліза і вуглецю зі вмістом його мен­ше 2,14%. Основна маса сталі виготовляється переробкою чаву­ну. Сталь має більш високі механічні та технологічні властивості у порівнянні з чавуном: її можна обробляти тиском (вальцювати, кувати та інш.) вона має високу міцність та значну пластичність, добре обробляється різанням (виключаючи деякі марки). У роз­плавленому стані сталь має достатню рідинну текучість для одер­жання виливок, проте ливарні властивості чавуну кращі. М'яка сталь з вмістом вуглецю менш 0,25% має високу пластичність, легко обробляється тиском у гарячому та холодному станах. Ле­гована низьковуглецева сталь широко застосовується у сучасно­му машинобудуванні та будівництві.

Переробка чавуну в сталь полягає в тому, щоб відокремити від чавуну надлишок вуглецю, кремнію, марганцю та інших домішок. Особливо важливо при цьому вилучити шкідливі домішки сірки та фосфору, які надають сталі крихкість. Вуглець чавуну, з'єднуючись з киснем, перетворюється в газ (оксид вуглецю СО), який випаро­вується. Інші домішки переходять у оксиди та інші сполуки, які не-

розчинні або малорозчинні у металі.

Ці сполуки разом з флюсами створюють на поверхні металу шлак.

При окисленні марганець і кремній утворюють нерозчинні у металі оксиди

і .

При окисленні фосфору утворюється його оксид він розчиняється

у металі та шлаку. Щоб вилучити фосфор з металу, додають шлак з надлишком вапна яке й зв'язує в з єднанні нерозчинне у металі.

Безпосереднім окисником домішок у процесі виробництва сталі є розчинений

у металі оксид заліза .

Сірку розчинену у чавуні у складі з'єднання вилучають за допомогою марганцю або вапна, які утворюють з нею або погано розчинне у металі

з єднання або нерозчинне з'єднання CaS, яке переходить у шлак. Кінцевою операцією процесу виплавлен­ня сталі є її розкислення (відновлення заліза із FeO). При виплавці легованої сталі розкислення зазвичай сполучають з легуванням.

Початковим матеріалом для одержання сталі є переробний чавун, скрап (стальний та чавунний брухт, стружка, обрізки, то­що), металізовані окатиші. Як окисник використовується кисень, залізну руду, окалину; як флюс при кислих процесах використо­вують кварцевий пісок, а при основних процесах — вапно, плавіковий шпат, боксит. Як розкисники застосовують домнові феросплави, що виплавлені в електропечах, та алюміній. Зараз застосовуються в основному киснево-конверторний, мар­тенівський та електротермічний засоби одержання сталі. Цими засобами сталь одержують у рідкому стані.

Виробництво сталі у кисневих конверторах. При конвертор­них процесах джерелом теплоти для виплавки сталі з розплавле­ного чавуну є хімічні екзотермічні реакції окислення елементів що входять до складу чавуну. За останні роки у виробництві сталі швидко розвиваються киснево-конверторні способи при продувці киснем зверху і в при продувці через днище.

їх перевагами є висока продуктивність, яка забезпечується інтенсивністю процесів окислення елементів, а також знижені ви­трати на будівництво у порівнянні з мартенівськими цехами. У кисневих конверторах можуть виплавлятися як вуглецеві, так і леговані сталі.

Кисневі конвертори поділяються на стаціонарні та обертові. Зараз застосовують в основному стаціонарні конвертори з глу­хим дном ємністю від 100 до 400т. Ведуться роботи по застосу­ванню конверторів з донною продувкою. Частка киснево-кон-

верторної сталі в спільній її виплавці безупинно росте і складає тепер більше половини її світового виробництва.

Стаціонарний конвертор (рис. 5.4) має два бандажа 4, кожен з яких опирається на два ролики 1. Горловина конвертора має си­метричну форму. Конвертори викладають смолодомітовою цег­лою. Летка 3 призначена для зливу готової сталі від шлаку і змен­шенню відновлення фосфору із шлаку при зливі.

В конвертор спочатку загружають скрап, далі заливають ча­вун, потім засипають вапно, а також боксит, залізну руду і ока­лину (якщо потрібно), після чого учиняється продувка, береться проба, аналіз, а потім злив металу та шлаку.

Кисень під тиском (9... 10) МПа подається через водоохолод-жуючу фурму 2 і частина його проникає в метал, а кисень зали­шився, розтікається на поверхні вани. Основну масу залитого у конвертер чавуну складає залізо (приблизно 93%). Тому проник -ненний кисень у чавун переважно окислює залізо:

З початку продувки в конверторі зразу утворюються дві незмішувальні між собою рідини — метал (густина — 7800 кг/ та шлак (густина — приблизно 2500 кг/ які знаходяться у без посередньому контакті і взаємодії.

Частина оксиду заліза (II) залишається у металі, частина пере­ходить у шлак, при цьому як у металі, так і у шлаку оксид заліза (II) реагує з іншими елементами та з'єднаннями, однак у шлаку і в металі розподілення оксиду заліза (II) стале при даній темпера-

турі, це називається

константою

розподілення L FeO:

(5.2)

Звідси, при зменшенні кількості оксиду заліза у шлаку відповідно зменшиться його вміст у металі.

Оксид заліза (II), який знаходиться у металі, вступає у взаємодію з домішками в чавуні, з якими кисень має більшу

схожість, ніж з залізом:

(5.3)

(5.4)

Фосфор вигоряє за реакцією:

(5.5)

Вуглець вигоряє за реакцією:

(5.6)

Оксид вуглецю CO бульбашками виходить з рідкої вани, част­ково згоряє, реагує з киснем, який розтікається по поверхні вани:

(5.7)

Нагрівання ванн сприяє розчиненню вапна, бокситу та ок­сидів заліза, в результаті утворюється активний основний шлак з надлишком вільного оксиду кальцію, який зв'язує фосфор у не-розчиненному в металі з'єднанні:

(5.8)

У результаті реакції (5.8) кількість вільного оксиду фосфору у шлаку зменшується у відповідності із залежністю (5.6) він перехо­дить з металу в шлак.

При переробці високофосфорного чавуну, для того, щоб за­побігти зворотний перехід фосфору з шлаку у метал, шлак збага­чений фосфором, скочують і знову засипають вапно. Фосфорис­тий шлак використовується як добрива. Гарячий високовапняко-вий шлак у конверторі дає можливість шлакувати фосфор раніше, ніж вигоряє вуглець. Вапно забезпечує також шлакуван­ня сірки за реакцією:

(5.9)

Ця реакція проходить на межі розділу шлак-метал. Пе­регрітий і тому активний основний шлак забезпечує вилучення значної частини сірки з металу, в результаті чого її вміст у сталі може бути доведено до 0,015%.

З початку продувки киснем у конверторі енергійно окислю­ються кремній, марганець та фосфор. Швидке окислення вугле­цю розвивається пізніше під час продувки у відповідності з нагріванням вани. При виплавці сталі з підвищенним вмістом вуглецю продувку припиняють раніше, піднімають конвертор у горизонтальне положення і беруть пробу. Якщо вміст вуглецю у пробі виявився вищий потрібного, то роблять додувку плавки, при вмісті вуглецю нижче встановленного плавку випускають у ківш і (одночасно з розкисленням) спричиняють навуглерожу-вання сталі присадкою феросплавів.

Розкислення вилитої у ківш сталі, необхідно, оскільки вона містить підвищену кількість оксиду заліза (II), викликаючи у сталі красноламкість і погіршення механічних властивостей. Роз­кислення спричиняється феромарганцем, феросиліцієм, для чого ці феросплави вводят у струмок (цівку) металу при зливанні його з конвертора. Відновлення заліза при цьому визначаються ре­акціями (5.3) і (5.4). Як розкислювач застосовують також алюміній, у цьому випадку залізо відновлюється за реакцією:

(5.10)

Тривалість продувки у 250-тонному кисневому конверторі (25...ЗО) хв. Разом з іншими операціями (завалка скрапу, заливка чавуну, взяття проб, залив сталі, залив шлаку) на одну плавку ви­трачається (45...50) хв. Продуктивність одного 250-тонного кон­вертора — 1200 тис. тон сталі на рік, а 500-тонної мартенівської печі — близько 400 тис.тон.

Збільшення продуктивності кисневих конверторів дося­гається не тільки збільшенням ємності, але також інтенсивністю продувки при впровадженні автоматичного управління і контро­лю плавки з використанням ЕОМ. Перспективний киснево-кон­верторний процес з донним дуттям (продувкою знизу), при яко­му різко зменшується димоутворення, збільшує вихід придатного продукту, забезпечує можливість збільшення присадки скрапу у порівнянні з конверторами з верхнім дуттям. Кисневі конверто­ри з донним дуттям планують застосовувати і для заміни мар­тенівських печей.

В конверторах з кисневим дуттям виплавляють вуглецеві та леговані конструкційні й інструментальні сталі, а також шари-копідшипникові, високо марганцеві та ін., що не поступаються місцем мартенівським та електросталям, причому якість деяких низьколегованих марок сталі вища відповідних марок мар­тенівської та електросталі, наприклад, сталі для холодної дефор­мації (особливо для виробництва автолиста), для посуду високо­го тиску і казанів, для роботи при низьких температурах, канат­ної сталі та ін. По закінченні продувки сталь заливають у ківш і направляють для рафінування (очищення від зайвих домішок) та легування. У зв'язку з цим питома вага виробництва сталі в мар­тенівських печах значно скоротиться в майбутньому.

Виробництво сталі в мартенівських печах. Мартенівське ви­робництво виникло у 1864 році, коли П.Мартен пристосував реге­неративну (яка використовує тепло газів, які відходять) піч Сімен-са для виплавки литої сталі з твердої шихти. Частка мартенівсько­го виробництва ще дуже велика, тому зусилля металургів спрямо­вані на інтенсифікацію мартенівських плавок і покрашення якості металу. В мартенівських печах сталь виплавляють з твердого або рідкого чавуну, стального або чавунного лому з домішками залізної руди, окалини, флюсів і феросплавів; при цьому виходить побічний продукт плавки — мартенівський пшак.

Мартенівська піч показана на рис. 5.5. її плавильний простір 4 обмежено знизу падиною — 7, зверху — склепінням 3, з боків

— стінками. З обох боків плавильного простору знаходяться го­ловки 1 і 5 з каналами, що ведуть до шлаковиків — камер (на рис.5а) для затримання пилу та бризків шлаку, захоплених з пла­вильного простору вхідними газами. Шлаковики єднаються з ре­генераторами 8 і 6, які мають вогнетривку насадку для підігріву-вання повітря і газового палива. На наших великих мета­лургійних заводах мартенівські печі нагрівають спалюванням суміші домнового та коксового газів, а також природного газу. Канали 2 служать для підводу гарячого повітря і газового пали­ва, яке спалюється довгим факелом печі, і для відводу гарячих га­зів — продуктів згоряння. Клапани 10 періодично (через 10... 15) хв. змінюють напрямок руху газів (рис. 5.5) в регенераторах, в го­ловках і в самій печі, чим забезпечується їх постійне підігрівання

до (1000... 1500) °С і нагрівання плавильного простору до 1700 °С . Якщо нема підігрівання, то температура в печі не перевищить 1400 °С, тоді як температура плавління м'якої сталі— 1500 °С. Таким чином, коли одна пара регенераторів нагріває гази, друга запасає теплоту вихідних продуктів згоряння.

В передній стінці в мартенівської печі знаходяться вікна 9, че­рез які з робочої площадки закидають шихту, беруть проби сталі і наглядають за плавкою. Подина печі нахилена до задньої стінки, в якій знаходиться летка, що закрита під час плавки пробкою з во­гнетривкої маси; для випуску сталі пробку ззовні пробивають.

Мартенівські печі на машинобудівних заводах працюють на мазуті, який розпиляють форсунками при подачі системного повітря або пари під тиском (0,5...0,8) МПа. У печей, що працю­ють на мазуті, є лише два регенератора (по одному з кожного бо­ку) для підігрівання повітря.

Процеси плавки в мартенівських печах поділяють на основні та кислі в залежності від складу шихти. Плавка на шихті, в якій вміст фосфору та сірки більший припустимого у готовій сталі, виробляється основним процесом, під основним шлаком і в пе­чах, викладених основними вогнетривами. Для плавки сталі під кислим шлаком застосовують печі з кладкою із динасової цегли. Тривалість служби мартенівської печі (кількість плавок) визна­чається стійкістю зводу (печі з хромомагнезитовим зводом витри­мують 700 плавок і більше). В мартенівських печах виплавляють вуглецеву конструкційну та леговані сталі різноманітних марок.

Плавка в мартенівських печах. Мартенівський процес зво­диться до фізико-хімічної взаємодії між металом, шлаком, газо-

вим середовищем і зокрема вогнетривами печі при високих тем­пературах. Задачею процесу є зменшення вмісту в сталі вуглецю, марганцю та кремнію і можливо більш повне вилучення з неї шкідливих домішок при найменшому зношенні печі та витратах пального. Окислення металу перебігає при взаємодії його з кис­нем, який надходить до печі з повітрям, а також рудою і окали­ною. Для прискорення окислення застосовують також вдування кисню у розплавлений метал. Існує декілька різновидів мар­тенівського процесу: скрап-рудний процес, скрап-процес, основ­ний скрап-процес та кислий скрап—процес.

Показники роботи мартенівського цеху. Основним техніко-економічним показником є кількість сталі у тонах, знята на добу з 1 м подини печі, а також витрати палива на 1 т виплавленої сталі.

Суттєво прискорює плавку застосування кисню. В мар­тенівському виробництві кисень вдувають через особливі фор­сунки або горілки в головки мартенівської печі для скорішого спалювання пального газу; кисень вдувають і безпосередньо у рідкий метал для прискорення окислення домішок. Середньодо­бове зняття сталі с їм площі подини складає 10 т, а на передових заводах — 25 т та більше.

Рис. 5.4. Конвертор

Рис. 5.5. Мартенівська піч

Крім вуглецю в сталі присутні кремній, марганець, сірка та фосфор, що здійснюють різний вплив на властивості сталі.

Вуглець є основним компонентом, і в залежності від його вмісту значно змінюються механічні властивості сталі. Твердість НВ, межа міцності при розтягненні та межа пружності безперерв-

но збільшуються із підвищення вмісту вуглецю до 1,2%; одночас­но зменшується відносне подовженнях. Ці зміни властивостей сталі пов'язані із зміною кількості основних структурних склад-них-феррита та цементита.

Постійні домішки в сталі звичайно містяться в таких межах: кремнія (Si) до — 0,05; марганцю (Мп) — до 0,7; фосфору — до 0,05.

Кремній та марганець мантан в указаних межах суттєвого впливу на властивості сталі не здійснюють. З підвищен­ням їх вмісту (кремнію вище 0,8%, марганцю — 1,0%) спостеріга­ється збільшення твердості та міцності сталі. Однак така сталь вва­жається легованою. Марганець та кремній є гарними розкислюва­чами сталі; крім того, марганець паралізує шкідливий вплив сірки, утворюючи з нею з'єднання MnS, що частково переходить в шлак.

Сірка є шкідливою домішкою, вона не розчиняється в залізі, як інші домішки, а утворює з ним хімічне з'єднання FeS (сіркове залізо). Сіркове залізо із залізом утворюють евтектику FeS-Fe з температурою плавлення 985 °С. При твердінні сталі ця евтектика розміщується у вигляді легкоплавких оболонок навколо зерен. На­явність таких оболонок є причиною червонокрихкості (крихкості при червоному накалюванні) сталі з підвищенним вмістом сірки при гарячій обробці (куванні, прокаті та інше): оболонки розплав­ляються, в результаті чого між зернами втрачається зв'язок і утво­рюються тріщини. Крім того, сірка знижує пластичність та міцність сталі, опір стиранню і корозійну стійкість.

Фосфор надає сталі холодноламкість (хрупкість при зви­чайній та зниженій температурі). Це пояснюється тим, що викли­кає сильну внутрішньокристалічну ліквацію (так як його при­сутність збільшує інтервал температури між початком та кінцем затвердіння — точками ліквідуса та солідуса) і сприяє росту зер­на в металі. Шкідливий вплив фосфора особливо виявляється при підвищенному вмісті вуглецю. Отже, чим твердіша сталь, тим шкідливіше для неї фосфор. Однак у так званих автоматних сталях (з вмістом вуглецю до 0,3%) допускається підвищенний вміст фосфору (до 0,15%) та сірки (до 0,2%) для полегшення знят­тя стружки та отримання гладкої поверхні при обточці на верста­тах, в тому числі при нарізанні різьби.

Класифікація і маркування вуглецевистих сталей. Вуглецева сталь в залежності від застосування ділиться на конструкційну

(м'яку сталь і сталь середньої твердості) та інструментальну (тверду сталь). Конструкційна сталь поділяється на сталь звичай­ної якості та якісну.

Вуглецева сталь звичайної якості за ГОСТ 380-71 випускається гарячекатана, гарячевалоцівна, хододновалоцівна, у вигляді за-готівень та установок безперервного розливу, труб, поковок і штамповок, стрічки, дроту та метизів. В залежності від призна­чення сталь розділяється на три групи: А — що поставляється за механічними властивостями, Б — що поставляється за хімічним складом, в — що поставляється за хімічним складом та ме­ханічними властивостями. Сталь виготовляють таких марок: гру­па А — СтО, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб; група Б — БСтО, БСті, БСт2, БСтЗ, БСт4, БСт5, БСтб; група В — ВСт2, ВСтЗ, ВСт4, ВСт5.

Літери Ст означають сталь, цифри умовний номер марки в за­лежності від хімічного складу та механічних властивостей, однак номер в цих сталях не вказує числовий вміст вуглецю. Літери Б і В перед визначенням марки визначають групу сталі, літера А пе­ред визначенням марки не вказується.

Для визначення міри розкислення до визначення марки після номера додають індекси "кп" — кипляча, "пс" — півспокійна, "сп" — спокійна, наприклад СтЗпс, БСтЗсп. Сталь всіх груп з но­мерами 1,2,3,4 за ступенем розкислення виготовляють киплячою, півспокійною та спокійною, з номерами 5 і 6 — півспокійною та спокійною.

Сталі звичайної якості випускаються у вигляді листової та сор­тової вальцівки; вони призначені для виготовлення будівельних конструкцій, арматури, кріплення, деталей машин, що не несуть підвищенних напружень. При цьому сталі групи А призначені для виробів, що при виробленні не підлягають гарячій обробці (зварю­ванню, куванню), сталі групи Б — для виробів із застосуваннюм гарячої обробки (в такому випадку потрібно знати хімічний склад сталі для визначення режимів гарячої обробки), сталі групи В — широко застосовуються для виготовленням зварних конструкцій, при розрахунку яких важливо знати також і механічні властивості.

Вуглецева якісна сталь виплавляється в кисневих конверте­рах, мартенівських і електричних пічах. Сталь випускають двох груп: група 1 з нормальним вмістом марганцю (ГОСТ 1050-74) марок 05кп, 08пс, 08кп, 08, Юкп, ІОпс, 10, 15пс, 15, 20кп, 20, 25, ЗО, 35, 40, 45, 50, 55, 58, (55ПП), 60, 65, 70,75, 80, 85; група з підви-щенним вмістом марганцю (біля 1%) марок (ГОСТ 1050-60) 15Г,

20Г,25Г, ЗОГ, 35Г, 40Г, 45Г, 50Г та марок (ГОСТ 1050-74) 60Г, 65Г, 70Г.

Двозначні цифри в марці сталі означають середній вміст вуг­лецю в сотих долях відсотку.

Якісна сталь перевершує сталь звичайної якості за однорідністю, є більш чистою за сіркою та фосфором, неметалічними включення­ми та має більш вузькі рамки вмісту вуглецю. З цієї сталі роблять відповідальні деталі машин та механізмів, поковки, штамповки, ка­лібровані прутки (круглі, квадратні, шестигранні), сріблянку — світ­лі круглі прутки точних розмірів із спецільною обробкою поверхні.

Киплячі сталі мають незначну міцність та високу пластичність, їх в основному вальцюють у тонкий лист, з якого методом холод­ної штамповки отримують деталі глибокої витяжки (наприклад сталь 08 кп застосовують для штампування кузовів автомобілів).

Низьковуглецеві спокійні сталі марок 08-25 добре зварюються, обробляються холодним штампуванням, вони використовуються для деталей, що не потребують високої міцності; сталі 15, 20, 25 застосовуються також для деталей, що це­ментуються та ціануються, працюючих з навантаженнями на зно­шення, оскільки хіміко-термічні і термічні обробки дають твер­дий, стійкий до зношення поверхневий шар та в'язку серцевину.

Середньовуглецевісталі марок ЗО.. .60 мають підви­щену міцність, але меншу пластичність, ніж низьковуглецеві. Во­ни застосовуються для виготовлення достатньо широкої номенк­латури деталей машин та механізмів.

Сталь 58 (55ПП) вміщає малу кількість Mn, Cr, Si, тому відрізняється низькою прокалюваністю (ПП) на глибину (1...2)мм, серцевина ж залишається в'язкою. Вона використо­вується замість цементованих сталей.

Сталі марок 65-95 і 60Г-80Г використовуються для виго­товлення пружин, ресор та інших пружинячих деталей.

Інструментальна сталь виплавляється в мар­тенівських та електричних печах і використовується для виготов­лення інструментів (ріжучих, вимірювальних, ударних та ін.). Інструментальна сталь ділиться на якісну та високоякісну. Сталь якісна позначається літерою У та цифрою, що вказує вмість вуг­лецю в десятих відсотка, наприклад У7, У8 та далі до У13.

Сталь інструментальна високоякісна містить менше домішок (сірки, фосфора), ніж якісна; при її маркеруванні додають літеру А, наприклад У8А.

Оскільки процеси виплавлення чавуну і сталі проходять при високих температурах для захисту сталевих кожухів печей домен, конвертерів використовують вогнетривкі матеріали.

Вогнетривкі матеріали. Вогнетривкими називають матеріали, які застосовуються для футерування (захисного внутрішнього облицювання) металургійних печей, топок, магістралей гарячого дуття, розливочних ковшів, хімічних апаратів, ванн і ін..

Найважливіші вимоги до вогнетривких матеріалів такі: висо­ка температура розм'якшення, стійкість при різких перепадах тем­ператур і сталість об'єму, хімічна стійкість в умовах експлуатації..

Вогнетривкі матеріали виготовляють головним чином на ос­нові мінеральної сировини і застосовують у виді цеглин, фасон­них виробів і порошків. Цеглини і фасонні вироби вживають для кладки стін, поду і зводу печей, а також для генераторів, димарів, конвертерів, ковшів і ті. Вогнетривкими порошками набивають подини й укоси сталеплавильних печей, на них замішують вогне­тривкі бетони.

За хімічними властивостями вогнетривкі матеріали поділя­ють на три групи: кислі, основні і нейтральні. Кислі вогнетриви складаються переважно з кремнезему вони вступають у хімічну взаємодію з основними вогнетривами і шлаками, стійкі до кислих шлаків. Основні вогнетриви, навпаки, складаються пе­реважно з основних оскидів (звичайно оксидів Mg і Са). Нейт­ральні вогнетриви майже не взаємодіють ні з основними, ні з кис­лотними вогнетривами і шлаками.

Кислі вогнетриви. Динас (динасова цегла) містить (93.. .96)% Si, (2.. .3)% Са (зв'язування), має вогнетривкість (темпе­ратуру розм'якшення під впливом власної маси (1690... 1730) °С.

Кварцевий пісок (93.. .97)% ; астосовують для наварки і ремон-

ту окремих частин металургійних печей з кислою футеровкою.

Основні вогнетриви. Магнезит (магнезитова цегла і металургійний магнезитовий порошок) складаєься з (91...94)% Mg, (1...2)%Са, (2...3)%

близько 2% близько 1%. Вогнетривкість магнезиту вище 2000 °С, але під навантаженням він роз­м'якшується при температурі 1500 °С. Магнезит застосовують для футеровки подів і стін основних мартенівських і електричних стале­плавильних печей, а також печей кольорової металургії. Магнези­товим порошком набивають, наварюються і заправляють подини і укоси в основних металургійних печах. Хромомагнезит і магнези-

тохроміт містить (ЗО.. .70)% Mg і (10.. .30)% . Вони мають при-

близно такі ж властивості, як і магнезит, але відрізняються від ньо­го кращою стійкістю при перепадах температур. Магнезитохроміт застосовують для кладки склепінь основних мартенівських і елект­ричних сталеплавильних печей. Доломіт на відміну від магнезиту застосовують звичайно у виді порошку сирої (необпаленої) породи, що складається головним чином з

і . Такий сирий доломіт обпікається при розігріві печі. Цеглини з обпаленого до­ломіту формують на зв'язуванні зі знезводженої кам'яновугільної смоли (7.. .9)% пресуванням у гідравлічних пресах при цьому одер­жують смолодоломіт. Вогнетривалість доломіту (1800... 1000) °С. Глиноземисті вогнетриви поділяються на шамотні (менше 65% ) і (30...45)% і високоглиноземні ( більш 45%). Шамотні цеглини і фасонні вироби — найпоши­реніші вогнетривкі матеріали. Вогнетривкість їх досягає 1770 °С, у них висока стійкість до перепаду температур, достатня стійкість проти кислих і основних шлаків при температурі до (1250... 1350) °С; вони дешеві. Недолік їх — порівняно з низькою температурою розм'якшення під навантаженням (1250... 1400) °С.

Шамотними цеглинами викладають шахти доменних печей, нагрівальні печі, газогенератори, вагранки, розливочні ковщі і т.п.. Високоглиноземні вонетриви значно дорожчі шамотних, але вгнетривкість їх вище (до 2000°). Вони застосовуються для клад­ки відповідальних частин металургійних печей, наприклад наса­док регенераторів мартенівських печей. Глиноземисті вогнетри­ви мають слабкокислі і слабоосновні властивості, тому за хімічними властивостями їх не прийнято відносити до якої-не-будь із трьох названих вище груп.

Нейтральні вогнетриви. До нейтрального відно­сяться хромітові й вуглецеві вогнетриви. Хромітові вогнетриви містять не менш 25% і мають вогнетривкість близько 1800 °С. Застосовують їх звичайно для поділу шарів кислих і ос­новних вогнетривів з метою запобігання хімічної взаємодії між ними. Вуглецеві вогнетриви містять до 90% вуглецю і поділяють­ся на графітові і вугільні. З графітових вогнетривів виготовляють тиглі для плавки різних металів, а з вугільних — окремі частини металургійних печей, наприклад, лещадь і стінки горна доменних печей. Вуглецеві вогнетриви дуже вогнестійкі (вище 2000 °С), ма­ло взаємодіють зі шлаками і зберігають свій об'єм при роботі. За­стосовувати їх у сталеплавильних печах не можна, тому що вони навуглерожують сталь.

Шлаки. Шлаки утворюються при виплавці металів і, маючи незначну густину (200...400) кг/м, спливають над рідким мета­лом, ізолюючи його від трубних газів. Вони виходять зі сплавле­ної порожньої породи, флюсів, золи палива і вогнетривкої футе­ровки (у міру її руйнування), з поглинених газів і виділяються зі з'єднань металу. Склад шлаків, температура плавлення, їхня рух­ливість (плинність), хімічна активність, теплопровідність багато в чому визначають успіх плавки і вихід металу. Хімічний склад шлаку повинен відповідати природі металургійного процесу. Розрізняють шлаки основні з перевагою основних окислів і кислі з перевагою окислів кислотних.

Флюси. Флюси полегшують шлакування при металургійних плавках, сприяють сплавці порожньої породи руди, утворюючи з нею, а також із золою палива шлаки, які плавляться при розрахо­ваній температурі; вони зв'язують і забезпечують перехід з мета­лу в шлак шкідливих домішок. Флюси бувають кислі, які включа­ють в надлишку Si, основні, які включають надлишкові основні оксиди CaO, Mg, MnO, FeO й ін., і нейтральні, які вміщують гли­нозем, а також лужні і лужноземельні хлориди і фториди.

Крім конвертерного та мартенівського способу виплавлення сталі застосовують електричні дугові та індукційні печі.

Електричні печі

Використовувати електричні печі для варіння сталі почали з кінця 19-початку 20 ст. Це досконаліші агрегати для варіння сталі порівняно з кисневими конвертерами та мартенівськими печами. В електричних печах легко регулюється нагрівання шихти зміною сили струму; можна створити над розплавом певну атмосферу: окисну, нейтральну або вакуум; розплавлена шихта нагрівається до вищої температури, а це дає можливість легувати сталі трудно-плавкими металами (W, Mo, Nb та ін.); менше вигоряє заліза; от­римана сталь значно якісніша, оскільки містить менше домішок (фосфору, сірки, азоту), неметалевих включень. Для варіння сталі використовують дугові та індукційні електричні печі.

1. Дугова піч виготовлена у формі циліндра з плоским дном (рис. 5.6).

Ззовні вона окутана сталлю, усередині викладена вогентрив-кою динасовою або хромомагнезитовою цеглою. Склепіння печі 2 має три отвори для електродів 3, які виготовляють із вуглецю або графіту. Діаметр електродів становить 400...500 мм, а довжи-

Рис. 5.6. Схема, дугової електричної печі

на сягає до 2 м. Число електродів відповідає числу фаз електрич­ного струму. У стіні корпуса печі 1 є вікно 4 для завантаження в піч розкиснювачів, зливання шлаку, взяття проб металу та шла­ку на аналіз. На час роботи печі вікно закривають. Готову сталь виливають через випускний отвір, який має зливний жолоб 7. Для цього піч нахиляють у бік зливного жолоба.

Для завантаження у піч шихти (скрап, чавун, розкиснювачі, ле­гуючі елементи) склепіння піднімають або відсувають вбік. Нагрівають і розплавляють шихту 6 теплотою, яка виділяється під час горіння електричних дуг 5, що утворюються між електродами та шихтою. У процесі варіння сталі, електроди згоряють, їх заміню­ють новими. Піднімають і опускають електроди за допомогою спеціального механізму. Довжини дуг регулюють автоматично.

Об'єм електричних печей (2,5...200) т, тривалістю варіння сталі, що залежить від об'єму печі та марки сталі, становить (2...6) годин.

Технологія варіння сталі у дуговій електричній печі складається з таких операцій: заправлення черені; завантаження шихти; опус­кання електродів; розплавлення шихти та окиснення домішок; зли­вання шлаку; кипіння розплаву; випускання готової сталі.

Шихту завантажують у піч так: спочатку подають малі, потім більші, а далі великі куски шихти. Шихту вкладають щільно. Потім опускають до самої шихти електроди та вмикають струм.

Починається плавлення шихти: окиснюються домішки (кремній, манган, фосфор тощо),вуглець і частково залізо; утво­рюється первинний шлак і виділяються гази. Шлак зливають, до­дають флюс та руду.Наступає кипіння розплаву і виділяються га­зи. Після закінчення кипіння беруть проби сталі та шлаку на аналіз і знову зливають шлак. Потім сталь розкиснюють та виво­дять сірку. Для цього до розплаву додають розкиснювачі та флю­си. У кінці розкиснення знову беруть пробу розплаву на аналіз. У разі потреби додають легуючі елементи (у процесі варіння лего­ваних сталей). Остаточне розкиснення сталі проводять алюміні­єм. Готову сталь випускають у ківш.

Продуктивність печі визначають кількістю сталі, яку отрима­ють за добу на 1000 кВ*А потужності трансформатора. Для се­редніх за об'ємом печей продуктивність становить (12... 15)т. Ви­трати електроенергії дорівнюють (500...600)кВт*год.Витрати графітових електродів на 1т сталі дорівнюють 6,5 кг.

2. Індукційна піч складається з вогнетривкого керамічного тигля 1 та 2, приєднанного до генератора великочастотного стру­му (рис. 5.7).

Індуктор виготовлений із мідної трубки у вигляді багатовит-кової спіралі. Для охолодження індуктора використовують воду, яка циркулює всередині трубки-індуктора. Тигель накривають накривкою 5, що дає можливість створити в печі окиснювальну, відновлювальну або нейтральну атмосферу.

Шихтою для виробництва сталі є чистий (з малою кількістю домішок фосфору і сірки) та приблизно однаковий за хімічним складом скрап. Під дією індукційного струму в шихті виникають вихрові струми, які призводять до її розплавлення. Наприкінці процесу сталеваріння до розплаву З додають розкиснювачі та ле­гуючі елементи. Готову сталь виливають жолобом 4 у ковші та подають на розливання або у ливарні цехи для виготовлення відливків.

Об'єм тиглів індукційних печей не перевищує ЗО т. У цих пе­чах варять високолеговані сталі та сплави особливого призна­чення. Отримані сталі мають малий вміст вуглецю (у дугових еле­ктричних печах не можна виплавити сталь із малим вмістом вуг­лецю, оскільки вугільні електроди є джерелом навуглецювання

Рис. 5.7. Схема індукційної електричної печі

розплаву). Крім того, ці сталі (їх називають індукційними) дуже якісні: вони мають малий вміст азоту та неметалевих включень.

Основні недоліки індукційних печей — малий об'єм тиглів, не­великий термін їх використання (в одному тиглі можна варити сталь до сто раз), значна вартість електричного обладнання тощо.