Расчеты в технологических процессах плавки литейных сталей

Ǩ. dz. ǸȕȈȕȒȌȉ 
 
 
 
 
 
 
 
ǷǧǸǾǬǹȂ 
ǩ ǹǬǼǴǵDzǵǪǯǾǬǸDZǯǼ ǶǷǵǽǬǸǸǧǼ ǶDzǧǩDZǯ 
DzǯǹǬǰǴȂǼ ǸǹǧDzǬǰ 
ǺȞȌȈȔȕȌ ȖȕȘȕȈȏȌ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
dzȕȘȑȉȇ 
ǩȕȒȕȊȋȇ 
«ǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ» 
2021 

УДК  536.2:621 
ББК  34.303-1я7 
 
С54 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой технологии металлов  
и литейного производства Хабаровского государственного  
технического университета Ри Хосен; 
канд. техн. наук, доц., старший научный сотрудник  
Института машиноведения и металлургии ДВО РАН В. В. Черномас 
 
 
 
 
Соболев, Б. М.  
С54  
Расчеты в технологических процессах плавки литейных сталей : 
учебное пособие / Б. М. Соболев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2021. – 140 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0695-6 
 
Приведены краткие сведения по составу шихтовых материалов, 
технологии плавки стали в электрических печах с кислой и основной футеровкой. Изложены принципы расчета шихты, приведены методики расчета шихты для плавки стали в электрических печах приближенным методом на ЭВМ. Приведены примеры расчета шихты для плавки стали в 
электродуговых и индукционных печах приближенным методом и стандартным симплекс-методом на ЭВМ.  
Для студентов металлургических и машиностроительных направлений подготовки.  
 
УДК 536.2:621 
ББК 34.303-1я7 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0695-6 
© Соболев Б. М., 2021 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 

 
 
 
ǵǪDzǧǩDzǬǴǯǬ 
 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 5
1. ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПЛАВКИ СТАЛИ 
......................................... 6
2. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ ЛИТЕЙНЫХ СТАЛЕЙ  
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ .................................................................................... 8
2.1. Технологические основы плавки углеродистых сталей  
в электродуговых печах переменного и постоянного тока 
................................... 8
2.1.1. Плавка углеродистой стали в электродуговых печах  
с основной футеровкой ......................................................................................... 8
2.1.2. Плавка стали в электродуговых печах с кислой футеровкой ............... 11
2.2. Технологические основы плавки стали  
в индукционных тигельных печах 
......................................................................... 12
3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ... 13
3.1. Особенности плавки в электродуговых печах  
высокохромистых низкоуглеродистых сталей 
..................................................... 13
3.2. Особенности плавки в электродуговых печах  
высокомарганцевых сталей 
.................................................................................... 15
4. РАСЧЕТ ШИХТЫ ДЛЯ ПЛАВКИ ЛИТЕЙНЫХ СТАЛЕЙ 
............................... 19
4.1. Составление уравнений для расчета шихты 
.................................................. 19
4.2. Методы расчета шихты ................................................................................... 21
4.3. Особенности составления шихты для плавки стали .................................... 26
5. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ШИХТЫ ДЛЯ ПЛАВКИ СТАЛИ ................................. 30
5.1. Расчет шихты для плавки стали марки 110Г13Л переплавом, 
приближенным способом ....................................................................................... 30
5.2. Расчет шихты для плавки стали марки 40ХНЛ  
на ЭВМ симплекс-методом .................................................................................... 35
6. ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ СТАЛИ 
.................. 41
7. ПРИМЕРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИНСТРУКЦИЙ  
НА ВЫПЛАВКУ СТАЛЕЙ 
........................................................................................ 43
7.1. Плавка углеродистых сталей в электродуговой печи ДС-5МТ  
с кислой футеровкой ............................................................................................... 43
7.1.1. Химический состав 
.................................................................................... 43
7.1.2. Подготовка печи к плавке 
......................................................................... 43
7.1.3. Подготовка шихты .................................................................................... 44
7.1.4. Завалка шихты ........................................................................................... 45
7.1.5. Продолжительность плавки по операциям ............................................. 46
3 

7.1.6. Плавление 
................................................................................................... 47
7.1.7. Окислительный период 
............................................................................. 47
7.1.8. Восстановительный период 
...................................................................... 49
7.1.9. Выпуск плавки ........................................................................................... 50
7.1.10. Разливка 
.................................................................................................... 51
7.1.11. Техническая документация .................................................................... 52
7.2. Инструкция на выплавку жароупорной стали в электродуговой печи  
с кислой футеровкой ............................................................................................... 53
7.2.1. Химический состав стали ......................................................................... 53
7.2.2. Оборудование ............................................................................................ 53
7.2.3. Подготовка печи к плавке 
......................................................................... 53
7.2.4. Шихтовые материалы ............................................................................... 53
7.2.5. Подготовка шихты .................................................................................... 54
7.2.6. Расчет шихты ............................................................................................. 54
7.2.7. Подготовка печи к плавке и заливке ....................................................... 54
7.2.8. Плавление 
................................................................................................... 55
7.2.9. Окислительный период 
............................................................................. 55
7.2.10. Раскисление и доводка металла по химическому составу .................. 55
7.2.11. Техника безопасности ............................................................................. 55
7.3. Инструкция на плавку стали марки 110Г13Л методом сплавления  
и переплава в основных электропечах 
.................................................................. 56
7.3.1. Химический состав стали марки 110Г13Л 
.............................................. 57
7.3.2. Состав и подготовка шихты ..................................................................... 57
7.3.3. Подготовка печи к плавке и загрузка шихтой ........................................ 57
7.3.4. Расплавление шихты ................................................................................. 59
7.3.5. Доводка плавки по химическому составу 
............................................... 61
7.3.6. Выпуск плавки ........................................................................................... 63
7.3.7. Техническая документация ...................................................................... 64
7.3.8. Механические свойства ............................................................................ 64
8. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПЛАВКИ ЛИТЕЙНЫХ СТАЛЕЙ ..................... 66
8.1. Общие положения ............................................................................................ 66
8.2. Пример расчета материального баланса плавки стали в кислых 
электродуговой печах (кремневосстановительный процесс) ............................. 68
8.3. Расчет плавки в электродуговой печи с кислой футеровкой  
(активный процесс) ................................................................................................. 77
8.4. Расчет плавки в основных электродуговых печах 
........................................ 83
8.5. Расчет раскисления стали 
................................................................................ 97
9. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ СТАЛИ  
НА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ЗАВОДАХ В ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧАХ ..... 104
10. ЗАДАНИЕ НА РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА  
ПЛАВКИ СТАЛИ ..................................................................................................... 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
......................................................................................................... 115
ПРИЛОЖЕНИЯ ........................................................................................................ 117
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................................................... 137
4 

 
 
 
ǩǩǬǫǬǴǯǬ 
 
Основной задачей сталеплавильного процесса является получение 
жидкой стали заданного химического состава с определенными физикохимическими и литейными свойствами, с минимальными затратами 
времени, материалов и энергоресурсов. В плавильном агрегате в строгой 
последовательности протекают сложные физико-химические процессы 
между металлом, шлаком и печной атмосферой. Эти процессы, обычно 
не достигающие равновесия, в значительной степени определяют основные направления реакций и технико-экономические показатели производства. 
В последние годы непрерывно растет удельный вес электростали 
в балансе стальных отливок и составляет 97ௗ%. Высокий уровень качественных отливок показателей отечественного сталелитейного производства в значительной степени объясняется преимуществом электрометаллургических процессов.  
5 

 
 
 
1. ǿǯǼǹǵǩȂǬ dzǧǹǬǷǯǧDzȂ ǫDzȆ ǶDzǧǩDZǯ ǸǹǧDzǯ 
 
При выплавке стали в электропечах основной металлической частью шихты является стальной лом. В соответствии с ГОСТ 2787-75 лом 
подразделяется на две категории (А  углеродистый и Б  легированный), на два класса (стальной и чугунный) и на несколько видов. Вид 
определяется физическим состоянием и показателями качества лома 
(кусковой, прессованный, габаритный и так далее). Легированный лом 
разделяют на 67 групп по химическому составу. 
Для получения требуемого содержания углерода в шихту вводится 
передельный чугун марок П1 и П2 по ГОСТ 805-95, электродный бой, 
кокс и другие карбюризаторы. Введение чугуна в шихту увеличивает 
содержание фосфора, поэтому его следует применять в плавках с удалением фосфора. Предпочтительнее использовать чугуны с пониженным 
содержанием серы и фосфора. 
В состав шихты вводят стружку. Стружку сортируют по группам 
марок, обжигают для удаления масла и брикетируют. В состав шихты 
включают до 15ௗ% таких брикетов.  
Легирование и раскисление стали производят присадками ферросплавов, реже используют другие сплавы и чистые металлы. Из выпускаемых промышленностью сплавов кремния при производстве стальных 
отливок применяют преимущественно ферросилиций марок ФС75, 
ФС65, ФС45 по ГОСТ 1415-93. Для диффузионного раскисления под 
белыми шлаками в основных электропечах более предпочтителен 65- 
и 75%-й ферросилиций, образующий при помоле более дисперсные порошки. 
Ферромарганец по ГОСТ 4755-91 подразделяют на низкоуглеродистый (0,5ௗ% С), среднеуглеродистый (1…2ௗ% С) и высокоуглеродистый. Низкоуглеродистый и среднеуглеродистый ферромарганец содержит 85ௗ% марганца (кроме ФМн 2,0, в котором 75ௗ% марганца). В низкоуглеродистом ферромарганце среднее содержание углерода показано 
в цифровом обозначении марки (ФМн 1,5ௗ% углерода). В высокоуглеро6 

дистом ферромарганце в цифровом обозначении показано среднее содержание марганца (содержит 75ௗ% марганца). В маркировке ферромарганца буква А означает пониженное содержание фосфора (менее 
0,05ௗ%), буква К – пониженное содержание кремния (до 1ௗ%), С – повышенное содержание кремния (например, ФМн 75АС6 содержит 6ௗ% 
кремния). 
Для преобладающего числа марок сталей используют высокоуглеродистый ферромарганец. Низко- и среднеуглеродистый ферромарганец 
применяют при выплавке низкоуглеродистых сталей и для снижения 
количества углерода в высокомарганцевой стали. 
Широкое распространение в сталелитейном производстве получил 
силикокальций – раскислитель, модификатор и глобулизатор включений. Лучший эффект дают сплавы СК25, СК30 по ГОСТ 4762-71. 
Хром – легирующий компонент значительной части конструкционных сталей. Феррохром подразделяется: на низкоуглеродистый 
(ФХ010…ФХ050), содержащий 0,01…0,50ௗ% углерода; среднеуглеродистый (ФХ 100…ФХ400), содержащий 1…4ௗ% углерода; углеродистый 
(ФХ650 и ФХ800), содержащий 6,5…8,0ௗ% углерода. Во всех марках 
феррохрома содержание хрома находится в пределах 60…68ௗ%. При выплавке легированных сталей применяют ферровольфрам, ферромолибден, феррованадий, ферротитан, ферросиликохром и другие. Никель 
и медь используют в виде чистых металлов. 
Для раскисления сталей применяют первичный алюминий с содержанием примесей менее 2ௗ%. Сведения о составе шихтовых материалов приведены в [13]. 
Все металлургические процессы проводят с участием шлаковой  
фазы. Количество шлака при выплавке стали в дуговых электропечах, 
обычно составляет 3…7ௗ% массы металлической садки. Для шлакообразования в электропечах применяют свежеобожженную известь, плавиковый шпат, шамотный бой, кварцевый песок, известняк металлургический. Для восстановительных шлаков применяют порошки кокса, молотого ферросилиция и, в отдельных случаях, алюминия. 
Для окислительных процессов используют железную руду, окалину от термообработки, газообразный кислород. 
7 

 
 
 
2. ǵǸǴǵǩȂ ǹǬǼǴǵDzǵǪǯǯ ǶDzǧǩDZǯ DzǯǹǬǰǴȂǼ ǸǹǧDzǬǰ 
ǩ ȄDzǬDZǹǷǯǾǬǸDZǯǼ ǶǬǾǧǼ 
 
2.1. ǹȌȜȔȕȒȕȊȏȞȌȘȑȏȌ ȕȘȔȕȉȢ ȖȒȇȉȑȏ ȚȊȒȌȗȕȋȏȘșȢȜ ȘșȇȒȌȐ 
ȉ ȤȒȌȑșȗȕȋȚȊȕȉȢȜ ȖȌȞȇȜ ȖȌȗȌȓȌȔȔȕȊȕ ȏ ȖȕȘșȕȦȔȔȕȊȕ șȕȑȇ 
 
В сталелитейных цехах чаще всего применяют печи переменного 
тока ДСП-3, ДС-5МТ, ДСП-6, ДСП-12, ДСП-25. В цехах крупносерийного производства устанавливают большое количество печей с относительно небольшой массой садки. Различают основной и кислый процессы плавки стали. Основной процесс позволяет удалить из металла серу и 
фосфор, а также произвести диффузионное раскисление под белым или 
карбидным шлаком. Кислый процесс требует минимального содержания 
серы и фосфора в шихтовых материалах, более производителен и широко применяется в литейном производстве. Печи постоянного тока пока 
не нашли широкого применения, но они имеют, несомненно, определенные достоинства как более экономичные и универсальные (можно 
плавить не только углеродистые стали и высоколегированные чугуны, 
но и цветные сплавы). В дальнейшем рассматривается технология плавки стали в электродуговых печах переменного тока. 
 
2.1.1. ǶȒȇȉȑȇ ȚȊȒȌȗȕȋȏȘșȕȐ ȘșȇȒȏ ȉ ȤȒȌȑșȗȕȋȚȊȕȉȢȜ ȖȌȞȇȜ 
Ș ȕȘȔȕȉȔȕȐ țȚșȌȗȕȉȑȕȐ 
 
В дуговых печах с основной футеровкой получают около 35ௗ% 
всей стали, выплавляемой для фасонного литья; из них 20ௗ% приходится 
на долю высокомарганцовистых сталей, 5ௗ%  на долю высокохромистых и хромоникелевых, остальные 10ௗ%  на ответственные марки углеродистых и низколегированных сталей [4]. 
Плавку сталей при основном процессе ведут либо с окислением 
примесей, либо методом переплава. 
8 

Плавка стали с окислением. Плавка стали основным процессом с окислением, получила большое распространение. Этим методом 
можно выплавлять стали с минимальным содержанием серы, фосфора, 
азота, водорода и стали с низким содержанием углерода (до 
0,02…0,03ௗ%). Такие возможности (исключая удаление серы) обусловлены наличием окислительного периода. При плавке стали с окислением используют нелегированную металлошихту, так как в окислительный период большинство дефицитных легирующих элементов 
окисляются частично или полностью и теряются со шлаком. Однако 
отходы, содержащие никель, медь и молибден, могут быть использованы в шихте в любых количествах, так как угар этих элементов незначителен. 
В дуговых печах успешно перерабатывается металлическая 
стружка. Количество мелкой шихты, включая стружку, должно составлять 
20…30ௗ%, крупной около 30ௗ%, средних размеров 40…50ௗ%. 
При выплавке стали с окислением имеет большое значение порядок введения в расплав легирующих присадок [5]. 
Феррохром вводится в печь после предварительного раскисления 
(при плавке сталей с низким содержанием углерода) или в начале рафинирования (при выплавке высокохромистых сталей). При введении феррохрома в нераскисленную сталь возможно небольшое окисление хрома, но в восстановительный период он переходит из шлака в металл, 
и усвоение его достигает 95ௗ%. 
Никель и медь почти не угорают в процессе плавки. С этой точки 
зрения, время присадки их в печь не имеет значения. Но, как правило, 
медь и никель содержат много водорода или влаги, поэтому целесообразно давать их в завалку. В этом случае водород, внесенный медью 
и никелем, успешно удаляется в окислительный период. 
Ферромарганец вводится в печь в начале доводки (до раскисления) 
или после раскисления, в зависимости от этого выплавляют или обычные марки стали, или высокомарганцевые. 
Молибден окисляется незначительно, и основное количество ферромолибдена вводится в печь в окислительный период плавки. 
Вольфрам и ванадий в процессе плавки окисляются интенсивно, 
поэтому ферросплавы вольфрама и ванадия вводят в восстановительный 
период плавки. 
9 

Титан, используемый для легирования, дополнительного раскисления и изменения структуры, является одним из наиболее активно взаимодействующих с кислородом элементов. Поэтому легирование титаном производят в печи перед выпуском стали или же в 
ковше. 
Ферросилиций и алюминий применяют обычно в качестве эффективных раскислителей.  
При выплавке кремнистых сталей легирование кремнием осуществляют в печи за 25…30 мин. до выпуска. Алюминием легируют 
в печи перед выпуском или в ковше. 
 
Плавка стали переплавом. Плавка стали основным процессом, 
без окисления применяется преимущественно при выплавке легированных и высоколегированных сталей и сплавов с целью максимального 
использования легирующих элементов, содержащихся в отходах. Плавку ведут с ограничением окислительных процессов, без подачи руды 
и кислорода. Шлак, образующийся при плавке, если и удаляют, то только после восстановления легирующих элементов молотым ферросилицием или коксом. В результате существенно повышается усвоение легирующих элементов из металлоотходов. При этом значительно удешевляется стоимость шихты (за счет сокращения расходов дорогих ферросплавов). Кроме того, расход электроэнергии и длительность плавки 
уменьшаются на 10…20ௗ%. 
Однако при многократном переплаве легирующих отходов содержание водорода и азота повышается, что существенно снижает качество 
стали. 
В таких случаях применяют метод плавки с окислением, но без 
удаления окислительного шлака. После расплавления шихты путем продувки ванны кислородом окисляют 0,1…0,2ௗ% углерода. Это обеспечивает быстрый нагрев и интенсивное кипение стали. Затем раскисляют 
шлак молотым ферросилицием и коксом. Легирующие элементы, перешедшие в шлак во время плавления и в окислительный период, восстанавливаются и усваиваются жидкой сталью. 
 
 
 
10