Сталь, выплавленную в мартеновской печи, в конвертере нлн в электродуговой печи, выпускают в сталеразлнвочный ковш. Далее жидкую сталь разливают по изложницам, в которых она затвердевает в форме слитка или на установке непрерывной разливки стали (УНРС). Слиток является конечной продукцией сталеплавильного цеха. Твердые слитки отправляются в прокатные или кузнечные цехи для дальнейшего передела в сортовой прокат. Разливка стали является важной стадией сталеплавильного производства. В настоящее время сталь отливают тремя способами: сверху, сифоном или на УНРС.
§ 1. Разливка стали сверху
I Этот способ применяется в основном для разливки мартеновской и конвертерной стали в слитки массой до 25 т для прокатки на станах и кузнечные слитки массой до 300 т. Схема разливки стали сверху представлена на рис. 101. Сталь из ковша разливается в одну, а при наличии двух стопоров в ковше — сразу в две изложницы. После наполнения изложниц стопор ковша закрывают и краном ковш перевозится к следующим изложницам. Разливку стали производят в разливочном пролете сталеплавильного цеха, непосредственно примыкающем к печному пролету, в котором работают мартеновсдше или электродуговые печи или конвертеры. !Изложницы в литейный пролет подают на разливочных платформах составом. На одном составе обычно располагают столько изложниц, чтобы в них можно было разлить всю сталь, выплавленную в печи. В некоторых случаях разливку производят через промежуточную емкость, которую устанавливают между ковшом и изложницами. Эта емкость имеет два—четыре стопора и позволяет одновременно наполнять четыре изложницы, что значительно ускоряет процесс разливки.
§ 2. Разливка стали сифоном
2 — из – 3—под-
При сифонной разливке одновременно заполняется несколько изложниц (2—4—6—8 и т. д.). Схема разливки стали сифоном представлена на рис. 102. Изложницы устанавливают на массивной чугунной плите-поддоне. В центре поддона устанавливается центровая труба с приемной воронкой, в которую из ковша направляют струю стали. Труба изнутри футерована огнеупорными катушками. От центровой в поддоне расходятся каналы, по которым сталь растекается в направлении изложниц, установленных на концах каналов. Каналы также футеруют плотно состыкованными огнеупорными изделиями— проводками, имеющими снаружи форму канала поддона; а внутри круглый канал для прохода стали. Все соединения между огнеупорными изделиями и изложницей, центровой дополнительно уплотняются огнеупорной глиной. Сталь из ковша поступает в центровую и по литниковым каналам заполняет все изложницы, установленные на поддоне и связанные каналами с центровой (что соответствует закону сообщающихся сосудов). Таким образом наполнение изложниц в этом способе разливки происходит снизу. После наполнения всех изложниц данного куста стопор ковша закрывают и перевозят ковш на следующий поддон. Сифоном производят разливку почти всех качественных и легированных сталей.
Сравнение этих двух способов разливки стали между собой показывает, что разливка сверху имеет следующие преимущества перед разливкой сифоном: 1) простую подготовку оборудования; 2) отсутствие расхода металла на литники (металл, застывший в каналах сифонных проводок и в центровой, который приходится отправлять снова на переплавку).
Сифонная разливка по сравнению с разливкой сверху имеет следующие преимущества: 1) позволяет одновременно отливать большое количество слитков, что сокращает продолжительность разливки; 2) поверхность слитка получается более гладкой, так как отсутствует разбрызгивание стали при падении струи в изложницу с большой высоты и заплескивание стенок изложницы, металл в изложнице поднимается спокойно; 3) поверхность стали, поднимающейся в изложнице, доступна для наблюдения, а скорость наполнения изложницы может быть значительно меньше, чем при отливке сверху.
К недостаткам отливки стали сверху относится невысокое качество поверхности слитка, так как застывшие на стенках изложницы капли стали, образовавшиеся при разбрызгивании струи, окисляются и не расплавляются поднимающейся сталью. Они образуют иа поверхности слитка грубые плены, которые приходится зачищать при подготовке слитка к прокатке. К недостаткам сифонной разливки относятся более сложная подготовка оборудования, дополнительный расход металла на литники (до 1,3 %).
§ 3. Оборудование для разливки стали
Рис. 102. Ставка для разливки стали сифоном
Сталеразливочный ковш. Устройство ковша показано на рис. 103. Ковш—это емкость, в которую выпускают сталь из печи. Он может вмещать до 480 т стали. Кожух ковша из стального листа толщиной до 30 мм расширяется кверху. Изнутри ковш футерован листовым асбестом и двумя—тремя слоями огнеупорного шамотного кирпича. Футеровка может быть монолитной, выполняемой методами литья, торкретирования, пескометания. В этих случаях устраняется ручной труд по кирпичной кладке. Выпуск стали из ковша производят через огнеупорный стакан, который устанавливают в днище ковша. Стакан представляет собой усеченный конус с отверстием для прохода стали. Диаметр отверстия в зависимости от размера ковша изменяется от 50 до 120 мм. Для закрывания и открывания отверстия стакана служит стопор. Стопор представляет собой металлический стержень, защищенный от жидкой стали надетыми на него шамотными трубками. Снизу на стержень навинчивается огнеупорная пробка, сферическая поверхность которой притирается к вогнутой поверхности стакана так, чтобы в закрытом положении сталь не могла пройти между пробкой и стаканом. Стопор и стакан служат только одну разливку и их устанавливают заново перед каждой плавкой. Футеровка ковша* выдерживает 10—20 плавок. Для выпуска стали из ковша стопор немного приподнимают, и в образовавшийся кольцевой зазор между
Пробкой и стопором вытекает сталь, которая плотной струей падает вииз в изложницу или – в центровую. Для подъема стопора или для его опускания служит стопорный механизм. Разливщик вручную, надавливая иа рычаг, управляет разливкой металла. Применяете» также дистанционная разливка, вместо рычага устанавливают гидравлический или электромеханический привод управляемый с пульта разливки. Стопорное хозяйство в сталеплавильных цехах при большом объеме разливаемой стали требует ввимания и затрат труда, При длительной разливке стопор иногда становится причиной аварий.
В последнее время стопорное устройство заменяют шиберным затвором, схема которого показана иа рис. 104. Сущность его заключается в том, что иа днище ковша устанавливают приспособление со скользящим затвором. Основной узел состоит из двух огнеупорных плит, плотно пришлифованных друг к другу и смазанных графитовой смазкой. Одна плита неподвижна, другая может совершать возвратно-поступательное движение с помощью гидравлического масляного привода. Шиберный затвор может быть полностью закрыт, а при сдвигании в сторону открывает проход для стали в разливочный стакан. Затвор управляется разливщиком дистанционно с пульта разливки. Через одно устройство могут быть разлиты три — четыре плавки. После разливки сливают шлак и, если в каналах затвора остался металл, то его выжигают кислородом. Перед заполнением ковша сталью стакан шибера заполняют кварцевым песком, а перед началом разливки затвор открывают иад пустой емкостью и выпускают в нее песок и немного стали, после чего приступают к нормальной разливке.
Рис. 103. Сталеразливочный ковш:
1 — механизм перемещения стопора;
2 — стопор; 3 — огнеупорные катушки; 4 — пробка стопора; 5 — гнездовой кирпич; 6 — стакан; 7 — листовой асбест; 8 — шамотный кирпич
Изложницы для разливки стали. Изложницы для отливки стали в основном изготавливают из чугуна. Размеры изложниц зависят от массы слитков, которая изменяется от нескольких сотен кг до 300— 400 т. Масса слитка и его размеры определяются назначением слитка, мощностью прокатного и кузнечно-прессового оборудования, составом стали. В соответствии с размерами слитка применяют и различные изложницы. Изложница представляет собой стакаи с глухим дном или без дна. Поперечное сечение изложницы может быть самым различным. На рис. 105 представлены формы поперечного сечеиия изложниц. Квадратные слитки используют для производства сортового проката — уголка, двутавровых балок, рельсов, квадратной и круглой заготовки для машиностроения и т. п. Прямоугольный слиток с отношением ширины к толщине 1,5—3,0 направляют на слябинги для проката на лист. Слитки круглого сечения используют для изготовления труб, бандажей, колес; многогранные слитки — для кузнечных поковок.
Изложницы могут иметь расширение кверху или книзу. Форма продольного сечеиия зависит от сорта стали. Как правило, спокойные стали отливают в изложницы, расширяющиеся кверху, используя иногда изложницы, расширяющиеся книзу. Такие изложницы не имеют дна. Нижней, отторцованной плоскостью их устанавливают на поддон, который и образует дно изложницы. После затвердевания слнтка при помощи крана снимают изложницу со слитка.
Рис. 104. Схема устройства бесстопорной разливки:
Изложницы, расширяющиеся кверху, могут быть с дном и без дна.
I — гнездовой кирпич; 2— разливочный стакан; S — донная неподвижная плита; 4 — подвижная плита шибера; 5 — стопорный стакан; 6 — шток гидравлического цилиндра
Рис. 105. Поперечное сечение изложниц:
А — квадратный слиток с выпуклыми гранями; б — то же, с прямыми гранями; В —то же, с вогнутыми гранями; г —круглый слиток; д, е — слиток с волнистыми гранями
Для разливки стали сифоном в дне изложницы имеется отверстие для вставки шамотиого стакана. При разливке сверху в отверстие вставляют чугунный вкладыш. Конусность стенок изложниц выбирают в пределах от 3 до 6 % для спокойной стали и до 1,3% для кипящей.
Высота изложниц в зависимости от размера и сорта стали в 2— 2,5 раза больше диаметра, а отношение массы изложницы к массе слитка равно 0,8—2. Изложница выдерживает от 60 до 100 разливок.
700
Прибыльные надставки. Для образования прибыльной—головной— части слитка, в которой концентрируется усадочная раковина, служат прибыльные надставки. Надставка представляет собой чугунный корпус квадратного или круглого сечения, который устанавливается сверху на изложнице. Изнутри надставка футеруется шамотным кирпичом или обмазывается огнеупорной массой. Применение иадставок-утеплителей уменьшает теплоотвод от головной част» слитка, что обеспечивает более длительное затвердевание этой части и позволяет сконцентрировать в головной части всплывающие из тела слитка газовые пузыри, неметаллические включения и усадочную раковину. Часто утепление головной части слитка осуществляется керамическими плитами. В этом случае обходятся без прибыльных надставок.
Прибыльную часть слитка при прокате отрезают, направляя на переплав. В зависимости от размера, конфигурации слитка, марки стали и ее назначения головная обрезь составляет 12—20 % от массы слитка.
Перед разливкой стали изложницы очищают изнутри от остатков металла и при необходимости охлаждают в бессейнах с водой до 80—100°С. Затем изнутри стенки изложниц покрывают смазкой — каменноугольным лаком, лакойлем, порошкообразным графитом и т. п. Смазка предотвращает прилипание брызг металла к стенкам и приваривание слитка. При разливке стали смазка сгорает с выделением большого количества восстановительного газа, который заполняет полость изложницы, вытесняя воздух, и тем самым предохраняет сталь от окисления.
Подготовленные изложницы устанавливают на поддоны и собранные кусты изложниц или отдельные изложницы продувают сжатым воздухом для очистки от остатков огнеупорных материалов, использованных при подготовке изложниц. Готовые к разливке изложницы или прибыльные надставки накрывают листами железа.
§ 4. Технология разливки
После выпуска стали из печи в ковш производят выдержку металла в ковше, необходимую для всплывания неметаллических включений.
Температура металла в ковше снижается на 5—10°С. Начинают разливку при температуре стали на 90—120 0C выше температуры плавления при сифонной разливке и на 60—IOO0C при разливке сверху. Температура стали при разливке влияет на качество слитка. Слишком горячая сталь дольше затвердевает в изложнице н это ведет к развитию химической неоднородности слитка, появлению трещин на поверхности слитка, увеличению содержания газов, которые сталь поглощает из атмосферы. Слишком холодный металл более вязок, что затрудняет всплыванне неметаллических включений в слитке и вызывает развитие осевой пористости и рыхлости. При сифонной разливке холодной стали на поверхности слитка возникают завороты корочки.
Температура стали определяет скорость разливки; горячую сталь необходимо разливать медленно, холодную — быстро. При разливке со слишком большой скоростью увеличивается количество продольных трещин на поверхности слитка. При медленной разливке корочка, которая образуется на поверхности жидкой стали в изложнице, заворачивается потоками стали вглубь, в тело слитка, что приводит к образованию подкорковых дефектов. Скорость разливки зависит от состава стали и массы слитка; она оценивается по скорости подъема стали в изложнице и может изменяться от 40 мм/мин до 2 м/мин для кипящей стали. По ходу заполнения изложницы скорость разливки изменяется. Низ слитка отливают медленно, затем скорость разливки увеличивают, а прибыльную часть заполняют с уменьшенной скоростью, что способствует выводу усадочной раковины в головную часть слитка. При разливке стали сифоном скорость наполнения тела слитка зависит от поведения стали в изложнице. Стараются вести разливку так, чтобы между корочкой стали на поверхности слитка и стенками изложницы оставался рант чистого металла. При приближении корочки к стенке изложницы и ее подворачивании в жидкую сталь скорость разливки увеличивают. После наполнения изложницы спокойной сталью поверхность слитка в изложнице засыпают теплоизолирующей смесью или термическими смесями, которые сохраняют тепло в головной части слитка. Важной задачей разливки является предохранение жидкой стали от окисления и насыщения ее газами при разливке. Рассмотрим некоторые способы защиты стали от окисления.
Разливка в атмосфере нейтрального газа — аргона. Это дорогой, но и наиболее эффективный метод защиты стали. Он может быть использован при отливке дорогих, легированных сталей. При этом либо всю изложницу помещают в камере, наполняемой аргоном, либо струю аргона подают так, чтобы она окружала струю стали и наполняла внутреннюю полость изложницы.
Разливка с деревянными рамками. На дно изложницы перед разливкой укладывают деревянную рамку. При заполнении изложницы сталью рамка всплывает и постепенно сгорает. Образующиеся при горении дерева газы предохраняют поверхность стали от окисления.
Разливка под слоем жидкого шлака. Это очень эффективный способ защиты стали. Перед разливкой в изложницу кладут брикет или порцию порошка, состоящую из марганцевой руды, селитры, алюминия, магния, плавикового шпата, силикатного стекла, доменного шлака. При заполнении изложниц сталью брикет плавится, а его горючие составляющие возгораются. При этом поверхность слитка сверху и по стенкам изложницы покрывается слоем жидкого шлака, а газообразные продукты сгорания оттесняют воздух из изложницы. Кроме того, сгорание смеси дает дополнительное тепло, которое обеспечивает необходимую скорость затвердевания прибыльной части. Этот способ значительно улучшает качество поверхности слитка, уменьшается брак слитка и проката, отходы стали при зачистке слитков.
§ 5. Разливка стали на УНРС
Слитки, отлитые в изложницы, после соответствующей обработки поверхности направляются в прокатные цеха на мощные обжимные стаиы — блюминги и слябинги. От каждого слитка после его – обжатия отрезается прибыльная часть, которая возвращается назад в плавильные печи. Процесс разливки требует больших затрат труда для подготовки изложниц, раздевания слитков и т. п. Прогрессивным способом разливки стали является разливка на машинах непрерывного и полунепрерывного литья, которые позволяют получать из одной плавки непрерывную стальную заготовку, разрезаемую тут же на машине на мерные длины. Разливка на УНРС по сравнению с обычной разливкой имеет следующие преимущества:
1) значительно уменьшаются отходы металла на головную об – резь с 12—20 до 4—5 %. Выход годного металла повышается благодаря сокращению отходов от зачистки слитков;
2) уменьшается потребность в рабочей силе, повышается производительность труда, улучшаются условия труда;
Вода
3) отпадает необходимость в блюмингах и слябингах. Отлитая заготовка может направляться на сортопрокатные или непрерывные широкополосные станы горячей прокатки. За рубежом в развитых
ООО
Рис. 107. Cxeua УНРС радиального типа:
I — промежуточный ковш; 2 — радиальный кристаллизатор; 3 — вторичное охлаждение; 4 — слиток; 5—выпрямляющие валки
Рис. 106. Схема УНРС вертикального типа:
1 — промежуточный ковш; 2 — кристаллизатор; 3—вторичное охлаждение; 4 — тянущие валки; 5 — резак
Капиталистических странах на УНРС разливают 30—80 % всей выплавляемой стали.
В настоящее время на УНРС отливают квадратные слитки сечением до 350X350, плоские 350X2200, круглые — диаметром до 540 мм и др.
УНРС бывают вертикального, радиального и криволинейного типа. Схема вертикальной установки приведена на рис. 106. Сталь из разливочного ковша поступает в промежуточную емкость, которая имеет один или два стопора для одновременной заливки одного или двух кристаллизаторов. Промежуточное устройство позволяет точно регулировать скорость заливки стали, отделяет шлак и т. д. Ниже промежуточного устройства расположен медный водоохлаждаемый кристаллизатор, форма которого соответствует форме получаемой стальной заготовки. Перед началом разливки в кристаллизатор вводят стальную штангу — затравку, конец которой имеет головку в виде ласточкина хвоста. Образующийся в кристаллизаторе слиток сцепляется с головкой затравки и вытягивается вниз тянущими клетями. В кристаллизаторе жидкая сталь у стенок затвердевает. Образуется оболочка слитка. После выхода из кристаллизатора слиток, имеющий жидкую сердцевину, попадает в зону вторичного охлаждения. Из этой зоны слиток выходит полиостью затвердевшим и попадает в тянущие валки, а затем в зону резки. В зоне резки с помощью газо-кислородных резаков, движущихся вместе со слитком, отрезают мерные заготовки, направляемые иа склад заготовок. Для создания плотной корочки слитка и устранения приваривания слитка к кристаллизатору последний совершает возвратно-поступательные движения. Вниз кристаллизатор опускается на 10—50 мм со скоростью, равной скорости движения слитка, и возвращается в исходное положение со скоростью в три раза большей. Качания кристаллизатора происходят с частотой 10—100 циклов в мин. Для уменьшения трения между слитком и стенками кристаллизатора через отверстия в верхней части последнего подается смазка — парафин, сурепное масло. На УНРС можно разливать стали до 100 т/ч, со скоростью вытягивания слитка до 1,2 м/мин и выше.
Одним из недостатков УНРС вертикального типа является большая высота установок (до 44 м). Поэтому в последние годы получают распространение УНРС радиального и криволинейного типа. Такие установки успешно работают в новых цехах Новолипецкого металлургического комбината и Ждановского завода «Азовсталь». На УНРС этих заводов разливают в год до 8 млн. т стали в каждом цехе.
Схема УНРС радиального типа представлена на рис. 107. Разливку осуществляют через дугообразный кристаллизатор, далее слиток попадает в камеру вторичного охлаждения, имеющую ту же кривизну, что и слиток. В камере устанавливают опорные ролики. Затем слиток поступает в выпрямляющие валки, которые являются также и тянущими. Радиус изгиба кристаллизатора и камеры вторичного охлаждения является постоянным, его выбирают таким, чтобы затвердевание слитка было закончено к моменту выхода слитка из камеры вторичного охлаждения. Эти УНРС имеют значительно меньшую высоту (до 12 м).
На УНРС криволинейного типа перемещение слитка происходит, по дуге переменного радиуса кривизны так, что плавное разгибание слитка с жидкой сердцевиной начинаетси в зоне вторичного охлаждения; окончательное разгибание происходит в тянуще-правильной клети.
§ 6. Понятие о кипящей, спокойной и полуспокойной стали
По степени раскислениости все стали можно разделить на три группы (кипящая, спокойная и полуспокойная). Кипящую сталь выплавляют обычно в мартеновских печах и в конвертерах. Эту сталь не раскисляют перед выпуском, поэтому она содержит повышенную концентрацию растворенного кислорода. При заливке в изложницу температура стали понижается, что вызывает смещение равновесия реакции взаимодействия растворенных кислорода и углерода [С]+ – f[0]=C0 в сторону образования. СО. Протеканию этой реакции способствует также кристаллизация металла. Металл в изложнице закипает, так как проирходит бурное выделение пузырей СО. Благодаря протеканию этой реакции металл раскисляется углеродом, содержание кислорода в нем уменьшается до допустимых пределов. Однако не все пузыри газа успевают выделиться из стали, застывающей в изложнице. Структура слитка получается пузыристой. Но так как поверхность пузырей не окислена, то при прокатке слитков при обжиме металла пузыри свариваются и получается плотный металл. Кипящая сталь обладает высокой пластичностью, потому что для ее раскисления ие применяют раскислители, которые приводят к образованию нерастворимых неметаллических окисных включений, отрицательно влияющих на свойства металла.
Спокойная сталь. Простая углеродистая, низколегированная и легированная сталь, перед выпуском из печи или в ковше перед разливкой обязательно раскисляются присадкой ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Кислород связывается в оксиды, образуемые раскислителем, и при заливке стали в изложницу кипения не происходит, в связи с отсутствием свободного кислорода, необходимого для протекания реакции взаимодействия углерода с кислородом. Слитки застывают спокойно и имеют плотную структуру. По ряду своих свойств спокойная сталь значительно превосходит кипящую, но себестоимость ее несколько выше, так как необходимо использовать раскислители.
Полу спокойная сталь. Эту сталь частично раскисляют перед разливкой. Кипение в изложнице хотя и имеет место, но протекает более спокойно, слитки получаются более плотными, чем слитки кипящей стали. В последнее время наметилась тенденция к увеличению выпуска полуспокойной стали, которая, обладая в основном свойствами спокойной стали, дешевле ее. Но производство такой стали требует более точной технологии раскисления.
§ 7. Строение стальных слитков
Сталь затвердевает в изложнице в форме кристаллов древовидной формы — дендритов. Сначала возникает основная ось дендрита — ствол. Затем перпендикулярно стволу растут оси второго порядка — ветви дендрита. Перпендикулярно ветвям возникают и развиваются ¦оси третьего порядка. Все они постепенно утолщаются, жидкий металл превращается в твердый. Тепло при кристаллизации слитка в изложнице отводится в направлении массивных стенок изложницы и ее дна. Оси дендритов растут в направлении, противоположном отводу тепла.
Структура слитка спокойной стали (рис. 108). При заполнении изложницы жидким металлом на стеиках и дне изложницы с большой скоростью образуется тонкий слой (6—15 мм) мелких кристаллов, ориентированных в разные стороны — корочка. В дальнейшем скорость отвода тепла снижается, что способствует росту кристаллов. Эти кристаллы растут перпендикулярно стенкам изложницы. Образуется зона столбчатых кристаллов крупного размера. По мере роста крупных дендритов направленный теплоотвод в центральных частях слитка ослабевает и в его центре кристаллы растут в разных направлениях и имеют большие размеры, так как скорость кристаллизации невелика. Появляется центральная зона крупных разноори – ентированных кристаллов. В нижней части слитка образуется зона средних разноориентированных кристаллов (конус осаждения). Эта зона образуется в результате опускания на дно зародившихся в жидкой стали кристаллов и обломков растущих дендритов.
225
В верхней, головной части слитка образуется усадочная раковина, причиной появления которой служит усадка стали при затвер-
Рис. 108. Строение слитка спокойной стали:
/ — мост металла над раковиной; 2 — усадочная раковина; 3 — усадочные пустоты; 4 — осевая усадочная рыхлость: 5 — зона беспорядочноориентированных кристаллов; 6 — мелкие равноосные кристаллы: 7,8 — зоны столбчатых кристаллов; 9 — столбчатые кристаллы, направленные к тепловому центру; 10 — конус осаждения
Рнс. 109. Строение слитка кипящей стали
Девании вследствие разности плотностей жидкого и твердого металла. Плотность твердого металла больше, чем жидкого. Усадка составляет 2—5 %. В первые моменты застывания металла усадка происходит в наружном слое слитка. Образовавшийся поверхностный слой сжимается и отходит от стенок изложницы, а в середине слитка находится еще жидкий металл. По мере того как толщина наружного слоя увеличивается, уменьшение объема вызывает образование полости там, где располагаются последние порции жидкого металла. При разливке в изложницы с утепляющими надставками последним застывает металл в головной части слитка, где и образуется усадочная раковина. В этой же части концентрируются всплывающие неметал-
15—398 лические включения, частицы шлака, газовые пузыри. Часть слитка, в которой появляется усадочная раковина, отрезают при прокатке.
Размер и глубина залегания усадочной раковины зависит от соотношения поперечных и продольных размеров слитка. При повышении температуры разливки объем усадочной раковины увеличивается.
Для уменьшения объема усадочной раковины и максимальной концентрации ее в верхней, головной части слитка принимают различные методы, направленные в основном на обогрев головной части слитка. На изложницу ставят прибыльные утепленные надставки, в верхнюю часть изложниц вставляют керамзитовые или картонные плиты, засыпают головную часть слитка экзотермическими смесями или теплоизоляционными порошкообразными смесями. Все это позволяет уменьшить головную обрезь слитка и тем самым повысить выход годного металла^/
Структура слитка кипящей стали в продольном направлении представлена на рис. 109. При соприкосновении стали со стенками изложницы образуется тонкая плотная корочка без пузырей 1. Образующиеся при этом пузыри СО быстро удаляются в жидкий металл, толщина корочки 3—40 мм. Далее располагается зона сотовых пузырей 2, образующаяся в условиях роста дендритных кристаллов стали, главные оси которых направлены перпендикулярно к стенкам изложницы. Выделяющиеся при кипении стали пузыри СО растут между осями дендритов. Часть их успевает всплыть, а те, которые зародились тогда, когда уже в жидкой стали проросли дендриты, остаются зажатыми между осями дендритов, приобретая вытянутую» форму от поверхности слитка к центру. Зона сотовых пузырей имеет высоту до 2/3 высоты слитка. В верхней части слитка сотовых пузырей нет, так как здесь газы успевают выделиться из металла. Кипение стали в изложнице искусственно прерывают, накрывая изложницу массивной крышкой или добавляя в головную часть раскислители, которые подавляют кипение и облегчают быстрое образование слоя твердого металла. Верх слитка «замораживается», давление внутри слитка возрастает и выделение пузырей СО прекращается, образуется зона плотного металла 3. Жидкий металл насыщается углеродом и кислородом, и, несмотря на более трудные условия, начинается выделение вторичных пузырей СО. Поскольку эти пузыри не могут подниматься вверх, они приобретают округлую сферическую форму 4. Такие же пузыри возникают и в центральной части слитка 5. В верхней части слитка вследствие повышенной загрязненности металла и всплывания пузырей образуется зона их скопления — головная рыхлость 6. Усадочная раковина в слитке кипящей стали не образуется. Ее объем распределяется по многочисленным газовым пузырям. В слитках кипящей стали благодаря перемешиванию металла поднимающимися пузырями СО не образуются крупные столбчатые кристаллы, поэтому кристаллическая структура таких слитков более однородная. Важным фактором получения качественного проката из кипящей стали является толщина корочки. При прокате корочка не должна разрываться и сотовые пузыри не должны открываться наружу, так как при этом окисляется их внутренняя поверхность. Окисленные поверхности пузырей не свариваются при прокатке и эту часть металла бракуют. Для увеличения толщины корочки сталь дополнительно окисляют либо перед разливкой, либо во время разливки, добавляя в изложницу материалы, насыщающие сталь кислородом. При этом начальная стадия кипения получается более бурной — корочка становится более толстой.
§ 8. Химическая неоднородность и пороки стальных слитков
Химический состав стального слитка в различных его частях неоднороден. Неоднородность (ликвация) возникает при затвердевании слитка. Содержание примесей (серы, фосфора, кислорода и др.) и основных элементов (углерода, хрома) может различаться в несколько раз. Если в среднем в печи получают сталь, удовлетворяющую по своему химическому составу требованиям ГОСТов, то отдельные части слитка, а следовательно н изделий, которые будут получены из него, при последующей переработке могут иметь содержания серы, фосфора, превышающие в несколько раз допустимый предел, что приведет к разрушению деталей, к низким механическим свойствам. Вследствие ликвации углерода или легирующих компонентов в металле могут образоваться зоны с нехваткой этих составляющих, что приведет к снижению ого свойств.
Ликвация может быть дендритной и зональной. Дендритная ликвация возникает в пределах одного кристалла. Она появляется вследствие того, что сначала кристаллизуется более чистый металл — главные оси дендрита становятся более чистыми, а потом затвердевает более загрязненный металл. Во вторичных осях и осях третьего и четвертого порядка содержание примесей может быть значительно больше: серы — в 2 раза, фосфора — в 1,2 раза, углерода — в 0,6 раза и т. п.
Большую опасность вызывает зональная ликвация, т. е. различный химический состав слитка в разных его частях. Причинами появления зональной ликвации являются: избирательная кристаллизация, т. е. затвердевание в первую очередь чистого металла; перемещение в результате диффузии и с потоками металла примесей из одной части’ слитка в другую; всплывание загрязненного металла, имеющего меньшую плотность по сравнению с чистым металлом, в верхние области слитка. В слитках спокойной стали более грязным является металл прибыльной и подприбыльной части. Содержание серы, фосфора и углерода возрастает в головной части от поверхности к оси слитка. Внизу слитка, наоборот, содержание этих примесей убывает по направлению к центральной части. Развитию зональной ликвации способствует увеличение массы слитка, высокая температура разливкн стали, повышенное содержание водорода, встряхивание слитка при его затвердевании. Поэтому не рекомендуется двигать составы с налитыми изложницами до тех пор пока не произойдет полное затвердевание стали.
15*
227
В слитках кипящей стали зональная ликвация выражена значительно сильнее, чем в слитках спокойной стали, вследствие более интенсивного движения металла при его кристаллизации. В головной части слитков кипящей стали содержание серы может быть в восемь, фосфора в пять, а углерода в три раза выше среднего содержания. Для подавления ликвации в кипящей стали рекомендуется раньше прекращать кипение стали. Для этого через 1—1,5 мии после заполнения изложницы производят «закупоривание» слитка. Химическое закупоривание осуществляют присадкой алюминия, что приводит к остановке кипения, вследствие чего ликвация уменьшается. Такой же эффект дает накрывание изложницы после заливки кипящей стали массивными чугунными крышками — механическое закупоривание. Скопление примесей в слитке кипящей стали возрастает от поверхности к середине и к верхней части. Максимальное загрязнение в осевой части слитка на расстоянии 5—15 °/о от верха слитка.
Пороки, стальных слитков
Кроме рассмотренных выше усадочной раковины и ликвации имеют место следующие пороки.
Поверхностные дефекты. Продольные трещины образуются в результате того, что неравномерная по толщине корочка слитка, отставшая от стенки изложницы в результате усадки, не выдерживает ферростатического давления жидкого металла. Длина трещин может достигать 1 м. Появлению трещин способствует высокая температура металла, быстрая разливка, неблагоприятное отношение поверхности слитка к его массе. Наименьшей склонностью к образованию продольных трещин обладают слитки, отливаемые в прямоугольные изложницы с вогнутыми или волнистыми гранями.
Поперечные горячие трещины. При наличии дефекта в стенке изложницы или неплотном прилегании надставки к изложнице металл затекает в неплотность или выбоину в изложнице, и при застывании слитка и его усадке слиток подвисает в этом месте. Если корочка недостаточно прочна, то может произойти ее разрыв в поперечном к Оси слитка направлении.
Завороты представляют собой залитые в тело слитка корки окисленного металла, которые при прокатке вызывают рванины. ‘
Подкорковые пузыри появляются вследствие густой смазки изложницы или быстрой разливки, когда смазка не успевает выгореть и догорает в металле. Причиной появления пузырей являются также и брызги металла, застывшие на стенках изложницы. При недостаточно горячем металле они заливаются металлом, кислород скра – пинок и капелек реагирует с углеродом стали. Образующаяся СО остается в виде пузырьков в корке или подкорковом слое, так как металл в поверхностной зоне очень вязкий. Такие пороки при прокатке не завариваются и обнаруживаются на заготовке в виде волосовин— микронесплошностей металла. Поверхностные дефекты слитков обязательно удаляются при помощи огневой зачистки, вырубки, обработки наждачным камнем.
Внутренние пороки слитка более опасны, так как не видны и не могут быть устранены обработкой слитка перед его прокаткой. Часто они выявляются уже в процессе обработки изделия.
К внутренним порокам слитка, кроме ликвации, относятся внутренние трещины, возникающие вследствие повышенного загрязнения стали серой, неправильного питания жидким металлом осевой зоны слитка при его кристаллизации, охлаждения слитков на воздухе перед горячей прокаткой.
Внутренние пузыри могут появиться вследствие повышенного содержания газов в металле, недостаточной раскисленности.
Осевая рыхлость (скопления мелких усадочных пустот по оси слитка) образуется вследствие того, что при прорастании дендритов в центральной части слитка поступление жидкого металла из под – прибыльной части в межосевые промежутки затруднено. Поэтому под сросшимися «мостами» кристаллов могут образовываться пустоты. Увеличению осевой пористости способствует понижение температуры металла, увеличение массы слитка, недостаточная конусность слитка.