Глава XI. РАЗЛИВКА СТАЛИ

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

/t

Г

W

N.

J

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.