Разливка стали

4.1.2 Подготовка сталеразливочных ковшей

После окончания разливки из ковша сливают оставшийся шлак и ковш охлаждают.

Стопорные ковши

На первом этапе удаляют отработанные стакан со стопором, очищают стенки ковша от шлака и мусора. Затем в гнездовой кирпич устанавливают новый стакан, обмазанный огнеупорной массой. После установки стакан просушивают газовой горелкой для удаления влаги из зазора между стаканом и гнездовым кирпичом. После это в ковш устанавливают предварительно подготовленный новый стопор (набранный и просушенный). Перед подачей ковша под желоб печи ползун стопорного механизма закрепляют с целью исключения поднятия стопора под действием выталкивающей силы жидкой стали.

Ковши с шиберным затвором

Вначале снимают отработавший шиберный затвор, удаляют стакан 2 (рис. 16). Затем устанавливают новый заранее подготовленный затвор, прикрепляя его корпус к днищу ковша. Подвижный корпус затвора соединяют со штоком гидроцилиндра 6 (рис. 16). Сборку шиберных затворов осуществляют в специальном отделении разливочного пролета. Вначале затвор разбирают, отделяя направляющую рамку 7 (рис. 16), подвижный и неподвижный корпусы 8 и 9 (рис. 16), из которых удаляют остатки огнеупоров. Затем с помощью огнеупорного раствора в подвижном и неподвижном корпусах 8 и 9 (рис. 16) закрепляют огнеупорные плиты 3 и 4 8 и 9 (рис. 16), стакан-коллектор 5 8 и 9 (рис. 13). После чего затвор собирают, обеспечивая требуемую силу прижатия огнеупорных плит друг к другу и просушивают в специальной печи.

4.2 Промежуточные устройства для разливки слитков

Промежуточный ковш

Применяют при разливке спокойной стали сверху для уменьшения разбрызгивания струи при ударе о дно изложницы. Эффект получается за счет уменьшении напора металла, так как высота ванны жидкой стали в промежуточном ковше меньше по сравнению со сталеразливочным ковшом. Ковш имеет стальной кожух и футерован изнутри шамотным кирпичом (рис. 17). В днище устанавливают один или несколько стаканов со стопорами 1. Ковш накрывают футерованной крышкой 3 для уменьшения теплопотерь. Емкость промежуточных ковшей составляет до 35 т.

Рис. 17 - Промежуточный ковш

1 - стопор; 2 - окно для наполнения металлом; 3 - крышка; 4 - корпус ковша.

Промежуточная воронка

Также, как и промежуточные ковши используют при разливке спокойной стали сверху. Представляет собой металлический кожух, футерованный огнеупорной массой из шамотного порошка и огнеупорной глины на жидком стекле с добавкой графита. В нижней части воронок устанавливают разливочный стакан. Воронки устанавливают на прибыльную часть изложницы или подвешивают к сталеразливочному ковшу.

4.3 Сменное оборудование для разливки слитков

Изложницы

Изложница представляет собой форму, в которую разливается и в которой затвердевает сталь. Материалом изложниц чаще всего служит ваграночный чугун, имеющий следующий химически состав: 3,3-4,0% C, 0,9-2,5% Si, 0,4-1,0% Mn, < 0,20% P, < 0,12 S.

Размеры изложниц определяются массой и размерами слитка. Конфигурация изложниц (форма поперечного и продольного сечений слитка) определяется маркой стали и дальнейшим переделом слитка. Поперечное сечение изложниц может быть квадратным, прямоугольным, круглым или многогранным (рис. 18). Квадратные изложницы используют для отливки слитков, предназначенных для производства сортового проката; прямоугольные - для производства сортового проката и листа в зависимости от соотношения сторон; круглые - для труб, колес, бандажей; многогранные - для кузнечных поковок.



Рис. 18 - Формы поперечного сечения изложниц

По форме продольного сечения изложницы бывают: уширенные кверху (рис. 19а) - применяются для разливки спокойной стали и уширенные книзу (рис. 20а) - применяются для разливки кипящей и полуспокойной стали.

Рис. 19 - Изложницы для разливки спокойной стали

1 - прибыльная надставка; 2 - изложница; 3 - цапфы; 4 - теплоизоляционные вкладыши

В ряде случаев для разливки спокойной стали применяют уширенные книзу изложницы с теплоизоляционными вкладышами или футеровкой в верхней части изложницы (рис. 19б). Для разливки кипящей и полуспокойной стали также применяют бутылочной формы (рис. 20б). В этом случае после наполнения изложницы верхнее отверстие закрывают пробкой или крышкой. Преимуществом использования таких изложниц является меньшая степень химической неоднородности стали, полученная в результате быстрой кристаллизация металла в суживающейся части изложницы. Уширенные книзу изложницы изготавливают без дна (сквозными), а уширенные кверху с дном. В дне изложниц находится отверстие. При сифонной разливке в отверстие вставляется стакан, через который жидкая сталь поступает в изложницу. При разливке сверху в отверстие вставляют вкладыш (пробку), который предохраняет дно изложницы от размывания струей металла.

Рис. 20 - Изложницы для разливки кипящей и полуспокойной стали

а - сквозная; б - бутылочная

В квадратных и прямоугольных изложницах в углах выполняют закругления. Это делается для уменьшения опасности образования плоскостей слабины на стыке растущих от смежных стенок изложницы дендритов. Стенки квадратных и прямоугольных изложниц выполняют с выпуклостью или вогнутостью для уменьшения вероятности образования горячих продольных трещин нас слитках. С этой же целью внутреннюю поверхность изложниц делают волнистой.

Размеры изложниц оказывают значительное влияние на качество слитков и параметры последующего передела слитков. Можно выделить две основные характеристики:

1. Отношение высоты (до прибыльной части) к среднему внутреннему диаметру - . Данная характеристика оказывает влияние на производительность прокатных станов, качество слитков (степень химической неоднородности, развитие осевой рыхлости, возникновение продольных трещин). При увеличении соотношения производительность прокатных станов возрастает за счет уменьшения сечения слитка, степень химической неоднородности при этом уменьшается за счет снижения длительности кристаллизации стали. Однако в то же самое время увеличивается осевая рыхлость и повышается склонность к образованию продольных трещин за счет увеличения ферростатического давления на корочку слитка. Оптимальным с точки зрения влияния на вышеперечисленные факторы является соотношение для спокойной углеродистой стали и - для легированной и качественной углеродистой стали. Для слитков кипящей и полуспокойной стали отношение высоты слитка к среднему диаметру находится в пределах . При этом для мелких слитков (массой менее 1 т) оно достигает . Увеличение соотношения в слитках кипящей и полуспокойной сталью возможно в связи с отсутствием в них осевой рыхлости.

2. Конусность стенок изложниц. При увеличении конусности слитка возрастает плотность макроструктуры слитков и уменьшается осевая рыхлость. В то же время увеличение конусности вызывает появление неравномерных нагрузок при прокатке. Поэтому для слитков спокойной стали конусность составляет 2-4%. Для слитков, предназначенных в дальнейшем для ковки, конусность составляет 3-6%. Для слитков кипящей и полуспокойной стали конусность выбирают меньшей (0,9-1,3%), так как в них отсутствует осевая рыхлость.

Стойкость изложниц составляет 60-100 плавок, расход изложниц 1,0-3,5% от массы разливаемой стали.

Прибыльные надставки

Устанавливают на уширенные кверху изложницы при разливке спокойной стали. Бывают стационарными и плавающими. Применяют стационарные надставки двух видов:

1. Футерованные надставки (рис. 21а). Состоят из чугунного корпуса 3, футерованного изнутри шамотным кирпичом 2. Имеют сужающуюся кверху форму для уменьшения теплоотдающей поверхности и облегчения снятия надставки. Масса прибыльной части (величина обрези с головной части слитка после прокатки) составляет 12-16% от массы слитка, для мелких слитков достигает 20%.



Рис. 21 - Прибыльные надставки

а, б - стационарные; в - плавающая

1 - цапфа; 2 - футеровка надставки; 3 - корпус надставки; 4 - изложница; 5 - теплоизоляционный вкладыш; 6 - деревянная подставка

2. Надставки с теплоизоляционными вкладышами (рис. 21б). Состоят из чугунного или стального корпуса с вертикальными стенками 3, что сделано для удобства крепления вкладышей 5. Материалом для изготовления вкладышей служат песок, глина, асбестит с добавкой связующих. Такие надставки имеют меньшую высоту и объем по сравнению с футерованными надставками, что достигается за счет низкой теплопроводности вкладышей. В результате обрезь с головной части слитка после прокатки снижается на 2-5%.

Плавающие надставки (рис. 21в) применяют при отливке крупных слитков. Нижнее основание надставки входит в изложницу. До начала разливки надставку удерживают на изложнице с помощью деревянных подставок 6, которые после наполнения изложницы металлом удаляют. К преимуществу использования данного типа надставок можно отнести возможность их перемещения в изложнице вместе со слитком при его усадке. Это исключает подвисание слитка и образование продольных трещин.

Поддоны

Представляют собой чугунные плиты, толщиной 100-200 мм. Служат для установки изложниц при разливке сверху и изложниц с центровой при сифонной разливке. При разливке сверху в сквозные изложницы (изложницы без дна) в поддоне делают выемку, в которую укладывают сменный вкладыш. Материалом вкладыша является сталь или огнеупорный кирпич. Назначение вкладыша - предотвратить размывание поддона струей металла. При сифонной разливке в центре поддонов делают углубление и расходящиеся от него открытые сверху каналы для укладки сифонного кирпича (рис. 22). Расход поддонов составляет 0,1-1,0% от массы разливаемо стали.

Рис. 22 - Поддоны для сифонной разливки стали

а - четырехместный; б - 60-местный

Центровая

Представляет собой чугунную или стальную футерованную изнутри трубу. Центровая имеет расширяющуюся кверху форму и утолщение в нижней части для обеспечения устойчивости на поддоне. Обычно выполняется составной из двух половинок, скрепленных кольцами или клиньями. Это делается для облегчения удаления литников и замены сифонного кирпича. Для обеспечения нормального протекания процесса разливки центровая должна быть на 300-400 мм выше изложниц с прибыльными надставками. Расход центровых составляет 0,05-0,5% от массы разливаемо стали.

4.3.1 Подготовка сменного оборудования к разливке

Подготовка изложниц

После освобождения от слитков изложницы охлаждают до температуры 80-1100С путем выдержки на воздухе или за счет подачи на поверхность изложниц распыленной воды через форсунки в специальных «душирующих» устройствах. Затем производят очистку внутренней поверхности изложниц от брызг застывшего металла и от окисленных пленок с использованием металлических щеток или водой, подаваемой под давлением специальными форсунками. После очистки изложницы продувают сжатым воздухом и смазывают. Смазка служит для предотвращения прилипания брызг металла к стенкам изложниц при разливке, а также для исключения приваривания слитка к изложнице. Ее наносят на внутренние стенки изложниц вручную или механизированным способом через форсунки. В качестве смазки применяют каменноугольную смолу, каменноугольный лак, которые являются горючим веществом. При соприкосновении с жидким металлом она сгорает, в результате чего в изложнице создается восстановительная атмосфера и уменьшается окисление металла при разливке. Температура изложницы перед смазкой должна составлять 80-1100С. Если температура будет более 1100С, то смазка выгорит до начала разливки, если менее 800С - то смазка не успеет полностью сгореть в момент контакта с жидким металлом и образует пузыри в корке слитка.

Подготовка прибыльных надставок

После каждой разливки поверхность футеруемых прибыльных надставок обмазывают огнеупорно массой и затем порывают специальной краской. Краска служит для предотвращения приваривания футеровки надставки к слитку, основным компонентом краски является графит. Подготовленную надставку просушивают газовой горелкой для ускорения высыхания нанесенной обмазки. Для прибыльных надставок с теплоизоляционным и вкладышами процесс подготовки заключается в установке в корпус новых вкладышей.

Подготовка поддонов

Поддоны для сифонной разливки после снятия изложниц очищают от скрапа, из каналов поддона удаляют литники и сифонный кирпич. Затем поддон продувают сжатым воздухом и укладывают новый сифонный кирпич. Зазоры между кирпичом и стенками каналов поддона заполняют огнеупорной массой. Стыки между кирпичами также промазывают огнеупорной массой. Температура поддона должна быть не ниже 80-1000С для обеспечения быстрого высыхания огнеупорной массы. После укладки сифонного кирпича поддон вновь продувают сжатым воздухом.

Поддоны для разливки сверху после снятия изложниц очищают от скрапа, шлака и мусора и продувают сжатым воздухом.

Подготовка центровых

После снятия с поддона центровую разбирают на две половины, удаляют литники, сифонный кирпич и огнеупорную массу. Затем одну из половин обмазывают изнутри огнеупорной массой и укладывают в нее шамотные трубки и воронку, набранные на стальном стержне. Стержень служит для стягивания шамотных трубок и воронки. После чего трубки также обмазывают сверху огнеупорной массой и устанавливают вторую половину центровой и половины скрепляют. В конце операции удаляют стальной стержень и центровую просушивают для удаления влаги из огнеупорной массы.

Существует также упрощенный метод подготовки центровых. Он заключается в следующем. На поддон одна на другую устанавливают шамотные трубки, а сверху на них одевают центровую. После чего устанавливают воронку, а в зазор между центровой и шамотными трубками засыпают песок. В этом случае после разливки центровую с помощью крана поднимают вверх, в результате чего песок высыпается и литник с сифонным кирпичом выпадает из центровой.

5. ТЕХНОЛОГИЯ РАЗЛИВКИ СТАЛИ

Температура и скорость разливки являются основными технологическими параметрами, определяющими режим разливки стали. Следует отметить, что данные параметры тесно взаимосвязаны между собой. Так разливка металла с повышенной температурой происходит при более низкой скорости и наоборот. Оптимальное соотношение температуры и скорости разливки подбирают опытным путем с учетом способа разливки (разливка сверху или сифонный способ), массы слитка, марки стали.

5.1 Выбор температуры разливки стали

Сталь, выпускаемая из печи должна быть нагрета на 100-1500С выше температуры плавления (температуры ликвидус), которая зависит от химического состава стали.

Температуру ликвидус можно определить по следующему уравнению:

tЛ = 1539 - 79C - 12Si - 5Mn - 1,5Cr - 4Ni - 2Mo - 2V - 30P - 25S, (2)

где C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, V, P, S - содержание углерода, кремния, марганца, хрома, никеля, молибдена, ванадия, фосфора и серы соответственно, %.

Например, для стали марки 3сп (химический состав: 0,18% C, 0,25% Si, 0,50% Mn, 0,05% Cr, 0,05% Ni, 0,020% P, 0,025% S) - температура ликвидус составит 15180С. Соответственно температура стали на выпуске должна составлять 1618-16680С.

Перегрев стали над температурой ликвидус необходим по следующим причинам:

1. Для обеспечения нужной температуры разливки, которая при разливке сверху должна быть выше температуры ликвидус на 70-1100С, а при сифонной разливке - выше на 90-1200С.

2. Для компенсации потерь тепла за время выпуска, выдержки стали в ковше до начала разливки. При выпуске и выдержке в ковше сталь охлаждается на 30-600С.

5.2 Влияние температуры разливки на качество стали

Повышенная температура разливки приводит к ухудшению качества слитка, так как в этом случае увеличивается время затвердевания стали в изложнице и в слитке сильнее развивается химическая неоднородность. При увеличении температуры разливки также возрастает количество растворенных в металле газов, что приводит к ухудшению свойств стали.

При пониженной температуре разливки повышается вязкость металла, что затрудняет процесс всплывания неметаллических включений в верхнюю часть слитка, откуда впоследствии они могут быть удалены в виде обрези. В результате слиток оказывается загрязненным повышенным количеством неметаллических включений. При сифонной разливке с пониженной температурой на поверхности металла образуется корочка, завороты которой являются дефектом слитка.

5.3 Выбор скорости разливки стали

Скорость разливки стали характеризуется скоростью подъема металла в изложнице. Обычно она находится в пределах 0,15-5 м/мин. Скорость разливки регулируют изменением диаметра разливочного стакана и частичным перекрытием струи металла с помощью стопора или шиберного затвора. Применение стаканов большого диаметра приводит к увеличению разницы скоростей отливки первых и последних слитков в плавке, что негативно отражается на качестве слитков. В этом случае быстрая разливка первых слитков приводит к привариванию их к изложнице или поддону, образованию поверхностных дефектов, снижению газовыделения из металла. Медленная разливка последних слитков приводит к образованию плен, заворотов корки.

Также следует отметить, что при разливке стали сверху скорость выше, чем при использовании сифонного способа. Это вызвано тем, что при сифонной разливке одновременно отливают несколько слитков, что позволяет достичь небольшой длительности плавки даже при малых скоростях разливки.

5.4 Влияние скорости разливки на качество стали

Повышенная скорость разливки приводит к увеличению количества продольных трещин на поверхности слитка, а при разливке кипящей стали приводит к уменьшению толщины корковой зоны слитка. Пониженная скорость разливки, также как и пониженная температура приводит к появлению заворотов корки.

5.5 Режимы разливки спокойной стали

Спокойную сталь разливают, как сверху, так и сифонным способом в уширенные кверху изложницы с прибыльными надставками.

Разливку сверху начинают медленно при не полностью открытом стопоре для того, чтобы избежать разбрызгивания металла при ударе о дно изложницы и образования плен на поверхности слитка. После образования «подушки» жидкого металла разливку продолжают полной струей. Скорость разливки при этом определяется диаметром сталеразливочного стакана. Прибыльную часть слитка заполняют медленно с целью перевода усадочной раковины в верхнюю часть слитка. При разливке сверху скорость разливки составляет 0,3-1,1 м/мин., в последние годы внедряют скоростную разливку - до 4,5 м/мин. Однако применение скоростной разливки возможно только для сталей, имеющих незначительную склонность к трещинообразованию.

При сифонной разливке нижнюю часть слитка, также как и при разливке сверху заполняют с пониженной скоростью. В результате взаимодействия металла верхней части слитка с кислородом атмосферы на поверхности слитка образуется пленка из оксидов (корка), которая в процессе разливки может заворачиваться к стенке изложницы. Поэтому после наполнения нижней части изложницы скорость разливки выбирают исходя из состояния поверхности металла в изложнице. Для предотвращения заворотов корки разливку стараются вести так, чтобы между коркой и стенкой изложницы был рант жидкого металла. Обычно скорость разливки сифонным способом составляет 0,15-0,7 м/мин. Прибыльную часть слитка также заполняют с пониженной скоростью.

После окончания разливки состав со слитками выдерживают в разливочном пролете без движения от 30 мин. до 2ч. в зависимости от массы слитка и марки стали. Это служит для предотвращения увеличения степени ликвации.

5.5.1 Защита металла от окисления при разливке

В результате взаимодействия металла в верхней части слитка с кислородом атмосферы на поверхности слитка образуется пленка из оксидов (корка), которая в процессе разливки может заворачиваться к стенке изложницы (дефект - заворот корки).

Для предотвращения образования дефекта заворот корки применяют следующие способы защиты металла от окисления при разливке:

1. Разливка под слоем жидкого шлака.

2. Разливка под теплоизолирующими смесями или материалами.

3. Защита струи металла аргоном.

4. Разливка с использованием материалов, создающих в изложнице восстановительную атмосферу.

Разливка под слоем жидкого шлака

В этом случае на поверхности поднимающегося по мере наполнения изложницы металла создается слой жидкого шлака, который защищает сталь от окисления и охлаждения. Кроме того, в результате прилипания шлака к стенкам изложницы между ними и поднимающимся металлом остается шлаковая прослойка толщиной 1-3 мм, что обеспечивает получение чистой поверхности слитка. Впоследствии шлак легко отделяется от слитка.

Шлак может заливаться в изложницу либо образовываться экзотермическими смесями и брикетами.

В первом случае готовый шлак, выплавляемый в специальной печи, заливают в изложницу после подъема металла на 150-200 мм. Шлак состоит из 30-40% SiO2, 30-45% CaF2, а также Na2O, MgO, TiO2. Расход шлака составляет 5-10 кг/т стали.

Во втором случае экзотермические смеси в бумажных мешках или брикеты вводят в изложницу до начала разливки. Сгорая и расплавляясь при разливке они образуют жидкий шлак. Экзотермические смеси состоят из горючих компонентов (алюминий, магний, силикокальций) и окислителей (натриевая селитра, марганцевая руда). Горючие компоненты смеси окисляются с выделением тепла за счет кислорода, содержащегося в окислителях и, тем самым, обеспечивают шлакообразование. При изготовлении брикетов в смесь добавляют 3-20% жидкого стекла. Экзотермические смеси разделяют по скорости горения на быстро сгорающие и медленно сгорающие. Быстро сгорающие смеси содержат магний и селитру и сгорают с образованием шлака за 20-40 сек. Медленно сгорающие смеси сгорают и расплавляются за время наполнения изложницы на 1/3 высоты и более. Расход смесей и брикетов составляет 2,5-6,0 кг/т стали.

Недостатком данного способа является его повышенная стоимость, поэтому он используется только при разливке легированных и высоколегированных сталей, содержащих легко окисляющиеся компоненты.

Разливка под теплоизолирующими смесями или материалами

В состав смесей входят малопроводные неплавящиеся и частично плавящиеся материалы. В качестве неплавящихся материалов выступают: слюда, асбестит, графито-опилочная смесь. Частично плавящиеся материалы - зольно-графитовая или перлито-графитовая смеси. Неплавящиеся материалы спрессованные в диски при наполнении изложницы плавают на поверхности металла. Частично плавящиеся материалы загружают на дно изложницы в бумажных мешках; при разливке металла они подплавляются и образуют вязкий шлак. При этом нерасплавившаяся часть смеси выполняет роль теплоизолятора. Расход смесей составляет 1,0-3,5 кг/т стали. Достоинство - низкая стоимость.

Защита струи металла аргоном

На центровую устанавливают кольцевой устройство, которое соединяется с днищем сталеразливочного ковша и охватывает во время разливки струю металла. В кольцевую полость во время разливки подают аргон, который защищает металл от окисления. Недостаток способа - сложность. Поэтому применяют только для сталей, содержащих легкоокисляющиея элементы.

Разливка с использованием материалов, создающих в изложнице восстановительную атмосферу

Наибольшее распространение получили следующие материалы: деревянные рамки, петролатум.

1. Разливка с использованием деревянных рамок. До начала разливки в изложницу опускают деревянные рамки или диски. При контакте с жидким металлом они сгорают, плавая на поверхности стали. Продукты сгорания дерева создают в изложнице восстановительную атмосферу, что предохраняет металл от окисления и повышает качество поверхности слитка. Недостатком способа является то, что дерево сгорает быстрее, чем наполняется изложница.

2. Разливка с петролатумом. Петролатум - побочный продукт переработки нефти. До начала разливки его загружают в несмазанную изложницу, которую закрывают крышкой. При контакте с жидким металлом петролатум возгоняется и сгорает, тем самым, создавая в изложнице восстановительную атмосферу. Возгоны осаждаются на стенках изложницы, создавая слой смазки, что приводит к улучшению качества поверхности слитка.

5.6 Режимы разливки кипящей стали

Кипящую сталь разливают, как сверху, так и сифонным способом в уширенные книзу сквозные изложницы. При использовании обоих способов разливки нижнюю часть изложницы заполняют с пониженной скоростью с целью предотвращения образования плен на поверхности слитков. Затем скорость разливки увеличивают. Она определяется диметром сталеразливочного стакана при разливке сверху и сечением каналов сифонного кирпича при сифонной разливке. При разливке кипящей стали скорость подъема металла в изложнице определяет толщину корковой зоны слитка, поэтому скорость разливки вынуждены ограничивать. При разливке сифонным способом скорость разливки находится в пределах 0,2-0,6 м/мин., что обеспечивает толщину корковой зоны 15-40 мм. При разливке сверху скорость разливки стали составляет 0,5-1,0 м/мин., в результате при скорости разливки 1,0 м/мин. получают корковую зону толщиной 8-10 мм. Повышенная скорость при разливке сверху обусловлена большей продолжительностью разливки плавки. После наполнения изложницы сталь некоторое время кипит, а затем кипение прекращают с целью уменьшения химической неоднородности слитка. Применяют механическое и химическое закупоривание слитков.

5.6.1 Механическое закупоривание слитков

При механическом закупоривании на поверхность слитка укладывают массивную металлическую крышку, которая охлаждает верхнюю часть слитка. Продолжительность кипения металла (время до установки крышки) составляет 7-15 мин. Время кипения зависит от времени образования слоя твердого металла, достаточного для укладки на него крышки (1/6 от толщины слитка). Крышки снимают со слитков через 20-30 мин. после закупоривания.

5.6.2 Химическое закупоривание слитков

При химическом закупоривании в слиток вводят раскислители (алюминий), которые служат для ускорения кристаллизации верхней части слитка. Продолжительность кипения стали (время до ввода раскислителей) составляет 1-1,5 мин. Химическое закупоривание применяют для слитков большой массы (более 6-8 т), так как при механическом закупоривании крупных слитков степень химической неоднородности достигает значительных величин из-за продолжительного кипения металла (7-15 мин.). Расход алюминия на закупоривание слитков составляет 100-600 г на тонну стали. Показателем правильно выбранного расхода алюминия служит выпуклая гладкая поверхность слитков. При недостаточном расходе алюминия поверхность слитков получается рослой, а при избыточном - в ней образуется концентрированная усадочная раковина. Для химически закупоренных слитков обрезь с головной части после прокатки составляет 4-8% от массы слитка против 8-13% для механически закупоренных слитков.

5.6.3 Применение интенсификаторов кипения

Как уже упоминалось выше при разливке кипящей стали сверху скорость вынуждены ограничивать в пределах не выше 1,0 м/мин. для получения достаточной толщины корковой зоны слитка. Однако для увеличения производительности отделений разливки сталеплавильных цехов скорость вынуждены увеличивать. В этом случае для компенсации отрицательного влияния увеличения скорости повышают окисленность стали путем введения в изложницу при разливке интенсификаторов кипения. В результате увеличения окисленности стали повышается интенсивность ее кипения и возрастает толщина корковой зоны слитка. Интенсификаторы кипения представляют собой порошкообразные смеси следующего состава: 70-85% прокатной окалины, 5-20% плавикового шпата, 0-10% натриевой селитры, 0-13% коксика. Расход смесей составляет 200-850 г на тонну стали. Применение интенсификаторов кипения позволяет увеличить скорость разливки до 2,0-2,5 м./мин. без снижения толщины корковой зоны слитка.

5.6.4 Скоростная разливка стали

Данный способ применяется для химически закупоренных слитков, при его использовании скорость разливки достигает 4-5 м/мин. Сущность данного способа залучается в следующем. При разливке кипящей стали с повышенной скоростью газовые пузыри формируются у самой поверхности слитка и не успевают вырасти до значительных размеров. В результате получается слиток без корковой зоной с мелкими сотовыми пузырями. При нагреве под прокатку наружный слой вместе с сотовыми пузырями окисляется и переходит в окалину. В результате слиток получается без поверхностных дефектов.

6. КАЧЕСТВО СЛИТКОВ

6.1 Химическая неоднородность слитков

Химическая неоднородность (ликвация) относится к естественным дефектам слитка, то есть к возникающим неизбежно в процессе его кристаллизации.

Степень ликвации определяется по формуле:

, (3)

где и - максимальное и минимальное содержание элемента в стали, определенное химическим анализом, %;

- ковшовая проба по данному элементу, %.

Как уже отмечалось выше (п. 1.5) ликвация в слитках бывает двух видов: дендритная (неоднородность стали в пределах одного кристалла) и зональная (неоднородность состава стали в различных частях слитка). При этом зональная ликвация достигает большей абсолютной величины. Наиболее подвержены ликвации следующие элементы: сера, фосфор, углерод. Рассмотрим зональную ликвацию в слитках различных типов.

6.1.1 Зональная ликвация в слитке спокойной стали

В корковой зоне слитка ликвация отсутствует, так как из-за быстрой кристаллизации поверхностных слоев ликвационные процессы не успевают развиться. В остальном зонах ликвация по высоте слитка подчиняется следующей закономерности: в верхней части слитка содержание элементов возрастает в направлении оси, в средней части слитка ликвация незначительна, в нижней части слитка ликвация убывает к оси слитка. Наличие отрицательной ликвации в нижней части слитка объясняется тем, что примеси всплывают в верхнюю часть слитка. В слитке спокойной стали также наблюдаются еще два вида зональных ликваций: V-образная и - образная ликвации. V-образная ликвация образуется под усадочной раковиной в результате опускания в усадочные пустоты загрязненного примесями металла из прибыльной части слитка. - образная ликвация («усы») представляет собой скопление примесей в виде нитей или полос. Причинами образования «усов» являются: выделение при кристаллизации пузырей водорода, которые увлекают за собой другие примеси; опускание загрязненного примесями металла в усадочные полости слитка по узким каналам между осями дендритов.

Степень развития зональной ликвации возрастает при увеличении скорости охлаждения стали, массы и поперечного сечения слитка. Легирующие элементы (например никель) наоборот могут существенно понизить степень зональной ликвации.

6.1.2 Зональная ликвация в слитках кипящей и полуспокойной стали

В целом зональная ликвация в слитках кипящей стали выражена значительно сильнее, чем в слитках спокойной стали. Особенно это касается механически закупоренных слитков в связи со значительной продолжительностью кипения стали.

В механически закупоренном слитке также как и в слитке спокойной стали в корковой зоне слитка ликвация отсутствует вследствие быстрого затвердевания стали. В остальном объеме слитка до вторичных пузырей имеет место отрицательная ликвация, так как при кипении ликвирующие элементы выносятся в верхнюю часть слитка. В центральной части слитка внутри вторичных пузырей содержание элементов возрастает в направлении от поверхности к оси слитка и от нижней к верхней части слитка.

В химически закупоренном слитке ликвация практически отсутствует в корковой зоне и зоне сотовых пузырей. В остальном объеме слитка наблюдается повышение содержания элементов от нижней к верхней части слитка и от поверхности к оси слитка. Также имеют место слабо выраженные V-образная и - образная ликвации.

Также как и в слитке спокойной стали степень развития зональной ликвации возрастает при увеличении скорости охлаждения стали и массы слитка. Кроме того, на развитие зональной ликвации оказывает влияние продолжительность кипения металла в изложнице - с ее увеличением ликвация возрастает.

В слитке полуспокойной стали характер ликвации практически аналогичен ликвации в химически закупоренном слитке кипящей стали.

6.2 Поверхностные дефекты слитков

Продольные наружные горячие трещины

При возникновении зазора между слитками и стенками изложницы корка слитка может не выдержать ферростатического давления жидкой стали и в результате образуются продольные разрывы - трещины. Причиной образования продольных трещин также может служить разливка нецентрированной струей металла. В этом случае струя может размывать корку слитка. Ширина трещин составляет 1-3мм, а длина достигает 1 м. Обычно продольные трещины образуются в углах слитка. Вероятность возникновения продольных трещин возрастает при увеличении температуры и скорости разливки, так как в этом случае медленнее нарастает толщина корки слитка. На вероятность образования продольных трещин также оказывает влияние форма поперечного сечения слитка. С уменьшением поверхности теплоотдачи медленнее нарастает корка слитка и соответственно увеличивается вероятность появления трещин. В связи с этим наибольшей склонностью к трещинообразованию обладают слитки круглого сечения, а наименьшей - слитки прямоугольного сечения. Для предотвращения образования продольных горячих трещин кроме снижения температуры и скорости разливки эффективно применение изложниц с вогнутыми и волнистыми стенками.

Поперечные горячие трещины

Возникают в результате препятствия свободной усадке затвердевающего слитка. Если в стенках изложницы имеются выбоины или имеется зазор между изложницей и прибыльной надставкой, то жидкий металл заполняет их и застывает в них. При дальнейшем затвердевании слиток подвисает в этом месте, так как его длина уменьшается за счет усадки. В результате под действием веса слитка корочка может разорваться (рис. 23).

Для исключения данного дефекта необходимо тщательно контролировать качество поверхности изложниц и обеспечивать плотное прилегание прибыльной надставки к изложнице.

Рис. 23 - Поперечная горячая трещина на слитке массой 17 т

Продольные наружные холодные трещины

Возникают при быстром охлаждении слитков в температурном интервале ниже 6000С в результате термических и фазовых напряжений. Наибольшей склонностью к возникновению продольных холодных трещин обладают стали с содержанием углерода более 0,4% и легированные хромом, марганцем, кремнием. Для предотвращения их образования следует уменьшать скорость охлаждения слитков в указном температурном интервале за счет, например, посадки слитков в нагревательные колодцы обжимного цеха в горячем состоянии.

Плены

Образуются преимущественно при разливке сверху. Представляют собой окисленные брызги и заплески (капли) металла, которые застывают на стенках изложницы. Разбрызгивание металла возникает в результате удара струи о дно изложницы. Заплески полностью не растворяются в жидкой стали, так как их поверхность окислена и образуют на поверхности слитков дефекты в виде плен (рис. 24а). Плены не свариваются с металлом и при прокатке, поэтому на поверхности заготовок данный дефект также остается (рис. 24б).

сталь кристаллизация слиток разливка

Рис. 24 - Плены на поверхности

а - слитка; б - заготовки

Для снижения вероятности образования плен разливку начинают медленно, что позволяет уменьшить разбрызгивание струи. Кроме того, для разливки применяют промежуточные устройства (промежуточные ковши и воронки). В этом случае уменьшается напор струи за счет снижения высоты столба жидкой стали в промежуточных устройствах. Это приводит к ослаблению удара струи о дно изложницы и уменьшению разбрызгивания.

Заворот корки

Поверхностный дефект, образующийся преимущественно при сифонной разливке стали. Механизм образования дефекта следующий. При разливке слитков на поверхности образуется пленка из оксидов, которые возникают при контакте элементов стали с кислородом атмосферы. Затвердевающий под пленкой металл образует вместе с ней корку, в которой также присутствуют всплывающие неметаллические и шлаковые включения. При наличии дефектов на внутренней поверхности изложницы пленка пристает к стенкам изложницы и поднимающийся снизу металл заворачивает ее. В месте заворота корки наблюдается скопление неметаллических включений и газовых пузырей, образующихся в результате взаимодействия кислорода в корке и углерода стали. При прокатке в месте заворота корки образуются рванины. Пораженность слитков заворотами корки увеличивается при снижении температуры и скорости разливки стали, а также при увеличении содержания в стали легкоокисляющихся элементов (хром, алюминий, титан). Возможности для повышения температуры и скорости разливки ограничены в связи с увеличением при этом пораженности слитков продольными трещинами. Поэтому для снижения вероятности образования данного дефекта применяют методы защиты поверхности металла от окисления (см. п. 5.5.1).

6.3 Дефекты макроструктуры слитков

Осевые межкристаллитные трещины

Образуются преимущественно по границам зерен в осевой зоне слитка. Механизм образования таких трещин аналогичен механизму возникновения наружных трещин. В конце периода кристаллизации слитка движущиеся навстречу друг другу двухфазные зоны смыкаются в осевой зоне. Так как к этому моменту прекращается поступление в изложницу жидкого металла, то скорость усадки в осевых объемах становится выше скорости усадки наружных слоев слитка. В результате в осевых объемах возникают растягивающие напряжения, а в периферийных - сжимающие. При достижении растягивающими напряжениями критической величины возникают межкристаллитные трещины (рис. 25).

Рис. 25 - Межкристаллитные трещины в сечении заготовки из стали 45ХН

Наибольшей склонностью к образованию межкристаллитных трещин обладают низкоуглеродистые стали, легированные хромом, никелем. Снижению пораженности данным видом дефекта способствует посадка слитков в нагревательные колодцы обжимного цеха с температурой не менее 9000С.

Расслоение (расслой)

По внешнему виду данный дефект напоминает межкристаллитные трещины. Обнаруживается при порезке заготовок после прокатки и представляет собой видимый разрыв сплошности на торцах заготовок (рис. 26).

Рис. 26 - Осевые расслоения в квадратной заготовке кипящей стали сечением 80Ч80 мм

В большинстве случаев в месте расслоения обнаруживается значительная концентрация неметаллических включений (силикатов или алюминатов). Поэтому при прокатке расслой не заваривается. Причиной появления данного дефекта являются: нарушение технологии выплавки и раскисления стали, увеличенная продолжительность кипения металла в изложнице.

Флокены

Представляют собой внутренние разрывы стали, которые обнаруживаются в изломе в виде пятен округлой или овальной формы (рис. 27).

Причиной образования флокенов является водород, который выделяется при затвердевании стали в макропустотах с образованием молекул. Напряжения, создаваемые давлением водорода, суммируясь с другими внутренними напряжениями вызывают образование надрывов в металле. Флокены резко ухудшают механические свойства стали (прочность и пластичность) и могут привести к аварийным поломкам деталей.



Рис. 27 - Дефект «флокены» в изломе образцов стали

Для снижения количества флокенов в стали применяют следующие методы:

1. Обжиг извести и прокаливание ферросплавов.

2. Защита струи металла от окисления при разливке.

3. Термическая обработка слитков (гомогенизация, отжиг).

4. Замедленное охлаждение проката (в специальных ямах или термосах).

6.4 Контроль качества слитков

Предварительный контроль качества слитков и прокатанных из него заготовок проводят с целью исключения некачественного металла из дальнейшего передела. Кроме того, это позволяет контролировать соблюдение технологии выплавки и разливки стали и оперативно вносить корректирующие воздействия при выявленных отклонениях.

Контроль качества поверхности слитков, поступающих непосредственно из сталеплавильных цехов на нагревательные колодцы обжимного цеха в горячем состоянии, осуществляется в потоке визуально. В результате слитки с грубыми дефектами отбраковываются и отправляются на переплав. Более мелкие дефекты (плены, рванины, трещины и т.д.) зачищаются после прокатки на специальных машинах огневой зачистки, установленных в потоке прокатных станов. Оставшиеся дефекты удаляются с заготовок после их остывания путем зачистки газовыми резаками на складах прокатных цехов.

Слитки, поступающие после отливки на склад, там же проходят контроль качества поверхности. Обнаруженные при осмотре на складе дефекты удаляют огневой зачисткой (газовыми резакми) или вырубкой пневматическим зубилом. И только после этого направляются для прокатки в обжимные цеха.

Контроль макроструктуры слитков производят при помощи проб, отобранных от заготовок после прокатки. Дефекты макроструктуры оценивают на темплетах после травления образцов (чаще всего в соляной кислоте). Оценку производят по специальной пятибалльной шкале согласно требований соответствующих ГОСТов.

Для ответственных марок сталей производят также контроль микроструктуры. Для этого образцы исследуют под микроскопом с целью выявления неметаллических включений.

В последнее время для контроля качества слитков внедряют методы неразрушающего контроля: магнитная и ультразвуковая дефектоскопия. Метод магнитной дефектоскопии заключается в регистрации рассеяния наведенного магнитного поля на структурных неоднородностях и дефектах. Его применяют для обнаружения поверхностных дефектов и дефектов, лежащих на небольшой глубине. Ультразвуковой метод позволяет обнаружить внутренние дефекты, расположенные на значительной глубине и потому является более эффективным.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Воскобойников В.Г. Общая металлургия: учебник для вузов / В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 768 с.

2. Власов Н.Н. Разливка черных металлов / Н.Н. Власов, В.В. Корроль, В.С. Радя. - М.: Металлургия, 1987. - 272 с.

3. Явойский В.И. Металлургия стали / В.И. Явойский [и др.] - М.: Металлургия, 1973. - 816 с.

4. Айзатулов Р.С. Теоретические основы сталеплавильных процессов / Р.С. Айзатулов [и др.] - М.: МИСИС, 2002. - 320 с.

Размещено на Allbest.ru