Основы теории кристаллизации
Выплавленную в сталеплавильном агрегате сталь выпускают в разливочный ковш и далее разливают в металлические формы — изложницы или направляют на машины непрерывной разливки. В результате кристаллизации получают стальные слитки, которые в дальнейшем подвергают обработке давлением.
Технология и организация разливки в значительной степени определяют качество готового металла и количество отходов при дальнейшем переделе стальных слитков: от 6 до 18 %, а иногда и до 25 % всей выплавляемой стали возвращается в переплав из-за дефектов, возникающих в процессе разливки.
Процессы при выпуске и выдержке металла в ковше
При наклоне конвертера или по желобу из мартеновской или двухванной печи сталь поступает непосредственно в ковш. При этом в ковш попадает также и часть шлака (до 2—3 % от массы металла), который предохраняет металл от быстрого остывания и воздействия на него атмосферных газов.
Процессы, происходящие во время выпуска и разливки стали. Во время выпуска сталь взаимодействует с кислородом и азотом воздуха, шлаком и футеровкой желоба и ковша. В ковше производится раскисление стали, происходит образование и удаление из него неметаллических включений, снижается температура металла и шлака, изменяется их состав.
При выпуске предварительно раскисленного в печи металла, общее содержание кислорода повышается и может достигнуть того значения, которое было до раскисления. Таким образом, предварительное раскисление стали в печи, особенно малоуглеродистой, нецелесообразно.
При выпуске нераскисленной кипящей стали, напротив, отмечается обычно снижение окисленности металла за счет активизации реакции окисления углерода. Выделяющийся на желобе СО экранирует струю от контакта с атмосферой.
При контакте струи с атмосферой возможно поглощение азота. Этому способствует более высокое, чем в плавильном агрегате, парциальное давление N2 и отсутствие защиты слоем шлака.
В целом степень взаимодействия металла с атмосферой определяется удельной величиной поверхности и временем контакта, т. е. характером струи, а также зависит от состава газовой фазы, непосредственно примыкающей к поверхности металла, и от его состава.
Существенными источниками кислорода, поступающего в сталь во время выпуска плавки и выдержки металла в ковше, являются также шлак и огнеупорная футеровка. Это подтверждается сравнительно высоким угаром раскислителей, присаженных в ковш, который повышается при увеличении окисленности и количества шлака, попавшего в ковш.
После окончания выпуска сталь выдерживают в ковше перед разливкой. Продолжительность выдержки качественной стали составляет обычно 10—15 мин, выдержка рядовых сталей определяется временем транспортировки ковша до разливочной площадки или МНЛЗ.
Выдержка стали в ковше перед разливкой и в течение разливки способствует всплыванию частиц шлаковых и огнеупорных включений и продуктов раскисления, равномерному распределению элементов-раскислителей, присаженных в ковш, выравниванию температуры, выделению растворенных в стали газов.
В процессе выпуска стали в зависимости от емкости сталеплавильного агрегата металл остывает на 20—50 °С, а во время выдержки в ковше он остывает на 0,3—1,5°С/мин в зависимости от объема ковша.
При температуре стали шамотная футеровка активно взаимодействует с печным шлаком, находящимся в ковше. При этом шлак обогащается кремнеземом и глиноземом, что снижает его основность и вязкость - создаются условия для перехода части фосфора из шлака в металл. В результате к концу разливки его содержание в металле может возрастать.
Концентрация марганца в кипящей стали обычно уменьшается, что связано с его окислением при снижении температуры. В процессе разливки окисляется также до 0,02—0,03 % углерода.
В спокойной стали частично окисляется кремний и практически полностью выгорает алюминий.
Во время разливки стали в слитки происходит ее повторное окисление. При этом общее содержание кислорода может увеличиваться в два-три раза. Наиболее склонен ко вторичному окислению глубокораскисленный металл. Опасность окисления больше при непрерывном литье заготовок, где суммарная площадь контакта металла с атмосферой в струе и промежуточном ковше сравнительно велика.
Для уменьшения вторичного окисления при разливке применяют защиту струи аргоном, разливку через удлиненный стакан под уровень металла в кристаллизаторе, защиту зеркала металла в изложнице и кристаллизаторе шлаковыми смесями или созданием восстановительной атмосферы в полости изложницы и т. п.