РАЗЛИВКА СТАЛИ И СТРОЕНИЕ СЛИТКА
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 (прокатке, ковке).
На слитки разливают большую часть стали, выплавленной во всех сталеплавильных агрегатах; лишь около 2 % всей стали идет на фасонное литье.
Разливка — важный этап сталеплавильного производства. Технология и организация разливки в значительной степени определяют качество готового металла и количество отходов при дальнейшем переделе стальных слитков. Так из-за неправильно организованной разливки от 6 до 18 %, а иногда и до 25 % всей выплавляемой стали возвращается в переплав из-за дефектов, возникающих в процессе разливки и кристаллизации слитка.
Выпуск металла и выдержка 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 во время разливки и воздействия на него атмосферных газов.
Попадание большого количества шлака в ковш может привести к повышенному угару раскислителей, рефосфорации, переходу части газов из шлака в металл, поэтому на практике стараются отсечь основную часть шлака после схода металла. Оставшийся шлак сливают в специальную шлаковую чашу.
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. Все эти процессы могут оказывать большое влияние на качество стали.
Прежде всего следует указать на возможность окисления стали при сливе в ковш. Исследованиями установлено, что в стали, предварительно раскисленной в печи марганцем и кремнием, общее содержание кислорода при выпуске 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. В этом случае при уменьшении ферроста-тического давления активизируется реакция окисления углерода и снимается часть сверхравновесного с углеродом кислорода. Выделяющийся на желобе СО экранирует струю от контакта с атмосферой.
При контакте струи с атмосферой возможно поглощение металлом и азота. Этому способствует более высокое, чем в плавильном агрегате, парциальное давление N2 и отсутствие защиты слоем шлака (так, на ММК при сливе металла из большегрузного конвертера содержание азота иногда повышалось с 0,003—0,004 до 0,005—0,007%).
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.
Способы разливки стали
Применяют два основных способа разливки стали: разливку в изложницы и непрерывную разливку. Разливку в изложницы подразделяют на разливку сверху и сифоном.
При разливке сверху (рис.) сталь непосредственно из ковша 1 поступает в изложницы 2, устанавливаемые на чугунных плитах — поддонах 3.
Схема разливки стали сверху, через промежуточный ковш (а) и промежуточную воронку (б)
После заполнения каждой изложницы стопор или шиберный затвор ковша закрывают, ковш транспортируют к следующей изложнице, вновь открывают стопор (шиберный затвор) и после заполнения сталью новой изложницы цикл повторяют.
Иногда при разливке сверху применяют двухстопорные ковши; это позволяет одновременно заполнять две изложницы и сократить длительность разливки. С целью уменьшения напора струи и разбрызгивания металла на стенки изложниц разливку сверху иногда ведут через промежуточные ковши (рис., а) или через промежуточные воронки (рис., б).
При сифонной разливке, основанной на принципе сообщающихся сосудов, сталью одновременно заполняют несколько (от двух до шестидесяти) изложниц. Жидкая сталь из ковша поступает (рис.) в установленный на поддоне футерованный изнутри центровой литник (2), а из него по футерованным каналам поддона в изложницы снизу. Центровой литник и изложницы устанавливают на массивной чугунной плите — поддоне, имеющей канавки, в которые укладывают пустотелый сифонный кирпич (трубки или проводки).
Таким образом, металл из ковша поступает в изложницу, лишь пройдя систему каналов, футерованных огнеупорным кирпичом. После наполнения всех установленных на поддоне изложниц стопор (шиберный затвор) закрывают, и ковш транспортируют к следующему поддону и т. п.
Оба способа разливки обладают рядом преимуществ и недостатков. Сифонная разливка имеет следующие преимущества перед разливкой сверху:
1) одновременная отливка нескольких слитков сокращает длительность разливки плавки и позволяет разливать в мелкие слитки плавки большой массы;
2) удобно применять защиту зеркала металла в изложнице шлаковыми смесями или жидким шлаком;
3) поверхность слитка получается чистой, так как металл в изложницах поднимается спокойно без разбрызгивания;
4) повышается стойкость футеровки ковша и улучшаются условия работы стопора и шиберного затвора вследствие меньшей длительности разливки и уменьшения числа открываний и закрываний стопора или затвора;
5) во время разливки можно следить за поведением поднимающеюся металла в изложнице и в соответствии с этим регулировать скорость разливки.
Недостатки сифонной разливки:
1) сложность и повышенная стоимость разливки, обусловленные расходом сифонного кирпича, установкой дополнительного оборудования и значительными затратами труда на сборку поддонов и центровых;
2) дополнительные потери металла в виде литников (0,7—2,5 % от массы разливаемой стали) и возможность потерь при прорывах металла через сифонные кирпичи;
3) необходимость нагрева металла в печи до более высокой температуры, чем при разливке сверху, так как он дополнительно охлаждается в каналах сифонного кирпича;
4) опасность загрязнения стали неметаллическими включениями в результате размывания сифонного кирпича.
Преимуществами разливки сверху являются:
1) более простая подготовка оборудования к разливке и меньшая стоимость разливки;
2) меньше опасность загрязнения стали неметаллическими включениями;
3) отсутствие расхода металла на литники;
4) температура металла перед разливкой может быть ниже, чем при сифонной разливке.
Вместе с тем, разливке сверху присущи следующие недостатки:
1) образование плен на поверхности нижней части слитков, что является следствием разбрызгивания металла при ударе струи о дно изложницы. Застывшие на стенках изложницы и окисленные с поверхности брызги металла не растворяются в поднимающейся жидкой стали, образуя дефект поверхности — плены, которые не свариваются с металлом при прокатке, благодаря чему поверхность прокатанных заготовок приходится подвергать зачистке;
2) большая длительность разливки;
3) из-за большой длительности разливки снижается стойкость футеровки ковша и в связи с большим числом открываний и закрываний ухудшаются условия работы стопора или шиберного затвора.
Оба способа разливки широко применяют. Вопрос о том, какой из них является лучшим, до сих пор не решен. Благодаря простоте и отсутствию потерь металла с литниками часто предпочитают разливку сверху. Несмотря на необходимость дополнительной зачистки поверхности проката, разливка сверху для рядовых марок является более экономичной, чем разливка сифоном. В то же время высококачественные в легированные стали, когда стремятся уменьшить потери дорогостоящего металла на зачистку и получить чистую поверхность слитка, разливают главным образом сифоном. Сифонной разливкой, как правило, получают также слитки массой менее 2,5 т. Потери металла при разливке сифоном и сверху в виде скрапа и недоливов составляют 0,6—1,9 %; при разливке сифоном дополнительно теряется 0,7—2,5 % разливаемой стали в виде литников.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ
Образование зародыша и рост кристалла
Сущность процесса кристаллизации стали заключается в переходе ее из жидкого состояния в твердое.
При понижении температуры увеличивается вероятность существования образований (кристаллов или роев) с упорядоченным строением, а их структура приближается к структуре твердого кристалла. При определенной температуре, называемой температурой кристаллизации, термодинамически одинаково вероятно наличие в системе как жидкой, так и твердой фаз. При этой температуре свободная энергия чистого металла в жидком и твердом состояниях одинакова.
Изменение свободной энергии G чистого металла в жидком (а) и твердом (б) состояниях в зависимости от температуры Т
Из схемы следует, что выше температуры кристаллизации (плавления) Т2 > Те устойчивым является жидкое состояние Gж < Gтв. При снижении температуры ниже Те термодинамически устойчива твердая фаза.
Таким образом, при температуре Те возможно возникновение кристаллика, который при определенных условиях может расти, питаясь из окружающей жидкой фазы.
При охлаждении жидкости до температуры плавления кристаллизация начинается не сразу. Возникающие в жидкости кристаллические образования непрочны и легко разрушаются. Для образования устойчивых первичных кристаллов необходимо переохлаждение, т. е. некоторое снижение температуры ниже точки плавления.
Сталь в изложницах кристаллизуется или затвердевает в виде кристаллов древовидной формы — дендритов. Процесс кристаллизации складывается из двух стадий — зарождения кристаллов и последующего их роста. Различают гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов.
Под гомогенным подразумевают образование зародышей кристалла в объеме жидкой фазы, под гетерогенным — на имеющейся межфазной поверхности (на поверхности находящихся в расплаве твердых частиц — например, неметаллических включений, стенок изложниц н кристаллизаторов).
Гомогенное зарождение - происходит следующим образом: в жидком металле вблизи точки кристаллизации вследствие флуктуации энергии, состава и плотности непрерывно образуются группировки атомов с упорядоченной структурой — комплексы или зародыши твердой фазы. Одновременно и непрерывно происходит разрушение большей части их них. С тем, чтобы зародыш стал термодинамически устойчивым, т. е. способным к дальнейшему росту необходимы определенные условия.
Условия гомогенного зарождения.
Из термодинамики известно, что переход жидкости в твердое состояние и наоборот возможны, если свободная энергия системы при этом уменьшается.
Затвердевание или расплавление в процессе изменения температуры объясняются тем, что при температурах, превышающих точку кристаллизации, меньшей удельной свободной энергией обладает жидкая фаза, а при более низких температурах — твердая.
В процессе образования зародыша свободная энергия системы с одной стороны возрастает в результате затраты энергии на образование поверхности раздела «расплав — зародыш»
и с другой стороны уменьшается в результате перехода части жидкости в твердую фазу, у которой уровень свободной энергии ниже
где σ – межфазное натяжение на границе раздела фаз (удельная поверхностная энергия).
При температуре кристаллизации свободная энергия жидкой и твердой фаз равны и образование зародыша невозможно, так как нет источника для компенсации затрат энергии на образование поверхности раздела фаз. Поэтому для образования зародыша необходимо некоторое переохлаждение раплава: чем больше переохлаждение, тем больше будет выигрыш свободной энергии при переходе из жидкого состояния в твердое.
При данной величине переохлаждения термодинамически устойчивыми, т. е. способными к дальнейшему росту, оказываются те зародыши, размер которых превысит так называемый «критический». Критический размер это такой, начиная с которого дальнейший рост сопровождается снижением суммарной свободной энергии образования зародыша (рис).
Величину критического радиуса зародыша определяют из соотношения:
где σ – межфазное натяжение на границе раздела жидкой и твердой фаз;
Ткр — температура начала кристаллизации;
ΔТ — величина переохлаждения;
QKp — скрытая теплота кристаллизации.
Таким образом, на процесс кристаллизации решающее влияние оказывают значения переохлаждения и удельной поверхностной энергии на границе кристалл—жидкость. При увеличении степени переохлаждения критический радиус зародыша уменьшается, т. е. термодинамически устойчивыми становятся более мелкие зародыши. То есть, чем выше степень переохлаждения, тем выше будет интенсивность образования устойчивых зародышей. Аналогичное влияние оказывает уменьшение величины поверхностной энергии σ.
Приближенные расчеты показывают, что гомогенное зарождение кристалла ряда металлов возможно при переохлаждении, равном 0,2•Ткр, т. е. около 350 °С для железа. Уменьшение переохлаждения до 200 °С снижает вероятность образования равновесного зародыша при гомогенной кристаллизации почти в 105 раз. Однако величина переохлаждения в стальном слитке обычно не превышает 10 °С. Следовательно, кристаллизация по гомогенному механизму на практике не реализуется.
В реальных условиях механизм затвердевания имеет гетерогенный характер, когда образование и рост зародыша происходят на уже имеющейся поверхности раздела – центрах кристаллизации (неметаллические включения или уже образовавшиеся в объеме кристаллы, стенки изложницы или формы, поверхность затвердевшей части слитка и т. п). Процесс зарождения и роста кристаллов в этом случае существенно облегчается - в реальных условиях сталь начинает кристаллизоваться при переохлаждении в несколько градусов. Следовательно, в реальных условиях происходит преимущественно гетерогенное зарождение кристаллов.
Введением центров кристаллизации широко пользуются на практике для модифицирования (улучшения) структуры слитка или отливки. При этом измельчается зерно и повышаются свойства металла. В качестве модифицирующих добавок служат обычно тугоплавкие оксиды, нитриды, имеющие температуры плавления выше, чем стали, и образующиеся в стали при введении таких активных элементов, как РЗМ, Ti, Zr и т. п.
Эффект модифицирования может иметь место также при введении в расплав поверхностно-активной добавки, снижающей величину межфазного натяжения на границе жидкость—твердая фаза. При этом уменьшается энергетический барьер образования новой границы раздела фаз и облегчается зарождение новых кристаллов, а следовательно, измельчается структура металла.
В формировании структуры слитка не меньшую роль играет последующий рост кристаллов, который обусловливается прежде всего интенсивностью и направленностью отвода тепла.
Рост кристаллов
Зарождающийся кристалл имеет правильную форму, определяемую типом кристаллической решетки твердого металла. Однако вскоре после зарождения правильный рост возникшего кристалла прекращается и начинается преимущественный рост его вершин, т, е. ветвей дендрита. Объясняется это следующим: количество тепла и примесей сплава, выделяющихся при кристаллизации, будет минимальным у вершин и максимальным у центра граней кристалла, что препятствует дальнейшей кристаллизации у граней. От вершин кристалла вырастают оси первого порядка (стволы дендрита), на них перпендикулярно направленные оси второго порядка (ветви), на которых аналогичным образом развиваются оси третьего порядка и т. д. Появление все новых осей и их постепенное утолщение приводят к формированию сплошного кристалла (дендрита).
Установлено, что в сплавах на основе железа ветви дендритов растут в трех взаимно перпендикулярных направлениях.
При отсутствии направленного теплоотвода оси во всех направлениях развиваются примерно одинаково и кристалл получается равноосным. При направленном теплоотводе кристаллы имеют вытянутую форму.
Вид структуры слитка определяется условиями охлаждения. Качественная связь между скоростью образования зародышей V0.3, линейной скоростью кристаллизации Vл. к и величиной переохлаждения имеет вид.
 |
Зависимость линейной скорости кристаллизации Vл к и скорости образования зародышей Vо.з. от величины переохлаждения
При высокой степени переохлаждения, которое, например, имеет место при первоначальном контакте жидкого металла с холодной стенкой изложницы или кристаллизатора, число образовавшихся зародышей велико, а скорость роста зерна ограничена. В этом случае формируется мелкозернистая структура. По мере уменьшения переохлаждения скорость образования зародышей снижается быстрее, чем скорость их линейного роста. Кристаллы будут развиваться до больших размеров. При степени переохлаждения, равной ΔТ2, когда образуется мало зародышей, а скорость роста зерна еще велика – структура будет крупнозернистой.
Скорость роста кристаллов определяется в первую очередь интенсивностью теплоотвода; чем больше скорость теплоотвода и чем больше переохлаждение жидкого металла, тем больше будет скорость роста.
Следует отметить, что рост кристаллов протекает одинаково как в случае гомогенного, так и в случае гетерогенного их зарождения.
Интервал кристаллизации. Известно, что чистые металлы кристаллизуются при постоянной температуре, а сталь как многокомпонентный раствор — в определенном интервале температур путем так называемой «избирательной кристаллизации». При температуре, соответствующей началу интервала кристаллизации образуются и начинают расти оси кристаллов, обедненные углеродом и другими составляющими стали, а в остающемся жидком металле их содержание возрастает. Поэтому понижается температура затвердевания жидкой фазы и последующие оси кристалла формируются при все более низкой температуре, а содержанке примесей в них возрастает.
Величина интервала кристаллизации определяется составом стали и условиями затвердевания слитка. Она возрастает при увеличении содержания в стали углерода и легирующих элементов. В высокоуглеродистой стали У13А величина интервала кристаллизации достигает 325 "С. При увеличении интервала кристаллизации возрастает степень химической неоднородности затвердевшего слитка, что нежелательно.
Скорость затвердевания слитка. При затвердевании стали в изложнице тепло отводится через ее стенки, поэтому зарождение и рост кристаллов начинаются у стенок изложницы, а толщина затвердевшего слоя непрерывно возрастает в направлении к центру слитка.
Оборудование для разливки стали
Сталеразливочный ковш
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 во время разливки и воздействия на него атмосферных газов. Вместе с тем попадание большого количества шлака в ковш может привести к нежелательным последствиям — повышенному угару раскислителей, рефосфорации, переходу части газов из шлака в металл, поэтому на практике стараются отсечь основную часть шлака после схода металла. Оставшийся шлак сливают в специальную шлаковую чашу.
Сталеразливочный ковш представляет собой выполненный из сальных листов футерованный сосуд, имеющий форму усеченного конуса, расширяющегося кверху (рис.). Емкость ковшей находится в пределах 5—480 т; помимо жидкой стали ковш должен вмещать немного шлака (2—3 % от массы металла), который предохраняет металл от быстрого охлаждения во время разливки.
Сталеразливочный ковш:
а — общий вид (1 — цапфа; 2 — носок для слива шлака; 3 — стопорный механизм: 4 — стопор; 5 — скоба для кантования ковша);
б — установка стопора и стакана в ковше (1 — стакан; 2 — гнездо стакана; 3 — шамотная кладка; 4 — стержень стопора; 5 — шамотная катушка; 6 — пробка);
в — шиберный затвор в открытом (/) и закрытом (//} положениях (1—гнездовой кирпич; 2 — разливочный стакан; 3 — неподвижная плита; 4 — подвижная плита; 5 — стакан-коллектор; 6 — шток гидроцилиндра)
Кожух ковша изготовляют сварным из листовой стали толщиной до 30 мм. Среднюю часть кожуха опоясывают снаружи массивным стальным кольцом, к которому крепят две цапфы. За эти цапфы ковш поднимают крюками сталеразливочного крана. Для того, чтобы ковш не мог самопроизвольно перевернуться, цапфы крепят несколько выше его центра тяжести.
Отношение диаметра кожуха к высоте находится в пределах 0,75—0,90; конусность стен составляет 3—3,5 %.
Стойкость футеровки ковша в зависимости от ее вида составляет от 10 до 100 плавок. Она меньше при разливке низкоуглеродистых сталей, так как в этом случае температура металла выше, а шлак, содержащий повышенное количество оксидов железа, активно взаимодействует с огнеупорной футеровкой ковша. Промежуточные ремонты футеровки торкретированием позволяют повысить стойкость на 30—50 %.
Сталеразливочные ковши подразделяют на ковши с кирпичной футеровкой из шамотного или магнезитового кирпича и с монолитной футеровкой, а также на ковши, со стопорным устройством и ковши с шиберными затворами.
Ковши с футеровкой из шамотного кирпича наиболее распространены. Футеровка стен состоит из арматурного слоя кирпича, примыкающего к кожуху, и рабочего, соприкасающегося с жидким металлом и шлаком; днище ковша выкладывают кирпичом в три-пять рядов. Толщину футеровки стен в нижней части ковша делают большей, чем в верхней, так как здесь она более длительное время находится под воздействием жидкого металла.
Арматурный слой футеровки служит 12—18 мес. Рабочий слой изнашивается и его заменяют после разливки 10—20 плавок; после выкладки нового рабочего слоя футеровку просушивают в течение 6—20 ч.
Ковши с футеровкой из магнезитового кирпича выполняются аналогичным образом, но показывают более высокие показатели по стойкости.
Ковши с монолитной футеровкой. Арматурный слой и днище в этом случае выкладывают из шамотного кирпича, а рабочий слой выполняют из монолитной огнеупорной массы.
По способу изготовления различают набивные и наливные монолитные футеровки. Масса для набивной футеровки состоит из молотого огнеупорного материала (кварцита или магнезита) с добавкой связующих (например, огнеупорной глины) и влаги (6—10 %). Массу набивают между шаблоном и арматурным слоем кирпича с помощью пескометных машин; набивка большегрузного ковша длится 30—40 мин, в то время как выкладка рабочего слоя шамотным кирпичом продолжается около 8 ч.
Наливную футеровку получают заливкой жидкоподвижной самотвердеющей смеси в зазор между шаблоном и арматурной кладкой ковша. Смесь составляют из молотого кварцита с добавкой 2—4 % отвердителя (шлак феррохромового производства) и водного раствора жидкого стекла (до 30 %). Наливка футеровки длится около часа, твердение массы 1—2 ч. После изготовления набивного или наливного слоя ковш сушат в течение 8—16 ч.
Преимущества монолитной футеровки — сокращение длительности ремонта ковша и удешевление за счет снижения расхода шамотного кирпича, существенное снижение затрат ручного труда на футеровку. Расход массы составляет 2—4 кг/т стали.
Для разливки стали из ковша по изложницам служит стакан со стопором или шиберным, а иногда поворотным затворами.
Стакан вставляют в днище ковша в специальный гнездовой кирпич (см. рис.); иногда вместо гнездового кирпича делают набивное гнездо, заполняя зазор между стаканом и футеровкой днища огнеупорной массой. Стакан имеет форму усеченного конуса с отверстием для струи жидкого металла. Обычно это отверстие имеет круглое сечение, его диаметр («диаметр стакана») составляет 25— 120 мм, высота стаканов в зависимости от емкости ковша равна 120— 440 мм.
Разливочные стаканы могут быть изготовлены из шамота, магнезита, шамотно-графитированной массы и из шамота с магнезитовой втулкой. Недостаток шамотных стаканов заключается в том, что они размываются струей стали, при этом увеличивается опасность загрязнения стали неметаллическими включениями. В связи с этим наибольшее распространение получили стаканы из магнезита. Они практически не размываются, а наоборот, часто затягиваются при разливке, что исправляется периодической промывкой их кислородом.
После установки стакана вновь отфутерованный или отремонтированный ковш сушат и прогревают до 700—800 °С. В просушенный ковш устанавливают стопор.
Стопор служит для закрывания и открывания отверстия стакана. Он представляет собой (см. рис.) металлический стернь диаметром 40—60 мм, защищенный от воздействия жидкой стали и шлака шамотными трубками (катушками). Нижний конец стержня имеет нарезку, на которую навинчивают огнеупорную пробку (см. рис.) обычно из высокоглиноземистого шамота. При длительной разливке стержень стопора теряет прочность и может изгибаться, поэтому иногда применяют воздухоохлаждаемые стопоры. В этом случае стержень стопора делают полым; в полость вставляют трубку, через которую подают сжатый воздух. В настоящее время с целью ускорения разливки иногда применяют двухсто-порные ковши, позволяющие разливать сталь одновременно в две изложницы.
Для подъема и опускания стопора служит стопорный рычажный механизм (см. рис., а).
Стопор служат одну разливку, после чего его заменяют. Перед установкой в ковш набранный стопор сушат в специальных печах или сушильных камерах при температуре около 200 °С в течение 20—24 ч.
Тяжелые условия службы стопора, особенно при длительной выдержке больших масс металла в ковше, обработке его в ковше инертными газами и вакуумом, привели к необходимости создания шиберных затворов, расположенных снаружи ковша (рис., в).
Шиберный затвор собирают и подготавливают к плавке на специальном стенде и затем крепят к днищу ковша под разливочным стаканом, вставляемым с наружной стороны ковша. Быстрота установки шиберного затвора и высокая надежность обусловили его широкое внедрение в сталеплавильных цехах. Однако успешная разливка нескольких плавок возможна лишь при использовании высококачественных огнеупорных плит и тщательной сборке и установке затвора. В отечественной практике нашли применение плиты из корунда и периклаза, позволяющие разливать от одной до трех плавок.
Шиберный затвор работает в менее тяжелых условиях, чем стопор (стопор находится в объеме жидкой стали), и поэтому более надежен в эксплуатации.
Промежуточные ковши применяют при разливке стали на МНЛЗ и при разливке спокойной стали сверху для уменьшения разбрызгивания струи металла при ее ударе о дно изложницы, что позволяет уменьшить количество плен на слитках.
Промежуточные ковши служит буферной емкостью, позволяющей непрерывно разливать сталь из двух и более сталеразливочных ковшей методом «плавка на плавку», а главное поддерживать постоянным ферростатический напор и скорость разливки металла. Ковши снабжены стопорами или шиберными затворами и позволяют отливать до четырех слитков одновременно.
Ковш имеет стальной кожух и футерован изнутри шамотным кирпичом. В днище установлен один или несколько стаканов, снабженных стопорами. Для уменьшения теплопотерь ковш накрывают футерованной крышкой. Емкость промежуточных ковшей достигает 70-80 т.
Промежуточная воронка применяется при разливке спокойной стали сверху для уменьшения разбрызгивания струи металла; имеет металлический кожух, который футеруют огнеупорной массой из шамотного порошка и огнеупорной глины на жидком стекле с добавкой графита; в нижней части воронки устанавливают разливочный стакан диаметром от 18 до 40 мм. Воронки либо устанавливают на прибыльную часть изложницы, либо подвешивают к сталеразливочному ковшу.
Торкретирование футеровки ковшей
Торкретирование — это нанесение огнеупорной массы на внутреннюю поверхность футеровки ковша. Обычно торкретируют изношенные участки футеровки. Торкрет-покрытие должно прочно сцепляться с рабочей поверхностью футеровки, а при попадании в ковш металла сплавляться с ней, образуя единое целое. Благодаря торкретированию повышается стойкость футеровки ковша и снижается расход ковшевых огнеупоров.
Торкретирование ковшей осуществляют несколькими способами: полусухим, пульповым и пламенным. Полусухое торкретирование заключается в нанесении огнеупорной массы влажностью 8 — 15 %; при пульповом торкретировании на футеровку наносят водную суспензию огнеупорного материала влажностью 20 — 30 %; при пламенном сухую массу наносят с помощью факела пламенной горелки.
Наиболее широко применяется полусухое торкретирование. При этом способе применяют торкрет-установки, которые увлажненную огнеупорную массу подают на поверхность футеровки с помощью сжатого воздуха через специальное сопло. Футеровка ковша перед торкретированием должна иметь температуру в пределах 60 — 80 "С. Торкретирование осуществляют последовательным нанесением нескольких слоев толщиной по 5—10 мм до получения общего слоя требуемой толщины.
Изложницы и прочее оборудование
Изложницы обычно отливают из ваграночного чугуна следующего состава, %: 3,3—4,0 С; 0,9—2,2 Si; 0,4—1,0 Mn; <0,20 P и <0,12 S.
Размеры изложниц зависят от массы и размеров слитка. Масса слитков, отливаемых для прокатки на станах, изменяется в пределах от 200 кг до 30 т, при этом для прокатки на блюмингах отливают слитки массой до 13 т, а для прокатки на слябингах —до 30 т. Масса слитков для поковок доходит до 350 т.
Более экономична разливка стали в крупные слитки, так как при этом уменьшается ее продолжительность, сокращаются затраты труда, расход огнеупоров и разливочного оборудования, уменьшаются потери металла в виде скрапа и литников. Кроме того, при увеличении массы слитков возрастает производительность прокатных станов. Вместе с тем при росте массы слитка заметно усиливается зональная химическая неоднородность, в связи с чем для качественных сталей массу слитка ограничивают. Спокойную углеродистую и кипящую стали разливают в слитки массой до 30 т; легированную и высококачественную стали — от 0,5 до 6,5 т, а некоторые высоколегированные стали — в слитки массой в несколько сот килограммов.
Конфигурация изложниц, характеризуемая формой поперечного и продольного сечений, определяется сортом выплавляемой стали и дальнейшим переделом слитка.
Поперечное сечение изложниц может быть (рис.) квадратным, прямоугольным, круглым, многогранным. Слитки квадратного сечения идут на сортовой прокат; слитки прямоугольного сечения при отношении их ширины В к толщине Н менее 1,5 для получения как листа, так и сортового проката; плоские слитки при отношении В/Н в пределах от 1,5 до 3,0 — для прокатки на лист. Слитки круглого сечения используют для изготовления труб, бандажей, колес. В многогранные изложницы отливают слитки для кузнечных поковок.
Формы поперечного сечения изложниц
По форме продольного сечения изложницы бывают двух типов: с уширением кверху (рис.) для разливки спокойной стал и с уширением книзу (рис.) для разливки кипящей стали. Для разливки кипящей и полуспокойной стали иногда применяют изложницы бутылочной формы, верхнее отверстие которых после наполнения изложницы сталью закрывают пробкой или крышкой. Быстрое застывание металла в суживающейся части бутылочной изложницы обеспечивает снижение химической неоднородности стали но сравнению с разливкой в обычные сквозные изложницы.
В отдельных случаях спокойную сталь неответственного назначения разливают в уширяющиеся книзу изложницы; верх таких изложниц утепляют изнутри футеровкой пли теплоизоляционными вкладышами (см. рис.).
Изложницы, уширяющиеся книзу, делают сквозными (без дна), а изложницы, уширяющиеся кверху — чаще всего с дном. В дне изложниц находится отверстие. При разливке сифоном в него вставляют шамотный стаканчик, через который сталь поступает в изложницу, а при разливке сверху — стальной вкладыш (пробку), предохраняющий дно изложницы от размывания струей металла.
В квадратных и прямоугольных изложницах в углах предусмотрены закругления, чтобы уменьшить опасность образования плоскостей слабины на стыке дендритов, растущих от смежных стенок изложницы. Стенки прямоугольных и квадратных изложниц обычно делают с небольшой вогнутостью или выпуклостью. Это придает корочке кристаллизующегося слитка форму арки, что способствует увеличению ее прочности и уменьшает вероятность образования горячих продольных трещин.
Внутреннюю поверхность изложниц иногда делают волнистой. При этом увеличивается поверхность соприкосновения слитка с изложницей, в результате чего быстрее нарастает толщина затвердевшей корочки в начальный момент кристаллизации слитка и существенно понижается пораженность слитков продольными наружными трещинами.
Важной характеристикой слитка и изложницы является величина отношения высоты Н изложницы к ее среднему внутреннему диаметру D, т. е. величина отношения высоты слитка (до прибыльной части) к среднему диаметру. Увеличение значения H/D, т. е. уменьшение сечения слитка, позволяет увеличивать производительность прокатных станов, а также сократить длительность затвердевания слитка, что способствует уменьшению ликвации. Однако увеличение этого отношения вызывает увеличение осевой рыхлости и повышает склонность к образованию продольных трещин вследствие возрастания ферростатического давления на корочку кристаллизующегося слитка. Оптимальная величина отношения H/D установлена на основании многолетней практики и составляет для слитков спокойной углеродистой стали 3,0—3,5, а для легированной и качественной углеродистой стали 2,5—3,3. Вместе с тем, для слитков, сердцевина которых удаляется при последующем переделе, а также для слитков, прокатываемых на мелкие профили (диаметром < 100 мм), т. е. при повышенных степенях обжатия, применяют изложницы, у которых отношение H/D более 3,5. В этом случае для повышения плотности сердцевины слитка увеличивают конусность стенок изложницы.
В изложницах для крупных слитков кипящей, а также полуспокойной стали величина отношения H/D должна составлять 3,0—3,5; для мелких слитков (< 1 т) она достигает 5—7. Увеличение отношения H/D по сравнению со слитками спокойной стали допустимо в связи с тем, что в слитках кипящей и полуспокойной стали не образуется осевой рыхлости. В то же время для кипящей стали важно ограничивать абсолютную величину высоты слитка и изложницы. Слишком большая высота ведет к увеличению ферростатического давления в нижней части затвердевающего слитка, что затрудняет кипение металла и способствует уменьшению толщины здоровой корочки.
Большое влияние на плотность макроструктуры и развитие осевой рыхлости в слитках спокойной стали оказывает конусность стенок изложниц. Чем больше конусность стенок изложницы и конусность слитка, тем выше плотность его структуры и тем меньше развита осевая рыхлость. Однако увеличение конусности вызывает неравномерные нагрузки на валки прокатного стана, что существенно затрудняет прокатку слитков. С учетом этих соображений конусность стенок изложниц для спокойной стали выбирают в пределах 2—4 % на сторону. Для слитков, идущих на ковку, конусность стенок изложниц увеличивают до 3—6 %. В листовых изложницах для спокойной стали конусность широких сторон принимают равной 3—3,5 %, а конусность узких граней во избежание трапецевидности листов уменьшают вдвое.
В связи с отсутствием в слитках кипящей и полуспокойной стали осевой усадочной рыхлости конусность стенок расширяющихся книзу изложниц меньше, чем у изложниц для спокойной стали. Она составляет 0,9—1,3 %, что обеспечивает свободное снятие изложницы со слитка (свободное раздевание слитка).
Толщину стенок изложниц выбирают исходя из условий обеспечения механической прочности изложницы и ее обычно принимают равной примерно 20 % от величины поперечного размера слитка. Отношение массы изложницы к массе слитка составляет 0,8—1,4; для мелких слитков это отношение увеличивают и оно достигает 2. Стойкость изложниц составляет 20—60 плавок (разливок), расход изложниц (чугуна) равен 1,0—3,5 % от массы разливаемой стали.
Прибыльные надставки устанавливают на расширяющиеся кверху изложницы при разливке спокойной стали; они могут быть стационарными (рис., а, 6) и плавающими (рис., в). Футеровка или теплоизоляционные вкладыши надставок замедляют охлаждение верха слитка, что способствует выводу сюда усадочной раковины.
Прибыльные надставки: а, 6 — стационарные; в — плавающая; 1 — цапфа; 3 — футеровка надставки; 3 — каркас надставку 4 — изложница; 5 — теплоизоляционный вкладыш; 6 — деревянная подставка
Широко применяются стационарные надставки (см. рис., а), имеющие чугунный корпус, футерованный изнутри шамотным кирпичом или массой из шамотного порошка с огнеупорной глиной; на постоянный слой футеровки изнутри наносят обмазку толщиной около 10 мм, обновляемую после каждой разливки. Для уменьшения теплоотдающей поверхности, облегчения снятия надставки со слитка уменьшения расхода металла надставку сужают кверху; конусность стенок составляет 10—18 %. Масса прибыльной части и соответственно величина головной обрези крупных слитков рядовой стали составляет при использовании таких надставок 12—16 % обшей массы слитка, а для мелких слитков и для слитков легированной стали она достигает 20 %
В последние годы расширяется применение стационарных надставок (см. рис., б) с теплоизоляционными вкладышами; они имеют стальной или чугунный корпус с вертикальными стенками для удобства крепления вкладышей, заменяемых после каждой разливки. Вкладыши изготавливают из песка с добавкой бумажных отходов, глины и связующих, из асбестита со связующими и других материалов. В связи с низкой теплопроводностью вкладышей эти надставки по сравнению с футерованными имеют меньшие высоту и объем и при их использовании величина головной обрези слитков снижается на 2—5 %.
При отливке крупных слитков применяют плавающие надставки (см. рис., в). Нижнее основание такой надставки входит в изложницу; до начала разливки надставку удерживают на изложнице с помощью деревянных прокладок, которые после наполнения изложницы металлом удаляют. Достоинство этих надставок заключается в возможности их перемещения в изложнице вместе со слитком при его усадке, что исключает подвисание слитка и образование поперечных трещин.
Поддоны служат для установки сквозных изложниц при разливке сверху и изложниц с центровой при сифонной разливке. Поддон представляет собой литую чугунную плиту толщиной 100—200 мм. Верхняя рабочая поверхность поддона должна быть гладкой; это обеспечивает плотное прилегание изложницы к поддону и предотвращает прорыв жидкого металла под изложницу.
В поддонах для сифонной разливки (рис.) делают углубление в центре и расходящиеся от пего открытые сверху каналы прямоугольного сечения для укладки сифонного кирпича. Если при разливке сверху применяют изложницы без дна, то в поддоне делают выемку, в которую укладывают сменный вкладыш из стали и иногда из огнеупорного кирпича, предотвращающий размывание поддона струей металла.
Поддоны для сифонной разливки стали: а 4-местный; б — 60-местный
При разливке сверху применяют поддоны, размер которых позволяет установить одну или две изложницы; при сифонной разливке двух-, четырех- и многоместные поддоны. Расход поддонов составляет 0,1—1 % от массы разливаемой стали.
Центровая (центровой литник) служит для приемки металла из сталеразливочного ковша. Она представляет собой чугунную или стальную футерованную изнутри трубу с расширением вверху и утолщением с нижней части для обеспечения ее устойчивости на поддоне. Центровые обычно делают разъемными из двух половинок для облегчения удаления литника и замены сифонного кирпича. Центровая должна быть на 300—400 мм выше изложниц с прибыльными надставками. Расход центровых составляет 0,05—0,5 % от массы разливаемой стали.
Сифонный кирпич предотвращает размывание поддона, центровой и дна изложниц жидкой сталью при разливке.
Для обеспечения плотности сочленения сифонные кирпичи делают замковыми (выступ каждого последующего кирпича должен входить паз предыдущего). Величина диаметра отверстия в сифонных кирпичах, укладываемых в поддон, обычно составляет 30—50 мм; диаметр отверстия центровых труб равен 70—100 мм.
После разливки каждой плавки сифонный кирпич заменяют.
Подготовка оборудования к разливке
В современных сталеплавильных цехах сталь разливают в изложницы, установленные на тележках (железнодорожных платформах). Состав с подготовленными изложницами перед выпуском стали из печи подают в разливочный пролет сталеплавильного цеха, где и производят разливку стали. После окончания разливки для предотвращения возникновения ликванионных дефектов в затвердевающих слитках состав выдерживают в разливочном пролете в течение 20—120 мин (в зависимости от массы слитка и марки разливаемой стали). Далее состав отправляют в стрипперное отделение цеха, оборудованное специальными кранами для снятия прибыльных надставок и освобождения слитков от изложниц, а затем в здание нагревательных колодцев прокатного цеха.
Подготовка изложниц и надставок. После освобождения от слитков изложницы охлаждают до температуры 80—110 ˚С либо путем длительной выдержки на воздухе, либо в душирующих устройствах, обеспечивающих мягкое охлаждение за счет подачи на поверхность изложницы распыленной воды через форсунки.
Далее внутреннюю поверхность изложниц очищают от приварившихся брызг и частиц металла, а также от окисленных пленок (нагара). Чистят изложницы металлическими щетками или струями воды, подаваемой на внутреннюю поверхность изложницы под большим давлением специальными форсунками. После чистки изложницу продувают сжатым воздухом, а затем внутреннюю поверхность изложниц смазывают.
Смазка предотвращает прилипание брызг металла при разливке к стенкам изложницы, а также приваривание слитка к изложнице. В качестве смазки применяют обезвоженную каменноугольную смолу, каменноугольный лак, смесь каменноугольной смолы с лаком, порошкообразный графит, смешанный с водой. Смазку наносят на внутренние стенки изложниц либо вручную с помощью мягких щеток, кистей, либо механизированным способом через форсунки.
При соприкосновении с жидким металлом смазка сгорает. При выгорании смазки в изложнице создается восстановительная атмосфера, в результате чего уменьшается окисление поверхности металла во время разливки. Кроме того, газы, образующиеся при сгорании смазки, отгоняют от стенок изложницы пленки окисленного металла, что улучшает чистоту поверхности слитка. Температура стенок изложницы перед смазкой должна быть 80—110°С. При более (высокой температуре смазка выгорит до начала разливки; при более низкой – слой смазки получается чрезмерно толстым и неравномерным.
Подготовка футеруемых прибыльных надставок заключается в нанесении на внутреннюю поверхность горячей прибыльной надставки огнеупорной массы, которую закрашивают графитовой «краской». «Краска» предотвращает приваривание футеровки надставки к слитку. При необходимости, для быстрого высыхания нанесенной обмазки, подготовленную надставку просушивают с помощью газовых горелок. Подготовка надставок с теплоизоляционными вкладышами заключается в установке в корпус надставки новых вкладышей.
Подготовка поддонов. Поддоны для сифонной разливки после снятия изложниц и слитков очищают от скрапа, а из каналов поддона удаляют литники и отработанный сифонный кирпич. Далее поддон продувают сжатым воздухом и набирают новым сифонным кирпичом. Температура поддона перед наборкой должна быть не ниже 80 — 100°С для обеспечения быстрого высыхания огнеупорной массы. После наборки каналы поддона продувают сжатым воздухом.
Подготовка поддонов для разливки сверху заключается в том, что после снятия слитков и изложниц поддон очищают от скрапа, шлака и мусора и продувают сжатым воздухом.
Подготовка состава для разливки сифоном включает подготовку поддонов, изложниц, центровых и прибыльных надставок (в случае разливки спокойной стали) и сборку их. Поддон очищают от мусора и скрапа, затем в углубление для звездочки и каналы засыпают сухой песок и устанавливают сифонный кирпич, центровые собирают на стеллажах в специально отведенном месте. После сборки их сушат, прочищают и устанавливают на поддон.
Сборка составов для разливки сверху: на очищенные поддоны устанавливают смазанные изложницы и на них, если это необходимо, прибыльные надставки.
Строение стальных слитков
Классификация стали по степени раскисленности
Сталь в зависимости от технологии выплавки и, главным образом, от степени раскисленности подразделяют на спокойную, кипящую и полуспокойную. Спокойную сталь обычно раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Активность кислорода при этом понижается настолько, что полностью прекращается реакция окисления углерода. Разливка и кристаллизация спокойной стали идут без заметного газовыделения. Кипящую сталь лишь частично раскисляют марганцем и в процессе ее разливки и затвердевания в изложнице активно идет процесс окисления углерода по реакции [О] + [С] -> {СО}. Обильное выделение пузырьков СО и сопутствующих им водорода и азота создает впечатление кипения стали. Полуспокойная сталь по степени раскисленности и соответственно по интенсивности газовыделения в процессе кристаллизации занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей.
Особенности поведения стали в изложнице обусловливают различие в технологии разливки и строении слитка той или иной стали.
Слиток спокойной стали
Строение слитка спокойной стали представлено на рис. Слиток имеет следующие структурные зоны, отличающиеся формой кристаллов и их размерами: тонкая наружная корка из мелких равноосных кристалликов (6); зона вытянутых крупных столбчатых кристаллов (7 – 9); центральная зона крупных неориентированных кристаллов (5) и зона мелких неориентированных кристаллов внизу слитка, имеющая конусообразную форму («конус осаждения») (10).
 |
1 — мост металла над раковиной: 2— усадочная раковина: 3 — усадочные пустоты; 4 — осевая усадочная рыхлость; 5 — зона беспорядочно ориентированных равноосных кристаллов; 6 — мелкие равноосные кристаллы; 7, 8 — зоны столбчатых кристаллов; 9 — столбчатые кристаллы, направленные к тепловому центру; 10 — конус осаждения
Наружная зона образуется в момент соприкосновения жидкой стали с холодными стенками изложницы. Резкое переохлаждение металла вызывает образование очень большого числа зародышей и их быстрый рост, в связи с чем кристаллы не успевают вырасти до значительных размеров и принять определенную ориентацию. Толщина корковой мелкокристаллической зоны невелика (6—15 мм), поскольку охлаждение жидкого металла с большой скоростью длится очень недолго.
В дальнейшем условия теплоотвода изменяются и формируется новая кристаллическая зона. Существенно уменьшается скорость охлаждения, так как отвод тепла замедляют корка затвердевшего металла, нагрев стенок изложницы и воздушный зазор, образующийся между стенками изложницы и слитком вследствие его усадки. Вместе с тем теплоотвод остается строго направленным, поскольку тепло отводится кратчайшим путем, т. е. перпендикулярно стенкам изложницы.
Вследствие замедления теплоотвода уменьшается переохлаждение и новых кристаллов почти не образуется. Продолжается рост кристаллов корковой зоны, причем растут главные оси кристаллов, направленные перпендикулярно стенке изложницы (поверхности охлаждения). Таким образом, формируется зона столбчатых кристаллов, вытянутых параллельно направлению теплоотвода. В крупных слитках с большим поперечным сечением наблюдается отклонение кристаллов к головной части слитка (к тепловому центру слитка).
Протяженность столбчатых кристаллов возрастает при увеличении перегрева жидкой стали, при росте скорости отвода тепла от затвердевшей части слитка и увеличении поперечного сечения слетка; она зависит также от состава стали (ее теплопроводности). В частности, протяженные столбчатые кристаллы наблюдаются в слитках никелевой и хромоникелевых сталей.
В центральной части слитка направленный теплоотвод почти не ощущается, поскольку здесь мала скорость отвода тепла и, кроме того, затвердевающий здесь металл удален от всех стенок изложницы примерно на одинаковое расстояние. Поэтому образующиеся кристаллы не имеют определенной ориентировки и получаются равноосными. Вследствие замедленного теплоотвода и отсутствия заметного переохлаждения количество вновь образующихся кристаллов невелико, поэтому имеющиеся кристаллы вырастают до значительных размеров.
Образование «конуса осаждения» в нижней части слитка обычно объясняют опусканием на дно изложницы кристаллов, зародившихся в объеме жидкого металла у фронта кристаллизации, а также обломившихся под воздействием потоков жидкого металла непрочных ветвей столбчатых кристаллов. Это опускание кристаллов происходит в силу разности плотностей затвердевшего и жидкого металла. Структурная неоднородность слитков затрудняет получение стальных изделий с одинаковыми механическими свойствами в различных частях.
Важной особенностью затвердевания слитка является наличие двухфазной зоны между жидким и полностью затвердевшим металлом. Это зона, где сосуществуют оси растущих кристаллов и незатвердевший металл в межосных пространствах. При увеличении протяженности двухфазной зоны возрастает время пребывания металла в двухфазном состоянии и сильнее развивается химическая неоднородность.
Необходимо отметить наличие в затвердевающем слитке конвективных потоков жидкого металла. У фронта кристаллизации поток направлен вниз, в осевой части слитка — вверх. Движение вниз возникает потому, что у фронта кристаллизации жидкий металл переохлажден и имеет большую плотность чем остальная его масса. Скорость потоков достигает 0,35 м/с; она тем больше, чем выше перегрев жидкой стали, поскольку при этом возрастает разность в температуре и плотности металла в объеме слитка и у фронта кристаллизации, По мере затвердевания слитка величина перегрева жидкого металла, а с ней и интенсивность потоков снижаются. Наличие конвективных потоков ведет к усилению химической неоднородности слитка.
Усадочная раковина в слитке спокойной стали
В верхней части слитка находится полость — так называемая усадочная раковина (см. рис.). Причиной ее образования является усадка стали в процессе затвердевания, т. е. увеличение плотности при переходе из жидкого в твердое состояние. Величина усадки в зависимости от состава стали изменяется в пределах 2,0—5,3 %. Усадочная пустота в слитке, как.и в любой другой кристаллизующейся отливке, всегда образуется в месте затвердевания последних порций металла. Раковина бывает закрытой (см. рис.), если в прибыльной надставке из-за недостаточной теплоизоляции затвердевает верхний слой металла; при применении экзотермических засыпок и обогреве верха слитка усадочная раковина получается открытой.
Ту часть слитка, в которой расположена усадочная раковина, отрезают при прокатке и отправляют в переплав. Величину усадки, определяемую природой стали, уменьшить нельзя. Поэтому, чтобы свести обрезь металла к минимуму, усадочную раковину концентрируют в верхней части слитка и стремятся уменьшить глубину ее проникновения в слиток. Для этого в обычной практике прибегают к следующим мерам, обеспечивающим более позднее затвердевание верхней части слитка:
1) спокойную сталь, как правило, разливают в изложницы, уширяющиеся кверху. Большая масса жидкого металла в верхней части слитка способствует замедленному его охлаждению;
2) теплоизолируют боковые поверхности верха слитка. Обычно для этого на изложницу устанавливают прибыльную надставку, которую при разливке как и изложницу заполняют жидким металлом. Боковые стенки надставки футерованы огнеупорами или снабжены теплоизоляционными вставками, благодаря чему охлаждение металла здесь замедляется;
3) после наполнения слитка поверхность жидкого металла в прибыльной надставке засыпают теплоизолирующими или разогревающими смесями. В качестве теплоизолирующих засыпок используют асбест, обожженный вермикулит, коксо-шлаковую смесь и др. Более эффективно применение разогревающих смесей — люнкеритов, которые представляют собой порошкообразную смесь горючих и нейтральных компонентов. В качестве первых используют алюминий (14—28 %), ферросилиций (0—15 %), коксик или древесный уголь (0—50 %), в качестве вторых — шамот, боксит, вермикулит. В прибыльной надставке горючие компоненты медленно окисляются с выделением тепла, обогревающего жидкий металл, а нейтральные составляющие и продукты окисления образуют теплоизоляционный слой, замедляющий отвод тепла от верха слитка. Расход люнкернта составляет 0,5—2,0 кг/т стали.
При применении перечисленных мер величина головной обрези слитков спокойной углеродистой стали составляет 12—16 %, а для мелких слитков и легированных сталей достигает 20 % (донная обрезь слитков спокойной стали равна 1—4 %).
Слиток кипящей стали
Кипящая сталь раскислена неполностью и содержит некоторое количество растворенного кислорода. Поэтому во время разливки и после ее окончания сталь в изложнице «кипит», т. е. происходит окисление углерода по реакции [С] + [0] = СО с выделением пузырьков окиси углерода.
Окисление углерода и образование пузырьков СО происходит на поверхности формирующихся при затвердевании стали кристаллов (на поверхности раздела твердой и жидкой фаз). Значительная часть пузырей СО, выделяющихся при кипении остается в слитке. В дальнейшем они завариваются при прокатке.
Для уменьшения неоднородности состава готовой стали кипение вскоре после наполнения изложницы прекращают, накрывая слиток массивной металлической крышкой (механическое закупоривание) или раскисляя металл в верхней части изложницы алюминием (химическое закупоривание).
В слитках кипящей стали не образуется концентрированной усадочной раковины. Усадка здесь рассредоточена по многочисленным газовым полостям. Форма слитка кипящей стали отличается от формы слитка спокойной стали. Поскольку в слитке отсутствует усадочная раковина нет необходимости применять изложницы, расширяющиеся кверху. Кипящую сталь разливают в сквозные изложницы, расширяющейся книзу. Это упрощает процесс раздевания слитков — изложницу просто снимают с затвердевшего слитка.
Механически закупоренный слиток кипящей стали характеризуется расположением газовых пузырей в определенном порядке. Структура слитка кипящей стали характеризуется наличием следующих зон (рис., а): наружная корка 1 без пузырей; зона 2 продолговатых сотовых пузырей; промежуточная плотная зона 3; зона 4 вторичных, округлых пузырей; плотную среднюю зону со скоплением 5 пузырей в ее верхней части.
Строение слитка кипящей стали:
а— механически закупоренного; 6— химически закупоренного;
1 — плотная наружная корочка; 2 — зона сотовых пузырей; 3 — промежуточная плотная зона; 4 — зона вторичных пузырей; 5 — скопление пузырей СО; 6 — cкопление пузырей и усадочных пустот; 7 — мост плотного металла
Толщина наружной корки без пузырей может изменяться от 2—3 до 40 мм и зависит от того удаляются или нет из металла образующиеся при ее затвердевании пузырьки СО. В начале затвердевания корковой зоны высота вышележащего слоя металла и создаваемое им ферростатическое давление малы, благодаря чему при достаточной окисленности стали образуется большое число пузырьков СО. Всплывание даже части из них создает поток, интенсивность которого достаточна для отрыва пузырьков, застревающих между осями растущих кристаллов, что обеспечивает формирование беспузыристого слоя металла.
Если же окисленность металла мала, а ферростатическое давление вследствие большой скорости разливки быстро нарастает, то зарождение пузырей затруднено, их образуется мало и не создается сильного потока всплывающих пузырей. В этих условиях пузыри, образующиеся в межосных пространствах кристаллов, остаются в металле, т, е. начинается рост сотовых пузырей.
Таким образом, чем ниже окисленностъ стали и чем выше скорость наполнения изложницы, тем ниже будет интенсивность кипения и меньше толщина беспузыристой корки.
Из оставшихся в металле пузырей по мере дальнейшего выделения окиси углерода формируются вытянутые сотовые пузыри, что связано с образованием в это время зоны вытянутых столбчатых кристаллов. Идет сравнительно быстрый рост главных осей столбчатых кристаллов, между которыми скапливается выделяющаяся окись углерода. Длина сотовых пузырей (от 33мм) достигает 70—100 мм.
В верхней части слитка сотовых пузырей нет, так как они вымываются потоком газа, поднимающегося снизу. Высота зоны сотовых пузырей обычно равна 1/2—2/3 высоты слитка; она возрастает при повышении скорости наполнения изложницы, снижении интенсивности кипения и уменьшения окисленности металла.
Прекращение роста сотовых пузырей связано с тем, что после сформирования малотеплопроводной пузыристой зоны скорость отвода тепла заметно снижается и замедляется скорость роста главных осей столбчатых кристаллов, между которыми задерживались пузырьки СО. Образующиеся газы вымываются с более ровного фронта кристаллизации и формируется плотная промежуточная зона, которая состоит из неориентированных кристаллов небольших размеров.
После накрывания слитка крышкой (замораживания его верха) кипение прекращается, поскольку пузырьки СО не могут образовываться, так как при выделении им приходилось бы преодалевать громадное давление внутри закупоренного слитка. Вследствие прекращения циркуляции формировавшиеся в момент закупоривания пузыри фиксируются на границе затвердевания, образуя цепочку вторичных пузырей, равноудаленных от стенок изложницы (если крышку накрывают рано, в период роста сотовых пузырей, то после закупоривания прекращается их рост; вторичные пузыри образуются рядом с сотовыми, а зона плотного металла между сотовыми и вторичными пузырями в слитке отсутствует).
Затвердевание центральной части слитка идет без заметного газовыделения и циркуляции металла. Лишь в результате усадки кристаллизующейся стали давление внутри слитка немного снижается и создаются условия для образования отдельных пузырей. Скопление их в верхней части слитка обусловлено повышением содержания здесь кислорода и углерода, вследствие ликвации, а также всплы-ванием пузырей снизу. Это скопление пузырей образует головную рыхлость, которая в осевой части слитка может распространяться аа глубину до 25 % его высоты.
Верх слитка с пузырями и скоплением серы и фосфора вследствие :их ликвации отрезают при прокатке; величина головной обрези составляет 5—9 % от массы слитка для рядовой стали и достигает 10—13 % для качественной стали.
Химически закупоренный слиток (рис., б) имеет в нижней части зону коротких сотовых пузырей и в верхней — скопление усадочных пустот и пузырей, над которыми, как правило, расположен мост плотного металла. До начала закупоривания и во время разливки сталь в изложнице кипит, формируется наружная беспузыристая корка и начинается рост сотовых пузырей так же, как в слитке при механическом закупоривании. Толщина здоровой корки такая же, как в механически закупоренном слитке (2-40мм) и определяется уровнем окисленности стали и скоростью подъема металла в изложнице.
Сразу же или через 1 —1,5 мин после окончания наполнения изложницы производят закупоривание слитка алюминием (иногда ферросилицием). Вводимый алюминий связывает растворенный в стали кислород, поэтому прекращается кипение и рост сотовых пузырей. Сотовые пузыри в слитке не получают существенного развития (см. рис., б), их длина тем меньше, чем раньше был введен алюминий.
Расход алюминия на закупоривание выбирают таким, чтобы при дальнейшем затвердевании наблюдалось незначительное газовыделение, которое должно компенсировать усадку стали и предотвращать образование концентрированной усадочной раковины. Пузыри СО образуются в верхней части слитка, поскольку здесь вследствие ликвации повышается концентрация кислорода и углерода. Глубина сужающейся книзу зоны скопления пузырей и усадочных пустот (см. рис., 6) может достигать 30—45 % высоты слитка.
При оптимальной раскисленности (оптимальном расходе алюминия на закупоривание) над областью усадочной рыхлости образуется «мост» плотного металла толщиной около 10 % высоты слитка. Он изолирует пустоты от атмосферы, благодаря чему последние завариваются при прокатке (их поверхность не окислена). Головная обрезь слитка при этом составляет 3,5—6 %. Показателем оптимальной степени раскисленности является формирование выпуклой гладкой поверхности слитка.
При недостаточной раскисленности металла наблюдаются прорывы поверхности слитка пузырями СО. Сплошность верхнего «моста» плотного металла нарушается и возрастает величина головной обрези, так как часть полостей в головной части слитка не заваривается при прокатке из-за окисления их внутренней поверхности. Если металл перераскислен, то образуется недостаточно изолированная сверху глубокая усадочная раковина со скоплением ликватов и неметаллических включений. Головная обрезь при этом сильно возрастает, так как в прокате образуются несплошности в местах скопления ликватов и включений, а также в результате окисления внутренней поверхности раковины.
Толщина здоровой корки — важный критерий качества слитков кипящей стали. Эта толщина может достигать 40 мм и не должна быть менее 8 мм. Более тонкая корка может окисляться при нагреве слитков перед прокаткой. Сотовые пузыри при этом обнажаются, их поверхность окисляется и поэтому они не завариваются при прокатке. В результате на поверхности проката образуются рванины.
Здоровая корка формируется во время наполнения изложницы металлом и ее толщина определяется интенсивностью кипения стали в этот период. Интенсивность кипения и толщина здоровой корки будут тем больше, чем выше окисленность жидкой стали и чем ниже скорость наполнения изложницы металлом.
Толщина здоровой корки зависит и от состава стали. Поскольку, как известно, углерод и марганец снижают количество растворенного в стали кислорода (ее окисленность), получение достаточно толстой здоровой корки в сталях с повышенным содержанием этих элементов затруднено. Поэтому кипящие стали обычно содержат не более 0,27 % С и 0,60 % Мп.
Как показал опыт, окисленность жидкой стали, получаемая при существующих методах выплавки, позволяет разливать кипящую сталь со скоростью, не превышающей 1,0 м/мин; при большей скорости наполнения изложницы толщина здоровой корки получается менее допустимой (8—10 мм).
Если необходимо разливать сталь с большей скоростью, то прибегают к использованию так называемых интенсификатеров кипения. В изложницу во время разливки вводят порошкообразные смеси, содержащие окислы железа. Поступающий из интенсификатора в сталь кислород обеспечивает повышение интенсивности кипения и позволяет получать слиток с достаточной толщиной здоровой корки при скоростях разливки до 2,0—2,5 м/мин.
В последние годы начинают применять следующий метод решения «проблемы здоровой корки» — сочетание скоростной разливки с химическим закупориванием. Разливку ведут со скоростью 3—5 м/мин; при этом образование пузырей начинается у поверхности слитка, т. е. здоровая корка не образуется. Благодаря раннему химическому закупориванию размеры пузырей малы и при нагреве под прокатку наружный слой слитка с пузырями окисляется, вследствие чего на поверхности проката рванин не образуется.
Слиток полуспокойной стали
Полуспокойная сталь по степени раскисленности занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью. Ее раскисляют как правило в ковше, вводя силикомарганец, ферромарганец и ферросилиций в количестве, обеспечивающем получение заданного содержания в стали марганца и введение 0,06—0,13 % Si (по расчету). Различные марки полуспокойной стали содержат 0,05—0,5 % С; 0,35—1,6 % Мп и менее 0,12 % Si.
 |
Схема строения слитков полуспокойной стали при различной степени ее раскисленности: а — недораскисленная; б, в — нормально раскисленная; г — перераскисленная
Полуспокойную сталь разливают в сквозные расширяющиеся книзу или в бутылочные изложницы. При затвердевании в изложнице наблюдается «искрение» — образование и выделение небольшого количества окиси углерода. Длительность искрения служит показателем оптимальной степени раскисленности стали и должна составлять 10—40 с.
В верхней части слитка полуспокойной стали (рис.) имеются сотовые или округлые пузыри (они могут отсутствовать), концентрированная усадочная раковина и под ней усадочная рыхлость, доходящая до 35— 45 % высоты слитка. Пузыри расположены у поверхности слитка, так как окисленность металла и интенсивность кипения недостаточны для формирования беспузыристой корки заметной толщины. В ниженй части слитка, где велико ферростатическое давление, пузыри из-за недостаточной окисленности металла не образуются.
Расположение усадочных пустот в слитке зависит от степени раскисленности стали. При нормальной раскисленности, когда интенсивность газовыдсления достаточна, над усадочной раковиной формируется «мост» пузыристого металла толщиной 200—270 мм, надежно изолирующий раковину от атмосферы, благодаря чему она заваривается при прокатке. Величина головной обрези при этом составляет 2,5—5 % от массы слитка. В случае перераскисления (длительность «искрения» металла в изложнице менее 10 с) слитки получаются с меньшей толщиной «моста» и недостаточно изолированной усадочной раковиной, что ведет к росту величины головной обрези.
Длина сотовых пузырей и высота зоны их расположения в слитке будут тем больше, чем лучше условия газовыделения, определяемые степенью раскисленностн стали и скоростью разливки.
В зависимости от степени раскисленности строение слитка полуспокойной стали приближается к структуре кипящего или спокойного слитка (рис). При недостаточной раскисленности (длительность «искрения» более 40 с) в результате чрезмерного газовыделения возможно образование сотовых пузырей по всей высоте слитка. Наличие сотовых пузырей нежелательно; они ведут к появлению рванин на поверхности проката, так как из-за отсутствия «здоровой корки» поверхность пузырей окисляется при нагреве под прокатку и пузыри при прокатке не завариваются.
Излишне полное раскисление (рис., г), наоборот, приводит к образованию развитой, несваривающейся усадочной раковины, а так как полуспокойная сталь разливается в уширяющиеся книзу изложницы без применения утепления головной части слитка, усадочная раковина будет распространяться на большую глубину, что потребует большой обрези
Скорость разливки полуспокойной стали изменяется в пределах от 0,3 до 5,0 м/мин. При малых скоростях условия газовыделения облегчаются, увеличивается высота зоны сотовых пузырей, а их длина достигает 30—40 мм, что существенно усиливает пораженность проката рванинами. При высоких скоростях разливки пузыри либо отсутствуют, либо образуются мелкие округлые подкорковые пузыри, причем при нагреве под прокатку слой металла, в котором они расположены, переходит в окалину и поверхность проката получается чистой. Поэтому полуспокойную сталь рекомендуется разливать сверху с повышенной скоростью.
При производстве полуспокойной стали трудно обеспечить оптимальную раскисленность металла, т. е. определить оптимальный расход раскислителей, который должен точно соответствовать содержанию в металле растворенного кислорода. Это содержание сильно колеблется от плавки к плавке и пока не поддается надежному контролю. В связи с этим разработан и применяется следующий метод регулирования раскисленности металла в процессе разливки. После заполнения первой изложницы фиксируют длительность искрения металла и если она велика (>40 с), в последующие изложницы добавляют небольшие количества алюминия, который снижает окисленность металла.
Химическая неоднородность слитков
Жидкая сталь представляет собой однородный раствор углерода, кремния, марганца, фосфора, серы, кислорода и газов в жидком железе, но содержание этих примесей в различных точках стального слитка неодинаково. Химическая неоднородность, или ликвация, возникает при затвердевании слитка.
Причиной возникновения ликвации является то, что растворимость ряда примесей в твердом железе ниже, чем в жидком. Вследствие этого растущие при затвердевании оси кристаллов содержат меньшее количество примесей, чем исходная сталь (так называемый процесс «избирательной кристаллизации»), а остающийся жидкий металл обогащается примесями.
Склонность к ликвации различных элементов, содержащихся в стали, неодинакова. Степень ликвации обычно характеризуют следующим выражением:
где С — максимальное, минимальное и среднее содержание элемента в той или иной части слитка.
Различают ликвацию двух видов: дендритную и зональную.
При формировании кристаллов - дендритов часть жидкости, обогащенной ликватами, останется между растущими ветвями и затвердеет в междендритных участках. Таким образом, содержание примеси в осях дендритов будет ниже, чем в межосных объемах. Возникнет так называемая дендритная ликвация.
Кроме этого, обогащенная примесями жидкость будет перемещаться в направлении от фронта затвердевания. При этом могут возникать объемы с повышенной концентрацией примеси, которые, затвердевая в последнюю очередь, образуют зональную ликвацию.
Дендритная ликвация — это неоднородность стали в пределах одного кристалла (дендрита); она возникает в результате избирательной кристаллизации. Наибольшей склонностью к дендритной ликвации обладают сера, фосфор и углерод. Вместе с тем дендритной ликвации подвержены также кремний, марганец, вольфрам, хром, молибден и ряд других элементов. Величина дендритной ликвации, т. е. различие между содержанием отдельных элементов в осях и межосных пространствах дендритов достигает существенных значений, так степень дендритной ликвации в 3-т слитке составляет, %: серы около 200, фосфора 150, углерода 60, кремния 20, марганца 15.
Отрицательное влияние дендритной ликвации проявляется в том, что она вызывает появление в готовой стали полосчатой структуры: при прокатке оси дендритов и межосные участки вытягиваются, образуя волокна или полосы, обладающие неодинаковым составом и свойствами. Структурная же полосчатость, а также вытягивающиеся вдоль волокон неметаллические включения вызывают анизотропию механических свойств металла в продольном и поперечном относительно оси прокатки направлениях: пластические свойства стали в поперечном направлении оказываются более низкими, чем в продольном.
Зональная ликвация — это неоднородность состава стали в различных частях слитка. Она достигает больших значений, чем дендритная ликвация и представляет существенно большую опасность. К образованию зональной ликвации склонны сера, фосфор, углерод и кислород. Зональной же ликвации марганца, кремния, хрома, никеля, вольфрама, ванадия и титана практически не наблюдается. Наибольшей склонностью к зональной ликвации обладает сера, несколько меньшей фосфор и еще меньшей — углерод.
Зональная ликвация вызывает неоднородность свойств в различных частях стальных изделий и может вызывать отбраковку металла вследствие отклонения состава металла от заданного.
В возникновении зональной неоднородности наряду с избиратель ной кристаллизацией важную роль играют процессы, приводящие к перемещению ликвирующих элементов из одной части слитка в другую. Такими процессами являются: диффузия примесей из двухфазной области в объем оставшегося жидкого металла; конвектнвные потоки металла в изложнице, приводящие к выносу ликватов в верхнюю и среднюю части слитка; всплывание объемов загрязненного примесями металла вследствие того, что их плотность меньше плотности остального металла. По этим причинам верхняя и осевая части слитка, кристаллизующиеся в последнюю очередь, обычно обогащаются примесями.
Проявление зональной ликвации зависит кроме всего прочего от степени раскисленности металла.
Зональная ликвация в слитке спокойной стали. В наружной корковой зоне слитка ликвация отсутствует и состав металла здесь не отличается от состава жидкой стали, поскольку из-за быстрой кристаллизации поверхностных слоев слитка ликвационные процессы здесь не успевают развиться.
В остальном объеме слитка ликвация серы, фосфора и углерода подчиняется следующей закономерности: в верхней части слитка содержание элементов возрастает в направлении к оси; в средней по высоте части слитка ликвация незначительна; в нижней части наблюдается обратная ликвация — содержание серы, фосфора и углерода убывает в направлении к оси слитка. Отрицательную ликвацию в нижней части слитка объясняют всплыванием и перемещением примесей в верхнюю часть слитка.
Схема ликвации в слитке спокойной стали: 1 — Λ -образная ликвация;
2 — V-образная ликвация; плюс — зоны положительной ликвации; минус – зона отрицательной ликвации
Наряду с отмеченной общей закономерностью распределения ликвирующих примесей в слитке спокойной стали наблюдаются (рис.) специфические виды ликвации: V-образная ликвация под усадочной раковиной и скопление примесей в виде нитей или полос — Λ -образная ликвация или «зона усов».
Образование V-образной ликвации объясняют опусканием в усадочные пустоты осевой части слитка загрязненного примесями металла из прибыли. В процессе кристаллизации последние объемы металла, находящегося в двухфазном состоянии, опускаются вследствие усадки по осевой части слитка. При перемещении увлекается и загрязненная ликватами жидкость из примыкающей двухфазной области, которая заполняет возникающие при усадке разрывы, располагаясь в форме воронки. Повышенная вязкость металла в конце кристаллизации слитка и наличие мостов препятствуют всплыванию ликватов, и в этой зоне сохраняется повышенное содержание серы, фосфора и углерода.
Причина образования Λ -образной ликвации окончательно не выяснена. Одни металлурги считают «усы» следами выделявшихся при кристаллизации пузырьков водорода, которые увлекали за собой примеси; другие видят причину образования «усов» в опускании загрязненного примесями металла в усадочные полости низа слитка по узким каналам между осями дендритов.
Наибольшее количество ликвирующих элементов обнаруживается в подприбыльной осевой части слитка, где металл затвердевает в последнюю очередь, а также в районе «усов». В слитках легированной стали массой 2,5—4,5 т степень ликвации под усадочной раковиной составляет, %: серы 170—300, фосфора 150—260, углерода 150—200. Обычно эта часть слитка отрезается при прокатке.
Развитие в слитке зональной ликвации того или иного вида зависит от ряда факторов. Зональная ликвация развивается тем сильнее, чем больше масса и поперечное сечение слитка и чем больше длительность его затвердевания. В связи с этим высококачественные и легированные стали, используемые для изготовления деталей ответственного назначения разливают в слитки небольшой массы (<6,5 т).
При увеличении содержания легирующих элементов (Ni, Cr, V) в стали ликвация несколько уменьшается. Существенно снижает ликвацию серы, фосфора и углерода никель; при содержании никеля в стали более 4 % ликвация этих элементов в слитке незначительна.
Все мероприятия, направленные на борьбу с развитием усадочных дефектов, будут способствовать также и уменьшению V-образной ликвации. В свою очередь факторы, вызывающие повышение скорости охлаждения и кристаллизации слитка, будут уменьшать развитие Л-образной ликвации. Уменьшению развития зональной ликвации обоих видов будет способствовать меньшая газонасыщенность стали, так как выделение газов при кристаллизации приводит к развитию перераспределения примесей. Низкое содержание ликвирующих примесей (S и Р) в металле не только снижает абсолютное количество этих примесей в местах скопления ликватов, но также повышает температуру плавления металла, уменьшает интервал кристаллизации и повышает скорость кристаллизации. Все это ослабляет процесс перераспределения примесей.
Зональная ликвация в слитке кипящей стали. В механически закупоренном слитке наружный слой здоровой корки вследствие очень быстрого затвердевания по составу не отличается от жидкой стали. В остальном объеме до вторичных пузырей наблюдается отрицательная ликвация серы, фосфора и углерода. Это объясняется тем, что при активном кипении ликваты выносятся в верхнюю часть слитка.
Центральная часть слитка (внутри вторичных пузырей), затвердевающая после закупоривания, загрязнена ликватами. При этом содержание серы, фосфора и углерода возрастает в направлении от поверхности к оси и от низа к верху слитка. Максимальное скопление примесей — «ликвационный центр» — находится в середине верхней части слитка на расстоянии 10—20 % высоты от его верха.
Зональная ликвация в слитках кипящей стали в связи с интенсивной циркуляцией металла выражена значительно сильнее, чем в слитках спокойной стали. В центре скопления примесей крупных механически закупоренных слитков степень ликвации серы может достигать 800 %, фосфора 500 %, углерода 300 %. В связи с этим при производстве качественных кипящих сталей для удаления скопления вредных примесей головную обрезь приходится увеличивать до 10— 13 % от массы слитка (вместо 5—9 % для рядовой стали).
В связи с сильным развитием ликвации при механическом закупоривании его в последние годы заменяют химическим. В этом случае зональная неоднородность выражена значительно слабее из-за раннего прекращения кипения, поскольку химическое закупоривание производят через 1—1,5 мин поле окончания наполнения изложницы, а механическое — через 7—15 мин.
В химически закупоренном слитке быстро затвердевающая корковая зона и зона слабо развитых сотовых пузырей не имеют заметной ликвации. В остальном объеме слитка отмечается слабо заметное повышение содержания примесей в направлении от низа к верху и от поверхности к оси слитка. Имеется слабо выраженные Λ-образная ликвация и V-образная, располагающаяся под зоной пустот и пузырей. На оси слитка па расстоянии 25—35 % высоты от верха сходится ликвационный центр — локальное скопление примесей.
В слитке полуспокойной стали характер ликвации примерно такой же, как в химически закупоренном слитке кипящей стали.
Температура и скорость разливки
Сталь, выпускаемая из печи, должна быть нагрета на 100—150 °G выше температуры плавления, которая зависит от состава стали и, обычно снижается при увеличении содержания углерода и легирующих элементов.
Перегрев необходим для обеспечения нужной температуры стали при разливке, а также для компенсации потерь тепла за время выпуска, выдержки стали в ковше до начала разливки и за время разливки, длительность которой для ковшей большой емкости может достигать 1—1,5 ч. Наиболее сильно сталь охлаждается при выпуске и в первые минуты выдержки в ковше, когда тепло расходуется на нагрев футеровки ковша; обычно за это время температура металла понижается па 30—60 °С.
Нормальной температурой начала разливки считают температуру, превышающую температуру плавления стали на 90—120 °С при сифонной разливке и на 70—110 °С при разливке сверху.
Чрезмерно высокая температура стали при разливке ведет к ухудшению качества слитка. Перегретая сталь дольше затвердевает в изложнице, поэтому в слитке сильнее развивается химическая неоднородность. Быстрая разливка горячего металла ведет к увеличению пораженности поверхности слитков продольными трещинами. С увеличением температуры возрастает - также количество растворенных в стали вредных газов, что ухудшает свойства готового металла.
Разливка стали при слишком низкой температуре также нежелательна. Холодный металл более вязок, что затрудняет всплывание НМВ в кристаллизирующемся слитке и приводит к повышенному загрязнению стали неметаллическими включениями. При затвердевании вязкого металла ухудшается питание кристаллизующихся объемов слитка из прибыли, поэтому слитки получаются с повышенной осевой пористостью и рыхлостью. При сифонной разливке холодного металла на его поверхности в изложнице образуется корочка, завороты которой являются серьезным дефектом слитка.
Скорость разливки, так же как и температура разливаемого металла, оказывает существенное влияние на качество слитка. Чрезмерно высокая скорость разливки ведет к увеличению количества продольных трещин на поверхности слитка, а при разливке кипящей стали вызывает уменьшение толщины здоровой наружной корочки в слитке. Разливка с недостаточной скоростью ведет к усиленному образованию и заворотам корочки, особенно при разливке стали сифоном.
По этим причинам скорость разливки обычно увязывают с температурой металла. Горячий металл следует разливать более медленно, холодный быстрее. Оптимальные температуры и скорости разливки подбирают опытным путем с учетом способа разливки, массы слитка, состава и свойств стали (ее вязкости, склонности к образованию трещин, склонности к образованию окисленной корочки и др.).
Скорость разливки чаще всего характеризуют скоростью подъема стали в изложнице, которая находится в пределах 0,15—5 м/мин. Ее регулируют изменением диаметра разливочного стакана, а также частичным перекрытием вытекающей из стакана струи с помощью стопора или шиберного затвора.
Скорость разливки сверху обычно выше, чем сифонной. Это объясняется необходимостью сократить общую длительность разливки плавки. При сифонной разливке благодаря одновременному наполнению нескольких изложниц длительность разливки плавки оказывается небольшой даже при относительно малой скорости подъема металла изложнице; меньшая же скорость разливки уменьшает вероятность образования ряда дефектов в слитках.
Особенности разливки спокойной стали
Спокойную сталь разливают и сифоном и сверху, как правило, в изложницы, расширяющиеся кверху с прибыльными надставками.
Технология разливки
При разливке сверху струя металла должна быть направлена строго по центру изложницы. Во избежание разбрызгивания металла при ударе о дно изложницы разливку начинают медленно при неполностью открытом стопоре. После образования «подушки» жидкого металла разливку ведут полной струей. Скорость разливки при этом определяется диаметром разливочного стакана (40-55мм). Прибыльную часть слитка заполняют медленно, что способствует выводу усадочной раковины в прибыль.
Скорость разливки сверху до недавнего времени выбирали в пределах 0,3—1,1 м/мин. В последние годы для сталей не склонных образованию продольных трещин внедряют скоростную разливку (до 4,5 м/мин - стакан диаметром 80мм). Длительность наполнения тела слитков массой от 2 до 20 т составляет 0,5—8 мин.
При сифонной разливке низ изложницы также заполняют медленно. В дальнейшем скорость разливки регулируют в зависимости от вида поверхности металла в изложнице. Обычно на поверхности металла образуется окисленная корка, завороты которой у стенок изложницы — серьезный дефект слитка. Образование и рост корки интенсифицируются при малой скорости разливки, недостаточной температуре металла и в особенности при наличии в стали легкоокисляющихся элементов (алюминия, титана, хрома). Для предотвращения заворотов корки разливку стараются вести с «чистым зеркалом» или так, чтобы между коркой и стенкой изложницы был рант жидкого металла. При разливке сталей, содержащих алюминий, титан повышенное количество хрома, избежать заворотов корки путем увеличения скорости разливки обычно не удается н применяют специальные методы защиты поверхности металла от окисления.
Величина скорости разливки стали сифоном обычно находится в пределах 0,15—0,7 м/мин. Прибыльную часть слитка, как и при разливке сверху, наполняют замедленно. Длительность наполнения тела слитков массой от 1 до 13 т изменяется в пределах от 1,5 до 9 мин.
После окончания разливки слитка спокойной стали поверхность металла в прибыльной надставке засыпают экзотермическим или теплоизолирующими смесями. Состав с изложницами с затвердевающими в них слитками выдерживают в разливочном пролете без движения от 30 мин до 2 ч (в зависимости от марки стали и массы слитка). Необходимость длительной выдержки до начала транспортировки вызывается тем, что при сотрясении кристаллизующегося слитка резко усиливается внеосевая (зональная) ликвация.
Защита металла в изложнице от окисления
Для предотвращения образования и заворота корки при сифонной разливке спокойной стали, а иногда и при разливке сверху применяют следующие способы защиты поверхности металла в изложнице от окисления и охлаждения.
Разливка под слоем жидкого шлака. На поверхности поднимающегося в изложнице металла создают слой жидкого шлака, который защищает сталь от окисления и охлаждения, что исключает образование окисленной корочки. Шлак также поглощает частицы окислов, всплывающие из металла. Помимо этого, в результате прилипания шлака к стенкам изложницы между ними и поднимающимся металлом остается тонкая (1—3 мм) шлаковая прослойка, что обеспечивает получение чистой поверхности слитка. В последующем шлаковая рубашка легко отделяется от затвердевшего слитка. Улучшение поверхности слитка существенно снижает отходы металла при зачистке поверхности слитка и прокатанной заготовки. При этом отпадает необходимость в смазке стенок изложницы каменноугольной смолой или лаком. Наличие слоя шлака на зеркале жидкого металла позволяет снизить потери тепла излучением. После окончания разливки жидкий шлак служит изолирующей и утепляющей прибыль средой, что приводит к улучшению макроструктуры слитка.
Способы наведения шлака:
1. Шлак, заливаемый в изложницу. Шлак выплавляют в специальной шлакоплавильной печи и заливают в изложницу после подъема металла на высоту 150—200 мм; расход шлака составляет 5—10 кг/т стали. Обычно применяют шлаки системы Si02—CaF2—CaO—А1203 с высоким содержанием Si02 (30 — 40 %) и CaF2 (30—45 %). Иногда в состав шлаков вводят Na2O, MgO, ТiO2.
Вследствие сложности в высокой стоимости этот способ применяют лишь при разливке высоколегированных сталей, содержащих легкоокисляющиеся элементы.
2. Шлак, образуемый экзотермическими смесями и брикетами. Экзотермические смеси вводят в изложницу в бумажных мешках или в виде брикетов до начала разливки; сгорая и расплавляясь они образуют жидкий шлак.
В состав экзотермических смесей входят окисляющиеся компоненты (порошок алюминия, магния, силикокальция, сплава алюминий—магний), окислители (натриевая селитра Na2NO3, марганцевая руда) и наполнители или шлакообразующие (жидкое стекло, плавиковый шпат, печной шлак и др.). Горючие компоненты смеси окисляются за счет кислорода окислителей с выделением тепла, которое обеспечивает шлакообразование. Наполнители обеспечивают получение шлака нужного состава (достаточно легкоплавкого и жидкоподвижного) и, кроме того, замедляют горение смеси.
По скорости горения экзотермические смеси разделяют на быстро и медленносгорающие. Первые содержат магний и селитру, и сгорают с образованием шлака в течение 20—40с; вторые, без магния и селитры сгорают и расплавляются за время наполнения изложницы на 1/3 высоты. Брикеты сгорают полностью лишь в конце наполнения изложницы.
Состав одной из быстросгорагощих смесей, %: порошок сплава алюминий—магний 6, алюминиевый порошок 11, натриевая селитра 10, марганцевая руда 20, плавиковый шпат 23, силикатная глыба 20, доменный шлак 10. Состав брикетов одного из отечественных заводов, %: алюминиевый порошок 5; силико кальций 20; плавиковый шпат 20; марганцевая руда 17; силикатная глыба 23; жидкое стекло 15.
Расход смесей и брикетов составляет 2,5—6 кг/т стали. Вследствие дороговизны их используют при разливке легированных и высококачественных сталей.
Разливка под теплоизолирующими смесями и материалами. При разливке углеродистых и низколегированных сталей, не содержащих легкоокисляющихся элементов применяют более дешевые, чем экзотермические смеси материалы —малотеплопроводные неплавящиеся и частично плавящиеся. К первым относятся диски и плиты, получаемые прессованием из слюды, асбестита, графито-опилочной смеси и др. Диски во время заполнения изложницы плавают на поверхности поднимающегося металла.
Более широкое применение нашли частично плавящиеся смеси: зольно-графитовая, перлито-графитовая и вермикулито-графитобая, содержащие 12—30 % графита, а также чистый вермикулит (минерал типа гидрослюд). Зольно-графитовая смесь содержит золу тепловых электростанций, основу которой составляют SiO2 и А12О3.
Вермикулит и перлит — природные минералы; обожженный вермикулит содержит, %: 35—40 SiO2; 13—20 А1аО3; 5—20 Ре2О3; 15—27 MgO; 0,8—3,5 СаО; состав обожженного перлита, %: 72—76 SiO2; 13—15 Al2O3 3—9 (К2О + NaaO), остальное окислы железа и СаО.
Смеси или вермикулит загружают на дно несмазанных изложниц в бумажных мешках. При соприкосновении с жидким металлом смесь подплавляется и образует вязкий шлак, не налипающий на стенки изложницы; верхняя нерасплавившаяся часть смеси выполняет роль теплоизолятора. Графит в смесях предотвращает их спекание и налипание на стенки изложницы.
Расход зольно-графитовой смеси составляет 2—3,5, перлито- и вермикулито-графитовых 1,0—1,5, вермикулита 1,5—2,5 кг на 1 т стали.
Защита струи металла аргоном. На центровую устанавливают специальное кольцевое устройство, соединяемое с днищем сталеразливочного ковша и охватывающее во время разливки струю металла. В кольцевую полость подают аргон, предохраняющий металл от окисления. Готовая сталь при этом содержит пониженное количество кислорода и неметаллических включений. Из-за сложности способ применяется только при разливке сталей, содержащих легкоокисляющиеся элементы.
Разливка с использованием материалов, создающих в изложнице восстановительную атмосферу. Сюда относят ряд способов, из которых наибольшее применение находят разливка с деревянными рамками и разливка с петролатумом.
1. Разливка с деревянными рамками. Деревянные рамки или диски опускают в изложницу до начала разливки. В дальнейшем они сгорают, плавая на поверхности поднимающегося металла. Продукты сгорания дерева создают в изложнице восстановительную атмосферу, что способствует получению более чистой поверхности слитка.
Недостаток способа —быстрое сгорание дерева, заканчивающееся раньше окончания заполнения слитка.
2. Разливка с петролатумом. Петролатум (побочный продукт перерабатки нефти) загружают в количестве 0,2—1,0 кг/т в несмазанную изложницу до начала разливки, а изложницу плотно закрывают крышкой. При соприкосновении с жидким металлом петролатум частично возгоняется, частично сгорает, что создает в изложнице восстановительную атмосферу и предохраняет металл от окисления. Возгоны осаждаются на стенках изложницы, создавая слой смазки, это обеспечивает улучшение поверхности слитка.
Хорошие результаты получены при совместном использовании петролатума и вермикулита, которые загружают в изложницы до начала разливки.
Специальные методы теплоизоляции и обогрева верха слитка
Наряду с применением футерованных прибыльных надставок в сочетании с засыпкой верха слитка теплоизолирующими смесями используют ряд других способов снижения величины головной обрези верха слитков спокойной стали.
1. Применение теплоизоляционных, вкладышей. Вкладыши в виде пластин закрепляют у стенок прибыльной надставки или же в верхней части изложницы вдоль ее стенок, В последнем случае изложницы применяют без прибыльных надставок.
Наиболее часто вкладыши изготовляют из песка с добавкой бумаги, отходов целлюлозного производства, глины и ряда связующих, иногда из асбестита со связующими и др. Обычно вкладыши применяют в сочетании с засыпкой верха слитка экзотермическими смесями.
Благодаря низкой теплопроводности вкладышей охлаждение металла в прибыльной части изложницы происходит медленнее, чем при использовании обычных прибыльных надставок; это уменьшает глубину усадочной раковины в слитке и обрезь металла при прокатке. В последние годы вкладыши применяют все шире, поскольку при относительной дешевизне их использование снижает величину головной обрези на 2—5 %.
2. Применение экзотермических вкладышей. Вкладыши выполняют из экзотермических смесей в виде пластин. Их укрепляют у стенок верхней части изложницы или в прибыльной надставке; иногда прибыльную надставку обмазывают изнутри экзотермической массой. Экзотермические смеси, из которых на связке (жидкое стекло) готовят вкладыши, содержат горючее вещество (алюминий), окислитель (окалину) и нейтральные наполнители (шамот, глину, вермикулит). При контакте с горячим металлом алюминий окисляется за счет кислорода окислителя и при этом выделяется тепло. В результате обогрева уменьшается глубина проникновения в слиток усадочной раковины и снижается головная обрезь на 5—8 %.
Стоимость экзотермических вкладышей сравнительно высока и их применяют лишь при производстве дорогостоящих высококачественных и легированных сталей.
3. Электродуговой обогрев. В прибыльную надставку вводят графитовый электрод, устанавливая его над поверхностью металла. После зажигания дуги на поверхность металла в надставке засыпают шлакообразующую смесь {например из шамота, извести и плавикового шпата). Образующийся шлак повышает устойчивость горения дуги и предохраняет металл от науглероживания материалом электрода. Длительность обогрева слитков от 0;5 до 8 т изменяется в пределах 0,5—2,2 ч. Способ позволяет повысить выход годного на 5—8 % при расходе электроэнергии 15—40 кВт-ч на 1т стали.
4. Газовый обогрев. После наполнения слитка в прибыльную надставку засыпают шлаковую смесь и над поверхностью металла устанавливают газокислородную горелку. Обогрев в течение 15 — 20 мин за счет сжигания природного или коксового газа в кислороде позволяет повысить выход годного металла на 6—8 %. Шлак, получающийся при расплавлении шлаковой смеси в надставке, предохраняет металл от окисления.
5. Электрошлаковая подпитка. Поверхность металла в прибыли покрывают шлаком, состоящим из CaO, CaF2 и А12О3, который обладает электропроводностью, и в то же время большим электросопротивлением. В шлак сверху погружают электрод из стали того же состава, что и отливаемый слиток. При прохождении электрического тока от электрода к металлу через шлак, последний сильно нагревается, электрод плавится и капли металла через шлак поступают в головную часть слитка. Таким образом происходит не только обогрев головной части слитка, по и питание усадки слитка металлом плавящегося электрода. Способ позволяет получать слитки без усадочной раковины и увеличить выход годного металла на 15 % и более.
Осуществить газовый и электродуговой обогрев, а также электрошлаковую подпитку в условиях массового производства сложно и затруднительно. Поэтому их чаще применяют при производстве дорогих высоколегированных сталей, когда это оказывается экономически целесообразным.
Особенности разливки кипящей стали
Кипящую сталь разливают и сифоном, и сверху в уширяющиеся книзу сквозные изложницы. в обоих случаях для предотвращения заплесков металла на стенки изложницы и образования плен на нижней поверхности слитков стопор открывают плавно и нижнюю часть изложницы заполняют медленно. В дальнейшем скорость наполнения изложницы при разливке сверху определяется диаметром стакана сталеразливочного ковша, а при разливке сифоном — сечением каналов сифонного кирпича. При сифонной разливке перегретой стали и при чрезмерной ее окислениости могут происходить выплески металла из центровой. В этом случае в центровую для дополнительного раскисления вводят небольшие количества алюминия. При разливке кипящей стали важным фактором является скорость подъема металла в изложнице, определяющая толщину здоровой корки в слитке. При сифонной разливке эта скорость обычно находится в пределах 0,2—0,6 м/мин, что обеспечивает достаточную толщину здоровой корочки в слитке (15—40 мм). Разливку сверху с целью сокращения ее общей продолжительности вынуждены вести со значительно большими скоростями, в результате чего уменьшается толщина здоровой корочки. Скорость разливки сверху без интенсификаторов кипения обычно составляет 0,5—1,0 м/мин и при скорости около 1,0 м/мин получают здоровую корочку минимально допустимой толщины (8—10 мм). Продолжительность отливки слитков массой 5—20 т при разливке сифоном составляет 5—12, при разливке сверху 2—4 мин.
После окончания наполнения изложницы металл в ней некоторое время кипит, а затем для уменьшения развития химической неоднородности кипение прекращают, применяя механическое или химическое закупоривание слитка. Состав с изложницами выдерживают у разливочной площадки до начала транспортировки не менее 20 мин.
Механическое закупоривание. Кипение в изложнице продолжается до тех пор, пока у ее стенок затвердеет слой металла, достаточный для укладки на него крышки. Толщина этого слоя составляет около 1/6 толщины слитка (60-100мм), а время кипения 7—15 мин. Затем на поверхность металла укладывают массивную металлическую крышку, вызывающую охлаждение и замораживание верха слитка, в результате чего прекращается кипение. Крышки снимают со слитка через 20—30 мин после закупоривания.
Химическое закупоривание. Как показал опыт, механическое закупоривание обеспечивает удовлетворительное качество слитков массой менее 6—8 т. В более крупных слитках из-за длительного кипения (7—15 мин) ликвация развивается столь сильно, что для удаления скоплений вредных примесей требуется существенное увеличение головной обрези при прокатке. Поэтому в последние годы, особенно в связи с увеличением массы отливаемых слитков, вместо механического закупоривания применяют химическое.
При химическом закупоривании для прекращения кипения и ускорения застывания верха слитка в изложницу вводят раскислители. Используют алюминий (гранулированный, жидкий) и иногда ферросилиций (в виде кусков размером 4—30мм), которые дают на поверхность металла через 1—1,5 мин после окончания наполнения изложницы. Лучшие результаты дает применение алюминия, расход которого на закупоривание изменяется в пределах 100—800 г на 1т стали и увеличивается при снижении содержания углерода и марганца в стали. Закупоривание производят присадкой алюминия на зеркало металла непосредственно после окончания заливки изложницы. Алюминий дается в виде дроби или жидким. При недостаточном количестве алюминия верхняя часть слитка получается рослой (выпуклой с прорывами металла), а при избыточном в ней образуется концентрированная усадочная раковина. В обоих случаях возрастает головная обрезь, что нежелательно. Признаком правильно выбранного расхода алюминия служит выпуклая гладкая поверхность слитков без прорывов жидкого металла.
При химическом закупоривании алюминием вследствие уменьшения ликвации головная обрезь крупных слитков кипящей стали составляет 4—8 % вместо 8—13 % при механическом закупоривании.
Применение интенсификаторов кипения. Как показал опыт, уровень окисленности кипящей стали, при ее выплавке существующими методами таков, что ее можно разливать со скоростью подъема металла в изложнице не более 1 м/мин, поскольку при большей скорости толщина здоровой корочки слитка получается недостаточной (<8—10 мм). В последние годы в связи с недостаточной пропускной способностью разливочных отделений сталеплавильных цехов скорости разливки вынуждены увеличивать; в этом случае для увеличения толщины здоровой корочки в изложницу при разливке вводят интенсификаторы кипения — порошкообразные смеси, содержащие окислы железа и способные легко передавать кислород этих окислов жидкой стали. Вследствие увеличения окисленности стали повышается интенсивность ее кипения, что обеспечивает утолщение здоровой корочки.
В состав интенсификаторов кипения входят, %: прокатная окалина 70—85, плавиковый шпат 5—20, кальцинированная сода 0—10, натриевая селитра 0—12, коксик 0—13. Смеси в виде порошка даются на струю с начала заливки изложницы и прекращается их подача за 10—20 с до конца наполнения. Расход смеси составляет 200—850 г на 1 т стали, возрастая при увеличении содержания в ней углерода.
Наличие в смеси легко диссоциирующих или испаряющихся веществ позволяет получить многочисленные пузырьки газов, которые служат зародышами для последующего выделения СО. Добавка плавикового шпата способствует быстрому расплавлению смеси и ее распределению в объеме металла. В ряде случаев при разливке низкоуглеродистой стали в смесь добавляют также порошок графита.
Толщина здоровой корочки для различных марок кипящей стали, отлитой с применением смеси, составляет 10—20 мм. Повышенной загрязненности стали неметаллическими включениями в результате добавки смесей не отмечается.
Применение интенсификатора кипения позволяет получать здоровую корочку достаточной толщины при увеличении скорости разливки до 2,0—2,5 м/мин.
Действенным средством увеличения толщины беспузыристой корочки является обдув струи стали при разливке кислородом. Так, при расходе кислорода в количестве 1,4—1,5 м3/мин удалось увеличить толщину корочки в 9-т слитке кипящей стали на 8—11 мм.
Ускоренная разливка стали может привести к образованию горячих трещин в слитке. С целью предотвращения этого дефекта при скоростной разливке обычно используют ребристые изложницы. В этом случае за счет развитой поверхности охлаждения здоровая корочка нарастает быстрее, а волнистая форма и наличие ребер упрочняют ее. Однако стойкость таких изложниц несколько хуже, а эксплуатация сложнее.
В целом скоростная разливка кипящей стали не только обеспечивает повышение производительности сталеплавильных цехов, но также позволяет снизить температуру стали на 10—15 °С, повысить стойкость сталеразливочных ковшей и, что наиболее существенно, приводит к улучшению поверхности слитка и снижению брака по поверхностным дефектам.
Скоростная разливка. В последние годы на ряде заводов освоена разливка химически закупориваемой и полуспокойной сталей со скоростью наполнения изложниц до 4—5 м/мин. При разливке кипящей стали со столь большой скоростью подъема металла в изложнице пузыри начинают формироваться у самой поверхности слитка, а благодаря быстрому закупориванию они не успевают вырасти до значительных размеров. Получается слиток без здоровой корочки с мелкими подкорковыми пузырями. Тонкий наружный слой металла с пузырями окисляясь при нагреве слитка под прокатку переходит в окалину и поверхность проката получается без дефектов, несмотря на отсутствие здоровой корочки.
Технология разливки полуспокойной стали
Полуспокойную сталь разливают как сифоном, так и сверху в сквозные расширяющиеся книзу или в бутылочные изложницы. Хорошие результаты дает применение скоростной разливки сверху с линейной скоростью подъема металла не менее 1,5 м/мин. В этом случае за счет быстрого роста ферростатического давления возможно подавить или по крайней мере ослабить процесс образования подкорковых пузырей. Если глубина их залегания не превышает 3—4 мм, они удаляются вместе со слоем окалины, образующимся при нагреве слитков, и не ухудшают поверхности проката.
Полуспокойную сталь разливают как в бутылочные, так и в сквозные уширяющиеся книзу изложницы. Последние получили большее распространение как более удобные в эксплуатации. Температура разливки полуспокойной стали зависит от ее марки и способа разливки, однако она обычно несколько ниже, чем для кипящей.
Дефекты стальных слитков
Дефекты или пороки стальных слитков разделяют на естественные или неизбежные, которые возникают при затвердевании и охлаждении слитка, и технологические, которые возникают из-за несовершенства технологии разливки, а также выплавки стали. К числу первых относятся усадочная раковина, осевая рыхлость, химическая и структурная неоднородность, сотовые пузыри, эндогенные неметаллические включения; к числу вторых — трещины, плены, завороты корки, подкорковые пузыри в слитках спокойной стали, «голенища» и рослость слитков кипящей стали, малая толщина в них здоровой корочки и некоторые другие. Часть дефектов рассмотрены при описании строения слитков, наиболее важные из остальных рассматриваются ниже.
Осевая рыхлость. В верхней осевой части слитков спокойной стали обнаруживаются скопления мелких усадочных пустот, называемые осевой рыхлостью или пористостью.
Прокатка металла не всегда обеспечивает заваривание осевых пор, особенно при производстве заготовок крупного сечения вследствие меньшей степени обжатия.
Осевая пористость образуется следующим образом. При кристаллизации слитка осевая зона незатвердевшего металла все время сужается и в отдельных местах происходит срастание кристаллов, растущих с противоположных боков этой зоны. Под сросшимися кристаллами затвердевание идет без доступа жидкого металла сверху из прибыльной части слитка и поэтому в этих местах образуются мелкие усадочные пустоты.
Увеличению осевой рыхлости способствуют понижение температуры разливаемого металла, увеличение массы слитка, наличие в стали элементов, повышающих усадку при затвердевании (в особенности углерода), наличие элементов (хрома, титана), увеличивающих вязкость жидкой стали,
На развитие осевой рыхлости большое влияние оказывает конусность слитка. Чем она больше, тем дольше длится затвердевание вышележащего слоя по сравнению с нижележащим и вследствие этого улучшается питание жидким металлом нижележащих слоев осевой части слитка и уменьшается осевая пористость. Однако обычно конусность слитков ограничивают 2—4 %, так как увеличение конусности, как уже указывалось, затрудняет прокачку слитков.
Улучшение обогрева верхней части слитка приводит к уменьшению осевой пористости.
Заворот корки. Это дефект поверхности слитков, образующийся преимущественно при сифонной разливке вследствие окисления и охлаждения поверхности жидкой стали в изложнице.
Обычно поверхность поднимающегося в изложнице металла покрывается пленкой окислов, образующихся в результате окисления составляющих стали кислородом воздуха. Затвердевающий под пленкой металл образует вместе с ней корку, которая поглощает также всплывающие из жидкой стали неметаллические и шлаковые включения. Если корка пристает к стенкам изложницы, то поднимающийся снизу металл прорывает ее, заворачивает к стенке изложницы и заливает. В месте заворота корки в слитке обнаруживаются скопления неметаллических включений и газовые пузыри, образующиеся в результате взаимодействия окислов корки с содержащимся в стали углеродом. В процессе прокатки в месте заворота корки возникают рванины, поэтому требуется зачистка поверхности проката или поверхности слитков перед прокаткой, что усложняет производство и вызывает дополнительные потери металла.
Интенсивность роста корки и пораженностъ слитка заворотами увеличиваются при низких температуре разливаемой стали и скорости разливки и, в особенности, при наличии в стали легкоокисляющихся элементов (хрома, алюминия, титана). Определенного снижения интенсивности образования корки достигают путем повышения температуры и скорости разливки, однако возможности подобного метода ограничены в связи с повышением при этом вероятности образования продольных трещин. Если регулированием температуры и скорости разливки предотвратить образования корки не удается, то прибегают к специальным мерам защиты поверхности металла в изложнице от окисления (рассмотрено выше: разливка под шлаком, под теплоизолирующими материалами, в восстановительной атмосфере).
Поперечные горячие трещины. Образование наружных поперечных трещин — результат препятствия свободной усадке затвердевающего слитка. Наиболее часто трещины возникают вследствие местного зависания слитка в изложнице.
При наличии выбоин в стенках изложницы или зазора между изложницей и прибыльной надставкой жидкий металл заполняет эти углубления и застывает в них. В дальнейшем полузатвердевший слиток зависает в этом месте, так как его длина уменьшается вследствие усадки стали. Корочка затвердевшего металла может разорваться в месте зависания под действием веса слитка.
Для предупреждения образования этого порока необходимо обеспечивать плотное прилегание прибыльной надставки к изложнице и отбраковывать изложницы с дефектными стенками.
Продольные наружные горячие трещины. Они возникают при разливке перегретой стали и при повышенных скоростях разливки. Их ширина составляет 1—3 мм, длина достигает 1 м и более.
Трещины образуются следующим образом. В результате усадки корки затвердевающего слитка и теплового расширения изложницы между ними образуется зазор. Жидкий металл оказывается как бы в сосуде, стенками которого служит корка затвердевшего металла. Тонкая корка может не выдержать ферростатического давления жидкой стали; ее разрыв в продольном направлении к представляет собой продольную трещину. Вероятность разрыва тем выше, чем выше температура стали и скорость разливки, так как в этих случаях из-за избытка тепла медленнее нарастает толщина корки затвердевшего металла. Обычно продольные трещины образуются по углам слитка.
Склонность к образованию продольных трещин зависит от формы поперечного сечения слитка. Наибольшей склонностью к трещинообразованию обладают слитки круглого сечения, поскольку в этом случае поверхность соприкосновения слитка и изложницы, т. е. поверхность теплоотдачи оказывается наименьшей и поэтому медленнее нарастает толщина корки затвердевающего металла. Наименьшей склонностью к образованию продольных трещин обладают слитки, отливаемые в изложницы прямоугольного сечения с вогнутыми и волнистыми гранями.
Мерами борьбы с образованием продольных горячих трещин Обычно служат: предотвращение перегрева стали, уменьшение скорости разливки, применение изложниц с вогнутыми и волнистыми стенками.
Возможно также образование горячих продольных трещин на грани слитка в результате неправильного центрирования струи металла при разливке сверху. Если струя металла отклоняется от центра изложницы, то она будет размывать корку затвердевающего металла и в месте ее утоньшения образуется трещина.
Продольные холодные наружные трещины. Они образуются в процессе охлаждения затвердевшего слитка на его гранях при температуре ниже 600 °С. Они возникают при слишком быстром охлаждении слитков в результате термических и фазовых напряжений. Для предотвращения их образования следует медленнее проводить охлаждение слитков. Наиболее действенное средство против образования термических трещин — посадка слитков в нагревательные колодцы в горячем состоянии.
Склонность стали к образованию холодных трещин возрастает при ее легировании хромом, марганцем, кремнием, а также при содержании в стали более 0,4 % С.
Плены. Они обычно образуются при разливке сверху и преимущественно в нижней части слитка. В результате удара струи металла о дно изложницы сталь разбрызгивается. Брызги и заплески застывают на стенках изложницы, причем поверхность их окисляется и поэтому они не растворяются в поднимающейся жидкой стали и не свариваются с основной массой слитка, образуя дефект поверхности слитка — плены. Плены не свариваются с металлом и при прокатке, вследствие чего поверхность прокатанных заготовок приходится подвергать зачистке.
Для уменьшения разбрызгивания заполнение изложниц начинают медленно при не полностью открытом стопоре или затворе. С целью уменьшения пленообразования применяют также разливку через промежуточные ковши и воронки. Вследствие малой высоты столба жидкой стали в воронке или ковше уменьшается напор струи и ослабляется удар о дно изложницы и разбрызгивание.
Подкорковые пузыри. В слитках спокойной стали иногда обнаруживаются газовые пузыри, расположенные у поверхности слитка. Причин возникновения этих подкорковых пузырей несколько. Одна из них — излишне толстый слой смазки изложницы. В этом случае смазка не успевает выгореть до подхода жидкого металла и залитая металлом возгоняется. Возгоны задерживаются между кристаллами затвердевающего металла, образуя пузыри. Пузыри образуются и при слишком высоком (>0,5 %) содержании влаги в смазке в результате ее испарения, а также при разливке недостаточно раскисленной стали вследствие образования при ее кристаллизации пузырьков СО. Образуются подкорковые пузыри и в результате разбрызгивания стали при разливке сверху. Приставшие к стенкам капли металла (брызги) окисляются с поверхности. Попав затем в жидкую сталь окислы капель реагируют с углеродом стали, образуя пузырьки СО.
При прокатке слитков в местах расположения пузырей возникают волосовины — мелкие тонкие трещины.
Рослость слитка спокойной стали и внутренние газовые пузыри. Причиной этого дефекта слитков спокойной стали является повышенное содержание в стали водорода. Во время кристаллизации избыточный водород выделяется из раствора и остается между кристаллами в виде пузырей, вызывая увеличение высоты («рост») слитка. Этот дефект характерен для сталей с повышенным содержанием кремния.
Голенище. При чрезмерной окисленности кипящей стали кипение в процессе заполнения изложницы идет очень бурно, пузырьки СО сильно вспенивают металл. После окончания интенсивного кипения (при химическом закупоривании после ввода алюминия) сталь оседает, оставляя на стенках изложницы застывшую корку (голенище).
Рослость слитков кипящей стали. При недостаточной окисленности металла и вялом кипении в слитке остается много пузырей, в результате чего возрастает высота слитка, уменьшается плотность головной части и увеличивается головная обрезь при прокатке.
Непрерывная разливка стали
Способ непрерывной разливки заключается в том, что жидкую сталь заливают в интенсивно охлаждаемую сквозную форму — кристаллизатор. Частично затвердевший слиток непрерывно протягивают через него и дополнительно охлаждают в так называемой зоне вторичного охлаждения. В результате в процессе непрерывной заливки металла и его затвердевания образуется непрерывный слиток, который впоследствии резрезают на заготовки определенной длины. Форма и размеры поперечного сечения слитка определяются внутренними размерами и формой кристаллизатора, и, как правило, меньше поперечных размеров слитка средней массы, отлитого в изложницу. Разливку ведут до израсходования металла в сталеразливочном ковше или же разливают без перерыва металл из нескольких ковшей (разливка методом «плавка на плавку»).
Основные преимущества непрерывной разливки по сравнению с разливкой в изложницы:
1) существенно повышается выход годного металла. Так, для спокойной стали получение слябов или блюмов путем непрерывной разливки вместо разливки в изложницы с последующей прокаткой обеспечивает повышение выхода годного на 10—15 % от массы разливаемой стали. Объясняется это тем, что верхняя часть каждого слитка (13—20 %) идет при прокатке в обрезь из-за наличия усадочной раковины и зоны обогащенной ливкатами, а при непрерывной разливке образуется одна усадочная раковина в конце разливки плавки;
2) непрерывно литые слитки или заготовки прокатывают непосредственно на листовых или сортовых станах. Применение непрерывной разливки стали позволяет исключить из производственного цикла операции по подготовке разливочного состава, стрипперованию слитков, прокатке на обжимных станах. Все это приводит к снижению капитальных затрат, устранению ряда трудоемких операций, сокращению длительности производственного цикла от выпуска стали до получения готового проката. То есть упрощается производство по заводу в целом и улучшаются его технико-экономические показатели, уменьшаются энергетические затраты, потребность в рабочей силе и площадь завода;
3) вследствие малых поперечных размеров слитка и высокой скорости кристаллизации стали ограничивается развитие ликвации, то есть повышается качество металла;
4) создаются широкие возможности для полной механизации и автоматизации разливки, повышения производительности и улучшения условий труда.
Агрегаты для разливки стали этим методом называют машинами непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) или установками непрерывной разливки стали (УНРС).
На МНЛЗ, в зависимости от назначения, отливают заготовки квадратного сечения размером до 350X350 мм, круглые диаметром до 540 мм, слябы толщиной 10—350 мм и шириной до 2600 мм и более сложный сортамент (полые круглые заготовки для производства труб, заготовки двутаврового сечения и др).
Затвердевание непрерывного слитка
В непрерывноотливаемом слитке можно (рис.) выделить два участка активного охлаждения — кристаллизатор и зону вторичного охлаждения (ЗВО).
Примерный тепловой баланс непрерывного слитка представлен на рис (I – кристаллизатор; II – ЗВО; III – охлаждение на воздухе).
Заливаемый в кристаллизатор металл при контакте с его медными водоохлаждаемыми стенками переохлаждается и затвердевает, образуя корку слитка требуемой конфигурации. На расстоянии 200—600 мм от верха кристаллизатора находится зона непосредственного контакта с коркой слитка, где теплоотвод максимальный (1,4—2,3 МВт/м2); ниже вследствие усадки корки между ней и стенками кристаллизатора возникает газовый зазор, резко снижающий теплоотвод (до 0,3—0,6 МВт/м2). В этой зоне вследствие возможной деформации непрочной корки и стенок кристаллизатора могут появляться участки плотного и неплотного контакта, в которых из-за различия в теплоотводе температура и толщина затвердевающей корки будут различаться. Эта неоднородность способствует возникновению дефектов — в местах уменьшенной толщины корки вследствие термических напряжений могут возникать продольные наружные трещины, а в переохлажденных участках плотного контакта — паукообразные или сетчатые поверхностные трещины. Толщина корки на выходе из кристаллизатора должна быть достаточной, чтобы выдержать усилие вытягивания и давление жидкой стали. Эта толщина тем больше, чем больше время пребывания корки кристаллизаторе и обычно составляет 10—25 мм, а температура поверхности слитка на выходе из кристаллизатора 900—1250 °С.
В зоне вторичного охлаждения на поверхность движущегося слитка подают распыленную воду и устанавливают опорные устройства (например, ролики 4, см. рис.), которые предотвращают возможное выпучивание корки слитка под воздействием давления столба жидкой стали. Выбор способа охлаждения в этой зоне базировался на опыте, который показал, что при слишком интенсивной подаче охладителя (например, подаче воды струями) из-за переохлаждения поверхности слитка и возникающих при этом термических напряжений в слитке образуются внутренние и сетчатые поверхностные трещины. Поэтому применяют распыленную воду («мягкое охлаждение»). Расход воды уменьшается по мере отдаления от кристаллизатора; его рассчитывают так, чтобы отводилось тепло, выделяющееся при кристаллизации стали, а температура корки во избежание образования трещин снижалась бы от исходной (900—1250 °С в начале зоны) не более, чем до 800—1000 °С в конце, причем в тем меньшей степени, чем выше склонность стали к трещинообразованию.
В зоне вторичного охлаждения отводится основная часть тепла кристаллизации. В зоне вторичного охлаждения теплоотдача от слитка происходит как излучением, так и на нагрев и испарение воды. На втором участке зоны вторичного охлаждения, где вода непосредственно на слиток не подается, теплоотдача осуществляется на воздухе главным образом путем излучения, а также конвекцией.
Длина зоны вторичного охлаждения составляет 80 — 100 % глубины лунки жидкого металла в слитке.
Структурная и химическая неоднородность непрерывнолитой заготовки
Непрерывным способом разливают преимущественно спокойную сталь, поскольку при разливке кипящей стали не достигается существенного увеличения выхода годного и трудно получить достаточную толщину беспузыристой корки в слитке из-за большой скорости разливки и сложности обеспечения необходимой степени окисленности металла.
Образование структурных зон в непрерывном слитке, как и в слитке, отлитом в изложницу, определяется в основном составом и температурой стали, а также теплофизическими условиями затвердевания. В непрерывном слитке спокойной стали также наблюдаются структурные зоны наружных мелкозернистых, столбчатых и различно ориентированных срединных кристаллов.
Химическая неоднородность в непрерывном слитке развивается в меньшей степени, чем в слитке, отлитом в изложницу. Это справедливо как для дендритной, так и для зональной ликвации. При повышенной скорости кристаллизации разделительная диффузия примеси проходит менее полно и соответственно меньшей сказывается и разница концентрации примеси в осях дендритов и межосных участках.
Так же как и дендритная, зональная ликвация уменьшается с ростом скорости затвердевания. Установлено, что при скорости продвижения фронта затвердевания более 1,8 мм/мин зональная ликвация практически отсутствует. В непрерывном слитке даже большого сечения скорость кристаллизации превышает эту критическую величину, связи с этим в непрерывных слитках отсутствует значительная зональная ликвация.
Например, в осевой зоне непрерывных слитков сечением от 75x500 до 180Х900 мм2 степень положительной ликвации примесей достигала значений, %: для углерода 10—14, для серы 5—42 и для фосфора 10,5—47.
Особенности строения слитка кипящей стали. В отличие от слитка, разлитого в изложницы, непрерывный слиток кипящей стали формируется в условиях более интенсивного охлаждения, быстрого нарастания ферростатического напора, большей глубины жидкой лунки, сравнительно малого поперечного сечения кристаллизатора и его циклического движения и т. п. Эти факторы затрудняют кипение стали.
В непрерывном слитке кипящей стали можно выделить здоровую корочку, зону сотовых пузырей и центральную зону. Здоровая корочка и часть зоны сотовых пузырей формируется еще в кристаллизаторе. Толщина здоровой корочки определяется так же, как и в обычном слитке, интенсивностью и продолжительностью кипения. Она увеличивается с уменьшением скорости разливки и повышением окисленности стали. При скорости разливки около 0,7 м/мин ее толщина может достигать 20—25 мм.
Формирование сотовых пузырей заканчивается в зоне вторичного охлаждения по мере возрастания ферростатического давления. Их протяженность также зависит от условий газовыделения, т. е. окисленности стали и скорости разливки. Общая протяженность здоровой корочки и зоны сотовых пузырей, в стали с 0,17—0,22 % С и при толщине слитка 150—200 мм составляет 35—60 мм.
Центральная зона слитка затвердевает в условиях повышенного ферростатического давления и обычно не содержит пузырей.
В непрерывном слитке кипящей стали химическая неоднородность развита меньше, чем в обычном, но больше, чем в непрерывном слитке спокойной стали. Скопление ликватов — серы, фосфора и углерода — имеет место в конце зоны сотовых пузырей и в центральном объеме слитка. В слитке шириной 250—300 мм ликвация достигала, %: 30—180 для серы, 20—30 для фосфора и 15—60 для углерода.
Основные узлы МНЛЗ
Промежуточный ковш, снабженный одним (или несколькими) стаканом со стопором, обеспечивает постоянный по ходу разливки и небольшой напор струи металла, поступающего в кристаллизатор (за счет поддержания в ковше постоянного уровня металла высотой 0,6—1,2 м), регулирование стопором скорости подачи металла в кристаллизатор, подачу металла в несколько кристаллизаторов на многоручьевых МНЛЗ, разливку по методу «плавка на плавку» (запас металла в промежуточном ковше позволяет продолжать разливку в периоды, когда опорожненный сталеразливочный ковш заменяют новым). Для снижения теплопотерь ковши накрывают футерованными крышками, а до начала разливки футеровку прогревают до температуры 900—1100 "С.
Кристаллизатор – медная полая водоохлаждаемая форма, в которой формируется профиль НЛЗ. Должен обеспечить быстрое формирование достаточно толстой и прочной корки слитка без дефектов. Для обеспечения интенсивного теплоотвода стенки кристаллизаторов делают водоохлаждаемыми, а внутреннюю их часть, соприкасающуюся с жидким металлом, выполняют из высокотеплопроводной меди.
Внутренняя стенка кристаллизатора работает в тяжелых условиях (контакт с высокотемпературным расплавом, истирающее действие слитка, воздействие ферростатического давления и т. д.). С целью повышения температуры разупрочнения медь иногда легируют хромом или серебром, а для повышения износостойкости на рабочую поверхность наносят тонкий слой стойких к истиранию материалов. Охлаждение кристаллизатора производится очищенной водой. Во избежание выпадения в каналах нерастворимого осадка вода не должна нагреваться выше 40 °С, а чтобы обеспечить интенсивный теплоотвод, скорость потока воды должна быть равной 5—10 м/с. Расход воды составляет около 90 м3/ч на 1 м периметра полости кристаллизатора.
На МНЛЗ применяют кристаллизаторы трех типов: сборные, блочные и гильзовые. Наиболее широкое распространение получили сборные кристаллизаторы, состоящие из четырех медных рабочих стенок, каждая из которых крепится шпильками к жесткой стальной плите (рис.). Рабочие стенки выполняют из толстых (50—70 мм) медных пластин (при малой толщине (10—20 мм) происходит их коробление, приводящее к образованию продольных трещин в корке слитка). Стойкость кристаллизаторов составляет 100—150 большегрузных плавок.
Блочные кристаллизаторы изготавливают из сплошной медной заготовки, гильзовые — из медных цельнотянутых труб. Те и другие используют при отливке слитков небольшого сечения и прямолинейной формы.
Качество слитка в значительной степени определяется прочностью первичной корочки. При слабой корочке возможен ее разрыв в результате трения о стенки кристаллизатора при вытягивании слитка или выпучивание в зоне вторичного охлаждения. Обычно ее толщина на выходе из кристаллизатора составляет 15—25 мм. Увеличение толщины корочки может быть достигнуто уменьшением скорости вытягивания или увеличением высоты кристаллизатора. Однако в первом случае снижается производительность установки, а во втором увеличивается трение между слитком и стенками кристаллизатора, а также возрастает опасность коробления кристаллизатора. В зависимости от сечения заготовки длина кристаллизатора составляет 700—1100 мм. Чтобы слиток более длительное время соприкасался со стенками кристаллизатора, внутренний профиль кристаллизатора иногда выполняют с обратной конусностью (т. е. нижнее сечение несколько меньше верхнего).
Для уменьшения трения (и вторичного окисления в кристаллизаторе) между слитком и стенками кристаллизатора между ними подается смазка в виде разнообразных масел или парафина, либо подаются шлаковые смеси.
Опыт эксплуатации МНЛЗ показали, что в результате прилипания корочки слитка к стенке кристаллизатора, а также вследствие коробления возможно зависание слитка в кристаллизаторе. При этом образуются разрывы корочки, что не только ухудшает поверхность слитка, но и может быть причиной аварии при разливке. Чтобы предотвратить зависание слитка, облегчить попадание смазки между слитком и стенкой кристаллизатора, а главное, обеспечить сваривание (залечивание) разрывов корочки, кристаллизатору сообщается возвратно-поступательное движение с помощью механизма качания кристаллизатора.
Механизм качания кристаллизатора сообщает ему возвратно-поступательное движение с целью предотвращения разрывов и зависания корки слитка на стенках кристаллизатора. Вращаемые электродвигателями эксцентрики или кулачки через систему рычагов обеспечивают качание рамы, на которую устанавливают кристаллизатор.
Скорость перемещения кристаллизатора вверх и вниз изменяется в следующей последовательности: вниз он опускается со скоростью движения слитка, а вверх — с втрое большей скоростью. Амплитуда качания изменяется в пределах от 1 до 40 мм, частота — от 10 до 600 циклов в минуту.
Затравка предназначена для вытягивания первых метров отливаемого слитка. На вертикальных и горизонтальных машинах затравка представляет собой металлическую штангу, а на машинах с криволинейной осью она выполнена из шарнирно соединенных звеньев. Затравка снабжена головкой, в которой имеется углубление в виде «ласточкиного хвоста» или Г-образной формы (рис.); сечение головки затравки соответствует сечению отливаемого слитка. Перед началом разливки затравку вводят в кристаллизатор и ее головка образует временное дно, а низ затравки находится в тянущих валках. Заливаемый в кристаллизатор металл застывает в углублении головки, обеспечивая сцепление затравки со слитком. При включении тянущих валков затравка начинает двигаться вниз и тянет за собой слиток. После выхода затравки из тянущих валков ее отделяют от слитка.
 |
Затравка в кристаллизаторе перед началом разливки: а — с головкой типа «ласточкин хвост»; б — с Г-образной головкой; 1 — затравка; 2 — головка затравки; 3 — кристаллизатор
Вторичное охлаждение. Длина зоны вторичного охлаждения должна быть примерно равна глубине лунки жидкого металла в движущемся слитке и обычно составляет 80—100 % этой глубины. Вторичное охлаждение наиболее часто выполняют в виде системы форсунок, подающих на поверхность слитка распыленную воду. Применяют форсунки, распыливающие воду за счет давления, и форсунки с распылением воды сжатым воздухом. Вторая конструкция обеспечивает распыление до более мелких капель, что повышает равномерность охлаждения.
Форсунки располагают между опорными роликами (рис.) или брусьями в один, два или три ряда вдоль направления движения слитка в зависимости от его ширины. При отливке плоских слитков охлаждают широкие грани; у узких граней форсунки устанавливают лишь под кристаллизатором.
Секция вторичного охлаждения криволинейной МНЛЗ;
1 — слиток: 2 — опорный ролик; 3 — форсунка: 4 — трубчатый коллектор; 5 — задвижка
Интенсивность охлаждения должна уменьшаться по мере удаления слитка от кристаллизатора. С тем, чтобы обеспечить постепенное снижение расхода воды, зону вторичного охлаждения делят по длине на несколько (до восьми) секций, объединяющих группу форсунок и имеющих самостоятельный подвод воды.
Интенсивность вторичного охлаждения зависит от свойств разливаемой стали (склонности к образованию трещин) и от скорости разливки, при росте которой интенсивность подачи воды увеличивают. При чрезмерной интенсивности вторичного охлаждения из-за переохлаждения поверхности слитка и возникающих при этом термических напряжений в слитке возникают внутренние и сетчатые поверхностные трещины. При слишком малой интенсивности охлаждения недостаточно прочная горячая корка слитка может деформироваться («раздутие» слитка). Общий расход воды на вторичное охлаждение при разливке спокойной стали составляет 0,4—1,0 м3/т при скорости вытягивания крупных слитков 1,0—1,4 м/мин. Протяженность зоны непосредственного охлаждения подачей воды на слиток может составлять до 10—12 м.
В зоне вторичного охлаждения на корочку слитка действует ферростатическое давление столба жидкого металла, в результате чего возможно раздутие (выпучивание) по граням слитка. Для предотвращения этого в зоне вторичного охлаждения устанавливают рамы с поддерживающими роликами.
В машинах для отливки слитков квадратного или близкого к квадрату прямоугольного сечения опорные устройства расположены со всех четырех сторон слитка; при отливке плоских слитков — вдоль двух широких граней слитка. У узких торцевых граней ролики имеются лишь вблизи кристаллизатора. Для удобства замены при ремонтах группы соседних верхних и нижних роликов объединены в отдельные секции, где в общем каркасе смонтировано от 2 до 7 пар роликов. Ролики, расположенные вблизи кристаллизатора обычно являются неприводными, на участке с постоянным радиусом кривизны лишь некоторые ролики соединены с приводом, а на участке разгибания и выпрямления все или почти все ролики приводные. В связи с тем, что по мере увеличения толщины затвердевающей корки жесткость слитка возрастает, диаметр роликов по мере отдаления от кристаллизатора увеличивается. Так при отливке слитков толщиной 300 мм диаметр роликов от 150—200 мм у кристаллизатора возрастает до 480—600 мм на горизонтальном участке.
Устройство для резки слитка на куски определенной длины (заготовки) представляет собой газорезку и реже гидравлические ножницы. Газорезка — это подвижная тележка, снабженная газокислородными резаками, которые при резке перемещаются поперек слитка, а сама газорезка при этом движется вместе со слитком. После окончания резки газорезка возвращается в исходное положение, после чего цикл повторяется. Недостатком газовой резки являются потери металла, превращающегося в месте резки в окалину.
Оборудование для быстрой смены ковшей. Современные МНЛЗ оборудуют поворотными и иногда передвижными стендами, которые удерживают во время разливки сталеразливочный ковш над промежуточным и обеспечивают быструю замену ковшей при разливке методом «плавка на плавку». Поворотный стенд (рис.) имеет располагаемую на основании 1 поворотную платформу 2, на которую через ось 6 опирается консоль 7. В подвесках 4 консоли можно установить два ковша; вертикальное перемещение ковша достигают качанием консоли, при этом тяга 3 обеспечивает плоскопараллельное движение подвесок и ковшей.
Технология разливки МНЛЗ
В связи с дополнительным охлаждением в промежуточном ковше температура металла, разливаемого на МНЛЗ, должна быть на 20— 40 °С выше температуры металла при сифонной разливке в изложницы (90-120 С).
После окончания разливки предыдущей плавки (или серии плавок при разливке методом «плавка на плавку») МНЛЗ готовят к следующей разливке. В эту подготовку входят следующие операции: выведение из машины конца отливавшегося слитка; проверка стенок кристаллизатора и его положения относительно оси МНЛЗ; проверка форсунок вторичного охлаждения и расстояния между роликами и брусьями зоны вторичного охлаждения и тянущих устройств, осмотр прочего оборудования; введение затравки в кристаллизатор и заделка зазора между головкой затравки и кристаллизатором (асбестом, глиной).
Перед началом разливки устанавливают нагретый промежуточный ковш в заданное положение над кристаллизатором, осуществляют подачу воды на кристаллизатор и вторичное охлаждение. Промежуточный ковш наполняют металлом на высоту 0,4—0,6 м и затем, открывая стопор, начинают подавать металл в кристаллизатор. Длительность заполнения кристаллизатора до начала вытягивания слитка должна обеспечить образование достаточно толстой корки затвердевшего металла и ее прочное сцепление с затравкой; для слитков среднего и крупного сечений это время составляет 0,5— 2,0 мин.
По истечении заданного времени при неполностью заполненном кристаллизаторе, включают механизм вытягивания слитка; одновременно автоматически включается механизм качания кристаллизатора. В течение 1—2 мин скорость вытягивания слитка повышают до заданного значения; в дальнейшем ее стараются поддерживать постоянной во избежание образования дефектов в слитке. Скорость разливки подбирают опытным путем, учитывая, что при ее увеличении возрастает производительность установки, но уменьшается толщина корки слитка па выходе из кристаллизатора Скорость разливки зависит от сечения слитка, марки разливаемой стали, состояния оборудования МНЛЗ, обычно понижаясь при увеличении сечения слитка и степени легированности стали. Для слитков толщиной более 150 мм скорость разливки находится в пределах 0,4— 2,0 м/мин, для более мелких слитков достигает 4—8 м/мин,
Металл в кристаллизатор подают либо открытой струей (рис, а), либо «под уровень» с помощью удлиненных составных стаканов, конец которых погружен в металл на глубину 50—100 мм (рис.). Подачу «под уровень» осуществляют вертикальной (рис., б), либо горизонтальными или наклонными струями (рис., в). Разливка под уровень предотвращает окисление и разбрызгивание струи металла и уменьшает его охлаждение, снижает пораженность слитка поверхностными продольными трещинами. Подачу вертикальными струями применяют при отливке слитков, близких по сечению к кругу или квадрату; подачу через погружаемые стаканы с боковыми отверстиями — для плоских слитков.
При разливке без подачи в кристаллизатор шлаковых смесей на его стенки подают смазку, которая уменьшает трение слитка о стенки, способствуя предотвращению зависания и разрывов корки слитка. В качестве смазки часто используют парафин и рапсовое масло, расход парафина составляет 0,2—0,7 кг/т стали. При сгорании смазки создается восстановительная атмосфера, что уменьшает окисление поверхности металла; для зашиты от окисления в кристаллизаторе и вокруг струи создают защитную атмосферу путем подачи аргона, азота, природного газа, пропана.
При разливке через погружаемые стаканы поверхность металла в кристаллизаторе защищают от охлаждения, окисления и возможного образования заворотов окисленной корки шлаковыми покрытиями. В кристаллизатор вводят шлаковые смеси, которые, соприкасаясь с жидким металлом, расплавляются, образуя слой жидкого шлака. Состав смесей отличается разнообразием, в них могут входить CaO, Si02, A1203, Na2O, K2O, СаР2, MgO, иногда 20—30 % порошкообразного графита Смеси должны быть легкоплавкими с температурой плавления 1050—1300 СС. Иногда применяют экзотермические смеси, при сгорании которых формируется жидкий шлак. При разливке со шлаковым покрытием смазку в кристаллизатор не подают; роль смазки выполняет тонкий слой шлака, налипающего на стенки кристаллизатора.
При подаче металла в кристаллизатор нельзя допускать перерывов струи и резкого изменения количества подаваемого металла. Перерыв струи ведет к образованию спаев (поясов) на слитке. Изменение расхода металла вызывает колебания уровня металла в кристаллизаторе и появление ужимин на поверхности слитка.
Конструкции МНЛЗ
Существует несколько типов машин непрерывной разливки, из которых наибольшее распространение получили следующие: вертикальные, криволинейные и радиальные, с изгибом слитка; в последние годы начали сооружать горизонтальные машины. В зависимости от количества одновременно отливаемых слитков машины могут быть одно-, двух- и многоручьевыми.
Вертикальные МНЛЗ
Технологическая ось вертикальной МНЛЗ расположена вертикально. Пример вертикальной МНЛЗ, располагаемой частично в колодце и частично в надземном сооружении, приведен на рисунке. Разливка, кристаллизация и охлаждение НЛЗ проводится по стандартной технологии. Заготовки, после газорезки (6) поступают в корзины кантователя и под действием собственного веса опрокидываются на рольганг, который выводит заготовку из корзины и подает ее на подъемник 8. Заготовка по рольгангу 9 выходит из машины и направляется в прокатные цехи или на склад для удаления дефектов.
Размеры слитков, отливаемых на вертикальных МНЛЗ, колеблются от 50x50 до 300x1850 мм2. Выход годных слитков достигает 95—98 % от жидкого металла.
Основной недостаток вертикальных МНЛЗ — большая высота, обусловленная тем, что затвердевание слитка должно закончиться до его попадания в тянущую клеть и газорезку, а протяженность зоны затвердевания по высоте (глубина лунки жидкого металла) в непрерывно отливаемом слитке очень велика. Современные машины вертикального типа достигают высоты 40—43 м. Их сооружение требует или большого заглубления — до 25—27 м ниже уровня пола цеха, или строительства высоких зданий. И в том и в другом случае с увеличением высоты установки резко возрастают капитальные затраты, усложняются их эксплуатация и технологический процесс разливки. Поэтому одним из недостатков МНЛЗ вертикального типа является ограничение скорости разливки или сечения слитка (при ее росте существенно возрастает глубина лунки жидкого металла, т. е. затвердение может не закончиться до входа слитка в тянущую клеть и зону резки), а значит, и производительности установки. Это, в свою очередь, означает, что на машинах вертикального типа нельзя разливать плавки с большегрузных агрегатов, например конвертеров садкой 300—400 т, разливка которой потребовала бы длительной выдержки металла в ковше.
Стремление снизить высоту привело к созданию машин с расположением технологических узлов по криволинейной оси.
Криволинейные и радиальные МНЛЗ
В машинах этого типа в радиальном кристаллизаторе формируется изогнутый по определенному радиусу слиток. Важнейшим конструктивным параметром радиальной установки является радиус технологической оси. Его величина определяется так, чтобы обеспечить длину пути, достаточную для полного затвердевания слитка к моменту разгибания при заданной линейной скорости вытягивания, и не превысить допустимую степень деформации при разгибании, что могло бы привести к образованию трещин и разрывов на слитке.
Чтобы при последующем разгибании в слитке не образовывались трещины, радиус изгиба должен быть более чем в 25-раз больше толщины слитка. Обычно радиус изгиба выбирают в соответствии с соотношением R = (30-40) а, где а — толщина слитка, м.
В радиальных МНЛЗ на выходе из кристаллизатора слиток движется по дуге с постоянным радиусом. После прохождения нижней точки дуги полностью затвердевший слиток разгибают, переводя его в горизонтальное положение.
В криволинейных машинах слиток вначале движется по дуге, определяемой радиусом кривизны кристаллизатора, а затем еще в зоне вторичного охлаждения радиус кривизны дуги увеличивается, т. е. происходит постепенное разгибание слитка с жидкой сердцевиной с последующим переводом в горизонтальное положение. Рассредоточение деформации имеет целью снизить возникающие при этом в корке слитка напряжения и вероятность возникновения трещин.
Машины конструируют так, что горизонтальное движение слитка осуществляется на уровне пола цеха. На этом же участке производят резку слитка на куски мерной длины. Максимальный радиус существующих МНЛЗ этого типа при отливке слитков толщиной до 350 мм составляет 12 м.
Основные преимущества этих машин по сравнению с вертикальными: меньшая высота, что снижает стоимость сооружения МНЛЗ и здания цеха; возможность повышения скорости разливки, поскольку газорезку можно установить далеко от кристаллизатора и благодаря этому допустимо существенное увеличение глубины лунки жидкого металла в слитке; возможность резки слитка на куски большой длины.
По этим причинам в последние голы почти отказались от сооружения вертикальных МНЛЗ и строят преимущественно криволинейные и радиальные.
 |
МНЛЗ с изгибом слитка
Существуют машины этого типа двух разновидностей. Машины первой разновидности (рис., а) имеют вертикальный кристаллизатор и систему вторичного охлаждения с расположенной за ней тянущей клетью, которые не отличаются от аналогичных устройств машин вертикального типа. Далее движущийся слиток изгибают, переводя в горизонтальное положение. Затем слиток поступает в выпрямляющие валки, за которыми располагают газорезку. Подобные машины применяют при отливке слитков небольшой толщины (<150 мм), поскольку при большей толщине из-за необходимости иметь большой радиус изгиба не достигается заметного снижения высоты по сравнению с вертикальной МНЛЗ.
Машины второй разновидности, называемые иногда вертикально-радиальными, имеют (рис., б) вертикально расположенный кристаллизатор и небольшой по высоте (3 — 4 м) вертикальный участок с опорными роликами, за которыми расположена секция изгибающих роликов, изгибающих полузатвердевший слиток, и далее радиальная роликовая проводка. После прохождения нижней точки дуги слиток попадает в тянуще-правильные валки, которые переводят его в горизонтальное положение и режут на мерные длины.
Установки этого типа применяются реже, чем криволинейные из-за большей высоты. Основное их достоинство — более простые в изготовлении и обслуживании прямолинейный кристаллизатор и верх зоны вторичного охлаждения.
В целом МНЛЗ с криволинейной технологической осью обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с вертикальными: большая скорость разливки и возможность принимать большегрузные плавки; меньшая в 3—4 раза высота установки; возможность получения неограниченного по длине слитка; капитальные затраты на 30—50 % ниже при равной производительности; облегчается обслуживание МНЛЗ, так как основное технологическое оборудование располагается над уровнем пола цеха; при горизонтальной выдаче заготовок возможно осуществление прокатки непосредственно после отливки заготовок.
Недостатки: сложность конструкции криволинейной зоны вторичного охлаждения; необходимость иметь выпрямляющий механизм, а в случае установки с изгибом заготовки и тянуще-изгибающий механизм; трудности в обеспечении равномерного охлаждения слитка по грани большого и малого радиусов в зоне вторичного охлаждения, в результате чего возможно неоднородное строение слитка.
Поэтому при выборе типа машины в условиях высокопроизводительных цехов предпочтение следует отдать радиальным и криволинейным МНЛЗ, а при отливке качественной стали особенно сложного профиля ряд преимуществ сохраняется за вертикальными МНЛЗ.
Установки рассмотренных выше типов трудно, а часто и невозможно разместить в существующих зданиях сталеплавильных цехов. Для отливки непрерывных сортовых заготовок малого сечения и широкого сортамента в цехах с агрегатами малой и средней емкости разработаны и внедряются горизонтальные МНЛЗ.
Горизонтальная МНЛЗ
Технологическая ось машин этого типа расположена горизонтально или наклонена на угол до 15-20° к горизонтали.
Машина имеет следующие основные технологические узлы (рис.): металлоприемник 1 — емкость, футерованную огнеупорным кирпичом; металлопровод 2 — узел, подающий металл в кристаллизатор, состоящий из металлического корпуса и огнеупорного стакана из нитрида бора, карбида кремния и т. п.; кристаллизатор 3 — медный или комбинированный (медь—графит) холодильник, охлаждаемый водой; зону вторичного охлаждения 4 в виде рольгангов; тянущее устройство 5, обеспечивающее периодическое вытягивание слитка; устройство для резки слитка 6.
Сталь из разливочного ковша поступает (рис) в футерованный металлоприемник, жестко соединенный с кристаллизатором посредством огнеупорного стакана.
Зона вторичного охлаждения представляет собой рольганг с системой водяных форсунок. Далее расположен механизм периодического вытягивания слитка. Механизм перемещает слиток вперед на 20—50 мм, затем возвращается назад, после чего цикл повторяется; во время обратного движения механизма слиток остается неподвижным, либо несколько осаживается назад. Число циклов изменяется от 20 до 100 в минуту. Периодическое вытягивание слитка заменяет качание кристаллизатора, используемое на вертикальных и криволинейных машинах для предотвращения зависания и разрывов корки слитка в кристаллизаторе. За механизмом вытягивания расположена газорезка и рольганг с приводными роликами. Горизонтальные МНЛЗ применяют для отливки сортовых слитков небольшого сечения толщиной менее 150—200 мм; скорость разливки достигает 4 м/мин. Основные преимущества горизонтальных машин — малая высота, меньшее количество и масса оборудования и, следовательно, меньшая стоимость их строительства.
Качество непрерывнолитого слитка
Непрерывный слиток благодаря малой толщине и быстрому вследствие этого затвердеванию отличается меньшим развитием химической неоднородности, более равномерным распределением неметаллических включений. От слитков, разливаемых в изложницы, он отличается также более чистой и гладкой поверхностью.
Основные дефекты слитков, получаемых непрерывной разливкой.
Сильно развита в них осевая пористость, что объясняется наличием в кристаллизующемся слитке очень глубокой и узкой лунки жидкого металла. Образование в ней «моста» сросшихся кристаллов может привести к появлению больших по протяженности зон, в которых металл кристаллизуется без доступа жидкой стали сверху, и, следовательно, к появлению пустот. Особенно сильно осевая пористость проявляется в квадратных и круглых слитках; в плоских слитках она развита слабее, так как усадка металла здесь рассредоточена по продольной оси поперечного сечения слитка. Осевая пористость заметно усиливается при увеличении перегрева металла и повышенной скорости разливки, иногда переходя в осевые усадочные пустоты. Заметно выражена в непрерывных слитках осевая ликвация.
Распространенным дефектом являются трещины. Продольные поверхностные трещины на гранях слитка являются результатом усадочных напряжений и образуются при неравномерном прилегании формирующейся корки к стенкам кристаллизатора в местах уменьшенной се толщины, которые возникают из-за снижения теплоотвода там, где корка отходит от стенок (например в результате его деформации или коробления стенок кристаллизатора). Местное уменьшение толщины корки и образование трещин может также происходить вследствие размывания корки струей металла, особенно при его подаче в кристаллизатор вертикальной струей. Вероятность возникновения продольных трещин повышается при перегреве стали и увеличении скорости разливки, при увеличении содержания серы в металле и снижении величины отношения [Mn]/[S], при увеличении ширины плоского слитка и при содержании углерода в нелегированных сталях в пределах 0,18 — 0,25 %. Действенным средством борьбы с этим дефектом является разливка с защитным шлаковым покрытием, поскольку образующаяся между коркой и стенками кристаллизатора тонкая шлаковая прослойка существенно снижает неравномерность теплоотвода .
Поперечные поверхностные трещины (надрывы корки) возникают в кристаллизаторе вследствие усиленного трения при недостаточной смазке стенок и вследствие зависания корки при наличии на стенках кристаллизатора царапин, вмятин. Поперечные трещины в углах слитка могут также образовываться в результате слишком интенсивного вторичного охлаждения.
Сетчатые (паукообразные) поверхностные трещины возникают при неравномерном прилегании корки к стенкам кристаллизатора в местах наиболее сильного охлаждения, т. е. в участках плотного прилегания; они могут возникать также при местном переохлаждении поверхности слитка в зоне вторичного охлаждения.
Внутренние трещины образуются при чрезмерной интенсивности вторичного охлаждения как результат возникающих из-за переохлаждения поверхности слитка термических напряжений, а также при выпучивании слитка вследствие слишком большого расстояния между опорными роликами.
Ужимины (поперечные и продольные углубления на поверхности слитка) возникают в результате резкого изменения напора струи и колебаний уровня металла в кристаллизаторе, при местном размывании корки струей металла и в участках неплотного прилегания корки к стенкам кристаллизатора.
Искажение профиля (ромбичность) слитка возникает при неравномерном охлаждении углов и граней слитка в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения, при перекосах слитка в кристаллизаторе.
Совершенствования техники и технологии непрерывной разливки
С целью повышения качества металла организацию и технологию разливки непрерывно совершенствуют.
На большинстве заводов перед началом разливки сталь в ковше продувают аргоном, что обеспечивает усреднение и постоянство состава и температуры металла в объеме ковша, стабильные условия разливки и свойства слитка по всей его длине. При продувке корректируют также состав металла и снижают его температуру до нужного уровня, поскольку во избежание сильного развития осевой пористости в слитках перегрев стали над точкой плавления должен быть минимальным.
Для предотвращения насыщения стали кислородом защищают струю металла, поступающего в промежуточный ковш, например, с помощью керамических труб, в полость которых подают аргон. С этой же целью на поверхности металла в промежуточном ковше создают защитные шлаковые покрытия, под крышку ковша вдувают аргон или азот.
Разработано и применяется много разновидностей устройств для контроля уровня металла в кристаллизаторе и промежуточном ковше и автоматического поддержания постоянства этого уровня, что позволяет избежать образования ряда дефектов в слитке. Разрабатываются новые составы шлаковых смесей для защиты поверхности металла в кристаллизаторе с целью их удешевления и улучшения технологических свойств (способность выполнять роль смазки и поглощать всплывающие из слитка неметаллические включения, повышение защитных свойств, снижение температуры плавления и др.). Применяют устройства для дозирования подачи смесей в кристаллизатор.
Разработаны устройства для контроля сил трения между слитком и кристаллизатором. Сигнал об усилении трения свидетельствует об ухудшении смазки стенок кристаллизатора, т. е, об ухудшении свойств защитного шлакового слоя и о возможном зависании и разрыве корки слитка.
Широко применяется электромагнитное перемешивание жидкой фазы затвердевающего слитка как в кристаллизаторе, так и в зоне вторичного охлаждения. Специальные индукторы, создающие бегущее магнитное поле и циркуляцию жидкого металла, устанавливают на кристаллизаторе или между опорными устройствами зоны вторичного охлаждения. Создают циркуляцию как в горизонтальной плоскости (вращение потоков вокруг оси слитка), так и в вертикальной (вдоль оси слитка).
Как показал опыт, перемешивание в зоне вторичного охлаждения препятствует росту столбчатых кристаллов, обеспечивая существенное увеличение зоны равноосных кристаллов, т. е. вызывает повышение равномерности и измельчение структуры. Значительно снижается также осевая пористость и осевая ликвация в слитке. В меньшей степени этот эффект достигается при перемешивании в кристаллизаторе.
Электромагнитное перемешивание в кристаллизаторе часто применяют для улучшения чистоты поверхности слитка. При этом создают: потоки вокруг оси слитка, либо потоки, направленные на поверхности металла от стенок кристаллизатора к оси слитка; это предотвращает затягивание шлаковых частиц между стенками кристаллизатора и затвердевающим металлом. Поверхность слитка получается чистой от шлаковых включений.
Разрабатываются системы более рационального распределения подачи воды по высоте и периферии слитка. Применяются устройства для контроля и регулирования зазора между опорными и тянущими роликами по ходу разливки с целью предотвращения образования внутренних трещин в слитке. Существуют устройства аналогичного назначения, работа которых основана на измерении сил давления роликов на слиток. Есть установки, на которых отливаемый слиток подвергают небольшому обжатию (на 3—4 мм при толщине слитка 200—300 мм) на участке, где заканчивается затвердевание; такое обжатие существенно уменьшает осевую пористость.
УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ – литейно-прокатные комплексы (ЛПК)
К установкам этого типа относятся появившиеся в последние годы тонкослябовые установки, которые подразделяются на действительно тонкослябовые с отливкой слябов толщиной -50 мм и установки для отливки слябов промежуточной и средней толщины (до 150 мм), а также двухвалковые и ленточные машины для непосредственной отливки тонкой полосы.
Тонкослябовые установки непрерывной разливки стали (толщиной около 50 мм)
При сооружении этих установок используется принцип совмещенных процессов отливки и прокатки листовых заготовок большой длины, т.е. двух технологий — непрерывного литья заготовки, поперечное сечение которой приближается по параметрам к размерам готового изделия, и непосредственного совмещения процесса разливки с прокаткой тонкой полосы. Схематически это можно представить следующим образом:
Непрерывное литье тонких заготовок - Разделение полосы - Подогрев, выравнивание температуры - Горячая прокатка - Охлаждение, смотка
Тонкослябовые (с толщиной заготовки до 100 мм) МНЛЗ начали сооружать в начале 90-х годов и в настоящее время их количество составляет более 1000 шт.
Процесс совершенствования ЛПК можно разделить на этапы:
- процесс первого поколения;
- процессы полуторного поколения;
- процессы второго поколения;
- установки непрерывной отливки полосы.
Процесс первого поколения CSP (continuous strip production-непрерывное производство полос), разработанный немецкой фирмой Schloeman-Siemas.
Процесс предусматривает литье сляба толщиной 50 мм в кристаллизаторе специального профиля (воронкообразном), прямую подачу сляба в нагревательную печь и в чистовую группу стана горячей прокатки с получением горячекатаного рулона.
Ниже перечислены основные особенности оборудования, а на рисунке показана схема производственного процесса.
Схема расположения оборудования литейно-прокатного агрегата CSP на заводе «Nucor», США
 |
МНЛЗ. Кристаллизатор имеет полость с воронкообразным расширением в центральной части, куда введен погружной разливочный стакан для подачи жидкой стали. В нижней части полость кристаллизатора имеет прямоугольное сечение и толщину 50 мм. Отливаемый сляб в кристаллизаторе деформируется с изменением поперечного профиля от выпуклого до прямоугольного. Эта новая технология позволила отливать слябы толщиной 50 мм. Скорость разливки 4 — 5 м/мин, что в два-три раза превышает показатель прежних слябовых машин.
Для обеспечения прохождения затравки без соприкосновения со стенками выходной конец кристаллизатора можно расширить с 50 почти до 200 мм. Для смены ширины и конусности сляба во время разливки регулируются узкие грани.
Технология CSP предусматривает мягкое обжатие валками полузатвердевшей заготовки непосредственно под кристаллизатором и получение тонкого сляба толщиной <35 мм, что позволяет уменьшить число клетей стана горячей прокатки и создать весьма компактное производство.
Нагревательная печь. Для выравнивания температур по объему сляба и для создания технологического буфера между МНЛЗС и прокатным станом используется туннельная печь, позволяющая проводить обработку в потоке слябов длиной до 45 м.
Процессы полуторного поколения ISP (in line strip production - поточное производство полос), разработка фирмы Mannesmann Demag
Схема процесса показана на рисунке
Расположение основных производственных узлов на линии ISP (Arvedi, Италия)
Технологическая линия очень короткая: ее полная длина от МНЛЗ до подпольной моталки 180 м. На МНЛЗ сталь поступает в кристаллизатор через особоплоский погружной стакан, и сляб толщиной 60 мм уже в кристаллизаторе деформируется, приобретая криволинейную форму. Непосредственно на выходе из кристаллизатора сляб с незатвердевшей сердцевиной подвергается обжатию до толщины 40-45 мм. После полного затвердевания сляба с использованием его теплосодержания осуществляется редуцирование до толщины 15 — 30 мм в обжимном стане, скорость прокатки на котором весьма низкая, поскольку скорость сляба на входе в стан равна скорости разливки (4,0 — 5,0 м/мин) и на стане раскат сильно охлаждается. Поэтому на следующей стадии процесса перед входом в чистовую группу стана расположено нагревательное устройство с индукционными нагревателями. Раскат, подогретый до температуры прокатки, выдерживается в промежуточном перемоточном устройстве с подогревом (печной моталке «Cremona Box»), ожидая подачи в чистовую группу из четырех клетей для прокатки полос толщиной 1,7 мм, используемых в производстве сварных труб.
Параметры процесса должны удерживаться в более узком диапазоне, чем на оборудовании первого поколения, поэтому по эксплуатационным затратам процесс ISP менее выгоден, чем процесс первого поколения.
Но вместе с тем используемая технология разливки-прокатки обеспечивает получение стали с хорошими внутренним строением и с ограниченной сегрегацией примесей.
За счет использования теплосодержания стали и применения индукционного нагрева потребление энергии сокращается на 30% по сравнению с обычным циклом МНЛЗ - прокатка.
К сравнительным достоинствам технологии ISP по сравнению с CSP относятся меньшая установочная длина МНЛЗ, а также возможность дополнительного производства полосы для более толстых листов путем ответвления части потока металла после первой деформации.
Процессы второго поколения (отливка слябов средней и промежуточной толщины) с выпуском горячекатаной полосы толщиной до 1 мм
Схема расположения оборудования на заводе «Trico Steel» представлена на рисунке
Схема расположения оборудования агрегата на заводе «Trico Steel»: I — одноручьевая МНЛЗ, II — обжатие сляба с жидкой сердцевиной, III — ножницы для сляба, IV — туннельная печь, V — эджер (клеть прокатного стана для обжатия прокатываемого металла по боковым поверхностям), VI — однопроходный двухклетьевой обжимной стан, VII — окалиноломатель, VIII — пятиклетьевая чистовая группа
К основным отличительным особенностям МНЛЗ относятся прямоугольный кристаллизатор для литья сляба толщиной до 100 мм и вихретоковый измеритель уровня металла с точностью ±1,5 мм.
Одна из технических особенностей — использование «гибкой» МНЛЗ типа CSR второго поколения, включающая литье, обжатие и прокатку. Этот процесс получил название CPR (Casting-Pressing-Rolling). При этом если стандартная толщина сляба МНЛЗ типа CSP равнялась 50 мм, а расстояние между стенками кристаллизатора на уровне мениска — 170 мм, то на МНЛЗ типа CPR за счет обжатия сляба (максимальная толщина 80 мм) представляется возможным дополнительно увеличить толщину кристаллизатора на величину обжатия. Иначе говоря, сечение в зоне мениска кристаллизатора приближается к характерному для классических слябовых МНЛЗ. Благодаря большим размерам сечения заготовки уменьшаются эрозия стенок, захват шлакообразующей смеси в металл сляба, склонность к образованию поверхностных трещин и т. д.
За счет мягкого обжатия валками полузатвердевшей заготовки непосредственно под кристаллизатором получают сляба толщиной <35 мм, что позволяет уменьшить число клетей стана горячей прокатки и создать весьма компактное производство.
Далее сляб подвергается нагреву в туннельной печи и не имеет холодных участков. Кроме того, в составе оборудования предусмотрено промежуточное перемоточное устройство, обеспечивающее практически одинаковую температуру по длине подката, и все это позволяет прокатывать тонкие полосы высокой точностью размеров и формы.
Другой вариант процесса второго поколения – это совмещение МНЛЗ для слябов средних толщин (от 100 до 125 мм) с одноклетевым станом Стеккеля.
Толщина до 125 мм позволяет исключить из схемы производства обжимной стан, но достаточна для обеспечения хорошего качества поверхности.
Для выравнивания температуры поверхности и сердцевины сляб помещают в нагревательную печь. За 12,5 мин температура сляба выравнивается и достигает 1250 °С. Из-за короткой продолжительности нагрева окалинообразование в печи сведено к минимуму.
Центральным узлом данного ЛПК является современный одноклетевой прокатный стан Стеккеля. На этом стане в реверсивных проходах выполняют как черновую, так и чистовую прокатку. Сразу же после обжатия полосы до толщины примерно 20 — 25 мм ее сматывают на печных моталках, расположенных по обе стороны прокатной клети с целью сохранения температуры полосы. Затем осуществляют реверс полосы. В общей сложности обычно требуются три черновых и шесть чистовых проходов с использованием печных моталок для обжатия сляба толщиной 125 на минимальную готовую толщину 1,5 мм.
Сравнение по разным показателям тонко- и среднеслябовых МНЛЗ (производительность, качество металла, капитальные и эксплуатационные затраты и т.д.) показывает, что ЛПК с МНЛЗ для литья слябов средней толщины обеспечивают минимальные удельные капитальные затраты (по сравнению с тонкослябовыми МНЛЗ и слябами обычной толщины 150 — 300 мм). Это наряду с показателями качества металла позволяет говорить о высокой конкурентоспособности среднеслябовой МНЛЗ.
Установки непрерывной отливки полосы
Патент на прямую отливку полосы с подачей металла в зазор между двумя вращающимися валками получен в 1866 г. Генри Бессемером. Особенно большое внимание прямой отливке полосы стало уделяться в последние 15 лет в Японии, Корее, США, Австралии, Австрии, Канаде, Китае, Франции и Германии. Было создано 45 промышленных, полупромышленных и опытных установок.
В подавляющем большинстве случаев это были роликовые машины той или иной конструкции (рисунок), и только единичные машины предусматривали подачу металла на движущуюся полосу.
 |
Принципиальные схемы валковых установок непрерывной отливки полосы: а — одновалковые с переливом (1), вытягиванием (2) и подачей по желобу жидкого металла (3); б — с двумя валками одинакового диаметра и подачей металла сверху (4), снизу вверх (5), по диагонали (6); в — с двумя валками разного диаметра, их тангенциальным расположением и внешней (7— 9) или внутренней (10) подачей металла
Технология прямой отливки полосы обладает многими преимуществами, но прежде всего она исключает такие операции традиционного процесса, как отливка и зачистка слябов, повторный нагрев и горячая прокатка. В результате значительно сокращаются капитальные вложения, связанные с оборудованием, и уменьшаются примерно на 85% энергозатраты по сравнению с традиционной технологией.
Из всех валковых машин в настоящее время находятся в эксплуатации только двухвалковые машины (рисунок). В этих установках кристаллизатор состоит из двух валков, расположенных непосредственно под промежуточным ковшом и вращающихся в противоположных направлениях. Жидкая сталь поступает в пространство между валками и при контакте с поверхностью валков кристаллизуется, образуя корочки, которые двигаются вместе с поверхностью и выходят из валков в форме листа, толщина которого определяется расстоянием между валками, а ширина — боковыми стенками кристаллизатора.
 |
Схема двухвалковой УНРС: 1 — ковш, 2 — разливочный узел, 3 — погружной стакан, 4 — валки, 5 — уплотнение, 6 — регулятор нагрузки, 7 — направляющий желоб, 8 — приемные валки, 9 — сматыватель
Очень важная проблема — отвод тепла из зоны кристаллизации, скорость потока которого составляет 102 —104 °С/с. Вначале валки изготавливали из стали, затем из меди, сейчас наиболее широко используют сплав меди с хромом, в некоторых случаях с покрытием поверхности валка никелем, что обеспечивает высокую теплопроводность и достаточную механическую прочность инструмента. Для отвода выделяющегося тепла валки охлаждают водой.
Серьезную проблему представляет конструкция боковых стенок, которые должны удерживать жидкую сталь, предотвращая ее прорывы из кристаллизатора, и обеспечивать одинаковую температуру металла около стенок и в средней части кристаллизатора, чтобы исключить деформацию кромок листа. В качестве материала боковых стенок используют нитрид бора или кремния.
Проводятся исследования по удержанию ванны жидкой стали с помощью электромагнитного поля.
Еще одна важная задача — получить лист заданной толщины. Расширение валков при нагреве приводит к уменьшению зазора. Если при отливке сляба толщиной 150 мм изменение ширины на 1 мм несущественно и при горячей прокатке исправимо, то при отливке 2-3мм листа оно недопустимо. Следует, безусловно, избегать образования трещин и морщин на поверхности листа, так как при отливке тонкого листа трещина глубиной 1 мм может оказаться сквозной.
Для предотвращения образования трещин и обеспечения постоянства толщины листа необходимо поддерживать постоянным уровень стали в кристаллизаторе с точностью ±2 мм и не допускать волнения поверхности расплава. Разными фирмами разрабатываются специальные системы подачи жидкой стали в межвалковое пространство с помощью плоского сопла, обеспечивающие равномерное распределение металла по ширине кристаллизатора при постоянной температуре и небольшую скорость поступления металла в зазор между валками.
До промышленной реализации доведен ряд проектов. Один из наиболее масштабных и в наибольшей степени отработанных — Eurostrip. В декабре 1999 года на заводе в Крефельде была разлита первая промышленная плавка массой 36 т с получением листа шириной 1100 мм и толщиной 3 мм. С марта 2000 года на этом заводе устойчиво разливается полный ковш вместимостью 90 т на МНЛЗ, которая имеет следующие характеристики: диаметр валка — 1500 мм, скорость разливки — 60—100м/мин (макс. — 150м/мин). При этом толщина получаемого листа — 1,5—4,5 мм, ширина — 1100 мм, емкость промковша — 16т, производительность — около 400 тыс., т в год.
 |
Схема двухроликовой установки «Eurostrip»: 1 и 2 — сталеразливочный и промежуточный ковши, 3 — ролики, 4 — тянущие ролики, 5 — дисковые ножницы продольной резки полосы, 6 — моталки
Продолжительность непрерывной разливки зависит главным образом от срока службы прижимных боковых плит-уплотнителей (ограничителей жидкой ванны). Последние изготавливают из несмачиваемых сталью композитных материалов. Износ использованных на установке плит составлял 0,5 и 1,3 мм/км полосы при отливке соответственно тонкой (2,8 мм) и толстой (4,2 мм) полос. Максимальный срок соответственно 100 и 129 мин (при разливке 90-т плавки).
Расчетная стойкость никелевого покрытия роликов отвечает разливке 3 — 7 тыс.т стали в зависимости от толщины отливаемой полосы.
Основными поверхностными дефектами литой полосы являются трещины и оксидные пятна. В структуре литой полосы представлены однородные столбчатые дендриты и центральные равноосные кристаллы, характеризующие надежность процесса. Незначительная центральная пористость устраняется при соответствующей горячей прокатке. Механические свойства литой стальной полосы близки к механическим свойствам обычной горячекатаной полосы. После отжига, травления, холодной прокатки и окончательного отжига механические свойства сравнимы с механическими свойствами обычной холоднокатаной стальной полосы.
Технологическая схема получения тонкого листа с применением двухвалковых МНЛЗ позволяет в 8—10 раз снижать затраты энергетических ресурсов, в 40—50 раз сократить потери металла в окалину, в 5—10 раз повысить производительность труда, в 10—20 раз снизить выбросы парниковых газов при существенном уменьшении затрат на капитальное строительство, что обеспечивает экономическую мотивацию в части его дальнейшего развития и совершенствования.
Наряду с двухвалковыми существуют и опытные ленточные МНЛП
Схема ленточной МНЛП приведена на рисунке.
Схема установки для отливки полосы: 1 — печь, 2 — разливочное устройство, 3 — натяжной ролик, 4 — водяная камера, 5 — холодильник, 6 — прокатная клеть, 7 — моталка
По оптимистическим прогнозам многих специалистов процесс прямой отливки будет широко использован для нержавеющей стали через 5—8 и для углеродистой стали через 10—15 лет, что позволит уменьшить себестоимость рядового проката на 20 — 30 долл./т и высококачественного проката на 30 — 60 долл./т.
В России работы по созданию двухвалковых машин и научно-исследовательские работы в этой области проводятся в АХК ВНИИМЕТМАШ имени акад. А.И. Целикова. В этом институте созданы опытные двухвалковые машины, проведен комплекс научно-исследовательских работ по производству полос от 150 от 300 мм из стали разных марок. На этих машинах отработана технология литья ленты как толщиной 0,1 — 0,3 мм с микрокристаллической структурой, так и обычной толщиной 1 —2 мм.