вания металл поступает в сборный желоб, где непрерывно опреде ляется его состав и температура. По данным анализа при сливе металла из желоба в конечный металлоприемник производится до бавка раскислителей и легирующих присадок. Из этого металлоприемника емкостью 100 т готовая сталь поступает в установки непре рывной разливки. После обезуглероживания возможна вакуумная обработка металла.
В нашей стране также уделяется внимание разработке непре рывных сталеплавильных процессов. Однако в целом следует отме-
1 — доменные печи; 2 — миксер; 3 — печи для плавления скрапа; 4 — шахтные печи; 5 — барабаны для десульфурации металла; 6 — металлоприемник для усреднения состава; 7 — печи для дефосфорации металла; 8 — промежуточный металлоприемник для отделения шлака; 9 — агрегаты для обезуглероживания металла; 10 — конечный металлоприемник; 11 — уста новка непрерывной разливки стали
тить, что в настоящее время еще отсутствуют установки непрерыв ного сталеплавильного процесса, хотя предпосылки для их создания уже имеются. Отдельные звенья, включаемые в те или другие непре рывные процессы, достаточно хорошо отработаны: десульфурация, обезуглероживание, вакуумирование, непрерывная разливка и т. д. Стоит задача соединения этих звеньев в одну линию.
Преимущества и перспективы непрерывного процесса. При осуще ствлении непрерывных сталеплавильных процессов можно ожидать следующих преимуществ перед периодическими процессами:
1.Повышение качества металла, так как при проведении раз дельных операций можно создать для них оптимальные условия, что невозможно при одновременном протекании нескольких про цессов, например дефосфорации и обезуглероживания в агрегатах периодического действия.
2.Улучшение условий управления процессом в связи с равно мерным течением отдельных стадий.
3.Улучшение использования побочных продуктов вследствие их непрерывного выделения.
4.Облегчение механизации процессов, так как громоздкое обо рудование при периодическом действии заменяется непрерывно действующими относительно легкими конвертерами, трубопрово дами, системой пневмотранспорта и т. д.
5. Повышение производительности каждого звена процесса, так как создаются оптимальные условия их работы.
6. Повышение производительности труда в связи с возможностью высокой степени механизации и автоматизации отдельных стадий и процесса в целом.
Можно ожидать, что годовое производство линии непрерывного процесса будет составлять не менее 10 млн. т.
В настоящее время благодаря значительным достижениям в ме таллургической, машиностроительной, приборостроительной и в дру гих отраслях промышленности созданы реальные предпосылки для создания непрерывных сталеплавильных процессов в промышлен ных масштабах.
Ч А С Т Ь П Я Т А Я
РАЗЛИВКА
СТАЛИ
Г Л А В А XXVII |
ЗАТВЕРДЕВАНИЕ СТАЛЬНОГО |
СЛИТКА |
1. СТРУКТУРА СТАЛЬНОГО |
СЛИТКА |
Обычно слиток спокойной стали характеризуется наличием не скольких зон (рис. 84).
В большинстве случаев повышение содержания примесей в стали, уменьшающих ее теплопроводность (хром, вольфрам и т. д.), спо собствует развитию крупнокристаллической структуры. В слитках никелевой и хромоникелевой стали столбчатая кристаллизация более развита, чем в слитках хромистой и хромовольфрамовой стали.
Выявление условий уменьшения кристаллической неоднород ности слитка позволит сталеплавильщикам управлять процессом затвердевания слитка, изменить характер кристаллизации в благо приятную для качества стали сторону. В этом направлении неодно кратно изучали воздействие на кристаллизующий слиток встряхи вания, вращения и вибрации. В общем виде влияние вибрационной обработки на металлургические процессы объясняется дегазацией жидкого металла, измельчением содержащихся в нем неметалли ческих включений и зерна в процессе затвердевания.
Другим направлением изменения кристаллической структуры является введение в слиток «холодильников» в виде обрези листов, проволоки или труб, близких по составу к разливаемой стали. Холодильники в количестве не выше 3% от массы слитка, как пра вило, полностью растворяются и обеспечивают получение мелко зернистой структуры.
Эффективность использования холодильников зависит от их правильного распределения по объему слитка, веса и формы. В не которых случаях положительные результаты были получены при введении в жидкую сталь микрохолодильников в виде металлического порошка (около 2% от массы слитка).
Измельчение кристаллической структуры стального слитка в ряде случаев достигается путем присадок в сталь элементов модификато ров, которыми могут быть алюминий, титан, бор, кальций и др. Введение модификаторов изменяет физико-химические свойства по верхности раздела жидкий металл—кристалл в сторону образования мелких кристаллов. Поэтому применение модификаторов позволяет получать мелкокристаллическую структуру.
.<тт
НЕ*
i i,|i.||Wt
аМй
ю
-Э»:!
Рис. 84. Структура стального слит ка:
I — поверхностный слой; 2 — зона столбчатых кристаллов; 3 — зона равноосных кристаллов; 4 — ко нус осаждения; 5 — мост плотного металла; 6 — усадочная раковина
Однако в целом следует отметить, что влияние отдельно взятых факторов на развитие кристаллических зон не однозначно. Это обстоятельство затрудняет теоретическое предвидение образования кристаллической структуры слитка и требует постановки широких комплекс ных исследований по изучению про цессов затвердевания стального слитка.
2.ХИМИЧЕСКАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ
ВСЛИТКЕ
Химическая неоднородность в слитке обычно определяется терминами-си нонимами «ликвация» и «сегрегация».
Впервые на химическую ' неоднород ность стальных слитков обратили внимание А. С. Лавров и Н. В. Кала куцкий в 60-х годах прошлого столе тия.
Сталь является многокомпонентной жидкостью. Затвердевание подобной жидкости происходит в некотором тем пературном интервале. При этом пер вые образующиеся кристаллы содер жат, как правило, меньше примесей, чем последние.
Наибольшую склонность к ликвации из обычных примесей имеют сера, ки слород, углерод и в значительно меньшей^степени марганец и кремний. На распределение примесей между жидкой, и твердой фазами при затвердевании реальных сплавов будут оказывать влияние конвективное движение ме талла, поверхностные свойства приме сей, взаимное влияние примесей на распределение и т. д. Так, в присутст вии никеля и хрома ликвация примесей заметно снижается. Однако количест венно оценить взаимное влияние при месей на развитие химической неодно родности в стальном слитке пока не представляется возможным.
В стальном слитке различают дендритную химическую неодно родность (микроликвацию) и зональную химическую неоднород ность (макроликвацию). Качественно дендритная ликвация серы и фосфора может быть определена по сернистым отпечаткам с отшли фованного темплета слитка (рис. 85).
Места с повышенным содержанием примесей на рис. 85 характе ризуются более темным цветом. Определение дендритной ликвации
Большинство металлургов связывают образование осевой V- образной неоднородности с усадкой металла. С. С. Штейнберг по лагал, что образование рыхлости и скопление примесей в осевой
зоне является продолжением усадочной раковины. В. М. Тагеев |
высказал предположение, что скопление |
примесей в рассматриваемой зоне |
связано |
с местным перераспределением их при уса |
дочных перемещениях |
жидкого |
металла |
в условиях затрудненного питания более |
нагретым металлом. |
|
|
Зона отрицательной ликвации свя |
зана с образованием конуса осаждения, |
когда вниз сползают кристаллы, обра |
зующиеся после прекращения роста столб |
чатых дендритов в основном в момент оста |
новки кристаллизации. Медленный рост |
этих кристаллов в условиях развития |
конвективных потоков |
обеспечивает отно |
|
|
|
|
|
сительно |
низкое |
|
содержание в них ли- |
|
|
|
|
|
квирующих примесей. |
теория |
развития |
|
|
|
|
|
Хотя |
всесторонняя |
|
|
|
|
|
химической неоднородности в слитке спо |
|
|
|
|
|
койной стали в |
настоящее |
время |
|
отсут |
|
|
|
|
|
ствует, |
однако |
|
накопленные |
данные в |
|
|
|
|
|
производственных |
условиях |
и при специ |
|
|
|
|
|
ально проводимых |
исследованиях |
позво |
|
|
|
|
|
ляют наметить |
пути |
уменьшения |
этого |
|
|
|
|
|
порока стального слитка. |
Факторы, |
обес |
|
|
|
|
|
печивающие более длительное пребыва |
|
|
|
|
|
ние металла |
в изложнице |
в |
жидком |
со |
|
|
|
|
|
стоянии, |
будут способствовать |
развитию |
|
|
|
|
|
зональной неоднородности слитка. Такими |
|
|
|
|
|
факторами |
являются |
увеличение |
|
массы |
|
|
|
|
|
слитка, повышенная температура и уско |
|
|
|
|
|
ренная разливка |
стали. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Развитие осевой V-образной ликвации |
|
|
|
|
|
можно уменьшить |
путем |
увеличения |
ко |
Рис. 86. Зональная неоднород |
нусности и поперечного сечения слитка, |
ность |
в слитке |
спокойной |
|
|
|
|
стали: |
поскольку |
подпитывание |
затвердевшего |
I — Л-образная |
(«усы»); 2 — |
металла |
улучшается. |
Для |
уменьшения |
V-образная; |
3 — отрицательная |
Л-образной внеосевой ликвации жела |
|
|
|
|
ликвация |
ния |
слитка |
|
|
тельно, чтобы площадь поперечного сече |
была меньше, а конструкция |
изложницы |
обеспечи |
вала |
достаточно |
быструю |
последовательную кристаллизацию |
от |
низа до верха слитка. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Применение различного рода кристаллизаторов, искусственно |
вводимых |
в |
изложницу, |
интенсифицирует |
|
затвердевание |
слитка |
и уменьшает развитие химической неоднородности.
3.
И ОБРАЗОВАНИЕ ДЕНДРИТНОЙ СТРУКТУРЫ
При кристаллизации чистых веществ, когда на границе кристалл— жидкий металл сохраняются равновесные условия, кристалл должен
|
|
|
|
|
|
расти в |
идеально ограненной форме, присущей данному веществу, |
а в каждой точке кристалла должна со |
храняться периодичность |
кристалличе |
ской решетки. |
Кристаллизация |
же стали |
сопровождается |
образованием |
дендритов, |
представляющих собой пространственную |
решетку |
различных размеров, |
у которой |
от толстого ствола ответвляются ветви |
первого порядка, от них |
в свою очередь |
ветви второго |
порядка, |
затем |
ветви |
третьего |
порядка и т. д. |
(рис. 87). |
Все |
ветви имеют почти правильную ориента цию. Чем менее стесненно растут дендриты, тем большей величины они дости гают. Знаменитый кристалл Чернова, найденный в усадочной раковине 100-т слитка, весит 3,45 кг и имеет высоту 39 см.
Образование дендритной структуры литой стали выявлено впер вые Д. К- Черновым. Он предполагал, что причиной дендритного роста кристаллов являются примеси. Это предположение получило
дальнейшее развитие в работах А. А. Бочвара, Д. Д. Саратовкина, О. А. Есина, П. В. Гельда и др. В предложенной Д. Д. Саратовкиным схеме роль примесей в образовании дендритов сводится к бло кированию грани кристалла и прекращению ее роста, что приводит к выбрасыванию осей нового порядка (рис. 88). При перемещении граней СВ и АВ через некоторое время в положение Сг0 и А х0 (рис. 88, а) возрастает градиент концентрации примесей перед гра нями А 1В 1 и СХВ Ъ а к вершине кристалла по линии ВО градиент концентраций примесей более низкий и имеет минимальное значение
внаправлении роста ребра О. Поэтому кристалл растет в виде иглы
внаправлении ВО (рис. 88, б). На грани образуются выступы и
зубцы, некоторые из них |
начинают |
расти как основная игла |
(рис. 88, в). |
|
|
4. |
ПРОЦЕСС |
КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СЛИТКА |
Образование структурных зон в слитке, т. е. процесс кристалли зации слитка, необходимо рассматривать с позиций последователь ной кристаллизации, предложенной Д. К- Черновым, с учетом совре менных представлений о механизме возникновения и роста кри сталла.
При заливке горячего металла в холодную изложницу находя щийся в контакте с ней слой металла быстро охлаждается, и в нем начинается обильное образование зародышей, которые мешают расти друг другу, и поэтому размер кристаллов в этой зоне неболь шой, и они по-разному ориентированы. Так образуется поверхност ная зона мелких кристаллов.
С увеличением толщины этой зоны, а также в связи с появлением газового зазора между стенкой изложницы и затвердевшим метал лом отвод тепла от затвердевшего металла ухудшается, и интенсив ность образования новых зародышей резко снижается. Часть бла гоприятно ориентированных кристаллов, т. е. кристаллов, ось которых растет в направлении, обратном отводу тепла (перпенди кулярном к поверхности изложницы), получает преимущественное развитие. Кристаллы с плохой ориентацией главных осей относи тельно поверхности отвода тепла будут быстро выклиниваться. Поэтому с увеличением расстояния от стенки изложницы в глубь металла число зерен на единицу площади уменьшается, пока не останутся только благоприятно ориентированные кристаллы, об разующие при своем росте зону столбчатых кристаллов.
Примеси, присутствующие в стали, оказывают двоякое влияние на развитие столбчатой структуры. С одной стороны, как уже отме чалось, именно примеси обеспечивают условия образования хорошо развитых дендритов; с другой стороны, повышение их концентра ции в жидком металле перед фронтом кристаллизации непрерывно снижает температуру начала кристаллизации металла (температуру ликвидуса) и устраняет переохлаждение, без которого невозможно образование дендритов. Поэтому при относительно большей степени ликвации примесей столбчатые кристаллы могут расти лишь до определенного момента, когда значительное снижение температуры ликвидуса не снимет переохлаждение металла перед фронтом дендри тов. Если содержание ликвирующих примесей относительно неболь шое, или по тем или иным причинам затруднена их сегрегация в такой степени, что не наступает заметного снижения температуры ликвидуса, развитие зоны столбчатых кристаллов становится неогра ниченным, и они способны прорасти до оси слитка. Получается так называемая транскристаллическая структура.
Ликвация |
таких примесей, |
как сера, фосфор и др., затруднена |
в присутствии |
хрома, никеля |
и других легирующих элементов. По |
этой причине высокохромистые никельсодержащие стали имеют раз витую транскристаллическую структуру.
Постепенное накопление в нижних частях кристаллизующегося слитка более холодного металла, чем в верхних, уменьшает переохла ждение у растущих граней кристаллов и обеспечивает более раннее прекращение образования зоны столбчатых кристаллов в нижних горизонтах и меньшую ее протяженность в этом месте.
Некоторое отклонение столбчатых кристаллов вверх от перпен дикуляра к стенке изложницы вызваны как расположением вверху теплового центра, так и направленными сверху вниз конвективными потоками металла, обновляющими состав металла перед растущими в глубь слитка осями столбчатых кристаллов.
Скопление примесей перед фронтом растущих столбчатых кри сталлов, снижая температуру ликвидуса металла, способно прекра тить на время процесс кристаллизации, и ветви дендритов в неко торых^ местах оплавятся. Оплавленные вершины столбчатых кри сталлов иногда ясно видны на темплетах слитков. На возможность подобной остановки в процессе кристаллизации указывал в свое время А. Т. Гудцов.
Остановка в процессе кристаллизации соответствует окончанию образования зоны столбчатых кристаллов. Продолжение кристалли зации сопровождается образованием равноосных кристаллов. При этом перед фронтом затвердевшего металла имеются одновременно кристаллы и жидкий металл — так называемая двухфазная область. Ширина этой области постепенно увеличивается при продвижении фронта кристаллизации к центру слитка. Часть кристаллов из двухфазной области может опускаться в нижнюю часть слитка, вследствие разности плотностей жидкого и твердого металла. Этот процесс получает особенное развитие в момент прекращения роста столбчатых кристаллов.
Свободные кристаллы опускаются в нижнюю часть слитка, обра зуя развитую двухфазную область, которая затвердевает отдель ными объемами. Первые свободные кристаллы, появившиеся, повидимому, в начальный момент кристаллизации слитка, в наиболь шей степени обогащены высокотемпературными неметаллическими включениями. Эти кристаллы, скапливаясь в нижней части, образуют конус осаждения. Жидкий металл, находящийся в верхней части слитка, вначале обеспечивает хорошее питание, в разультате чего «конус осаждения» имеет плотную структуру. Объемы металла в цен тральной части слитка выше конуса осаждения, куда опускаются кристаллы, затвердевают периодически по мере накопления в них твердых кристаллов.
В зоне сочленения изложницы с прибыльной надставкой имеется более интенсивный отвод тепла, обусловливающий опережение затвердевания металла в этой зоне по сравнению с расположенными ниже горизонтами слитка. Преимущественное по условиям питания из прибыли положение рассматриваемой зоны приводит к образова нию здесь плотной структуры моста, в то время как нижележащие зоны слитка характеризуются наличием большого количества пор.
22* 339
5. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ СЛИТКА, КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕГОСЯ В ВАКУУМЕ
Отлитые в вакууме слитки кристаллизуются быстрее, чем слитки такого же веса, отлитые на воздухе. Это объясняется большей тепло проводностью вакуумированной стали, так как в ней меньше газов и не образуется микроскопических газовых пузырей, затрудняющих теплоотвод.
Небольшие слитки массой 1—2 т, отлитые из вакуумированной стали, не имеют зоны столбчатых кристаллов, вместо них наблю даются мелкие равноосные кристаллы. Большие слитки массой 4—7 т характеризуются равномерной структурой, со значительно меньшей степенью развития химической неоднородности.
В целом слитки из вакуумированной стали отличаются более плотным строением, с менее резко выраженной осевой рыхлостью, с более мелким кристаллическим строением, чем слитки из обычной стали. Причина улучшения качества слитка из вакуумированной стали заключается в снижении в ней содержания газов и прежде всего водорода.
Г Л А В А X X V I I I
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗЛИВКИ СТАЛИ В и з л о ж н и ц ы
1.СПОСОБЫ РАЗЛИВКИ СТАЛИ В ИЗЛОЖНИЦУ
Внастоящее время жидкую сталь разливают либо по изложни
цам, либо на установках непрерывной разливки. Разливка стали по изложницам осуществляется двумя способами: сверху или сифо ном. При разливке сверху металл поступает в изложницу непосред ственно из сталеразливочного ковша или через промежуточное устройство (воронку, ковш), рис. 89. В случае сифонной разливки (рис. 90) жидкая сталь из сталеразливочного ковша попадает в цен тровую и затем по сифонной проводке снизу поступает в изложницы, установленные на поддоне.
Как показали результаты многих сравнительных исследований, качественные показатели металла (механические свойства, макро структура, содержание неметаллических включений и т. д.), а также величина брака по вине металла в прокатных цехах и на машино строительных заводах практически не зависят от способа разливки.
В то же время разливка сифоном имеет следующие преимущества перед разливкой сверху:
1.Одновременно на одном поддоне можно отливать четыре— шесть слитков массой 3—7 т и большое количество мелких слитков, что позволяет плавки повышенного тоннажа разлить с меньшей об щей продолжительностью.
2.Удобство наблюдения за поверхностью поднимающегося в из ложнице металла и возможность регулирования скорости разливки
