книги из ГПНТБ / Шнееров, Я. А. Полуспокойная сталь

слитка характеризуется еще более слабым движением жидкости. Вследствие этого сегрегация примесей в слит­ ке полуспокойной стали не получает большого развития и по химической неоднородности такой слиток мало от­ личается от слитка спокойной стали.

Если кристаллизацию слитка полуспокойной стали условно рассматривать как процесс затвердевания жид­ кости, не подвергающейся механическому перемешива­ нию, то процесс увеличения концентрации примеси на границе раздела фаз и соответствующего повышения ее содержания в твердых кристаллах будет продолжаться до тех пор, пока концентрация примеси в образующейся: твердой фазе не достигнет ее содержания в жидком ме талле, поступающем в изложницу [205, 238]. Первый об­

месей; Сь — состав жидкой стали. В этом случае освобо­

вать в жидкий объем и концентрация примеси у поверх­ ности раздела твердой фазы увеличится до новой вели­ чины CL . В результате увеличения концентрации приме­ си у границы раздела фаз повысится ее содержание и в

и увеличивает градиент концентрации. Процесс увеличе­ ния концентрации примеси на границе раздела фаз и со­ ответствующего повышения ее содержания в твердых кристаллах будет продолжаться до тех пор, пока концен­

соответствовать ковшовому составу стали, и значение C'L

станет постоянным: С\ = Сь/Ко- Таким образом, состав твердой фазы в начальный период кристаллизации стали будет изменяться по схеме, приведенной на рис. 49.

Толщину затвердевшего слоя, после образования ко­ торого образуется устойчивая концентрация примеси в жидкости на границе раздела фаз, можно определить по формуле [238]:

X=DI(K0-f),

где D — коэффициент диффузии примеси; /—скорость затвердевания.

Расчетами с использованием данных и зависимостей, приведенных в работах [239, 240], установлено, что при принятых условиях уже после образования затвердевшей корки толщиной 0,6—1,2 мм на границе раздела фаз в результате ликвации достигаются максимальные устойчивые концентрации углерода и кислорода.

Указанные результаты расчетов имеют только каче­ ственное значение, так как при наполнении изложниц металлом в результате меха­ нического перемешивания стали струей эффективный коэффициент распределения примесей (Кэф) будет боль­ ше, чем равновесный (Ко). Кроме того, кислород по ме­ ре увеличения его концент­ рации расходуется на проте­ кание реакций окисления

марганца и кремния. Поэтому максимальная концентра­ ция кислорода на границе раздела фаз в реальных усло­ виях будет ниже, но достигается за меньший, чем уста­ новлено расчетами, промежуток времени.

Таким образом, в результате протекания ликвационных процессов в полуспокойной стали могут создаваться условия для газовыделения практически сразу после со­ прикосновения жидкого металла с изложницей.

При рассмотрении процесса газовыделения во время наполнения изложницы металлом надлежит учитывать влияние двух основных факторов: увеличения концентра­ ции примесей в жидком расплаве двухфазной зоны и воз­ растания ферростатического давления.

Для роста газового пузыря необходимо, чтобы сумма парциальных давлений окиси углерода, водорода и азо­ та в газовом зародыше превышала внешнее давление [241], которое в основном определяется суммой атмос­ ферного и ферростатического давлений:

Рсо + Рн2 + P n 2 > 1 + НУ + 2°1г,

146

Высота столба жидкого металла в процессе наполне­ ния изложницы зависит от скорости разливки:

тем на большей глубине во время наполнения изложни­ цы металлом могут образоваться газовые пузыри и тем больше может быть их размер.

По направлению к головной части слитка величина ферростатического давления уменьшается, в результате чего интенсивность газовыделения увеличивается. Непо­ средственно у головного торца ферростатическое давле­ ние над реакционной зоной практически отсутствует и об­ щее давление лишь незначительно отличается от ат­ мосферного, поэтому в самой верхней части слитка полуспокойной стали обычно всегда имеются сотовые пу­ зыри значительных размеров.

По мере наполнения изложницы металлом условия для газообразования в нижних горизонтах изложницы ухудшаются. Рост пузыря может полностью прекратиться либо вследствие того, что скорость его роста уменьшает­ ся быстрее, чем скорость продвижения фронта кристал­ лизации, и он окажется изолированным от жидкой фазы закристаллизовавшимся металлом, либо в результате то­ го, что ферростатическое давление достигло критиче­ ской величины, когда газовыделение прекращается. По­ этому в каждом конкретном случае размеры пузырей

определяются соотношением скорости кристаллизации, роста пузыря (окисленность и газонасыщенность метал­ ла) и нарастания ферростатического давления (скорость разливки).

При затвердевании верхней части слитка, где ферростатическое давление наименьшее, создаются наиболее благоприятные условия для газовыделения и образова­ ния пузырей. Вследствие этого, металлический «мост» характеризуется большим скоплением вертикально на­ правленных пузырей. В результате роста пузырей, а так­ же действия сил тяжести жидкость из двухфазной зоны в месте образования пузырей «моста» вытесняется, что способствует повышению уровня жидкого металла в слит­ ке, сохранению контакта между затвердевшей коркой дендритов и жидкостью и нарастанию толщины «моста». Вместе с тем развитие усадочных процессов и периоди­

Если давление газовыделения в начальный период ^образования корки на зеркале слитка полуспокойной ста-

.ли выше атмосферного, то корка деформируется и голо­ ва слитка становится выпуклой. При разливке недорас-

.кисленной полуспокойной стали газообразование проис­ ходит более интенсивно и корка, образующаяся на зеркале металла, может прорываться под давлением га­ зов; в этом случае слиток разгерметизируется, и возни­ кает возможность роста сотовых пузырей на боковых гранях не только непосредственно под коркой, но и на го­ ризонтах, расположенных ниже. После прекращения про­ рывов формирование «моста» в слитке полуспокойной стали с недостаточной раскисленностью происхо­ дит примерно так же, как и для нормально раскис-

.ленной.

При перераскислении полуспокойной стали интенсив­ ность газообразования недостаточна для поддержания контакта жидкости с металлической коркой, в результате чего происходит отрыв жидкого металла от нее еще на той стадии затвердевания, когда она не может противо­ стоять атмосферному давлению и поэтому прогибается, (образуя вогнутую поверхность. Получение надежного ме­ таллического «моста» в этом случае не обеспечивается, поэтому обычно не удается избежать образования плохо

248

изолированной от атмосферы сосредоточенной усадочной раковины.

По данным [76], объем сосредоточенной усадочной раковины в слитке полуспокойной стали значительно уменьшается при снижении степени раскисленности ме­ талла. Так, в слитках с повышенной, нормальной и не­ достаточной раскисленностью он составил соответствен­ но 2,5; 2,0 и 0,4% (для спокойной стали 3%).

В крупных слитках нормально раскисленной полуспо­ койной стали сосредоточенная усадочная раковина на­ блюдается значительно реже, чем в мелких слитках. Это, по-видимому, связано с более медленным опусканием уровня жидкого металла в крупных слитках при их за­ твердевании.

Экспериментально установлено (см. гл. 3), что при большой скорости разливки форма головы слитка полу­ спокойной стали может оказываться вогнутой, тогда как при обычной скорости разливки этой же стали она полу­ чается выпуклой. Если при обычной скорости разливки вогнутая голова характеризует перераскисленную сталь и ей обычно сопутствует тонкий «мост» и сосредоточен­ ная усадочная раковина, то при большой скорости раз­ ливки этого не наблюдается.

Толщина слоя затвердевшего металла к концу напол­ нения изложницы тем меньше, чем выше скорость раз­ ливки. Вследствие этого повышение скорости разливки сопровождается увеличением скорости кристаллизации металла после наполнения изложницы, а следовательно, и скорости образования усадочной полости без соответ­ ствующего увеличения интенсивности газовыделения, компенсирующего ее. Интенсивность газовыделения при этом даже несколько снижается из-за меньшего вторич­ ного окисления металла и поэтому несколько более высо­ кого содержания в нем кремния и меньшего содержания кислорода во время разливки с высокой скоростью. Исхо­ дя из этого, можно объяснить вогнутость головы, наблю­ даемую при разливке с большой скоростью нормально раскисленной полуспокойной стали.

Расчеты изменения во времени скорости кристаллиза­ ции стали в изложнице после наполнения ее металлом в зависимости от скорости разливки (рис. 50) показали, что через 5 мин различие в скорости кристаллизации практически исчезает и, следовательно, устанавливается нормальное соотношение между скоростью усадки (опус-

149

кание уровня жидкости металла) и интенсивностью газо­ выделения. В результате толщина и строение «моста» над усадочной раковиной и ее форма не изменяются, не­ смотря на наличие вогнутой поверхности головной части. Этим слиток полуспокойной стали с вогнутой головой, по­ лучаемый при разливке с большой скоростью, отличается от аналогичного слитка, получаемого при разливке с обычной скоростью, где наличие вогнутой головы в слитке характеризует перераскисленную сталь и отстава­

ние газовыделения от про­ цесса усадки на протяже­ нии всего периода кри­ сталлизации слитка.

нения формы поверхности головы — от выпуклой к вогну­

С повышением скорости разливки от 0,5—0,6 до 4— 4,5 м/мин полуспокойной стали с нормальной и особенно недостаточной раскисленностью, ускоряется герметиза­ ция слитка, так как уменьшается продолжительность ис­ крения металла в изложнице, уменьшается количест­ во или вовсе исчезают свищи и наплывы.

Очевидно, этим объясняется некоторое снижение хи­ мической неоднородности слитков полуспокойной ста­

Особый интерес для практики представляет вопрос о га-

150

раковине при охлаждении затвердевшего слитка, несмот­ ря на поступление водорода из металла, снижается вслед­ ствие большего коэффициента объемного сужения газов по сравнению с твердой сталью и становится ниже ат­ мосферного. В связи с этим при получении проницаемого

и нагреве слитков и, следовательно, окисление ее стенок, что может препятствовать свариванию последних при прокатке и привести к возникновению расслоений в про­ кате.

Вначале на строгальном станке была произведена об­ работка ряда слитков нормально (продолжительность искрения металла в изложнице 15—35 с) и недостаточно (продолжительность искрения 60—200 с) раскисленной полуспокойной стали Ст. Зпс. При этом целые слитки за­

ри «моста» и усадочная раковина имели чистые блестя­ щие стенки без следов окисления.

Более детальное исследование показало, что стенки усадочной раковины имеют шершавую неокисленную по-

151

недостаточно раскисленной стали до уровня 30% от вер­

а также на боковых поверхностях в нижней и средней ча­ сти слитков диаметр указанных отверстий не превышал 1 мм. Зондирование отверстий показало, что длина пузы­ рей в нижней и средней части слитка не превышает 10 мм, в верхней части 60 мм, а в зоне «моста» 5 мм. На поверх­ ности слитков № 3 и 4 нормально раскисленной стали от­ верстия от пузырей наблюдались на боковых гранях только до 10% от верха и на верхней торцовой поверх­ ности. Их диаметр не превышал соответственно 1,5 и 0,5 мм, а длина 15 и 3 мм. Боковые поверхности слит­ ков № 5 и 6 полуспокойной стали с повышенной степенью раскисленности были плотными. На их торцовой части наблюдались трещины, а на одном из слитков — отвер­ стие диаметром 30 мм и глубиной до 200 мм, соединяю­ щиеся с усадочной раковиной.

Герметичность усадочной раковины в слитках иссле­ довали при помощи специальной установки (рис. 52).

По продольной оси одной из граней каждого слитка на расстоянии 250—300 мм от верхнего торца были про­ сверлены отверстия диаметром 20 мм, соединявшие по­ лости усадочных раковин с атмосферой. При помощи при­ варенных в месте сверления тройников с манометрами и резиновых трубок в усадочные полости слитков из за­

153

ли от магистрали, герметизировали и выдерживали под наблюдением в течение 5—6 ч. Установлено, что в слит­ ках стали с нормальной и недостаточной раскисленностью потери давления газа не наблюдается, в то время как из полостей слитков перераскислепной стали утечка происходит мгновенно через несплошиости в «мосте».

Кислород

Рис. 52. Схема устройства для определения герметичности усадочной раковины в слитке полуспокойной стали:

Для определения объема усадочных раковин в слит­ ках и дополнительной проверки герметичности «моста» в просверленные отверстия после снятия устройства для подачи кислорода был залит керосин. Установлено, что объем усадочной раковины в слитках нормально и недо­ статочно раскисленной полуспокойной стали составляет 5—7 л, т. е. 0,4—0,6% от объема слитка. Утечки жидко­ сти через торцовую и боковые поверхности головной ча­ сти указанных слитков, окрашенные мелом, не наблюда­ лось. В слитки перераскисленной стали было залито 15— 19 л жидкости, после чего она начинала интенсивно вы­ текать через отверстия в «мосте».

Таким образом, исследования показали, что в слитках полуспокойной стали с нормальной и недостаточной раскисленностью обеспечиваются условия для надежной изо­ ляции усадочной раковины от окислительного воздейст­ вия кислорода атмосферы и печных газов. В свете выше­ изложенного приводимые в работах [242, 243] данные об

154