книги из ГПНТБ / Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие

вают как след, оставленный примесями, оторвавшимися от пу­ зырька во время прохождения его в жидком объеме металла. Пред­ полагается также, что пузырек, поднимаясь вверх и Проходя через щетку дендритов двухфазной зоны, ломает их и прокладывает канал, по которому поднимается вверх обогащенный примесями металл

небольшой плотности; одновременно в эти каналы стекает с соседних меж­ кристаллических участков загрязнен­ ный металл.

В связи с малыми размерами пузырь­ ков скорость их подъема мала, и они отклоняются продвигающимся фронтом кристаллов к центру, что, в конечном счете, обеспечивает наклон каждого «уса» к центру.

Осевая V-образная неоднородность располагается в осевой зоне слитка,

ков, отличающихся повышенной пористостью. Большинство метал­

лургов связывают образование осевой неоднородности с усадкой металла.

Зона отрицательной ликвации связана с образованием конуса осаждения, когда вниз сползают кристаллы, образующиеся после

302

Прекращения роста столбчатых дендритов в основном в момент оста­ новки кристаллизации. Медленный рост этих кристаллов в условиях развитых конвективных потоков обеспечивает относительно низкое содержание в них ликвирующих примесей.

Хотя всесторонней теории развития химической неоднородности в слитке спокойной стали к настоящему времени еще не создано, однако накопленные данные, полученные в производственных усло­ виях и при специально проводимых исследованиях, позволяют на­ метить пути уменьшения этого порока стального слитка. Факторы, обусловливающие более длительное пребывание металла в излож­ нице в жидком состоянии, способствуют развитию зональной неод­ нородности слитка, поскольку в расположенные в центральной части слитка объемы конвективными потоками выносятся в большем коли­ честве ликвирующиеся примеси. Такими факторами являются боль­ шой развес слитка, повышенная температура и ускоренная разливка стали, а также использование малотеплопроводных изложниц, на­ пример песчаных форм.

Зависимость степени сегрегации серы, фосфора, углерода, крем­ ния и марганца от массы слитка представлена на рис. 115. При существующей тенденции увеличения массы слитка необходимо учи­ тывать возможности заметного повышения химической неоднород­ ности в этом случае.

Развитие осевой V-образной сегрегации можно уменьшить, уве­ личивая конусность слитка, поскольку подпитывание затвердеваю­ щего металла улучшается и затрудняется местное перераспределение примесей. Для уменьшения Д-образной внеосевой сегрегации жела­

довательную кристаллизацию от низа до верха слитка.

Применение различного рода кристаллизаторов, искусственно вводимых в изложницу, интенсифицирует затвердевание слитка и уменьшает развитие химической неоднородности.

ДЕФЕКТЫ СТАЛЬНОГО СЛИТКА

Т р е щ и н ы. С усадочными явлениями, протекающими при за­ твердевании стального слитка, связано появление в нем наружных и внутренних трещин. Наружные трещины в зависимости от их на­ правления относительно образующей слитка делят на продольные и поперечные. Поперечные трещины появляются в результате нерав­ номерного подвисания слитка в изложнице в процессе его затверде­ вания вследствие затекания металла в трещины и местные углубле­ ния в стенках изложниц, а также в зазор между верхним торцом изложницы и прибыльной надставкой.

Мбры по ликвидации поперечных трещин сводятся к устранению торможения при свободной усадке металла, проводя своевременно ремонт или отбраковку изложниц и обеспечивая плотную хорошо от­ центрированную установку прибыльной надставки на изложницу.

Продольные горячие трещины образуются в результате танген­ циальных напряжений, возникающих из-за неодинаковой деформации

303

различных слоев металла при кристаллизации слитка, а также под действием ферростатического давления жидкого металла на .тонкую твердую корочку слитка толщиной 5—20 мм, образующуюся в пер­ вые 20—40 с.

Сповышением температуры металла, попадающего в изложницу,

искорости разливки, когда тонкая корочка металла сохраняется

дольше и быстрее нарастает ферростатпческое давление металла в изложнице, вероятность появления продольных трещин на слитках возрастает. Поэтому снижение температуры металла и скорости раз­ ливки являются действенными мерами уменьшения развития про­ дольных трещин на слитках. Прочность первоначально образую­ щейся корочки будет тем выше, чем меньше удельная поверхность слитка. Поэтому наиболее предрасположены к образованию продоль­ ных трещин круглые слитки.

Наконец, на склонность слитка к образованию трещин оказывает заметное влияние химический состав стали. Первоначально обра­ зующиеся трещины способны заполняться жидким металлом при достаточно большом интервале его затвердевания (разрыв между ли­ ниями ликвидуса и солидуса). В низкоуглеродистых сталях интервал затвердевания узкий, и поэтому слитки пнзкоуглеродпстой стали более предрасположены к образованию трещин по сравнению со слитками высокоуглероднстой стали. Естественно, что повышенное содержание примесей в стали, снижающих ее пластичность и прежде всего серы и неметаллических включений, также увеличивает обра­ зование трещин на слитках.

При быстром охлаждении или нагреве слитков в случае холодного их посада в нагревательные печи прокатных или кузнечных цехов в слитках могут появляться холодные, чаще всего без выхода на поверхность, трещины. Образование холодных трещин обусловлено развитием термических напряжений, которые, складываясь со струк­ турными напряжениями, превышают предел прочности стали. За­ медленное охлаждение слитков в ямах и печах и соответственно медленный режим нагрева предотвращают образование подобных трещин.

З а в о р о т ы к о р к и . При подъеме металла в изложнице на его зеркале образуется корочка. Чем ниже температура металла, меньше скорость его подъема и чем больше в стали окисляющихся примесей, тем раньше образуется указанная корочка, способная при­ липнуть к поверхности изложницы. Плавучесть корочки обеспечи­ вается скапливающимися под ней газовыми пузырями. Под корочкой также скапливаются всплывающиеся из металла включения. Време­ нами жидкая сталь прорывает корочку обычно на расстоянии 10— 50 мм от стенки изложницы. В результате на поверхности слитка образуются пленки, «завороты корочки», шлаковые включения.

Если корочка входит в прибыльную надставку под некоторым углом к зеркалу металла, то большие участки корочки остаются в слитке и опускаются в нижние горизонты. В слитках и готовом прокате подобная корочка выявляется в виде «светлых корочек», отличающихся от основного металла меньшей травимостью.

304

Наиболее известным практическим приемом ликвидации образоваиия корочки, а следовательно, и дефектов, связанных с ней, яв­ ляется увеличение скорости разливки и температуры металла. Однако в этом случае увеличивается опасность образования на слит­ ках продольных трещин. Поэтому, в конечном счете, оптимальную скорость разливки выбирают так, чтобы обеспечить получение наи­ более качественного слитка с хорошей поверхностно и без продоль­ ных трещин.

Следует иметь в виду, что только подбором оптимальных значе­ ний указанных факторов не всегда решается проблема получения высококачественного слитка. Более действенными являются способы, предусматривающие ликвидацию образования корочки во время разливки или устраняющие возможность ее прилипания к стенке изложниц, или, наконец, препятствующие окислению корочки. Подробно эти способы будут изложены в следующей главе.

П л е н а. Основным поверхностным дефектом слитков при раз­ ливке сверху являются плены, образующиеся вследствие заплески­ вания брызг металла на поверхность изложницы при ударе струи о дно. Окислившиеся брызги металла в дальнейшем не свариваются с основной массой слитка. Разбрызгивание металла возрастает с уве­ личением кинетической энергии струи, которая определяется массо­ вой скоростью истечения металла из ковша и высотой его падения в изложницу. Уменьшение массовой скорости истечения металла, особенно в начале разливки, а также использование промежуточных емкостей (ковшей, воронок), устанавливаемых между сталеразливоч­ ным ковшом и изложницей для снижения ферростатического давле­ ния металла, обеспечивают улучшение поверхности слитков.

П о д к о р к о в ы е п у з ы р и чаще всего встречаются на по­ верхности слитка, лишь изредка располагаясь на глубине 20—30 мм. Основная причина образования подобных пузырей заключается в заливании металлом несгоревшей смазки на поверхности излож­ ницы. Выделяющиеся при испарении смазки газы в этом случае частично остаются в металле, а водяной пар, образующийся при ис­ пользовании недостаточно обезвоженной смазки, окисляет металл и способствует развитию процесса окисления углерода н образую­ щаяся окись углерода становятся дополнительной причиной обра­ зования подкорковых пузырей.

Применение обезвоженной негустой смазки,, наносимой относи­ тельно тонким слоем равномерно на поверхность изложницы, спо­ собствует устранению подкорковых пузырей.

Подкорковые пузыри могут образоваться и при заливании оки­ слившихся брызг или корочки (при сифонной разливке) металла. Окислы железа, покрывающие капельки металла,. прилипшие к по­ верхности изложницы, взаимодействуют с углеродом, растворенным

вжидкой стали. Пузыри окиси углерода частично могут остаться

вподкорковом слое слитка. Поэтому меры, устраняющие разбрыз­ гивание металла и завороты корочки, одновременно способствуют

получению качественного слитка.

2 0 З а к . 824

вии равномерного отвода тепла стенками и дном изложницы и неиз­ меримо меньшего отвода тепла через свободную верхнюю поверх­ ность металла сокращение объема слитка при кристаллизации со­ провождается уменьшением уровня жидкого металла. В итоге обра­ зуется усадочная раковина, глубоко распространенная в тело слитка

(рис. 116, а).

При тепловой изоляции верха слитка футерованной прибыльной надставкой усадочная раковина сосредоточивается в объеме металла,

кристаллизующемся в последнюю очередь, т. е. в прибыльной части слитка (рис. 116, б). На практике используют именно этот способ локализации расположения усадочной раковины в слитке спокой­ ной стали. В предельном случае, когда для сохранения металла в прибыльной части слитка в продолжении всего времени затверде­ вания тела слитка применяют специальные способы обогрева, весь объем жидкого металла в прибыльной части расходуется на ком­ пенсацию усадки, и таким образом обеспечивается максимальный выход годных слитков (рис. 116, в).

При затвердевании жидкая сталь, находящаяся в прибыльной надставке, теряет тепло в трех направлениях: вверх через зеркало металла (5—25%), вниз в тело слитка (3—10%) и через боковую по­ верхность огнеупорной футеровки и корпус (52—75%).

В настоящее время разработаны различные приемы по снижению тепловых потерь через боковую поверхность надставки и зеркало металла.

С н и ж е н и е п о т е р ь т е п л а ч е р е з б о к о в у ю п о ­ в е р х н о с т ь п р и б ы л и. Наиболее широко для футеровки при­

306

быльной надставки используют шамотный кирпич, характеризую щийся достаточной стойкостью, но в то же время отличающийсясравнительно высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Замена обычного шамотного кирпича на легковесный с кажущейся плот­ ностью 1,2—1,3 г/см3, опробованная на Серовском и Златоустовском заводах, позволяет уменьшить объем прибыли и обрезь головной части слитка на 2—3%. Однако стойкость такой футеровки даже с за­ щитной огнеупорной обмазкой толщиной 4—5 мм на слитках разве­ сом 2,7—4,5 т не превышает 20—30 наливов против 50—60 наливов при футеровке, выполненной из обычного шамотного кирпича. При­ менение двухслойной футеровки (изоляционный слой из легковес­ ного кирпича и рабочий из обычного шамотного кирпича) увеличи­ вает стойкость, однако усложняет изготовление надставки. Такую футеровку целесообразно применять только при отливке крупных слитков (более 40 т).

Положительные результаты получены при использовании одно­ разовых теплоизоляционных вкладышей плотностью 0,9—1,2 г/см3, изготовленных из смеси следующего состава: 75% песка, 10% отхо­ дов бумажной промышленности, 5% огнеупорной глины и 10% суль­ фатно-спиртовой барды. Выход годного металла при применении таких вкладышей возрастает на 2—5%.

Более высокий выход годного металла наблюдается при обогреве боковой поверхности прибыли одноразовыми экзотермическими вкла­ дышами и обмазками. Вкладыши готовят одноили многослойными. Последние состоят обычно из экзотермического слоя, прилегающего к металлу, и одного-двух наружных теплоизоляционных слоев. Экзотермический слой готовят на основе наполнителя (шамотный порошок, кварцевый песок и т. д.); 45—55% горючих компонентов (алюминий, ферросилиций, силикокальций); 10—20% окислителей: селитры (0—10%), окалины (20—40%), руды.

При сгорании алюминия, кремния и кальция выделяется такое количество тепла, которое не только компенсирует тепловые по­ тери металла через боковую поверхность, но и нагревает металл в прибыльной части слитка.

Применение экзотермических вкладышей и достаточно хорошее утепление зеркала металла в прибыльной надставке позволяют значительно уменьшить объем прибыли и таким образом на 6—10% увеличить выход годного металла. Однако в связи со сравнительно высокой стоимостью и удельным расходом (15—25 кг/т) экзотер­ мические вкладыши экономически целесообразно применять только при разливке высоколегированных сталей и сплавов.

У т е п л е н и е и о б о г р е в п р и б ы л и с в е р х у . Широ­ кое распространение в практике производства качественной и высо­ кокачественной стали нашли люнкеритные смеси, содержащие 14—28% А1; 5—10% ферросилиция; 20—25% древесного утля; до 20% коксика; 20—30% шамотного порошка и 10—15% боксита. Расход люнкерита в зависимости от его состава и массы слитка уста­ навливают в количестве 1,5—3,0 кг/т. Целесообразно для уменьше­ ния теплопотерь половину люнкерита при сифонной разливке

засыпать после наполнения прибыльной надставки на х/ 2—2/3

высоты.

Использование люнкернта уменьшает скорость снижения темпе­ ратуры металла в прибыльной части слитка в 4 раза по сравнению

соткрытым зеркалом металла.

Впоследние годы все более широкое распространение находят

экзотермические смеси, по составу близкие к экзотермическим вкла­ дышам и обмазкам, однако обычно с меньшим содержанием наполни­ теля. Из-за высокой стоимости алюминия в качестве горючих ком­ понентов преимущественно используют ферросилиций и силикокальций. При выборе состава экзотермических смесей необходимо во всех случаях обеспечивать некоторый избыток горючих над окис­ лителями для предотвращения частичного окисления металла в при­ были и образования в слитке «белых пятен», характеризующихся меньшим содержанием углерода чем основной металл. Например, на Челябинском металлургическом заводе применяли смесь, состоя­ щую из высокопроцентного ферросилиция (70%), селитры (20%)

ишамотного порошка (10%).

Экзотермическую смесь присаживают на поверхность металла

при наполнении прибыли на V2—2/3 ее высоты. При сгорании сме­ сей в количестве 1 кг/т температура металла в прибыли слитка раз­ весом около 1 т возрастает на 15—20° С, что улучшает условия пи­ тания слитка.

Следует иметь в виду, что из-за быстрого сгорания смеси значи­ тельная часть выделяющегося тепла теряется бесполезно. Поэтому целесообразно экзотермическую смесь покрывать слоем теплоизо­ ляционной засыпки, в качестве которой используют шамотный порошок, песок и другие материалы.

Применение экзотермических смесей дает особенно ощутимые результаты при одновременном обогреве боковых поверхностей прибыльной части слитка экзотермическими обмазками и вклады­ шами. При выборе способа использования экзотермических смесей (для засыпки или изготовления вкладышей) необходимо иметь в виду, что эффективность экзотермических смесей при засыпке их сверху составляет всего лишь 10%, а при нанесении их на боковую поверхность надставки 45—50%.

При отливке слитков ответственных сталей, по соображениям экономического характера, достаточно пользоваться теплоизолирую­ щими засыпками, например смесью коксика и шамотного порошка.

Хорошими теплоизолирующими свойствами обладает вермику­ лит, представляющий собой продукт вторичных изменений темных слюд. При нагревании из вермикулита удаляется гидратная влага, что приводит к увеличению его объема в 8—12 раз.

С п е ц и а л ь н ы е с п о с о б ы о б о г р е в а п р и б ы л ь ­ н о й ч а с т и с л и т к а . В жидком состоянии металл в прибыльной надставке можно поддерживать длительное время, вплоть до за­ твердевания тела слитка, прибегая для этого к специальным спосо­ бам обогрева: электродуговому, индукционному и газокислород­ ному.

308

стали в изложницы осуществляют двумя способами: сверху или сифо­ ном. При разливке сверху металл поступает в изложницу 1 непосред­ ственно из сталеразливочного ковша 2 (рис. 117, а) или через проме-

жуточиое устройство 3 (воронку, ковш 117, б). В случае сифонной разливки (рис. 118) жидкая сталь из сталеразлнвочного ковша 1 попадает в центровую 2 и затем по сифонной проводке 3 снизу посту­ пает в изложницы 4, установленные на поддоне 5 (рис. 118).

Исторически сложилось так, что разливка сверху явилась первым способом отливки стальных слитков. В дальнейшем с повышением требований к качеству поверхности слитков, улучшением технологии изготовления огнеупорных изделий и увеличением емкости сталепла­ вильных агрегатов сифонный способ разливки получил широкое рас­ пространение на заводах, где не были установлены мощные обжимные станы и поэтому отливали мелкие слитки.

Как показали результаты неоднократно проведенных сравнитель­ ных исследований, качественные показатели металла (механические свойства, макроструктура, содержание неметаллических включений

310