книги из ГПНТБ / Пауков А.В. Радиоактивные изотопы - помощники металлургов об опыте применения радиоактивных изотопов в металлургии

коэффициента k от донной к головной части слитков ки­ пящей стали.

Методом радиоиндикаторов решен ряд практических вопросов, связанных с затвердеванием металла в излож­ ницах.

На Макеевском металлургическом заводе (В. А. Мачковский и др.) при изучении скорости кристаллизации 7-т слитков спокойной стали с различной футеровкой прибыли (легковесный и обычный шамотный кирпич) на­ шли, что способ футеровки не сказывается на времени затвердевания тела слитка, он влияет лишь на формиро­

изложницы металлом ввели ампулы с изотопом желе- за-59. Состав с изложницами выдали из цеха спустя 69 мин от конца разливки, т. е. раньше окончания за­ твердевания всего металла в изложнице. Радиография показала, что в момент движения изложницы часть при­ месей из осевой зоны слитка (фосфор, сера) перемести­ лась снова к фронту кристаллизации. Это явление приво­ дило к снижению качества слитка (образование ликвационного квадрата). После проведенного опыта излож­ ницы с залитым металлом стали выдерживать в разли­ вочном пролете цеха до полного его затвердевания.

На заводе им. Ильича определение оптимальной вы­ держки слитков спокойной стали в изложницах позво­ лило снизить время выдержки в среднем на 1—2 ч про­ тив ранее установленного.

Авторадиографические исследования кристаллиза­ ции слитка, проведенные на Донецком металлургическом заводе, позволили разработать новый тип изложницы, которая на 200 кг была легче старой и позволила сокра­ тить головную обрезь на 1 %.

Общая годовая экономия от внедрения новой кон­ струкции изложницы превысила 100 тыс. руб.

40

На заводе «Азовсталь» в результате аналогичного ис­ следования изложница Р-8 весом 13 т была заменена облегченной изложницей Р-10 весом 10 т. Завод получил экономию 150 тыс. руб.

В последнее время широкое распространение полу­ чил метод разливки стали (марки спокойные углероди­ стые и низколегированные) в сквозные (без надставок) изложницы, расширяющиеся книзу, с применением для теплоизоляции прибыли плит, состоящих из 85% песка, 5% огнеупорной глины и 10% волокнистой бумаги. При­ менение теплоизоляционных плит улучшает питание те­ ла слитка жидким металлом из прибыли, позволяет снизить головную обрезь до 4—6%. Однако на слитках, отлитых по новой технологий, появляются вторичные усадочные раковины, расположенные примерно на поло­ вине высоты его тела; Поэтому работники ДонНИИчермета изучали особенности формирования слитков при отливке их по новой технологии с помощью радиоинди­

каторов.

Была исследована скорость затвердевания опытных слитков с теплоизоляционными плитами и слитков, от­ литых в глуходонные изложницы с прибыльными над­ ставками. Масса слитков — 8,4 т.

Три порции изотопа фосфора-32 вводили в жидкую сердцевину спустя 10, 30 и 80 мин после окончания на­ полнения изложниц металлом. Было найдено, что в пер­ вые 10 мин металл в прибыли сравнительных слитков затвердевал со'значением /е=0,635 см/мин0’5; в слитке с плитами Л~0,т. е. металл не кристаллизовался. В после­ дующие моменты времени.коэффициент k вплоть до окон­ чания затвердевания металла в прибыли оставался мень­ ше у опытного слитка, чем у обычного.

Внедрение результатов работы дало существенный экономический эффект: только за два года (1970 и 1971) получена экономия по Енакиевскому заводу 210 тыс. руб.,, по Криворожскому — 244 тыс. руб.

41

Для определения способности заваривания при про­ катке вторичных усадочных дефектов на Донецком ме­ таллургическом заводе (Л. И. Крупман, Л. Г. Гольд­ штейн, И. И. Воробьев) использовали изотоп кобаль­ та-60. Опыты были проведены на слитках массой 3,4 т. Сначала с помощью ультразвукового дефектоскопа УЗДС-18 находили зону слитка, пораженную усадочны­ ми дефектами, затем на расстоянии 50-^100 мм выше и ниже уровня расположения дефектов сверлили два отвер­ стия диаметром 15—48 мм на глубину до оси слитка. В отверстия заделывали источники кобальта-60 актив­ ностью по 0,5 милликюри. Металл с изотопами прокатали на квадрат со стороной 135 мм и с помощью радиомет­ рического прибора обнаружили зону готового проката, в которой должны ’быть расположены дефекты слитка. По вырезанным темплетам установили, что в процессе прокатки усадочные дефекты полностью завариваются. Подобное исследование без применения изотопной метки было бы невозможным.

Движение металла в жидкой сердцевине затверде­ вающего слитка

Перемещения металла в слитке определяют форми­ рование его структуры, распределение в нем неметалли­ ческих включений, ликвирующих примесей (сера, фосфор, углерод и др.), растворенных газов, образование усадоч­ ной пористости и другие факторы. В последнее время предпринимаются многочисленные попытки определить расчетом (с использованием вычислительных машин) интенсивность потоков расплава в сердцевине слитка и связать их с процессами его формирования. Поэтому уточнение схемы движения расплава в слитке с помощью радиоактивных изотопов имеет большое практическое и теоретическое значение.

В затвердевающем слитке спокойной стали потоки охлажденного металла у фронта кристаллизации опу-

42

скаются вниз, остальная масса расплава по центру жидкого ядра поднимается вверх. Такая схема движения расплава не вызывает ни у кого сомнений. Остается невыясненным, какая часть расплава по площади сече­ ния слитка опускается вниз, а какая поднимается вверх.

С помощью радиоактивных изотопов интенсивность перемешивания расплава в ядре слитка определяют по нескольким методикам. Если ввести изотоп в жидкое ядро, то он сравнительно быстро распределяется во всем объеме слитка; по результатам такого опыта качественно судят о большой мощности перемешивания расплава. Во

43

самом деле в опытах на слитках массой 8—19 т время между последующими максимумами в 1,5—2 раза боль­ ше или примерно в 1,5 раза меньше времени между двумя предыдущими максимумами активности. Изменение'ве­ личин максимумов активности тоже не согласуется с циркуляционной схемой движения расплава в кристал­ лизующемся слитке. Так, в слитке массой 17 т актив­ ность третьего максимума на 15—17% больше второго; в одном из 19-т слитков все четыре максимума почти одинаковы.

Таким образом, периодичность максимумов на кри­ вых активности, представленная схематично на рис. 9, не является доказательством схемы движения расплава, по­ казанной на рис. 8.(из работы Ю. П. Беляева). Исполь­ зование схемы рис. 8 в расчетах процессов формирова­ ния слитка (это иногда имеет место в литературе) ие может дать полезных, необходимых практике резуль­ татов.

Поэтому приходится обращаться к схеме движения расплава в слитке, предложенной Г. П. Иванцовым и недавно подтвержденной А. В. Вишняковым с соавтора-

44

ми. По этой схеме вдоль фронта кристаллизации узкий поток расплава (ширина меньше 1 мм) опускается свер­ ху вниз; в центре слитка жидкое ядро с очень малой скоростью поднимается снизу вверх или совсем не цир­ кулирует. Такую схему движения расплава в слитке под­ тверждают следующие известные в литературе данные.

Если радиоиндикатор ввести в головную часть слит­ ка в начале кристаллизации стали,, то обнаруживаются две особенности распределения его в объеме затвердев­

шего металла.

Первая: на авторадиограмме, снятой на рентгенов­ скую пленку от темплета слитка, на границе между за­ твердевшим к моменту ввода изотопа металлом и жидкой сердцевиной фиксируется полоса Дх повышенной радио­ активности (рис. 10). Ее появ­ ление можно объяснить тем,

45

топа в нем носят характер типа диффузионного — по­ добно распространению капли чернил в ведре с водой.

На основании данных, полученных с радиоизотопами, обоснованы представления Г. П. Иванцова о движении расплава в слитке. Использование предложенной в ли­ тературе схемы дает плодотворные результаты. Так, например, Е. И. Рабинович и др. рассчитали распределе­ ние оксидов по оси слитка с учетом схемы движения расплава Г. П. Иванцова. Расчетные и опытные данные хорошо совпали.

С помощью радиоиндикаторов показали, что в слитке кипящёй стали характер движения расплава качествен­ но такой же, как и в слитке спокойной стали, т. е. вдоль фронта кристаллизации узкий поток стали опускается в нижнюю часть слитка.

Методом радиоиндикаторов начато изучение характе­ ра потоков стали и их количественных характеристик в слитках и других типов, например, в непрерывном. Пер­ вые результаты работ в этом направлении получены на Донецком металлургическом заводе и опубликованы в литературе.

Распределение и количество инородных неметалличе­ ских включений в слитке

При разливке стали металлурги постоянно ищут пути улучшения качества слитка. Один из путей — разливка стали под различными шлаковыми утепляющими сме­ сями. С помощью радиоиндикаторов эффективно изучили вопросы запутывания шлаковых частиц в объеме метал­ ла (Донецкий металлургический завод при отливке слитков спокойной стали массой 3,6 т).

Шлаковую смесь смешивали с препаратом радиоак­ тивного стронция-89 и помещали на дно изложницы в ■бумажных пакетах. Все слитки отливали сифонным спо­ собом. Были опробованы следующие шлаковые смеси:

46

каменноугольной золы, 20% борной кислоты, 15%

аморфного графита) ; г) экзотермическая смесь (10% алюминиевого порош­

ка, 10% силикокальция, 20% марганцевой руды, 20% плавикового шпата, 20% силикатной глыбы, 5% натрие­ вой селитры, 15% доменного шлака).

Из опытных слитков были вырезаны плиты металла для радиографии на рентгеновскую пленку. Каждое шла­ ковое включение с изотопом стронция-89 давало пятно почернения на рентгеновской пленке. Нашли характер распределения шлаковых частиц на плоскости темплета и изменения содержания их на различных уровнях слит­ ка. В результате проведенных работ нашли, что наи­ большее загрязнение металла шлаковыми частицами дает смесь состава «б», а наименьшее—состава «в» (она внедрена в практику). Смеси составов «а» и «г» дают примерно одинаковое количество включений («я» не­ сколько больше, чем «г») и занимают промежуточное по­ ложение между смесями составов «б» и «в».

С помощью радиоактивных изотопов определили, ка­ кие материалы являются источниками включений стали; нашли количество огнеупорного материала, переходяще­ го в металл; выяснили распределение включений по раз­ личным слиткам стали, отлитых сифонным способом на одном луче и т. д.

ПРОКАТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

В сложном процессе деформации металла при про­ катке и отделке готового профиля радиоиндикаторы по­ зволяют изучить такие вопросы, как течение металла в

47

/

калибрах .валков, налипание стали на поверхность ка­ либров, трансформацию дефектов слитка в дефекты рас­ ката, обезуглероживание поверхности металла во время отжига и т. д. Каждый из перечисленных вопросов в большей или меньшей степени связан с улучшением технико-экономических показателей производства.

Течение металла в калибрах валков

До появления метода радиоиндикаторов для изуче­ ния процесса течения металла в калибрах валков сразупосле заполнения расплавом изложницы в слиток вводи­ ли стальную решетку. После прокатки затвердевшего слитка по расположению прутков решетки на вырезан­ ных пробах раската определяли характер деформации металла при прокатке. Недостаток этого метода в том, что прутки решетки не всегда хорошо сваривались с основным металлом.

Метод изотопов не нарушает сплошности металла при изучении течения его в калибрах валков. Методика эксперимента следующая. В слиток в разные промежут­ ки времени его кристаллизации в изложницу вводят радиоиндикатор — чаще всего фосфор-32. Затвердевший металл слитка подобен слоеному пирогу: наружная кор­ ка не содержит изотопа, далее — слой с небольшой кон­ центрацией изотопа, следующий слой — с большей кон­ центрацией изотопа и т. д. Обычно вводят в слиток 1—3 добавки изотопа. После прокатки на стане от раска­ та отбирают поперечные темплеты, которые шлифован­ ной стороной укладывают в светонепроницаемый ящик на рентгеновскую пленку. После экспозиции в 5—15 сут пленку проявляют и на различных участках профиля проката измеряют толщины деформированных нерадио­ активной и радиоактивных зон.

В первых работах по этому вопросу на Кузнецком металлургическом комбинате и заводе «Азовсталь» изу­

48

чали деформацию квадратной заготовки при прокатке на круг диаметром 16 мм, двутавровой балки № 36 и рель­ сов типа Р-50. Было найдено, что при прокатке балки № 36 деформация зависит от зоны слитка. Наименьшая деформация металла при прокатке рельсов типа Р-50 об­ наружена в головке рельса. Факт подтверждался наи­ большим количеством дефектов именно в этой зоне рельса и послужил указанием для изменения системы калибровки прокатных валков с целью увеличения обжа­ тий по головке и улучшения качества продукции.

Детальное исследование деформации металла при прокатке облегченной балки № 36 проведено В. Я. Пав­ ловским и А. М. Скребцовым на заводе «Азовсталь». В опыте из одного ковша в одинаковых условиях отли­ ли пять слитков стали МстЗ. Масса слитков — 6,65 т, время наполнения изложницы металлом — 5 мин. Спу­ стя 15 мин после конца наполнения изложниц в слитки на прутках вводили сразу по три ампулы с изотопом фосфора-32: одну ампулу—в верхнюю, вторую—в сред­ нюю и третью — в нижнюю часть жидкой сердцевины слитка. Такой ввод изотопа обеспечивал практически мгновенное распространение изотопа в расплаве. Каж­ дый слиток после ввода изотопа состоял из двух зон — наружной, свободной от радиоиндикатора, и внутренней, содержащей изотоп.

Слитки прокатывали на блюминге на квадрат 300x300 мм (13 пропусков), а затем в рельсобалочном цехе — семь пропусков в обжимной клети 900 и семь про­ пусков на линии 800. По ходу прокатки отбирали попе­ речные темплеты примерно из середины деформируемых слитков. После строжки и шлифовки темплеты радиографировали на рентгеновскую пленку. При обработ­ ке радиограмм планиметром измеряли площадь и харак­ терные размеры радиоактивной («из») и нерадиоактивиой («нар») зон (рис. 11). Было найдено, что отношение площади внутренней зоны с радиоактивным изотопом