Технология конструкционных материалов

Слитки, получаемые в изложницах, отличаются неравномерностью структуры и состава по сечению. Строение слитка спокойной стали, разрезанного вдоль вертикальной оси, показано на рис. 10.8.

4

3

2

1

Рис. 10.8. Строение слитка

Поверхностный слой мелких произвольно ориентированных кри­ сталлов 1образуется в момент контакта расплавленного металла с хо­ лодной стенкой изложницы. Из большого количества мелких кри­ сталлов возможности для роста сохраняют только те, продольные оси которых совпадают с направлением теплоотвода, т. е. направлены перпендикулярно стенкам изложниц. Так зарождается и развивается в ходе кристаллизации слой столбчатых кристаллов 2. По мере их рос­ та в расплаве перед фронтом кристаллизации скапливаются примеси, снижающие равновесную температуру кристаллизации, и в момент, когда эта температура становится значительно ниже реально сущест­ вующей, в расплаве зарождаются кристаллы, не связанные с зоной столбчатых кристаллов. Они свободно растут во всех направлениях, образуя зону равноосных кристаллов 3.

Изменяя скорость охлаждения и вводя специальные добавки — мо­ дификаторы, можно в широких пределах менять соотношение между протяженностью зон.

Так как плотность стали в твердом состоянии выше, чем в жид­ ком, по мере продвижения фронта кристаллизации к центру слитка уровень расплава медленно понижается, образуя усадочную ракови­ ну 4, которая удаляется вместе с прибыльной частью перед прокат­ кой слитка.

10.2.4. Рафинирование стали

Присутствующие в стали неметаллические включения (оксиды, нит­ риды, сульфиды) и газы (водород и азот) резко снижают ее прочност­ ные и эксплуатационные характеристики. Всвязи с этим разработано большое количество способов очистки стали, которые можно разде­ лить на две группы. К первой группе относятся методы, которые преду­ сматривают рафинирующую обработку стали после ее выпуска из печи перед разливкой. Это обработка расплавленной стали синтети­ ческими шлаками и многочисленные способы обработки вакуумом. Ко второй группе относятся методы, предполагающие повторный пе­ реплав стали после ее затвердевания в изложницах. Широко приме­ няются электрошлаковый, вакуумно-дуговой, электронно-лучевой, плазменно-дуговой переплавы и их сочетания.

На рис. 10.9 схематически представлены наиболее часто встре­ чающиеся способырафинирования стали.

Для обработки синтетическим шлаком (рис. 10.9, а) смесь, состоя­ щая из 45 % СаО, 40 % А120 3, 10 % MgO и 5 % CaF2 и содержащая ме­ нее 3 % Si02 и 0,5 % FeO, расплавляется в отдельной электродуговой печи и в виде жидкого шлака 3 заливается в ковш 2 для обработки. Сталь из стопорного ковша 1пропускается через слой шлака. Тонкие струи или отдельные капли, проходя через шлак, очищаются от суль­ фидов и растворенных газов. При этом содержание серы снижается на 50...70 %, а число неметаллических включений — в 1,5 раза, в ре­ зультате чего резко возрастают прочностные характеристики стали, особенно ударная вязкость.

Суть данного способа очистки заключается в том, что любая при­ месь всегда в некоторой пропорции распределяется между шлаком и металлом. Чистый синтетический шлак быстро растворяет примеси, а дробление струи увеличивает поверхность контакта, облегчая пере­ ход примесей и включений из металла в шлак.

Вакуумную дегазацию (рис. 10.9, б) целесообразно сочетать с рас­ кислением. Образующиеся при этом пузырьки СО и Н2, всплывая на поверхность, захватывают неметаллические включения и переводят их в шлак. Простейший способ вакуумирования заключается в вы­ держке ковша 4 с расплавом в течение 12...15 мин под давлением 0,05...0,1 МПа в автоклаве 5, герметически закрытом крышкой 6.

Электрошлаковый переплав (рис. 10.9, в) считается наиболее эффек­ тивным методом рафинирования, так как после него содержание серы

снижается до 0,005 %, а количество оксидов и сульфидов уменьшается вдвое. Для начала процесса на медный поддон /устанавливают расхо­ дуемый электрод 9 и водоохлаждаемую изложницу 8. В зазор между ними засыпается флюс, содержащий А120 3, СаО и CaF2. При включе­ нии тока между поддоном и электродом загорается электрическая дуга, которая расплавляет флюс.

Расплав флюса гасит дугу, и процесс автоматически переходит

вэлектрошлаковый, при котором тепло выделяется за счет электро­ сопротивления шлака. Электрод из обычной стали расплавляется

вшлаке и капли 11, проходя через слой шлака 10, очищаются от при­ месей и скапливаются под шлаком в виде ванночки 12, питающей растущий вверх слиток 13.

Вакуумно-дуговой переплав (рис. 10.9, г) внешне похож на электро­ шлаковый, но расплавленный металл не проходит через слой шлака; между ванночкой расплавленной стали и расходуемым электродом постоянно горит электрическая дуга 15. Очистка, в основном от газов и частично от неметаллических включений, происходит под воздей­ ствием вакуума в камере 14ив результате направленной кристаллиза­ ции слитка 13 снизу вверх.

Глава 11 МЕТАЛЛУРГИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

11.1.Производство меди

Вземной коре содержится около 0,01 %меди. Обычно это сульфидные руды, состоящие из смеси CuS, Cu2S и FeS. Среднее содержание меди

врудах менее 3 %, пустая порода состоит из песка, глины и известняка.

Всвязи с низким содержанием меди руды подвергаются обогащению. Извлечение меди из руд производится двумя способами: пироме-

таллургическим и гидрометаллургическим. Первый чаще применяет­ ся для сульфидных, а второй — для оксидных руд.

Общая схемапирометаллургического способа получениямеди приве­ дена на рис. 11.1. Как следует из схемы, перед обогащением руда из­ мельчается. Наиболее приемлемым методом обогащения медных руд считается флотация. Смесь измельченной руды с водой, называемая пульпой 2, загружается в чаны 1 и продувается сжатым воздухом. Пу­ зырьки воздуха 3 адсорбируют на своей поверхности несмачиваемые водой частицы руды 4, содержащие соединения металлов, и поднима­ ют их на поверхность, образуя пену. Пустая порода смачивается водой и в виде шлама 5 оседает на дне чанов.

Пену снимают, сушат и получают концентрат, который перед плав­ кой спекается в обжиговых печах. Чаще других используется обжиг в кипящем слое, при котором концентрат 6 загружается на решетку 7, через которую снизу из топки 8 подается горячий воздух 9. При темпе­ ратуре свыше 600 °С происходит частичное удаление серы и спекание руды в комки, которые называют огарком.

Огарок плавят в отражательных печах, куда он засыпается из бунке­ ров 10. Печные газы 11 плавят огарок, перегревают расплав до 1600 °С и обеспечивают дальнейшее окисление FeS с образованием FeO и S02. Сплавляясь с пустой породой, FeO образует шлак 12, ниже которого располагаются более тяжелые сульфиды меди и железа, так называе­ мый медный штейн 13.

Конвертирование штейна, содержащего около 35 % меди, 40 % железа в виде сульфидов и некоторое количество Si02, осуществля­ ют в горизонтальных конвертерах, футерованных изнутри магнези­ товым кирпичом 14. Опорно-приводные ролики 15позволяют пово­ рачивать конвертер для заливки штейна и выдачи черновой меди

Рис. 11.1. Металлургия меди:

—измельчение руды; б —обогащение флотацией; в —обжиг руды; г —плавка огарка; д —конвертирование штейна; е —огневое рафинирование; ж —электролитическое рафинирование