книги из ГПНТБ / Заверюха, Н. В. Разливщик стали учеб. пособие

Корка слитка образуется на протяжении всего времени наполни ния изложницы, внутри которой жидкая сталь затвердевает в виде отдельных кристаллов разной величины (одни видны под микроско­ пом при увеличении в 100 и более раз, другие можно различить невооруженным глазом). Кристалл стали состоит из осей первого, второго, третьего и т. д. порядка и имеет вид дерева. Такие кристаллы называются дендритами (от греческого слова «дендро» — дерево). В процессе роста отдельные кристаллы соприкасаются между собой, образуя сростки, так называемые зерна первичной кристаллизации.

Кристаллизация жидкой стали зависит от ряда условий: темпе­ ратуры жидкой стали и передачи тепла от затвердевающей отливки к относительно холодным стенкам формы — изложницы или кристал­ лизатора, что приводит к перепаду температур между периферией

исердцевиной слитка. Перепад температур существенно влияет на ход кристаллизации и конечную структуру слитка. Переход стали из жидкого состояния в твердое сопровождается уменьшением объема

иобразованием неоднородности, рыхлости и пустот. Сталь, являясь

дит к избирательному затвердеванию. Из расплава выпадают кри­ сталлы химически более чистые, чем первоначальная жидкость, а оставшаяся жидкая часть металла неизбежно оказывается менее чистой, что приводит к химической неоднородности слитка.

В процессе кристаллизации из застывшего металла выделяются газы. Если активность углерода и кислорода в затвердевающем слитке достаточно высока, происходит реакция с образованием окиси углерода. Выделяющаяся окись углерода создает видимость кипения жидкого металла, способствует росту и образованию подкорковых пузырей в слитке.

Слиток спокойной стали

Спокойной называют такую сталь, процесс раскисления которой прошел наиболее полно. При затвердевании реакция окисления углерода не возобновляется. Несмотря на неизбежное повышение содержания кислорода и углерода в жидком расплаве, слиток за­ твердевает без видимого выделения газов.

В результате передачи тепла от затвердевающего металла к стен­ кам изложницы в слитке образуются кристаллические зоны с кри­ сталлами разных размеров и направлений, микро- и макроскопи­ ческие пустоты, возникают химическая неоднородность, рыхлость

иусадочная раковина.

Вмелких слитках спокойной стали имеются две-три кристал­ лические зоны (рис. 103), в крупных—• пять, а в очень крупных — даже семь. Поверхностная зона слитка состоит из мелких неориен­ тированных кристаллов, образовавшихся в результате интенсивного отвода тепла от слитка к холодным стенкам изложницы. Химиче­ ский состав этой зоны близок к составу жидкой стали. С увеличением толщины затвердевающей корки скорость теплоотдачи от центра

/50

слитка к периферии резко уменьшается и образование мелких неори­ ентированных кристаллов прекращается.

В условиях замедленного отвода тепла продолжают расти ранее образовавшиеся кристаллы, оси которых расположены по напра­ влению отвода тепла, т. е. перпендикулярно к стенкам изложниц,— это зона ориентированных кристаллов (дендритов), рост которых продолжается до момента выравнивания температур между жидким

через стенки изложницы, а также скорость охлаждения в кри­ сталлизаторе также влияют на размер зон и размеры кристал­ лов. С увеличением отвода тепла от затвердевающей стали через стенки изложницы (кристаллизатора) корковая и дендритная зонь увеличиваются, а центральная уменьшается. Медленный отвод тепла в песчаных формах увеличивает зону равноосных крупных кристаллов. Чем больше размеры зоны мелких кристаллов, тем пластичней металл, тем лучше он обрабатывается давлением, его можно катать с большими обжатиями. С увеличением размеров кристаллов пластичность стали уменьшается, прокатка идет труднее, с меньшими обжатиями.

Для получения увеличенной зоны мелких кристаллов не следует заливать металл в горячие изложницы. Толщина стенок изложницы должна быть оптимальной, так как слишком толстые стенки способ­

151

стали изолированы растущими кристаллами от оставшегося жидкого металла внутри слитка. Усадочная рыхлость является как бы про­ должением усадочной раковины. Наличие моста плотного металла между усадочной раковиной и рыхлостью приводит к дополнитель­ ной обрези металла для удаления рыхлости. Усадочную рыхлость, возникающую на границе зоны направленных кристаллов (дендрит­ ной) и центральной (смешанной) зоны кристаллизации, называют внецентренной.

Устранить усадочную раковину невозможно, но ей можно при­ дать такую форму, что отрицательное влияние ее на качество слитка

Рис. 104. Схема кристаллизации спокойного слитка:

а — уширенного кверху; б — уширенного книзу с утеплителем; 1 — наружная зона мелких равноосных кристаллов (зона быстрого охлаждения); 2 — зона дендритных Кристалов; 3 — зона равноосных неориентированных кристаллов (центральная зона); 4 — усадочная рако­ вина; 5 — усадочная рыхлость; 6 — мост; 7 — нижний конус

уменьшится, а выход годного металла увеличится. Для уменьшения усадочной раковины и рыхлости необходимо сохранить металл в при­ быльной части жидким до конца затвердевания слитка, чтобы фронты кристаллизации, движущиеся от дна и боковых граней к центру, в последнюю очередь сомкнулись в самой верхней части тела слитка— под прибылью. Это ограничивает распространение усадочной рако­ вины по высоте слитка, и она сосредоточивается в его верхней части, поражая небольшой объем. Поддерживать металл в жидком состоя­ нии в прибыльной части слитка лучше всего путем сохранения тепла самого металла. Для этого боковые грани головной части слитка утепляют футерованной прибыльной надставкой.

В настоящее время иногда для отливки спокойных и низколегированныхДлитков с целью снижения трудозатрат и стоимости стали применяют изложницы, уширенные книзу, со специальными тепло'

152

изоляционными вкладышами, утепляющими головную часть слитка

(рис. 114, б).

В таком слитке, ниже утепленной части, может образоваться вторичная усадочная раковина и пористость. Если верхний мост металла плотный и в усадочной раковине металл не окислен и от­ сутствуют неметаллические включения, то при прокатке усадочная раковина и пористость завариваются, обеспечивая здоровый прокат. Если поверхность усадочной раковины окислена и имеются неме­ таллические включения, то в готовом прокате образуется расслой, который иногда выявляется в готовых изделиях. Но иногда этой меры недостаточно. В этом случае прибыльную часть слитка разо­ гревают разными способами. Верхнюю открытую часть спокойного углеродистого и низколегированного металла засыпают термическими и изолирующими порошковыми смесями — люнкеритами (табл. 10) или накрывают слиток крышками, спрессованными из люнкерита.

Иногда перед началом сифонной разливки стали теплоизоля­ ционные смеси засыпают на дно изложниц. Их назначение состоит в защите поднимающегося в изложницах зеркала металла от охла­ ждения и предотвращения образования корок. В качестве защитных покрытий могут быть использованы различные теплоизоляционные материалы: кермозит (1,0 кг/т), термозит (0,6 кг/т), вспученный пер­ лит (0,5 кг/т), вспученный перлит и коксик, вспученный перлит и коксошамот (0,8 кг/т), асбест и вспученный перлит (1,0 кг/т). Однако использование коксика и графита при разливке низкоугле­ родистых сталей приводит к науглероживанию слитков. Для предот­ вращения этого явления графит смешивают с шамотным порошком, слюдой или какими-либо легкоплавкими порошками, образующими на поверхности металла пленку шлака.

Несмотря на то, что графит и слюда позволяют устранить заво­ роты корок и улучшить поверхность слитков, они не применяются на заводах. Это обусловлено образованием в цехе большого колш

153

Небтва пыли из графита Или слюды во время разливки стали и осо­ бенно во время раздевания слитков.

Для защиты зеркала металла во время разливки стали может быть применена так называемая циносферная смесь (порошкообраз­ ная зола ТЭЦ), которая имеет небольшую плотность и относительно низкую температуру плавления. В эту смесь может быть введен серебристый графит (до 13%), смазывающий поверхность изложницы и создающий восстановительную атмосферу над металлом. Циносферную смесь помещают на дно изложниц в пакетах до разливки стали. Ее расход 3—3,5 кг/т стали. При использовании циносферной смеси покраска внутренней поверхности изложниц не производится.

Головную часть слитка иногда обогревают также электрической дугой, газо-кислородными горелками, горючими порошковыми сме­ сями, сжигаемыми в струе кислорода и т. д. Для прибыли легиро­ ванных сталей применяют бездуговой электрообогрев, электрошлаковый способ подпитки плавящим электродом (электродом служат литники стали той же марки), заливка головной части слитка жидким шлаком, отливка слитков под слоем жидкого шлака. Электрошлаковый способ обогрева повышает выход годного при меньшей затрате электроэнергии и снижает обрезь с 18 до 6%. Указанные способы обогрева головной части очень эффективны и для кузнечных слитков, отливаемых в электросталеплавильных цехах и, особенно, для высо­ колегированных. В проектах новых электросталеплавильных цехов предусматривается электрообогрев прибыльной части слитков. .

Спокойные слитки, идущие на изготовление бесшовных труб, бандажей колес и других деталей, где внутренняя часть слитка выдавливается или высверливается, отливают в изложницы, уширен­ ные книзу, без утепления прибыльной части.

Объем усадочной раковины увеличивается с повышением темпе­ ратуры разливаемой стали. До начала кристаллизации объем жидкого металла уменьшается, а затем происходит дальнейшее уменьшение объема в результате кристаллизации. Медленное наполнение излож­ ницы значительно ослабляет влияние высокой температуры.

В стальных слитках (особенно крупных), отливаемых сверху, усадочная раковина и рыхлость меньше, чем в слитках, отливаемых сифонным способом.

Ликвация (химическая неоднородность)

Формирование стальных слитков состоит из двух перекрываю­ щихся периодов: отливки слитка и его кристаллизации. В период наполнения изложницы кристаллизация слитка протекает с высокой скоростью охлаждения, формируются донная и боковые коркирубашки слитка из мелкозернистых кристаллов. В последующий период кристаллизации процесс протекает с медленным снижением температуры, жидкий металл в рубашке слитка находится в движе­ нии до охлаждения ниже температуры перегрева. В это время идут процессы избирательной кристаллизации, что является причиной химической и физической неоднородности слитков.

154

Физическую и химическую неоднородность состава сплава, воз­ никающую при кристаллизации в слитках и отливках, называют ликвацией или сегрегацией. Первые закристаллизовавшиеся порции стали в изложнице бывают более чистыми, чем расплавленная сталь. Это явление называется отрицательной ликвацией и означает, что затвердевшая часть слитка содержит меньше углерода, марганца фосфора, серы и других элементов, чем расплавленная сталь. Отри­

и сильно развивается в широких листовых слитках, а также в слит­ ках кипящей стали.

Осевая ликвация (макроликвация) характеризуется повышенным содержанием примесей в основной или центральной части слитка, где затвердевают последние порции жидкой стали, наиболее обога­ щенные ликватами; к ней же относится отрицательная ликвация— конус осаждения. В слитках кипящей стали часто встречается также газовая ликвация, представляющая собой скопление ликвационных примесей около газовых пузырей. При изучении ликвации поль­ зуются понятием степени ликвации каждого элемента. Степень ликвации представляется в виде процентного отношения концентра­ ции элемента в жидком металле к содержанию элемента в полностью затвердевшем металле. Чем выше масса слитка, тем больше времени уходит на затвердевание, тем больше зона беспорядочно ориенти­ рованных кристаллов и тем выше степень ликвации. Развитию лик­

155

вации способствует всякое движение жидкой стали по отношению к затвердевающей поверхности. Слитки спокойной стали имеют меньшую ликвацию, чем полуспокойные; самая большая ликвация

чалось различными методами: опрокидыванием слитка в период затвердевания, удалением жидкого металла через донную часть слитка и введением радиоактивных изотопов в изложницу в различ­ ные периоды кристаллизации.

В практических условиях продолжительность полного затверде­ вания слитков определяют при помощи кривых, приведенных на рис. 106. Как видно из рис. 106, с увеличением толщины слитка продолжительность полного затвердевания резко увеличивается.

Слиток легированной стали

Выплавляемые стали по количеству вводимых в них легирующих добавок делятся на низко-, средне- и высоколегированные.

Средне- и высоколегированные стали по структуре в исходном (нормализованном — охлажденном на воздухе) состоянии и по содержанию легирующих эл ементов разделяют на классы: перлитный, мартенситный, карбидный, ферритный и аустенитный.

Внешне и по кристаллической структуре легированные слитки почти не отличаются от слитков спокойной стали и отливают их как сверху, так и сифонным способом.

Затвердевание слитка, образование зон кристаллизации и сте­ пень их развития связаны главным образом с изменением условий отвода тепла при продвижении фронта кристаллизации от поверх­ ности слитка к его середине. Между зонами кристаллизации нет

156

резких границ, протяженность каждой определяется условиями разливки стали. Макроструктура слитков легированной стали за­ висит от размера слитка и степени легирования стали; чем больше размер слитка и выше степень легирования, тем больше неоднород­ ность металла.

В слитках ферритных и аустенитных нержавеющих сталей в ре­ зультате легирования их хромом и никелем^большое развитие^получает зона столбчатых дендритных кристаллов и чаще наблюдается только одна дендритная структура —• транскристаллическая (рис. 107). Дендритная структура крупнозернистая, и наличие ликватов на границе между кристаллами

специальных технологических режимов.

Для повышения качества легированные стали часто обрабатывают в вакууме или разливают в среде нейтрального газа — аргона. Иногда тот и другой способы совмещают. В слитках, отлитых в ва­ кууме, содержится минимальное количество газов, особенно водо­ рода, полностью устраняется флокеночувствительность, снижается количество неметаллических включений и несколько уменьшается размер зоны столбчатых кристаллов.

Для устранения пагубного влияния транскристаллизации в нер­ жавеющих сталях ферритного и аустенитного класса в жидкую сталь вводят порошок стали той же марки, не содержащий окислов и примесей, т. е. создают искусственные центры кристаллизации. Это сокращает толщину зоны столбчатых кристаллов, уменьшает размер кристаллов, улучшает внутреннюю структуру слитка, повы­ шает пластичность металла.

Слитки из вакуумированной спокойной и легированной стали

При сниженном содержании водорода, азота, кислорода и неме­ таллических включений сталь становится более жидкоподвижной. Так, например, низкоуглеродистая сталь хорошо разливается по изложницам с температурой 1520—1540° С. Слитки, отливаемые из вакуумированной стали, кристаллизуются быстрее, чем слитки такой же массы из невакуумированной стали.

157

По данным исследований, в макроструктуре спокойных углеро­ дистых и низколегированных слитков дендритная структура оказы­ вается чрезвычайно мелкой, зона столбчатых кристаллов углубляется и несколько уменьшаются размеры равноосных кристаллов в осевой части слитка. Имеются сообщения о влиянии вакуумирования на характер сернистых от­ печатков и в то же время указывается о по­ чти полном исчезновении д-образной и ос­

гированных сталей, идущих на поковки.

Слитки из вакуумированной стали после освобождения из излож­ ницы не нуждаются в замедленном охлаждении для предотвращения появления внутренних трещин. Прокат из вакуумированных слит­ ков можно охлаждать на воздухе, не боясь образования трещин.

Слитки спокойной и легированной стали, отлитые сифонным способом под шлаком и сверху через слой шлака

С применением экзотермических смесей процесс отливки слитков сифонным способом происходит под слоем шлака, а при отливке слитков сверху — через слой шлака. Это создает неодинаковые условия кристаллизации, поэтому качественные характеристики отливаемых слитков различны.

При разливке стали как сифонным способом, так и сверху с при­ менением экзотермической смеси, происходит образование шлако­ вой корки на стенках изложницы, а зеркало металла в течение всего времени наполнения изложницы закрыто слоем шлака. Однако образующийся корковый слой шлака в нижнем и верхнем участках

158

Изложницы оказывает различное влияние на процесс кристаллиза­ ции слитка. На рис. 101 приведены схемы отливки слитка в усло­ виях последовательного образования двух участков шлакового слоя

с боков и закрывается сверху жидким шлаком, как бы изолируется от внешней атмосферы, утепляется и вторично не подвергается окислению. На рис. 101, 102 можно видеть, как сначала на стенках изложницы образуется корка шлака, а между ней и сторонами слитка находится жидкий слой шлака (на этом участке идет процесс кри­ сталлизации поверхностного слоя слитка), что в процессе налива изложницы жидкая сталь некоторое время контактируется с жидким восстановительным шлаком, затем слой шлака на стенках изложницы охлаждается (затвердевает) и сталь достигает температуры ликви­

«тепловым барьером», устраняющим резкое охлаждение непрочной тонкой стенки слитка от соприкосновения с холодными стенками изложниц.

Теплоизолирующее действие шлака обеспечивает более длитель­ ное сохранение температуры перегрева стали. В единицу времени меньшее количество стали переходит в твердое состояние, т. е. достигается макроструктура с меньшим количеством неметалли­ ческих включений, что видно на рис. 109. Слитки, отлитые сифонным способом и сверху, сохраняют зональность макроструктуры, физи­ ческая и химическая неоднородность и ликвация изменяются незна­ чительно. В верхней части слитка минимальная V-образная ликвация меньше глубины усадочной раковины и подусадочной рыхлости по сравнению со слитком, отлитым обычным сифонным способом.

Следует отметить, что при разливке стали со шлаками, где в ка­ честве окислителя используют марганцевую руду, наблюдается повышение содержания марганца в слитках и заготовках против ковшовой пробы сО,03 до 0,09% и кремния с 0,03 до 0,06%, а при разливке хромистых, титановых и алюминиевых сталей наблюдается снижение указанных элементов на 5—15% по сравнению со слитками, отлитыми без шлака.

Шлак, окутывающий стенки слитка, находится в двухфазном состоянии: у стенки изложницы в твердом, а у стенки слитка — в жидком. Пленка шлака служит амортизатором непрочным стенкам слитка, а при температуре 1350—1450° С, когда происходит усадка

159