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

ема слитка и у корки слитка почти нет сотовых пузырей. Если перераскислить металл алюминием, слиток получится с глубокой уса­ дочной раковиной и даст больше отходов. Можно присаживать раскислители перед перекрытием и немедленно после перекрытия стопора. В этих случаях слиток может получиться перераскислен- ,ным только вверху, что снижает количество слитков в плавке с раз­ личной степенью раскисленности. В недораскисленных слитках га­ зовые пузыри образуются по всей высоте слитка; при несколько более высокой степени раскисления пониженное давление газа препят­ ствует образованию пузырей по всей высоте слитка за исключением верхней его части; при достаточном раскислении газовые пузыри не образуются.

Полуспокойную сталь используют в народном хозяйстве как кон­ струкционный металл — из нее изготовляют толстый лист, сортовой прокат. В сравнении с кипящим металлом она более однородна по химическому составу и обладает лучшими пластическими свой­ ствами. По сравнению со спокойной сталью полуспокойная, кроме того, дает более высокий выход годного (на 8— 10%) в результате уменьшения обрези (усадочной раковины). При выплавке полуспокойной стали эксплуатационные затраты на раскислители и на под­ готовку изложниц (отливка в изложницы, уширенные книзу) отно­ сительно невелики. Разливка полуспокойной стали занимает меньше времени, чем спокойной и кипящей, в результате чего повышается пропускная способность разливочного пролета. Раскисление стали алюминием придает ей устойчивость против старения.

В настоящее время полуспокойные стали выплавляют с различным содержанием углерода, и их условно можно разделить на три группы: низкоуглеродистые с содержанием углерода от 0,05 до 0,15%, стали с повышенным содержанием углерода от 0,15 до 0,30% и с высоким содержанием углерода от 0,30 до 0,50%. Стали первых двух групп могут заменять как кипящие, так и спокойные. Сталь третьей группы часто используют вместо спокойной для изготовления шахтной стойки, рудничных рельсов, арматурного железа, периодического профиля и пр.

Такую сталь раскисляют в ковше 45%-ным ферросилицием из расчета на конечное содержание кремния в стали 0,06—0,12% и при необходимости корректировки степени раскисления металла в из­ ложнице во время разливки вводят алюминий (50— 100 г/т). Полу­ чают слитки, внешне сходные с химически закупоренными.

Для формирования слитков полуспокойной стали (образования толстой корки) скорость разливки практически не имеет значения, поэтому диаметр канала стакана подбирают большим, увеличивая пропускную способность разливочного пролета. При повышенных скоростях разливки полуспокойной стали толщина беспузыристой корки слитка увеличивается, при высоких скоростях разливки тем­ пературу стали на выпуске несколько снижают. Допустимыми ско­ ростями разливки полуспокойной стали через стакан с диаметром канала 50—70 мм надо считать: для 6—8-т слитков 2—7 т/мин и для

16—20-т слитков 12— 14 т/мин.

170

Полуспокойные стали, заменяющие кипящую, характеризуются меньшей химической неоднородностью по сравнению с кипящей, повышенным выходом годного (на 2—3%) и более высокими механи­ ческими свойствами (особенно очень крупные слитки).

Слиток из вакуумированной кипящей и полуспокойной стали

Основными недостатками кипящей стали считают неоднородность ее состава и структуры, повышенную склонность к деформацион­ ному старению и др. Мелкие слитки из вакуумированной кипящей ■стали не имеют заметной усадочной раковины и пузырей. Макро­ структура их сходна со спокойной сталью. При вакуумировании обеспечивается чистота стали с равномерной макроструктурой, кото­ рые практически недостижимы при обычном производстве кипящей стали.

Вакуумированная кипящая сталь при обычной разливке в круп­ ные слитки массой > 7 т вторично значительно окисляется, что при­ водит к выделению газов при их затвердевании и наблюдается кипе­ ние металла в изложницах.

В вакуумированных кипящих слитках толщина зоны кипения составляет 25—37 мм, в то время как в невакуумированных она до­ стигает 105—135 мм. В результате этого уменьшается сегрегация и значительно улучшается внутренняя структура кипящих слитков, чистота осевой зоны выше вследствие более низкого содержания кислорода. Макроструктура наружных зон крупных слитков из ва­ куумированной кипящей стали сходна со структурой полуспокойной стали. В кипящих вакуумированных слитках совершенно не наблю­ дается ликвация серы или она имеет минимальное значение.

Кислород способствует красноломкости металла, ускоряет про­ цесс старения, оксидная фаза располагается внутри зерна, что на­ рушает связь между зернами. Содержание кислорода в слитках обыч­ ной кипящей стали на поверхности достигает 0,02%, в середине 0,06%. После вакуумирования в кипящей стали содержание кисло­ рода и неметаллических включений снижается, пластичность воз­ растает и значительно уменьшается осевая рыхлость в слитках. Показатель пластичности увеличивается на 2—10%, относительное удлинение, поперечное сужение на 10—20%, улучшается ударная вязкость на 12—35%, повышается коэффициент анизотропности ■с 0,75 для невакуумированной до 0,90 для вакуумированной стали.

Добавка в вакуумированную кипящую сталь 0,02—0,035% А1 или 0,02—0,04%V при небольших содержаниях серы и фосфора и 0,003—0,007%N делает сталь устойчивой против старения.

Вакуумированная кипящая сталь получает меньший наклеп при вытяжке, чем обычная сталь. Иногда в машиностроении для такой стали рекристаллизационный отжиг заменяют воздушной нормали­

зацией.

Значительно улучшаются физические свойства стали: магнитная

.проницаемость и ваттные потери в магнитномягких, постоянная маг­

171

нитная мощность в магнитнотвердых сталях; снижается удельное сопротивление электрическому току в проводах; повышаются хладностойкость, антикоррозионная стойкость и другие свойства.

Особо чистое железо с содержанием десятитысячных долей при­ месей углерода, азота, кислорода сохраняет пластичность при сверх­ низких температурах до ■—269° С (4К).

Масса и форма стальных слитков

Стальной слиток является полуфабрикатом для прокатного и куз­ нечно-прессового производства. Основными параметрами, харак­ теризующими слиток, являются масса, форма и размеры, струк­ тура.

Масса слитков, отливаемых для прокатки на станах, колеблется в пределах от 200 кг до 25 т. Для кузнечно-прессового производства — от нескольких килограммов до 250 т (слитки для валов гидротурбин). Масса слитков для каждого завода определяется техническими воз­ можностями станов — мощностью привода, прочностью деталей и узлов ножниц, длиной рольгангов и пр. На обжимных станах про­ катывают слитки массой от 4,5 до 25 т. На черновых клетях сортовых прокатных станов прокатывают слитки массой от 200 кг до 3 т.

С увеличением массы слитка повышается пропускная способность разливочных пролетов и производительность прокатных станов, снижается удельный расход огнеупоров, увеличивается выход год­ ного металла. На действующих металлургических заводах увеличе­ ние массы стальных слитков ограничивается мощностью прокатного оборудования, а для некоторых легированных сталей — структурой слитка. Масса слитка во всех случаях должна быть кратной массе получаемых из него заготовок или готовых прокатных изделий при минимальных отходах верхней и донной части слитка и потерь ме­ талла в виде окалины при нагреве, прокатке или ковке. Особенно это важно при прокатке крупных профилей: труб, рельсов, листов, что исключает получение немерных изделий. Из спокойной стали практически удается получить слитки стандартной массы, наполняя изложницы до имеющейся на их внешней стороне отметки. Перед каждым заполнением изложницы отметку переносят на внутреннюю ее сторону мелом. При разливке кипящей стали получить слитки стан­ дартной массы значительно труднее, так как удельный объем кипя­ щей стали каждой плавки существенно изменяется в зависимости от газонасыщенности стали, определяемой степенью раскисленности

искоростью наполнения изложницы.

Внастоящее время разработаны способы автоматического взве­ шивания жидкой стали при помощи датчиков, монтируемых на раз­ ливочном кране. Эти датчики работают синхронно со стопором. Когда они показывают заданную массу отлитого слитка, стопор автомати­ чески опускается.

На производительность разливочных пролетов и прокатных ста­ нов, выход годного металла и другие показатели существенное влия­ ние оказывают форма и размеры слитков. Поперечное сечение слитка

172

характеризует его форму, а в дальнейшем и форму заготовки или готового изделия.

Для прокатки блюмов отливают слитки квадратного, а иногда прямоугольного сечения с небольшой разницей между шириной и тол­ щиной —■не более 1,1 (рис. 118, а), а для прокатки слябов отливают, как правило, слитки прямоугольного сечения (плоские слитки).

(для устранения продольных трещин и облегчения снятия окалины) придают волнистую (рис. 118, ё) или выпуклую (вогнутую) форму (рис. 118, ж), увеличивая тем самым периметр поперечного сечения.

Для прокатки толстых листов непосредственно из слитков без кантовки в одном направлении слиткам придают форму вытянутого шестиугольника (рис. 118, з), что значительно сокращает потери металла на обрези боковых кромок листа.

Для получения кованых плит применяют слитки, имеющие форму, показанную на рис. 118, и, а для получения прессованных плит — форму, показанную на рис. 118, к.

Выбор правильного отношения высоты слитка Н к его толщине В обеспечивает удовлетворительную макроструктуру, минимальную усадочную раковину в слитке и высокую производительность разли­ вочных пролетов и прокатных станов.

С увеличением отношения Н : В (рис. 119) возрастает масса слитка, что очень важно для повышения производительности стале­ плавильных, прокатных и кузнечных цехов, тогда как для получе­ ния слитка плотного строения желательно иметь это отношение воз­ можно меньшим. Учитывая это в данных конкретных условиях про­ изводства, выбирают соответствующее отношение высоты слитка

к его толщине.

При отливке слитков из высококачественных сталей стремятся, чтобы минимальное отношение Н : В было равно 1,5—2,5, так как

173

легированная сталь вследствие малой жидкоподвижности обладает склонностью к образованию осевой и внеосевой рыхлости, плохо свариваемой при прокатке. Для слитков углеродистой стали в прак­ тике обычно принимают отношение Н : В, равным 2,5—3,5. Нижний предел относится к слиткам, прокатываемым или проковываемым на крупный профиль, т. е. подвергающимся меньшим обжатием.

Удлиненные кузнечные слитки рационально применять для произ­ водства пустотелых изделий или при ковке с осадкой, когда из слитка; получают несколько поковок. Удлинение прокатных слитков вы­ годно и при повышенных степенях, обжатий, т. е. при получении бо­ лее мелких профилей. Отношение Н : В более 3,5 допускается сравни­

тельно редко.

Конусность в стальных слитках предусматривается для того, чтобы иметь возможность свободно снимать с них изложницы (уши­ ренные книзу) или же извлекать слитки из изложниц (уширенные кверху).

Конусность слитка представляет собой отклонение его боковых граней от вертикального положения, выраженное либо в процентах (в сантиметрах на 1 м высоты), либо величиной угла, образованного между гранью и вертикальной осью слитка (в градусах).

Слитки, уширенные книзу, имеют нормальную конусность, обычно

впределах от 0,5 до 1,5% (в слябовых слитках до 2,5%) на сторону

снормальной конусностью отливают слитки кипящей и полуспокойной стали и в некоторых случаях — слитки спокойной стали (авто­ матной, для бесшовных труб и др.).

Слитки, уширенные кверху, имеют обратную конусность —

обычно не более 4% для слитков, предназначенных для прокатки, и до 6,0% — для слитков, поступающих на ковку.

Выход годного металла (заготовок, слябов от крупных слитков, прокатываемых на блюмингах и слябингах) в определенной мере

174

зависит от формы нижней части слитка. Чем рациональнее выбран­ ная форма нижней части слитка, тем меньше обрезь заднего конца раската. При прокатке крупных слитков деформация в первых про­ пусках слабо распространяется в глубину тела слитка и течение металла происходит преимущественно в поверхностных слоях. В ре­ зультате на нижнем конце раската образуется дефект в виде расслоя, который называют утяжкой (рис. 120).

Очевидно, что наибольшая утяжка будет при раскате слитка с пло­ ским низом и наименьшая — у слитков со сферическим низом. Слитки .со сферическим низом получают в сквозных изложницах, уста­ новленных на поддоны со сферическими лунками, в изложницах глуходонных, а также в листовых изложницах с кюмпельными поддонами и кюмпельными вставками.

У слитков с плоским низом обрезь нижней части раската (по утяжке) доходит до 4% от массы слитка, у слитков, отлитых на под­ донах со сферической лункой или на кюмпельных поддонах, обрезь составляет 0,5—0,75%.

(кристаллизаторе, форме), а также при охлаждении уже сформиро­ вавшегося слитка. К ним относятся: усадочная раковина, рыхлость, головная рыхлость, сотовые пузыри, неметаллические включения. Полностью устранить естественные пороки слитка невозможно, однака разливщики могут влиять на развитие естественных пороков, огра­ ничивая их и тем самым повышая качество слитков, стальных заго­ товок и готового проката.

2. Технологические пороки. Они образуются вследствие несовер­ шенства или нарушения установленных технологических режимовведения плавки и разливки стали. К таким порокам относятся по­ перечные и продольные трещины, плены, заливины, пояса, металли­ ческие и некоторые неметаллические включения, подкорковые и вну­ тренние пузыри в слитках спокойной стали. Выбор наиболее рацио­ нальных конструкций сменного оборудования (изложниц, поддонов, прибыльных надставок) и строгое соблюдение технологии разливки металла обеспечивают резкое снижение технологических пороковстальных слитков.

Указанные пороки могут быть как на слитках, так и на заготов­ ках (блюмах, слябах), и разделяются на поверхностные и внутренние.

Поверхностные пороки легко обнаруживаются и могут быть устра­ нены на охлажденных слитках и заготовках путем зачистки. Внутрен­ ние пороки обнаруживаются в слитках, прокатанных и литых заго­ товках и в готовом прокате путем микро- и макроисследований.

В современном металлургическом производстве слитки углеро­ дистых и легированных сталей загружают в нагревательные колодцы

1 7 5

с температурой 750—850° С, что резко повышает производительность сталеплавильных и прокатных цехов, снижает расход топлива, а также брак по трещинам.

Осмотр и отбраковка слитков производятся до посадки их в на­ гревательные колодцы, поэтому все слитки, кроме тех, где явно вы­ ражен брак, прокатываются на обжимных станах. Условно забрако­ ванные слитки после стрипперования исправляют, прокатывают и присоединяют к заготовкам данной плавки.

Для выявления поверхностных дефектов прокатанный металл под­ вергается осмотру в потоке. Слитки без пороков и те, которые про­ катывают на чистовых станах, без предварительной зачистки в горя­ чем состоянии направляют в нагревательные печи сортовых, листо­ вых трубных станов.

Блюмы и слябы с обнаруженными поверхностными дефектами рас­ кладывают на стеллажах, где они охлаждаются. Затем их осматри­ вают и отмечают на них дефекты, подлежащие удалению принятым на заводе способом (огневой зачисткой, пневматической вырубкой, зачисткой абразивными кругами и т. д.). В зависимости от характера дефектов и степени пораженности металла производится либо общая (сплошная), либо выборочная зачистка.

Производительность труда в прокатных цехах резко повышается и существенно снижаются эксплуатационные затраты с внедрением механизации зачистки металла в потоке. На ММК эксплуатируются два типа установки по зачистке металла в потоке, т. е. в процессе прокатки блюмов (слябов) и движения их на адъюстаж: машины огне­ вой зачистки металла и фрезерная машина.

При такой организации производства надо стремиться, чтобы слитки не имели грубых поверхностных дефектов, т. е. чтобы глу­ бина их залегания была бы минимальной, так как размеры потерь металла в окалину и стружку зависят не от количества дефектов, а от глубины поражения ими заготовки.

Брак слитков и заготовок в основном вызван образованием тре­ щин. Трещины могут быть наружными (по направленности относи­ тельно оси слитка они бывают продольными и поперечными) и вну­ тренними. Если трещины образовались на слитке, когда он был в го­ рячем состоянии, такие трещины называют горячими, если же тре­ щины образовались на холодном слитке, их называют холодными.

Трещины всех видов образуются в процессе кристаллизации и охлаждения слитка, а также при его нагреве перед прокаткой или при прокатке (внутренние трещины). Эти напряжения по силе и зна­ кам могут быть различными в зависимости от формы, геометрических размеров, массы, режима формирования, охлаждения или нагрева слитка. В слитках легированных сталей часто наблюдаются внутрен­ ние трещины, называемые межкристаллитными («паук»); они рас­ полагаются по оси слитка и вызывают расслоение в изломе. При охлаждении стали, недостаточно освобожденной от водорода, возни­ кают внутренние трещины, которые называют флокенами.

Прочность корки слитка зависит главным образом от скорости разливки, температуры нагрева металла и его химического состава.

1 7 6

Следовательно, условия возникновения трещин у слитков из стали различных марок неодинаковы. Например, ряд низколегированных сталей и особенно некоторые легированные и высоколегированные стали, имея относительно низкий предел прочности при высоких тем­ пературах, чувствительны к образованию трещин.

Различны также условия образования поперечных и продольных трещин. Поперечные трещины (рис. 121) возникают в ранней стадии кристаллизации слитка и главным образом, когда в процессе затвер­ девания слиток не получает свободной продольной усадки. Попереч­ ные трещины могут образовываться в любом месте по высоте слитка. В верхней прибыль­ ной части слитка (рис. 121, а) они получа­ ются при переливе металла и в тех случаях, если до начала образования твердой корки не были удалены заливины или если плохо выполнена футеровка (подмазка) утеплителя.

В подприбыльной части слитка (рис. 121, б) причиной возникновения трещин служат за­ висание слитка вследствие неровной поверх­ ности изложницы или затекание металла в зазор между изложницей и прибыльной надставкой. Если слитки, уширенные кверху, привариваются ко дну или стенкам излож­ ницы и не имеют свободной продольной усад­ ки, в теле их тоже появляются поперечные трещины (рис. 121, в).

Равномерное подвисание слитков угле­ родистой стали (массой до 7 т), уширенных кверху (что практиковалось при сифонной разливке для отрыва слитка от литника), не приводит к образованию поперечных трещин на слитке.

Для устранения поперечных трещин на слитках достаточно уста­ новить систематический контроль за состоянием внутренней поверх­ ности изложниц, не допуская под разливку изложницы, имеющие значительные трещины, раковины, бугры и другие существенные дефекты. Однако учитывая то, что не все стали имеют одинаковую склонность к образованию поперечных трещин, браковочные при­ знаки внутренней поверхности изложниц нужно устанавливать диффе­ ренцированно. Необходимо следить также за тем, чтобы между излож­ ницей и прибыльной надставкой зазор был не слишком большим.

В начальной стадии кристаллизации слитка, когда образовав­ шаяся корка отходит от стенки изложницы (в результате поперечной усадки слитка), она испытывает растягивающие усилия под напором столба жидкого металла внутри слитка, превышающие предел проч­ ности металла при данной температуре. Если к этому моменту корка слитка оказывается недостаточно прочной, то в той части слитка, где давление жидкого металла наибольшее (преимущественно в нижней части слитка), образуются продольные трещины. Образование их

по углам слитка, на широкой грани, во впадинах или на гребнях вол­ нистой поверхности объясняется неправильной конструкцией из­ ложниц или волнистых поверхностей ее.

Даже тогда, когда при формировании слитка успевает образо­ ваться довольно толстая и прочная корка, и в тех случаях, когда слиток полностью затвердевает, возможность образования продоль­ ных трещин на слитке не исключается, что связано с возникнове­ нием термических напряжений в теле слитка. Продольным трещинам, образующимся в результате термических напряжений, подвержены, например, слитки легированных сталей при температурах посада их в колодцы < 700° С.

Поверхностные слои слитка, охлаждающиеся значительно бы­ стрее по сравнению с внутренними слоями, претерпевают большую усадку, чем внутренние. При этом внутренние слои препятствуют свободному сокращению поверхностных слоев и в них неизбежно возникают растягивающие напряжения, которые в отдельных местах могут превышать предел прочности металла и привести к образова­ нию продольных трещин в любом участке по высоте слитка. Такие трещины чаще всего встречаются у слитков круглого сечения, т. е. когда слиток имеет наименьший периметр.

Продольные трещины в слитках образуются в результате не­ соответствия температуры разливаемой стали и скорости наполнения изложниц. При наполнении изложниц перегретым металлом с высо­ кой скоростью к моменту отхода слитка от стенок изложницы обра­ зуется корка недостаточной толщины и прочности, которая разры­ вается, не выдерживая давления столба жидкой стали. Разливка перегретого металла с большой скоростью приводит к увеличению термических напряжений в процессе охлаждения слитка. Многочис­ ленные исследования, а также заводская практика подтверждают зависимость образования продольных трещин от температуры раз­ ливаемой стали и скорости наполнения изложниц. Так, в слитках, отлитых сифонным способом, для которого характерны малые ско­ рости наполнения изложниц, продольных и поперечных трещин всегда меньше, чем на последующих. Очевидно, что, снижая скорость разливки перегретой стали, можно достичь уменьшения количества трещин на слитках.

Образование продольных трещин в слитках может быть след­ ствием недостаточного раскисления стали (при высоком остаточном содержании кислорода) или высокого содержания серы в металле. Снижение содержания серы в готовом металле и полное раскисление спокойной низкоуглеродистой и легированной сталей резко сни­ жают или полностью устраняют брак по трещинам в слитках и литых заготовках.

Внутренние трещины встречаются и в готовом прокате, однако их происхождение не связано с наличием трещин в слитке, а вызвано неправильным нагревом слитков (перегрев и пережог) и режимом обжатий при прокатке.

При разливке стали сверху в результате резкого удара струи металла в дно изложницы или поддон, а при сифонной разливке —■

1 7 8

вследствие фонтанирования металла в начальный период поступле­ ния его в изложницу, возникают брызги и заплески металла на вну­ треннюю поверхность изложницы, служащие затем причиной обра­ зования плен на нижней части слитка. Большое количество брызг и заплесков приводит к образованию на нижней части слитка сплош­ ной корки — так называемой «корзины». Сплошную корку этого же происхождения, распространяющуюся почти на всю высоту слитка, называют «рубашкой». Образование сплошных заливин («рубашек») возможно лишь при разливке стали сверху неплотной струей, когда брызги металла непрерывно попадают на стенки изложницы. Сли­ ток, покрытый такой пленой более чем на 75% его высоты, бра­ куют.

Мелкие и тонкие плены при нагреве слитков перед прокаткой обычно окисляются и не вызывают появления дефектов на блюмах, слябах и заготовках. Толстые плены сохраняются на поверхности слитка и после нагрева, а при прокатке они отслаиваются от за­ готовки.

Предотвратить поражение поверхности слитков пленами можно нормализацией струи металла. Если сталь разбрызгивается, канал стакана следует «промыть» кислородом. Медленный и плавный подъем стопора смягчит удар струи металла о поддон или изложницу.

Применение промежуточных ковшей при разливке металла, уста­ новка на дно изложницы манжет из тонкой листовой стали, хоро­ шее центрирование и плотная струя металла — надежные способы уменьшения плен на поверхности слитков.

Плены на заготовках (слябах) и на готовом прокате могут полу­ чаться также, если на поверхности слитков имеются заусенцы и бугры, образовавшиеся при наливе изложниц с трещинами и раз­ гаром.

Иногда при сифонной разливке жидкий металл вытекает через трещины в корке слитка. В результате этого образуются заливины. При разливке недостаточно нагретого металла, медленном наполне­ нии изложниц или при перекрытии струи металла получаются за­ вороты корки.

При разливке сверху тоже образуются завороты корки и зали­ вины, если перекрывается струя, и сталь вытекает через трещины

вкорке затвердевающего слитка. Заготовки из слитков с такими по­ роками бывают поражены пленами, трещинами и рванинами.

При длительном перерыве в наполнении изложницы слиток полу­ чается с поясом. В валках прокатного стана он разваливается на части. Для избежания образования пояса не следует доливать сталь в из­ ложницу, наполнение которой было прервано.

На рис. 122 и 123 показаны дефекты слитков. Из стали, сильно насыщенной газами, получаются слитки с газовыми пузырями. Если

вслитках кипящей и полуспокойной стали газовые'пузыри располо­ жены на большой глубине под коркой, то при нагреве слитка перед прокаткой они не вскрываются, в процессе прокатки завариваются, полностью «залечиваются» и не приводят к образованию дефектов на заготовках и готовом прокате.