Разливка стали. Вакуумная обработка перед разливкой

Разливка в изложницы

В разливочных отделениях сталеплавильных цехов сталь разливают в чугунные изложницы, в литейных цехах - в литейные формы. Сталеразливочные ковши изготавливают из толстых стальных листов, усиливая их кольцами и ребрами жесткости. Внутри ковши футеруют шамотным кирпичом. Среднее кольцо ковша имеет две цапфы для подъема краном. В днище вставляют разливочный стакан с отверстием диаметром 35-80 мм, которое закрывается стопором при помощи рычажного устройства. После заполнения ковша сталь выдерживают 5-10 мин для выравнивания состава, всплывания неметаллических включений и удаления газов, затем переносят к разливочной площадке. Изложницы, стоящие на платформах, заполняют сверху или снизу сифоном (рис. ). При разливке сверху выход годной стали выше, но скорость разливки меньше и поверхность слитков значительно хуже. Разливка снизу сифоном быстрее и поверхность слитков чище, но загрязнений неметаллическими включениями больше, так как они могут поступать из шамотной сифонной проводки. Выбор способа связан с местными условиями и назначением стали.

Структура слитка зависит от температуры, скорости разливки, свойств металла. Сталь разливают в слитки массой до 20 т. При затвердевании сталь уменьшается в объеме на 5,3%, образуя усадочную раковину и осевую усадочную рыхлость. Эти явления, а также повышенная загрязненность ухудшают качество головной части слитка, которую приходится отрезать, теряя до 15% металла. Борьба с усадочными явлениями осуществляется путем создания таких условий кристаллизации, при которых усадочная раковина имела бы наивыгоднейшую форму и наибольшую концентрированность.

Рис . Собранный куст для сифонной разливки стали:

1 - прибыльная надставка; 2 -изложница; 3 - поддон; 4 - центровая; 5 -сифонная проводка; 6 - груз

Слитки для сортового проката имеют квадратное или прямоугольное сечение, слитки для проката на лист - плоское. Качественную углеродистую сталь разливают в изложницы, расширяющиеся кверху с утепляющими надставками. Кипящую сталь разливают в изложницы, расширяющиеся книзу.

Вакуумная обработка перед разливкой

Выдержка жидкой стали в вакууме вне печи для удаления газов требует малых затрат и позволяет дегазировать большие массы металла (до 250-350 т). Ковш с жидкой сталью помещают в вакуумную камеру, либо переливают металл в другой ковш, что более эффективно, либо разливают металл в изложницы под вакуумом, что особенно целесообразно для очень больших слитков массой до 200-250 т. Остаточное давление в вакуум-камере составляет 0,6-1,9 кН/м 2 , иногда до 13 Н/м 2 . Применяя этот способ, можно снизить содержание кислорода в бессемеровской кипящей стали в 4-10 раз, водорода на 50- 60% и азота на 20-30%, неметаллические включения уменьшаются примерно в два раза.

Непрерывная разливка стали за последние 15 лет получила полное признание и успешно развивается. Помимо механизации и автоматизации она увеличивает выход металла и улучшает его свойства и качество. На рис. 235 показана вертикальная машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Большая часть установки расположена ниже пола цеха и углублена в землю на 20 м. Благодаря этому она занимает меньшую площадь, чем разливочный пролет сталеплавильного цеха.

Разливку металла из сталеразливочного ковша производят через промежуточный ковш. Сталь непрерывной струей поступает в кристаллизатор, изготовленный из красной меди в виде полого интенсивно охлаждаемого короба. Внутреннее сечение кристаллизатора формирует заготовку различных форм и размеров: квадрат от 40X40 мм и больше, прямоугольник до 250Х 1200 мм, круг и другие более сложные формы. Интенсивное охлаждение кристаллизатора обеспечивает быстрое формирование прочных стенок заготовки. Заготовка выходит из кристаллизатора жидкой в середине и интенсивно охлаждается вторично брызгалами, в результате чего полностью затвердевает. Тянущие валки вытягивают непрерывный слиток с заданной скоростью и выправляют возможные коробления и искривления. Окончательно затвердевшая заготовка режется газовой или кислородной автоматической установкой на заготовки для проката. Заготовки поднимаются на уровень пола цеха и направляются склад, в термосные ямы или в прокатный цех.

В последнее время приобрели преимущественное распростра ненные МНЛЗ радиального типа (рис. ). В этих установках сформировавшийся в кристаллизаторе слиток выходит из него по дуге, а затем выпрямляется тянущеправальными устройствами, после чего режется на заготовки. Эта конструкция оказалась дешевле на 50% по сравнению с другими типами МНЛЗ и более рациональной. В современных высокопроизводительных машинах непрерывного литья заготовок может быть одновременная разливка через несколько кристаллизаторов в несколько ручьев, число которых доходит до 8. По сравнению с разливкой в изложницы при непрерывной разливке технология упрощается и практически проходит без потерь металла. Обслуживание машины требует значительно меньше затрат, чем разливка в изложницы. Сам процесс разливки менее трудоемок и более производителен.

Заготовку, полученную на МНЛЗ, не надо обжимать на блюминге или слябинге, а иногда и на крупносортных станах. Эта возможность меняет общезаводскую схему технологии в сторону сокращения стадий и общего упрощения металлургического передела. Весьма перспективно совмещение МНЛЗ прокатном станом в единый автоматический комплекс.

Статья на тему Разливка стали

КУРС ЛЕКЦИЙ

ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

«РАЗЛИВКА СТАЛИ»

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНО-ЗАОЧНОЙ

ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ

ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ

«МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ»

Новокузнецк 2008

1. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

1.1 Структура жидкого металла вблизи температуры затвердевания

1.2 Кристаллизация стального слитка

2.1 Механизм зарождения кристаллов

2.2 Рост кристаллов

2.3 Кристаллическая неоднородность слитка

2.4 Ликвационные процессы при затвердевании слитка

2.5 Усадочные процессы при затвердевании слитка

3 Газы в стали

4 Неметаллические включения в стали

4.1 Эндогенные неметаллические включения

4.2 Экзогенные неметаллические включения

СТРОЕНИЕ СЛИТКОВ

1 Типы слитков

2 Строение слитков спокойной стали

3 Строение слитков кипящей стали

2.3.1 Строение механически закупоренных слитков кипящей стали

3.2 Строение химически закупоренных слитков кипящей стали

3.3 Преимущества и недостатки использования кипящей стали по сравнению со спокойной

2.4 Строение слитков полуспокойной стали

2.4.1 Преимущества и недостатки использования полуспокойной стали по сравнению с кипящей

СПОСОБЫ РАЗЛИВКИ СТАЛИ

4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗЛИВКИ СЛИТКОВ

1 Сталеразливочный ковш

1.1 Футеровка сталеразливочных ковшей

1.2 Подготовка сталеразливочных ковшей

2 Промежуточные устройства для разливки слитков

3 Сменное оборудование для разливки слитков

3.1 Подготовка сменного оборудования к разливке

ТЕХНОЛОГИЯ РАЗЛИВКИ СТАЛИ

1 Выбор температуры разливки стали

2 Влияние температуры разливки на качество стали

3 Выбор скорости разливки стали

4 Влияние скорости разливки на качество стали

5 Режимы разливки спокойной стали

5.1 Защита металла от окисления при разливке

6 Режимы разливки кипящей стали

6.1 Механическое закупоривание слитков

6.2 Химическое закупоривание слитков

6.3 Применение интенсификаторов кипения

6.4 Скоростная разливка стали

КАЧЕСТВО СЛИТКОВ

1 Химическая неоднородность слитков

1.1 Зональная ликвация в слитках спокойной стали

6.1.2 Зональная ликвация в слитках кипящей и полуспокойной стали

6.2 Поверхностные дефекты слитков

3 Дефекты макроструктуры слитков

4 Контроль качества слитков

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

1.1 Структура жидкого металла вблизи температуры затвердевания

Жидкие металлы с небольшим перегревом (на 100-2000С) над точкой плавления имеют большее сходство с твердыми телами, чем с газами. Это относится и к железу.

Сходство жидкого металла с твердыми телами проявляется в следующих основных моментах:

Незначительное увеличение объема при плавлении (для стали на 5%), при испарении объем увеличивается в тысячи раз.

Изменение термодинамических функций состояния вещества (энтальпия и энтропия) на порядок меньше, чем изменение соответствующих функций при испарении:

;

Такие физические свойства, как электропроводность, магнитная проницаемость, теплопроводность при плавлении изменяются незначительно (на несколько процентов). При этом для твердых металлов вблизи температуры плавления характерны некоторые свойства жидкости, например - текучесть. Для жидкого металла вблизи температуры затвердевания наоборот характерны ряд свойств твердых тел - сопротивляемость сдвигу. В то же время газы практически не сопротивляются их формоизменению.

Рентгеноструктурный анализ показывает, что частицы в жидкостях, незначительно перегретых над точкой кристаллизации расположены не беспорядочно, как в газах, а для них характерен «ближний» порядок расположения частиц (как в твердых телах). Ближний порядок - это геометрически правильное расположение атомов в определенных местах элементарных кристаллических решеток в определенной последовательности и на определенном расстоянии.

1.2 Кристаллизация стального слитка

Сталь в изложницах затвердевает в виде кристаллов древовидной формы - дендритов. Процесс затвердевания складывается из двух стадий: зарождение кристаллов и их последующий рост.

1.2.1 Механизм зарождения кристаллов

Различают два типа зарождения кристаллов: гомогенное и гетерогенное. Гомогенное зарождение кристаллов - это образование зародышей кристалла в объеме жидкой фазы. Гетерогенное зарождение кристаллов - это образование зародышей кристалла на уже имеющейся межфазной поверхности (неметаллические включения, стенки изложниц).

Механизм гомогенного зарождения кристаллов

В жидком металле вблизи точки кристаллизации непрерывно образуются группировки атомов с упорядоченной структурой - зародыши твердой фазы. Однако одновременно происходит разрушение большей части из них. Для того, чтобы зародыши стали термодинамически устойчивыми, то есть способными к дальнейшему росту, необходимы определенные условия.

Условия гомогенного зарождения кристаллов.

Переход жидкости в твердое состояние и наоборот возможен, если свободная энергия системы (энергия Гиббса) уменьшается. При температуре кристаллизации свободная энергия жидкой и твердой фаз равны и следовательно образование зародыша невозможно. Поэтому необходимо некоторое переохлаждение расплава. При конкретной величине переохлаждения способными к дальнейшему росту оказываются те зародыши, размер которых превысит критический.

Критический радиус зародыша определяется по формуле:

, (1)

где - межфазное натяжение на границе жидкой и твердой фаз;

Температура начала кристаллизации;

Скрытая теплота кристаллизации;

Величина переохлаждения.

То есть при увеличении степени переохлаждения () критический радиус зародыша уменьшается и возрастает интенсивность образования устойчивых зародышей.

Фактически для реализации механизма гомогенного зарождения кристаллов необходимая величина переохлаждения составляет 3000С. При гетерогенном зарождении кристаллов достаточно переохлаждения в несколько градусов.

1.2.2 Рост кристаллов

Зарождающийся кристалл имеет правильную форму, однако через некоторое время правильный рост возникшего кристалла прекращается и начинается преимущественный рост его вершин, то есть ветвей дендрита (рис. 1а). Объясняется это тем, что количество тепла, выделяющегося при кристаллизации, будет минимальным у вершин и максимальным у центра граней. Это препятствует кристаллизации у граней.

Механизм роста кристалла следующий (рис. 1а): от вершин кристалла вырастают оси первого порядка - стволы дендрита (оси А), на них вырастают перпендекулярно направленные оси второго порядка (оси m), на которых аналогичным образом вырастают оси третьего порядка (оси n) и т.д.

При отсутствии направленного теплоотвода оси во всех направлениях развиваются одинаково и кристалл получается равноосным (рис. 1а). При направленном теплоотводе кристалл имеет вытянутую форму (рис. 1б). Скорость роста кристаллов прямо пропорциональна интенсивности теплоотвода.

Рис. 1 - Схема роста кристалла

а - равноосного; б - выросшего в условиях направленного теплоотвода

1.2.3 Кристаллическая неоднородность слитка

Формирование кристаллической неоднородности слитка связано с термофизическими процессами, происходящими при его затвердевании.

В наружной части слитка под влиянием быстрого отвода тепла стенками изложницы образуется зона мелких равноосных кристаллов. Одновременное наличие большого числа зародышей не позволяет кристаллам развиваться, так как они препятствуют росту друг друга. Таким образом, образуется корковая зона слитка, состоящая из мелких равноосных кристаллов (зона II на рис. 2).

Рис. 2 - Схема кристаллизации слитка- стенки изложницы; II - корковая зона слитка; III - зона столбчатых кристаллов; IV - центральная зона слитка

Постепенно скорость охлаждения стали замедляется за счет нагрева стенок изложницы, однако при этом продолжается интенсивный рост кристаллов в сторону жидкого металла. В результате образуется зона столбчатых кристаллов, вытянутых в направлении теплоотвода (зона III на рис. 2). Форма кристаллов обусловлена условиями их роста. При кристаллизации соседние кристаллы мешают друг другу и единственным направлением, в котором они могут расти является жидкая сердцевина слитков. Рост столбчатых кристаллов продолжается до тех пор, пока существует значительный теплоотвод. По мере понижения температуры жидкого металла, а также вследствие образования зазора между слитком и стенками изложницы (из-за уменьшения объема слитка при затвердевании) рост кристаллов замедляется и затем вовсе прекращается.

Формирование последней кристаллической зоны слитка, расположенной в осевой его части начинается в момент прекращения роста столбчатых кристаллов. Как правило, центральная (осевая) часть слитка обогащена повышенным количеством неметаллических включений, которые и становятся центрами кристаллизации. В результате образуются крупные различно ориентированные кристаллы (зона IV на рис. 2).

Факторы, влияющие на развитие кристаллической неоднородности.

Толщина стенок изложницы. Ширина зоны столбчатых кристаллов возрастает с увеличением толщины стенок изложницы. Однако данная зависимость справедлива до определенного предела, величина которого зависит от размеров слитка, марки стали и т.д. Объясняется это тем, что данный фактор может оказывать влияние только до момента образования зазора между слитком и изложницей.

Температура жидкой стали. Значительный перегрев жидкой стали над температурой плавления к моменту начала кристаллизации благоприятствует расширению зоны столбчатых кристаллов. Снижение температуры разливки способствует получению мелкозернистой структуры. Это происходит по той причине, что с повышением температуры разливаемого металла изложница успевает больше нагреться и соответственно уменьшается скорость отвода тепла в начале кристаллизации.

Температура стенок изложницы. С повышением температуры изложницы ширина зоны столбчатых кристаллов уменьшается, за счет замедления теплоотвода.

Теплопроводность материала изложницы. Скорость затвердевания слитка прямо пропорциональна теплопроводности материала изложницы. При увеличении теплопроводности стенок изложницы образуется более широкая зона равноосных кристаллов.

Скорость разливки стали. При увеличении скорости разливки возрастает ширина зоны столбчатых кристаллов. Это объясняется тем, что при медленной разливке металл сильнее остывает и кристаллизуется при сохранении движения жидкости к концу наполнения изложницы. В то же время при быстрой разливке кристаллизация протекает в относительно спокойном металле.

Масса слитка. При увеличении массы слитка возрастает ширина зоны столбчатых кристаллов. Это связано со снижением охлаждающего влияния стенок изложниц при увеличении сечения слитка.

1.2.4 Ликвационные процессы при затвердевании слитка

Ликвация - химическая неоднородность слитка. Химическая неоднородность возникает в слитке вследствие того, что растворимость ряда примесей в твердом железе ниже, чем в жидком. Поэтому растущие при затвердевании оси кристаллов содержат меньшее количество примесей, чем исходная сталь (избирательная кристаллизация), а оставшийся жидкий металл соответственно обогащается повышенным количеством примесей.

Различают ликвацию двух видов: дендритную и зональную.

Дендритная ликвация - неоднородность стали в пределах одного кристалла (дендрита). Возникает в результате избирательной кристаллизации. Наибольшей склонностью к дендритной ликвации обладают сера, фосфор, углерод. Отрицательное влияние дендритной ликвации сказывается в том, что она вызывает в готовой стали появление полосчатой структуры: при прокатке оси дендритов вытягиваются, образуя полосы обладающие неодинаковым составом и свойствами.

Зональная ликвация - неоднородность состава стали в различных частях слитка. Такая ликвация достигает больших абсолютных значений, чем дендритная. Наибольшей склонностью к зональной ликвации обладают те же элементы, что и для дендритной ликвации: сера, фосфор, углерод.

На возникновение зональной ликвации некоторое влияние оказывает избирательная кристаллизация. Однако кроме этого значительную роль играют процессы, приводящие к перемещению ликвирующих элементов из одной части слитка в другую.

Такими процессами являются:

Диффузия примесей из двухфазной области в оставшийся жидкий металл;

Конвективные потоки металла в изложнице, приводящие к выносу ликватов в верхнюю и среднюю часть слитка;

Всплывание объемов загрязненного металла вследствие разности плотностей.

1.2.5 Усадочные процессы при затвердевании слитка

Вследствие уменьшения объема металла при переходе из жидкого в твердое состояние в слитке возникает физическая неоднородность. В верхней части слитка спокойной стали образуется сосредоточенная усадочная раковина, объем которой составляет 2-5% от объема слитка. Под усадочной в слитке всегда находится усадочная рыхлость и пористость.

Решающее влияние на вид физической неоднородности оказывают два параметра:

Разность температур ликвидус (температура начала кристаллизации) и солидус (температура завершения кристаллизации) - ;

Перепад температур в затвердевающих объемах стали - .

В зависимости от соотношения указанных параметров различают три основных условия формирования зон слитка:

При затвердевание происходит последовательно и с большой скоростью. Образуется сосредоточенная усадочная раковина.

При протекает последовательно-объемная кристаллизация. Наряду с сосредоточенной усадочной раковиной появляется пористость.

При происходит объемная кристаллизация, сопровождающаяся зарождением и ростом кристаллов по всему объему и рассредоточением в нем усадочных пустот в форме пористости.

1.3 Газы в стали

Газовые пузыри;

Соединения (оксиды, гидриды, нитриды);

Жидкие растворы - атомы или ионы, распределенные между атомами и ионами жидкого металла;

Твердые растворы - атомы или ионы, внедренные в кристаллическую решетку металла.

При этом газы в любом виде оказывают значительное влияние на свойства стали. В большинстве случаев содержание газов в стали стараются понизить. Источниками газов может быть как непосредственно газовая фаза (атмосфера), так и шихтовые или добавочные материалы, используемые для производства стали. Рассмотрим основные газы, содержащиеся в стали.

Кислород

Так как атмосфера большинства сталеплавильных цехов окислительная, то какое-то количество кислорода неизбежно переходит из газовой фазы в металл. Источником кислорода также может быть металлический лом с окислами железа (ржавчина). При содержании в стали элементов, обладающих большим химическим сродством к кислороду, чем железо, происходит окисление этих элементов с образованием оксидов. Большая часть оксидов переходит в шлак, снижая количество растворенного в стали кислорода. Часть таких элементов (марганец, кремний, алюминий, кальций) вводят в сталь намеренно. Такой процесс называется раскислением, а элементы - раскислителями. Раскислителем, хотя и более слабым по отношению к вышеперечисленным элементам, является и всегда содержащийся в стали углерод. Отрицательное влияние кислорода на свойства стали связано с оксидными включениями, которые не удаляются в шлак и остаются в металле. Наиболее вредное влияние оказывают окислы, располагающиеся в виде цепочек по границам зерен. Подробно влияние оксидов рассмотрим в разделе 1.2.7 («Неметаллические включения в стали»).

Также как и в случае с кислородом атмосфера сталеплавильных цехов неизбежно содержит некоторое количество водорода или паров воды. Источниками водорода также могут служить шихтовые материалы (металлический лом), ферросплавы, шлакообразующие материалы (известь). Отрицательное влияние водорода сказывается в том, что он интенсивно выделяется при переходе металла из одного аллотропического состояния в другое (например из -железа в -железо). В результате нарушается сплошность металла и образуются внутренние разрывы стали - флокены. Это приводит к значительному снижению прочности и пластичности стали.

Для уменьшения содержания водорода в стали применяют следующие методы:

Обработка стали вакуумом. Содержание водорода в стали прямо пропорционально его давлению в газовой фазе. Поэтому при снижении давления водорода в газовой фазе за счет помещения металла в вакуумную камеру водород начинает удаляться из стали.

Организация кипения ванны металла. Кипение создается за счет образования пузырей CO. Внутри пузырей CO парциальное давление водорода равно нулю, поэтому водород из металла переходит в газовые пузыри и удаляется вместе с ними из стали.

Продувка инертными газами. Обычно используют аргон, как самый дешевый и доступный газ. Принцип действия данного способа аналогичен предыдущему: при продувке через сталь проходят пузыри аргона, в которых парциальное давление водорода равно нулю, поэтому водород переходит в пузыри и удаляется вместе с ними из стали.

Выдержка затвердевшей стали при повышенных температурах. Так как размеры атомов водорода малы, то при повышенных температурах они свободно диффундируют через кристаллическую решетку металла.

Добавки гидридообразующих элементов. Некоторые редкоземельные металлы способы вступать во взаимодействие с водород образуя соединения (гидриды). Соответственно при введении таких элементов в металл содержание водорода в нем уменьшается.

Снижение содержание влаги в добавочных и шлакообразующих материалов. Для этого применяют прокаливание ферросплавов, обжиг извести в специальных печах и т.д.

Также как кислород и водород, азот почти всегда присутствует в атмосфере сталеплавильного цеха. Однако в отличие от перечисленных газов интенсивность перехода азота в сталь при температурах сталеплавильных процессов (1450-16000С) невелика, значительная скорость проникновения атомов азота в металл возникает при высоких температурах (25000С). Поэтому газовая фаза в большинстве случаев не является значительным источником азота. Азот поступает в сталь из шихтовых материалов (чугун, металлический лом) и ферросплавов. Отрицательное влияние азота на механические свойства вызвана тем, что растворимость азота резко понижается при превращении из -железа в -железо. В результате при охлаждении стали получается перенасыщенный азотом твердый раствор, из которого по границам зерен выделяются нитриды («старение металла»). Это приводит к увеличению твердости, повышению хрупкости и снижению пластичности. Для большинства марок сталей стремятся к понижению содержания азота в металле, однако в ряде случаев (например для рельсовых сталей) содержание азота намеренно повышают.

Для снижения содержания азота в стали применяют следующие методы:

Использование шихтовых материалов с низким содержанием азота.

Организация кипения ванны или продувка инертными газами. Принцип действия аналогичен удалению водорода.

Защита металла от соприкосновения с атмосферой в зоне высоких температур (зона электрических при выплавке в дуговых электросталеплавильных печах, зона контакта кислорода струи с металлом при продувке кислородом).

Использование для продувки кислорода без примесей азота.

Введение в сталь элементов, обладающих значительным химическим сродством в азоту (алюминий). В результате образуются прочные нитриды.

Вакуумирование стали. Принцип действия аналогичен удалению водорода.

1.4 Неметаллические включения в стали

Неметаллические включения - это соединения, содержащихся в стали металлов (железо, марганец, кремний, алюминий и др.) с неметаллами (кислород, азот, сера, фосфор и др.). Неметаллические включения разделяют на две группы: эндогенные - образующиеся в процессе металлургических реакций и экзогенные - механически попадающие в сталь.

сталь кристаллизация слиток разливка

1.4.1 Эндогенные неметаллические включения

Основные виды эндогенных неметаллических включений: оксиды, сульфиды, нитриды.

Оксиды. Содержание окислов в стали находится в пределах 0,006-0,040%. Следует отметить, что в стали редко образуются свободные оксиды. Чаще всего они представляют собой сложные химические соединения на основе кремнезема и глинозема. В большинстве случаев в слитке оксидные включения имеют округлую форму (рис. 3а), которая изменяется на вытянутую с рваными краями после деформации (рис. 3б).

Рис. 3 - Силикатные неметаллические включения

а - в стальных слитках; б - в рельсовой стали после деформации

Сульфиды. Растворимость серы в твердом железе составляет менее 0,003%, поэтому практически вся растворенная в жидкой стали сера при кристаллизации выделяется в виде самостоятельной фазы. В основном встречаются сульфиды железа и марганца. Сульфиды в процессе затвердевания выпадают в виде пленок, располагающихся по границам зерен (рис. 4).

Рис. 4 - Цепочки сульфидов по границам зерен

В их состав входят легкоплавкие эвтектики сульфида железа и низших оксидов железа и марганца. Температура плавления таких эвтектик ниже температуры нагрева слитков под прокатку. Поэтому при нагреве они расплавляются и вызывают красноломкость стали. Вредное влияние серы ослабляется введением марганца, так как температура плавления образующегося сульфида марганца значительно выше, температуры нагрева слитков под прокатку.

Нитриды. Образование нитридов происходит при введении в сталь элементов, обладающих значительным химическим сродством к азоту (алюминий, титан). Нитриды титана образуются в жидкой стали в виде правильных кубических кристаллов (рис. 5). Размеры нитридов титана зависят от размера слитка и находятся в пределах 1-20 мкм.

Рис. 5 - Включения нитридов титана (черные кубики)

Нитриды алюминия образуются, как в жидкой стали, так и в период ее кристаллизации. Они располагаются по границам зерен в виде цепочек, состоящих из мелких кристаллов (размеры до 2 мкм). Нитриды алюминия, образующиеся в жидкой стали, имеют форму правильных прямоугольных кристаллов с округленными гранями. Нитриды алюминия, образующиеся при кристаллизации стали, имеют угловатые палочкообразные очертания.

В результате ликвации азота скопления, как нитридов титана, так и нитридов алюминия образуются в центральной части слитка в зоне столбчатых кристаллов. Влияние неметаллических включений на свойства стали определяется следующими параметрами:

Размеры и количество. Как правило, более опасны мелкие неметаллические включения.

Расположение. Наиболее выраженное отрицательное влияние оказывают включения, расположенные по границам зерен.

Форма. Глобулярные или округлые неметаллические включения менее опасны, чем остроконечные.

Следует отметить, что большая часть неметаллических включений самопроизвольно удаляется из металла: включения укрупняются, всплывают и захватываются шлаком. Скорость их всплывания зависит от размеров включений, вязкости стали и процессов смачивания включений металлом и шлаком.

Меры, предупреждающие образование неметаллических включений:

Разливать сталь при повышенной температуре, что приведет к снижению вязкости стали и облегчению всплывания неметаллических включений на поверхность слитка.

Защищать металл в период выпуска и разливки от вторичного окисления.

Выплавлять сталь с содержанием серы не выше 0,020-0,025%.

1.4.2 Экзогенные неметаллические включения

Представляют собой частицы оставшегося в металле шлака, частицы попавшей в металл футеровки желоба или ковша. Соответственно причиной появления экзогенных включений являются затягивание остатков шлака струей с поверхности слитка и разрушение огнеупоров в результате химического и механического воздействия жидкой стали. Размеры экзогенных неметаллических включений значительно превышают размеры эндогенных включений и могут доходить до 15 мм. Для ликвидации загрязнения стали крупными включениями необходимо выполнять требования технологических инструкций по разливке стали и повышать стойкость огнеупоров.

2. СТРОЕНИЕ СЛИТКОВ

2.1 Типы слитков

В зависимости от степени раскисления выделяют три типа сталей: спокойные, кипящие, полуспокойные. Раскисление - это удаление из стали растворенного кислорода. Степень раскисления обуславливает различие в строении слитков.

Спокойная сталь раскисляется сильными раскислителями (кремний, алюминий) и поэтому содержит малое количество растворенного кислорода (<0,005%). Соответственно при разливке и кристаллизации стали в изложницах газовые пузыри не образуются.

Кипящая сталь раскисляется марганцем, который является гораздо менее сильным раскислителем, чем кремний и алюминий. При этом окончательное раскисление кипящей стали производится углеродом, содержащемся в стали. Поэтому при разливке в изложницы кипящая сталь содержит значительное количество свободного кислорода (0,02-0,06%), что обуславливает образование газовых пузырей (в основном CO). Поднимаясь к поверхности газовые пузыри создают картину кипения.

Полуспокойная сталь является промежуточным типом между спокойной и кипящей сталью. Она раскисляется кремнием и алюминием, но в меньшем количестве, чем спокойная сталь. В результате газовые пузыри образуются в гораздо меньшем количестве, чем в кипящей стали и картина кипения практически отсутствует. По сути, полуспокойная сталь является недораскисленной спокойной сталью или перераскисленной кипящей сталью.

2.2 Строение слитков спокойной стали

Наружная зона слитка (зона 1 на рис. 6) образуется в момент соприкосновения жидкой стали с холодными стенками изложницы. Резкое переохлаждение металла приводит к одновременному гетерогенному зарождению большого числа кристаллов на шероховатой поверхности изложниц. В связи с чем кристаллы не успевают вырасти до значительных размеров и принять определенную ориентацию. Толщина корковый зоны составляет 6-15 мм.

После нагрева изложницы скорость охлаждения стали уменьшается и протекает при меньшем числе центров кристаллизации. В результате образуется зона столбчатых кристаллов (зона 2 на рис. 6), состоящая из крупных кристаллов вытянутых в направлении теплоотвода.

По мере нагревания изложницы и уменьшения температуры жидкой стали происходит снижение интенсивности роста столбчатых кристаллов и в момент образования зазора между слитком и стенками изложницы (вследствие уменьшения объема стали при затвердевании) происходит остановка направленной кристаллизации. С этого момента кристаллизация стали протекает за счет теплоотвода между слитком и стенками изложницы через образовавшийся газо-воздушный зазор. Центрами кристаллизации в большинстве случаев являются неметаллические включения в объеме оставшейся жидкой стали. В результате образуется зона крупных различно-ориентированных равноосных кристаллов (зона 3 на рис. 6). Также следует отметить, что в нижней части осевой зоны слитка образуется зона мелких кристаллов (конус осаждения). Образование конуса осаждения связывают с охлаждающим действием поддона на нижнюю часть слитка и оседанием обломков кристаллов во время затвердевания.

Рис. 6 - Строение слитка спокойной стали

Зона мелких равноосных кристаллов; 2 - зона столбчатых кристаллов 3 - зона крупных равноосных кристаллов; 4 - усадочная раковина

Усадочная раковина (зона 4 на рис. 6) образуется в момент затвердевания последних порций металла. Причиной ее образования является уменьшение объема металла при переходе из жидкого в твердое состояние. Величина усадки составляет 2,0-5,3% в зависимости от химического состава стали.

Часть слитка с усадкой после прокатки отрезают и отправляют в переплав. Поэтому с целью уменьшения обрези стремятся уменьшить глубину проникновения усадочной раковины в слиток.

Для этого прибегают к мерам, обеспечивающим более позднее затвердевание верхней части слитка:

Спокойную сталь разливают в уширенные кверху изложницы. В этом случае большая масса металла в верхней части слитка способствует замедленному его охлаждению.

Теплоизолируют боковые поверхности верха слитка. Для этого на изложницу устанавливают прибыльную надставку, которую при разливке заполняют жидким металлом. Боковые стенки прибыльной надставки футерованы огнеупорами или снабжены теплоизоляционными вставками, благодаря чему охлаждение металла замедляется.

После наполнения изложницы поверхность жидкого металла в прибыльной надставке засыпают теплоизолирующими или подогревающими смесями. В качестве теплоизолирующих засыпок используют асбест, коксо-шлаковую смесь. В качестве разогревающих засыпок используют смесь горючих и нейтральных компонентов. В качестве горючих компонентов выступают: алюминий, ферросилиций, древесный уголь. Нейтральные компоненты - шамот, боксит. Горючие компоненты медленно окисляются с выделением тепла, обогревающего жидкий металл, а нейтральные компоненты образуют теплоизоляционный слой, замедляющий отвод тепла от верха слитка.

2.3 Строение слитков кипящей стали

Особенности строения слитка кипящей стали обусловлены процессами газообразования, протекающими одновременно с процессами кристаллизации стали. В слитках кипящей стали не образуется концентрированная усадочная раковина, усадка рассредоточена по многочисленным газовым полостям. Поэтому для кипящей стали нет необходимости применять уширенные кверху изложницы и ее разливают в уширенные книзу сквозные изложницы.

Для уменьшения химической неоднородности стали процесс кипения прекращают вскоре после наполнения изложницы. Для этого применяют два способа:

Механическое закупоривание - накрывание слитка массивной металлической крышкой.

Химическое закупоривание - раскисление металла в верхней части слитка алюминием.

Слитки, закупоренные различным способом, имеют разное строение (рис. 7).

2.3.1 Строение механически закупоренных слитков кипящей стали

Также как и в слитках спокойной стали в момент начала кристаллизации образуется наружная корочка (зона 1 на рис. 7), состоящая из мелких равноосных кристаллов. Ее толщина составляет от 2-8 мм до 25-40 мм в зависимости от размера слитка. Образующаяся корочка получается плотной, так как не содержит газовых пузырей. При интенсивном кипении металла в начальный момент времени газовые пузыри всплывают на поверхность.

Рис. 7 - Строение слитков кипящей стали

а - механически закупоренного; б - химически закупоренного; 1 - наружная корка; 2 - зона сотовых пузырей; 3 - промежуточная плотная зона; 4 - зона вторичных пузырей; 5 - скопление пузырей; 6 - скопление пузырей и усадочных пустот; 7 - «мост» плотного металла.

Вместе с ростом столбчатых кристаллов образуется зона сотовых пузырей (зона 2 на рис. 7). Образование данной зоны связано с уменьшением количества растворенного кислорода в стали, в результате чего снижается интенсивность образования газовых пузырей и исчезает мощный поток, выносящий их на поверхность слитка. Это, в свою очередь, приводит к тому, что часть образовавшихся газовых пузырей остается в слитке между столбчатыми кристаллами. Оставшиеся в слитке сотовые пузыри растут в том же направлении, что и столбчатые кристаллы - в направлении теплоотвода. Их длина может достигать 70-100 мм. Следует отметить, что высота зоны сотовых пузырей составляет от до высоты слитка. В верхней части слитка сотовые пузыри отсутствуют, так как они вымываются поднимающимся снизу потоком газа. Высота зоны сотовых пузырей возрастает при повышении скорости наполнения изложниц, снижении интенсивности кипения и уменьшения окисленности металла.

После формирования зоны сотовых пузырей, теплопроводность которой мала, скорость теплоотвода снижается и поэтому прекращается опережающий рост главных осей столбчатых кристаллов. В результате фронт кристаллизации выравнивается и образующиеся газы вымываются с более ровного фронта кристаллизации. Формируется плотная промежуточная зона (зона 3 на рис. 7), состоящая из неориентированных кристаллов небольшого размера.

После опускания крышки на изложницу (механического закупоривания) кипение металла прекращается, так как газовые пузыри больше не могут образовываться. Вследствие прекращения циркуляции газовых пузырей по слитку уже сформировавшиеся на момент закрытия крышкой пузыри фиксируются на границе затвердевания. В результате образуется зона вторичных пузырей (зона 4 на рис. 7).

Кристаллизация центральной части слитка происходит без существенного газовыделения и циркуляции газов. Из-за повышенного содержания в верхней части слитка углерода и кислорода вследствие ликвации, а также в результате всплывания газовых пузырей образуется зона скопления пузырей CO (зона 5 на рис. 7). Скопление пузырей приводит к образованию рыхлости, которая распространяется на глубину до 25% от высоты слитка.

Верхнюю часть слитка после прокатки удаляют из-за наличия газовых пузырей и неметаллических включений. Величина обрези составляет: для рядовых сталей - 5-9%, для качественных сталей - 10-13%.

2.3.2 Строение химически закупоренных слитков кипящей стали

Формирование и строение наружной корочки слитка и зоны сотовых пузырей (зоны 1, 2 на рис. 7) в химически закупоренных слитках аналогично этим же зонам в механически закупоренных слитках. Вводимый в верхнюю часть слитка при химическом закупоривании алюминий связывает растворенный в стали кислород в оксиды, поэтому прекращается кипение металла и рост сотовых пузырей. Расход алюминия выбирают таким, чтобы при дальнейшем затвердевании наблюдалось незначительное газовыделение, целью которого является предотвращение образования концентрированной усадочной раковины.

Также как и в механически закупоренном слитке в верхней части химически закупоренного слитка наблюдается скопления пузырей и усадочных пустот (зона 6 на рис. 7). Глубина ее проникновения в слиток составляет 30-45% от высоты слитка.

При оптимальной раскисленности стали над областью усадочной рыхлости образуется «мост» плотного металла (зона 7 на рис. 7), толщина которого составляет 10% от высоты слитка. «Мост» плотного металла изолирует пустоты от соприкосновения с атмосферой и окисления, вследствие чего при прокатке пустоты завариваются и не приводят к образованию дефектов поверхности. Обрезь с головной части слитка после прокатки при этом составляет 3,5-6,0%.

Показателем оптимальной раскисленности стали является образование выпуклой гладкой поверхности, как показано на рис. 4б. При недостаточной раскисленности стали наблюдаются прорывы поверхности слитка газовыми пузырями, нарушается сплошность «моста». В результате часть пустот не заваривается и окисляется при контакте с атмосферой, что приводит к увеличению обрези с головной части слитка после прокатки. Если сталь перераскислена, то образуется недостаточно изолированная сверху глубокая усадочная раковина со скоплением неметаллических включений. Обрезь с головной части слитка после прокатки при этом также возрастает.

Основным параметром, определяющим качество слитков кипящей стали, является толщина наружной корки слитка (зона 1 на рис. 7). В случае недостаточной толщины наружной корки слитка при нагреве под прокатку сотовые пузыри могут выходить на поверхность и окисляться. В результате при прокатке образуются поверхностные дефекты в виде рванин. Толщина здоровой корки увеличивается при увеличении окисленности стали и снижении скорости наполнения изложниц металлом. Кроме того, на толщину корковой зоны слитка оказывает влияние химический состав стали. Так как углерод и марганец снижают окисленность стали, то содержание этих элементов ограничивают в пределах C < 0,27%, Mn < 0,60%.

2.3.3 Преимущества и недостатки использования кипящей стали по сравнению со спокойной

Преимущества:

Повышенная пластичность, что обусловлено химическим составом стали (практически отсутствуют алюминий и кремний, ограничено содержание марганца и углерода).

Пониженный расход ферросплавов. Отсутствует необходимость использования кремнесодержащих ферросплавов при раскислении и пониженный расход марганцесодержащих ферросплавов.

Пониженная обрезь с головной части слитка после прокатки из-за отсутствия концентрированной усадочной раковины в верхней части слитка. В результате расходный коэффициент металла на прокат при производстве заготовок в обжимном цехе снижается на 100-130 кг/т.

Недостатки:

Повышенная химическая неоднородность, что вызвано процессами циркуляции металла при его кипении.

Повышенная пористость слитка, так как отсутствует концентрированная усадочная раковина.

Повышенная неравномерность механических свойств по высоте слитка из-за большей степени ликвации и пористости.

Ограниченность сортамента, так как в узких пределах лимитировано содержание углерода, марганца, кремния и легирование возможно только никелем, молибденом, медью.

2.4 Строение слитков полуспокойной стали

Полуспокойную сталь, также как и кипящую разливают в уширенные книзу сквозные изложницы. При затвердевании в изложницах наблюдается «искрение» - образование и выделение небольшого количества CO. Длительность искрения является показателем оптимальной степени раскисленности стали (должна составлять 10-40 с).

Рис. 8 - Строение слитка полуспокойной стали

Наружная корка слитка; 2 - зона сотовых пузырей; 3 -усадочная раковина; 4 - подусадочная рылость; 5 - «мост» плотного металла.

В верхней части слитка расположены сотовые пузыри (зона 2 на рис. 8), усадочная раковина (зона 3 на рис. 8) и под ней усадочная рыхлость (зона 4 на рис. 8), доходящая до 35-45% от высоты слитка. Сотовые пузыри расположены близко к поверхности слитка, так как окисленность металла и интенсивность кипения недостаточны для формирования корки слитка (зона 1 на рис. 8) большой толщины. При этом из-за недостаточной окисленности стали газовые пузыри в нижней части слитка не образуются. Расположение усадочных пустот в слитке зависит от степени раскисленности стали. При нормальной раскисленности над усадочной рыхлостью образуется «мост» плотного металла (зона 5 на рис. 8) толщиной 200-270 мм, который изолирует раковину от атмосферы. В результате при прокатке усадочная рыхлость заваривается не приводя к увеличению обрези, в этом случае обрезь с головной части слитка составляет 2,5-5,0%. В случае перераскисления получается меньшая толщина «моста» плотного металла. В результате усадочная раковина при прокатке может выходить на поверхность и окисляться, что приводит к увеличению обрези с головной части слитка.

Длина сотовых пузырей и высота зоны их расположения зависят от раскисленности стали и скорости разливки. При недостаточной раскисленности стали в результате чрезмерного выделения газов возможно образование сотовых пузырей по всей высоте слитка, что нежелательно.

2.4.1 Преимущества и недостатки использования полуспокойной стали по сравнению с кипящей

Преимущества:

Меньше степень ликвации и неравномерность свойств по высоте слитка.

Пониженная пористость, так как наличествует небольшая концентрированная усадочная раковина.

Пониженная обрезь с головной части слитка после прокатки из-за большей толщины «моста» плотного металла. В результате расходный коэффициент металла на прокат при производстве заготовок в обжимном цехе снижается на 20-50 кг/т.

Недостатки:

Повышенный расход ферросплавов, так как существует необходимость использования кремнийсодержащих ферросплавов.

Незначительно меньшая пластичность из-за повышенного содержания кремния и алюминия.

3. СПОСОБЫ РАЗЛИВКИ СТАЛИ

Существуют два основных способа разливки стали в изложницы: разливка сверху и сифонная разливка.

При разливке сверху (рис. 9) сталь из ковша 1 поступает в изложницы 2, устанавливаемые на поддонах 3. После наполнения изложницы стопор 4 закрывают, ковш транспортируют к следующей изложнице и цикл повторяют.

Рис. 9 - Схема разливки стали сверху

1 - сталеразливочный ковш; 2 - изложница; 3 - поддон; 4 - стопор.

В ряде случаев при разливке сверху применяют двухстопорные ковши, что позволяет одновременно наполнять две изложницы и соответственно время разливки при этом сокращается.

Для уменьшения напора струи и разбрызгивания металла на стенки изложницы разливку сверху в ряде случаев ведут через промежуточные устройства: промежуточные ковши (рис. 10а) или промежуточные воронки (рис. 10б).

Рис. 10 - Разливка стали сверху через промежуточные устройства

а - через промежуточный ковш; б - через промежуточную воронку; 1 - сталеразливочный ковш; 2 - промежуточный ковш; 3 - стакан; 4 - прибыльная надставка; 5 - изложница; 6 - промежуточная воронка; 7 - подставка

Сифонная разливка (рис. 11) стали основана на принципе сообщающихся сосудов. Жидкая сталь из ковша 1 поступает в установленную на поддоне 5 центровую 2, а из нее по футерованным сифонным кирпичом 6 каналам поддона поступает в изложницы 4 снизу. После наполнения всех установленных на поддоне изложниц (число изложниц изменяется в пределах от 2 до 60) стопор 7 закрывают и ковш транспортируют к следующему поддону, где цикл повторяется.

Рис. 11 - Схема сифонной разливки стали

Сталеразливочный ковш; 2 - центровая; 3 - прибыльная надставка; 4 - изложница; 5 - поддон; 6 - сифонный кирпич; 7 - стопор.

Каждый из рассмотренных способов разливки имеет преимущества и недостатки по отношению к другому способу.

Преимущества сифонной разливки:

Меньшая длительность разливки из-за одновременной отливки нескольких слитков.

Меньшая скорость подъема металла в изложнице, что положительно сказывается на качестве слитков.

Отсутствие поверхностных дефектов, вызванных разбрызгиванием струи металла при ударе о дно изложницы или поддона (отсутствие плен).

Недостатки сифонной разливки:

Сложность и повышенная стоимость разливки (расход сифонного кирпича, необходимость установки дополнительного оборудования - центровых, затраты труда на сборку центровых и поддонов).

Дополнительные потери металла в виде литников (0,7-2,5% от массы стали).

Необходимость нагрева металла до более высоких температур, так как сталь дополнительно охлаждается в футерованных каналах.

Преимущества разливки сверху:

Меньшая стоимость разливки, упрощенный процесс подготовки оборудования к разливке.

Отсутствие потерь металла на литники.

Пониженная температура металла при разливке.

Недостатки разливки сверху:

Более низкое качество поверхности из-за наличия плен.

Большая продолжительность разливки.

Пониженная стойкость футеровки ковша из-за большей длительности разливки.

Выбор того или иного способа разливки, в основном, определяется маркой стали. Для рядовых марок сталей применяют разливку сверху из-за дешевизны и простоты способа. Для качественных марок сталей применяют сифонную разливку в связи с повышенными требованиями к качеству поверхности слитков.

Потери металла в виде скрапа и недоливов при использовании обоих способов составляют 0,6-1,9% от массы стали. Кроме того, как уже упоминалось выше, при сифонной разливке дополнительно теряется 0,7-2,5% в виде литников.

4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗЛИВКИ СЛИТКОВ

4.1 Сталеразливочный ковш

В сталеразливочный ковш выпускают металл из сталеплавильного агрегата после окончания плавки.

Сталеразливочный ковш представляет собой усеченный расширяющийся кверху конус, выполненный из стальных листов и футерованный изнутри (рис. 12). К кожуху крепят две цапфы 1 с помощью цапфового пояса, состоящего из двух групп кольцевых ребер 5 и двух групп поперечных и продольных ребер жесткости 2. За цапфы ковш захватывают крюками мостового крана, который транспортирует ковш и удерживает его над изложницами во время разливки.

Рис. 12 - Сталеразливочный ковш

Цапфы; 2 - продольные и поперечные ребра жесткости; 3 - носок; 4 - стопор; 5 - кольцевые ребра жесткости.

Вместимость ковшей составляет 5-480 т. Основными параметрами, определяющими размеры ковша, являются: отношение диаметра кожуха к высоте (обычно находится в пределах 0,75-0,90) и конусность стенок (составляет 3,0-3,5%).

Сталеразливочные ковши могут использоваться, как только для разливки стали, так и для внепечной обработки. Ковши, предназначенные только для разливки, должны кроме жидкой стали вмещать также шлак, который предохраняет металл от быстрого охлаждения во время разливки. Масса шлака составляет 2-3% от массы жидкой стали. Лишний шлак вытекает через носок 3 (рис. 12). Для ковшей, используемых для внепечной обработки стали, свободный объем над уровнем металла должен составлять 300-500 мм в высоту. Это необходимо в связи с возможным вспениваем и бурлением металла при внепечной обработке.

Для разливки стали в изложницы из ковша применяют стакан со стопором (стопорные ковши) или шиберный затвор.

Сталеразливочный стакан

Имеет форму усеченного конуса с отверстием для струи жидкого металла (рис. 13). Диаметр отверстия составляет 25-120 мм, а высота стакана - 120-440 мм.

Рис. 13 - Сталеразливочный стакан

Корпус стакана; 2 огнеупорная вставка

Стакан вставляют в днище ковша в специальный гнездовой кирпич (рис. 14а). Иногда вместо гнездового кирпича используют набивное гнездо (рис. 14б). В этом случае зазор между стаканом и футеровкой днища заполняют огнеупорной массой.

Рис. 14 - Способы установки сталеразливочного стакана в ковше

а - с гнездовым кирпичом; б - в набивном гнезде

В качестве материала стакана выступают магнезит или шамот. Магнезитовые стаканы применяю для ковшей большой емкости, так как в процессе разливки они медленнее размываются жидкой сталью, чем шамотные стаканы. В ковшах большой емкости применяют сужающиеся книзу стаканы, которые устанавливают изнутри ковша. Для ковшей небольшой емкости применяют сужающиеся кверху стаканы, закрепляемые снаружи с помощью упорной шайбы. Стакан служит одну разливку.

Предназначен для закрывания и открывания отверстия стакана. Представляет собой металлический стержень диаметром 40-60 мм (рис. 15).

а - стопорный механизм; б, в - установка в сталеразливочном ковше; 1 - стопор; 2 - вилка; 3 - ползун; 4 - направляющая; 5 - рычаг; 6 - пружина; 7 - арматурный слой футеровки; 8 - рабочий слой футеровки; 9 - стакан; 10 - футеровка дна ковша; 11 - гнездовой кирпич; 12 - упорная шайба; 13 - стержень; 14 - шамотная труба; 15 - пробка.

Снаружи металлический стержень 13 защищен от воздействия жидкой стали шамотным трубками 14. Нижний конец стержня имеет нарезку, на которую навинчивают огнеупорную пробку 15. Пробка выполняется из высокоглиноземистого шамота. При длительной разливке стали стержень стопора теряет прочность и может изгибаться. Поэтому зачастую применяют воздухоохлаждаемые стопоры. Для этого стержень стопора делают полым, в полость вставляют трубку, через которую подают сжатый воздух. Для подъема и опускания стопора служит стопорный рычажный механизм. Ползун 3 с вилкой 2 и закрепленным в ней стопором 1 перемещается с помощью рычага 5 вручную или дистанционно посредством механического или гидравлического привода. Стопор также, как и стакан служит одну разливку, после чего его заменяют.

Шиберный затвор

Крепят к кожуху днища ковша под разливочным стаканом, установленным снаружи ковша (рис. 16).

Рис. 16 - Шиберный затвор

а - в открытом положении; б - в закрытом положении; 1 - гнездовой кирпич; 2 - разливочный стакан; 3 - неподвижная огнеупорная плита; 4 - подвижная огнеупорная плита; 5 - стакан-коллектор; 6 - шток гидроцилиндра; 7 - направляющая рамка; 8 - подвижный шибер; 9 - неподвижный корпус.

Конструкция шиберного затвора включает в себя неподвижный корпус 9 с вмонтированной в него огнеупорной плитой 4; подвижный шибер 8 с вмонтированной огнеупорной плитой 3 и стаканом-коллектором 5; рамку 7, скрепленную прижимными болтами с корпусом. Рамка направляет движение шибера и прижимает его к корпусу, в результате прижимая друг к другу огнеупорные плиты. Силу прижатия можно регулировать путем вращения гаек прижимных болтов. В огнеупорных плитах сделаны отверстия. Когда плиты расположены так, что отверстия в них совпадают (рис. 13а), то сталь вытекает из ковша, а если сдвинуть нижнюю плиту (рис. 13б), то струя прерывается. Перемещение шибера с огнеупорной плитой осуществляется с помощью гидроцилиндра. Стакан-коллектор 5 формирует, вытекающую из ковша струю стали. Существуют поворотные затворы, в которых совмещение отверстий в огнеупорных плитах достигается путем вращения нижней плиты.

Огнеупорные плиты обычно выполняют бикерамическими. Основа - спеченный магнезит, рабочий (контактный) слой - плавленый магнезит. Шиберный затвор устанавливают в ковш в собранном виде. Срок службы составляет 1-3 плавки. В ряде случаев ковш оборудуют двумя шиберными затворами. При таком варианте после разливки плавки через первый шиберный затвор ковш сразу же подают под следующую плавку, которую разливают через второй затвор. Это исключает трудоемкую операцию подготовки ковша к каждой второй плавке.

4.1.1 Футеровка сталеразливочных ковшей

Футеровка может быть выполнена из формованных огнеупоров или монолитной из огнеупорных масс. Следует отметить, что футеровка ковшей предназначенных только для разливки стали и ковшей для внепечной обработки выполняется из различных материалов в связи с разными условиями работы.

Футеровка ковшей, предназначенных только для разливки стали

Футеровка из формованных огнеупоров (шамотного кирпича)

Футеровку стен ковша выполняют двухслойной: арматурный слой (примыкающий к кожуху) и рабочий слой (соприкасающийся с жидким металлом и шлаком). В нижней части ковша толщину футеровки стен выполняют большей, чем в верхней его части. Это делается по той причине, что в нижней части ковша металл более длительное время находится под воздействием жидкого металла. Срок службы арматурного слоя футеровки составляет 12-18 мес., рабочего слоя - 10-19 плавок.

Монолитная футеровка

В этом случае арматурный слой и днище ковша выкладываю из шамотного кирпича, а рабочий слой выполняют монолитным из огнеупорной массы на основе кремнезема. По способу изготовления различают набивные и наливные монолитные футеровки. При изготовлении набивной футеровки огнеупорную массу набивают между шаблоном и арматурным слоем кирпича с помощью пескометных или трамбовочных машин. Наливную футеровку получают заливкой жидкоподвижной смеси в зазор между шаблоном и арматурным слоем.

Использование монолитной футеровки обладает рядом преимуществ по отношению к футеровке формованными огнеупорами:

Сокращение длительности ремонта ковша;

Более низкая стоимость за счет снижения расхода шамотного кирпича;

Снижение трудозатрат.

Футеровка ковшей, предназначенных для внепечной обработки стали

При внепечной обработке стали ухудшаются условия для футеровки по следующим причинам:

1. Более высокая температура металла.

2. Увеличение длительности пребывания металла в ковше.

Активное перемешивание металла и наличие основного шлака.

Вдувание агрессивных по отношению к футеровке добавок.

Поэтому для футеровки таких ковшей используют основную и высокоглиноземистую футеровки. Основная и высокоглиноземистая футеровки обладают более низкой термостойкостью и более высокой теплопроводностью. Для предотвращения растрескивания футеровки при колебаниях температуры и для предотвращения избыточного охлаждения жидкой стали в ковше при выпуске и разливке применяют высокотемпературную эксплуатацию ковшей. Сущность высокотемпературной эксплуатации состоит в том, что после окончания кладки футеровки ее нагревают до 11000С горелкой и затем ковш подают под разливку. При этом в процессе эксплуатации ковша не допускают снижения температуры футеровки ниже 8000С. Для этого в промежутке между разливками ковш ставят на стенд, накрывают футерованной крышкой и обогревают горелкой. Стойкость футеровки при высокотемпературной эксплуатации ковшей достигает 40-50 плавок.

4.1.2 Подготовка сталеразливочных ковшей

После окончания разливки из ковша сливают оставшийся шлак и ковш охлаждают.

Стопорные ковши

На первом этапе удаляют отработанные стакан со стопором, очищают стенки ковша от шлака и мусора. Затем в гнездовой кирпич устанавливают новый стакан, обмазанный огнеупорной массой. После установки стакан просушивают газовой горелкой для удаления влаги из зазора между стаканом и гнездовым кирпичом. После это в ковш устанавливают предварительно подготовленный новый стопор (набранный и просушенный). Перед подачей ковша под желоб печи ползун стопорного механизма закрепляют с целью исключения поднятия стопора под действием выталкивающей силы жидкой стали.

Ковши с шиберным затвором

Вначале снимают отработавший шиберный затвор, удаляют стакан 2 (рис. 16). Затем устанавливают новый заранее подготовленный затвор, прикрепляя его корпус к днищу ковша. Подвижный корпус затвора соединяют со штоком гидроцилиндра 6 (рис. 16). Сборку шиберных затворов осуществляют в специальном отделении разливочного пролета. Вначале затвор разбирают, отделяя направляющую рамку 7 (рис. 16), подвижный и неподвижный корпусы 8 и 9 (рис. 16), из которых удаляют остатки огнеупоров. Затем с помощью огнеупорного раствора в подвижном и неподвижном корпусах 8 и 9 (рис. 16) закрепляют огнеупорные плиты 3 и 4 8 и 9 (рис. 16), стакан-коллектор 5 8 и 9 (рис. 13). После чего затвор собирают, обеспечивая требуемую силу прижатия огнеупорных плит друг к другу и просушивают в специальной печи.

4.2 Промежуточные устройства для разливки слитков

Промежуточный ковш

Применяют при разливке спокойной стали сверху для уменьшения разбрызгивания струи при ударе о дно изложницы. Эффект получается за счет уменьшении напора металла, так как высота ванны жидкой стали в промежуточном ковше меньше по сравнению со сталеразливочным ковшом. Ковш имеет стальной кожух и футерован изнутри шамотным кирпичом (рис. 17). В днище устанавливают один или несколько стаканов со стопорами 1. Ковш накрывают футерованной крышкой 3 для уменьшения теплопотерь. Емкость промежуточных ковшей составляет до 35 т.

Рис. 17 - Промежуточный ковш

Стопор; 2 - окно для наполнения металлом; 3 - крышка; 4 - корпус ковша.

Промежуточная воронка

Также, как и промежуточные ковши используют при разливке спокойной стали сверху. Представляет собой металлический кожух, футерованный огнеупорной массой из шамотного порошка и огнеупорной глины на жидком стекле с добавкой графита. В нижней части воронок устанавливают разливочный стакан. Воронки устанавливают на прибыльную часть изложницы или подвешивают к сталеразливочному ковшу.

4.3 Сменное оборудование для разливки слитков

Изложницы

Изложница представляет собой форму, в которую разливается и в которой затвердевает сталь. Материалом изложниц чаще всего служит ваграночный чугун, имеющий следующий химически состав: 3,3-4,0% C, 0,9-2,5% Si, 0,4-1,0% Mn, < 0,20% P, < 0,12 S.

Размеры изложниц определяются массой и размерами слитка. Конфигурация изложниц (форма поперечного и продольного сечений слитка) определяется маркой стали и дальнейшим переделом слитка. Поперечное сечение изложниц может быть квадратным, прямоугольным, круглым или многогранным (рис. 18). Квадратные изложницы используют для отливки слитков, предназначенных для производства сортового проката; прямоугольные - для производства сортового проката и листа в зависимости от соотношения сторон; круглые - для труб, колес, бандажей; многогранные - для кузнечных поковок.

Рис. 18 - Формы поперечного сечения изложниц

Рис. 19 - Изложницы для разливки спокойной стали

Прибыльная надставка; 2 - изложница; 3 - цапфы; 4 - теплоизоляционные вкладыши

В ряде случаев для разливки спокойной стали применяют уширенные книзу изложницы с теплоизоляционными вкладышами или футеровкой в верхней части изложницы (рис. 19б). Для разливки кипящей и полуспокойной стали также применяют бутылочной формы (рис. 20б). В этом случае после наполнения изложницы верхнее отверстие закрывают пробкой или крышкой. Преимуществом использования таких изложниц является меньшая степень химической неоднородности стали, полученная в результате быстрой кристаллизация металла в суживающейся части изложницы. Уширенные книзу изложницы изготавливают без дна (сквозными), а уширенные кверху с дном. В дне изложниц находится отверстие. При сифонной разливке в отверстие вставляется стакан, через который жидкая сталь поступает в изложницу. При разливке сверху в отверстие вставляют вкладыш (пробку), который предохраняет дно изложницы от размывания струей металла.

Рис. 20 - Изложницы для разливки кипящей и полуспокойной стали

а - сквозная; б - бутылочная

В квадратных и прямоугольных изложницах в углах выполняют закругления. Это делается для уменьшения опасности образования плоскостей слабины на стыке растущих от смежных стенок изложницы дендритов. Стенки квадратных и прямоугольных изложниц выполняют с выпуклостью или вогнутостью для уменьшения вероятности образования горячих продольных трещин нас слитках. С этой же целью внутреннюю поверхность изложниц делают волнистой.

Размеры изложниц оказывают значительное влияние на качество слитков и параметры последующего передела слитков. Можно выделить две основные характеристики:

1. Отношение высоты (до прибыльной части) к среднему внутреннему диаметру - . Данная характеристика оказывает влияние на производительность прокатных станов, качество слитков (степень химической неоднородности, развитие осевой рыхлости, возникновение продольных трещин). При увеличении соотношения производительность прокатных станов возрастает за счет уменьшения сечения слитка, степень химической неоднородности при этом уменьшается за счет снижения длительности кристаллизации стали. Однако в то же самое время увеличивается осевая рыхлость и повышается склонность к образованию продольных трещин за счет увеличения ферростатического давления на корочку слитка. Оптимальным с точки зрения влияния на вышеперечисленные факторы является соотношение для спокойной углеродистой стали и - для легированной и качественной углеродистой стали. Для слитков кипящей и полуспокойной стали отношение высоты слитка к среднему диаметру находится в пределах . При этом для мелких слитков (массой менее 1 т) оно достигает . Увеличение соотношения в слитках кипящей и полуспокойной сталью возможно в связи с отсутствием в них осевой рыхлости.

Конусность стенок изложниц. При увеличении конусности слитка возрастает плотность макроструктуры слитков и уменьшается осевая рыхлость. В то же время увеличение конусности вызывает появление неравномерных нагрузок при прокатке. Поэтому для слитков спокойной стали конусность составляет 2-4%. Для слитков, предназначенных в дальнейшем для ковки, конусность составляет 3-6%. Для слитков кипящей и полуспокойной стали конусность выбирают меньшей (0,9-1,3%), так как в них отсутствует осевая рыхлость.

Стойкость изложниц составляет 60-100 плавок, расход изложниц 1,0-3,5% от массы разливаемой стали.

Прибыльные надставки

Устанавливают на уширенные кверху изложницы при разливке спокойной стали. Бывают стационарными и плавающими. Применяют стационарные надставки двух видов:

Футерованные надставки (рис. 21а). Состоят из чугунного корпуса 3, футерованного изнутри шамотным кирпичом 2. Имеют сужающуюся кверху форму для уменьшения теплоотдающей поверхности и облегчения снятия надставки. Масса прибыльной части (величина обрези с головной части слитка после прокатки) составляет 12-16% от массы слитка, для мелких слитков достигает 20%.

Рис. 21 - Прибыльные надставки

а, б - стационарные; в - плавающая

Цапфа; 2 - футеровка надставки; 3 - корпус надставки; 4 - изложница; 5 - теплоизоляционный вкладыш; 6 - деревянная подставка

Надставки с теплоизоляционными вкладышами (рис. 21б). Состоят из чугунного или стального корпуса с вертикальными стенками 3, что сделано для удобства крепления вкладышей 5. Материалом для изготовления вкладышей служат песок, глина, асбестит с добавкой связующих. Такие надставки имеют меньшую высоту и объем по сравнению с футерованными надставками, что достигается за счет низкой теплопроводности вкладышей. В результате обрезь с головной части слитка после прокатки снижается на 2-5%.

Плавающие надставки (рис. 21в) применяют при отливке крупных слитков. Нижнее основание надставки входит в изложницу. До начала разливки надставку удерживают на изложнице с помощью деревянных подставок 6, которые после наполнения изложницы металлом удаляют. К преимуществу использования данного типа надставок можно отнести возможность их перемещения в изложнице вместе со слитком при его усадке. Это исключает подвисание слитка и образование продольных трещин.

Представляют собой чугунные плиты, толщиной 100-200 мм. Служат для установки изложниц при разливке сверху и изложниц с центровой при сифонной разливке. При разливке сверху в сквозные изложницы (изложницы без дна) в поддоне делают выемку, в которую укладывают сменный вкладыш. Материалом вкладыша является сталь или огнеупорный кирпич. Назначение вкладыша - предотвратить размывание поддона струей металла. При сифонной разливке в центре поддонов делают углубление и расходящиеся от него открытые сверху каналы для укладки сифонного кирпича (рис. 22). Расход поддонов составляет 0,1-1,0% от массы разливаемо стали.

Рис. 22 - Поддоны для сифонной разливки стали

а - четырехместный; б - 60-местный

Центровая

Представляет собой чугунную или стальную футерованную изнутри трубу. Центровая имеет расширяющуюся кверху форму и утолщение в нижней части для обеспечения устойчивости на поддоне. Обычно выполняется составной из двух половинок, скрепленных кольцами или клиньями. Это делается для облегчения удаления литников и замены сифонного кирпича. Для обеспечения нормального протекания процесса разливки центровая должна быть на 300-400 мм выше изложниц с прибыльными надставками. Расход центровых составляет 0,05-0,5% от массы разливаемо стали.

4.3.1 Подготовка сменного оборудования к разливке

Подготовка изложниц

После освобождения от слитков изложницы охлаждают до температуры 80-1100С путем выдержки на воздухе или за счет подачи на поверхность изложниц распыленной воды через форсунки в специальных «душирующих» устройствах. Затем производят очистку внутренней поверхности изложниц от брызг застывшего металла и от окисленных пленок с использованием металлических щеток или водой, подаваемой под давлением специальными форсунками. После очистки изложницы продувают сжатым воздухом и смазывают. Смазка служит для предотвращения прилипания брызг металла к стенкам изложниц при разливке, а также для исключения приваривания слитка к изложнице. Ее наносят на внутренние стенки изложниц вручную или механизированным способом через форсунки. В качестве смазки применяют каменноугольную смолу, каменноугольный лак, которые являются горючим веществом. При соприкосновении с жидким металлом она сгорает, в результате чего в изложнице создается восстановительная атмосфера и уменьшается окисление металла при разливке. Температура изложницы перед смазкой должна составлять 80-1100С. Если температура будет более 1100С, то смазка выгорит до начала разливки, если менее 800С - то смазка не успеет полностью сгореть в момент контакта с жидким металлом и образует пузыри в корке слитка.

Подготовка прибыльных надставок

После каждой разливки поверхность футеруемых прибыльных надставок обмазывают огнеупорно массой и затем порывают специальной краской. Краска служит для предотвращения приваривания футеровки надставки к слитку, основным компонентом краски является графит. Подготовленную надставку просушивают газовой горелкой для ускорения высыхания нанесенной обмазки. Для прибыльных надставок с теплоизоляционным и вкладышами процесс подготовки заключается в установке в корпус новых вкладышей.

Подготовка поддонов

Поддоны для сифонной разливки после снятия изложниц очищают от скрапа, из каналов поддона удаляют литники и сифонный кирпич. Затем поддон продувают сжатым воздухом и укладывают новый сифонный кирпич. Зазоры между кирпичом и стенками каналов поддона заполняют огнеупорной массой. Стыки между кирпичами также промазывают огнеупорной массой. Температура поддона должна быть не ниже 80-1000С для обеспечения быстрого высыхания огнеупорной массы. После укладки сифонного кирпича поддон вновь продувают сжатым воздухом.

Поддоны для разливки сверху после снятия изложниц очищают от скрапа, шлака и мусора и продувают сжатым воздухом.

Подготовка центровых

После снятия с поддона центровую разбирают на две половины, удаляют литники, сифонный кирпич и огнеупорную массу. Затем одну из половин обмазывают изнутри огнеупорной массой и укладывают в нее шамотные трубки и воронку, набранные на стальном стержне. Стержень служит для стягивания шамотных трубок и воронки. После чего трубки также обмазывают сверху огнеупорной массой и устанавливают вторую половину центровой и половины скрепляют. В конце операции удаляют стальной стержень и центровую просушивают для удаления влаги из огнеупорной массы.

Существует также упрощенный метод подготовки центровых. Он заключается в следующем. На поддон одна на другую устанавливают шамотные трубки, а сверху на них одевают центровую. После чего устанавливают воронку, а в зазор между центровой и шамотными трубками засыпают песок. В этом случае после разливки центровую с помощью крана поднимают вверх, в результате чего песок высыпается и литник с сифонным кирпичом выпадает из центровой.

5. ТЕХНОЛОГИЯ РАЗЛИВКИ СТАЛИ

Температура и скорость разливки являются основными технологическими параметрами, определяющими режим разливки стали. Следует отметить, что данные параметры тесно взаимосвязаны между собой. Так разливка металла с повышенной температурой происходит при более низкой скорости и наоборот. Оптимальное соотношение температуры и скорости разливки подбирают опытным путем с учетом способа разливки (разливка сверху или сифонный способ), массы слитка, марки стали.

5.1 Выбор температуры разливки стали

Сталь, выпускаемая из печи должна быть нагрета на 100-1500С выше температуры плавления (температуры ликвидус), которая зависит от химического состава стали.

Температуру ликвидус можно определить по следующему уравнению:

tЛ = 1539 - 79C - 12Si - 5Mn - 1,5Cr - 4Ni - 2Mo - 2V - 30P - 25S, (2)

где C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, V, P, S - содержание углерода, кремния, марганца, хрома, никеля, молибдена, ванадия, фосфора и серы соответственно, %.

Например, для стали марки 3сп (химический состав: 0,18% C, 0,25% Si, 0,50% Mn, 0,05% Cr, 0,05% Ni, 0,020% P, 0,025% S) - температура ликвидус составит 15180С. Соответственно температура стали на выпуске должна составлять 1618-16680С.

Перегрев стали над температурой ликвидус необходим по следующим причинам:

Для обеспечения нужной температуры разливки, которая при разливке сверху должна быть выше температуры ликвидус на 70-1100С, а при сифонной разливке - выше на 90-1200С.

Для компенсации потерь тепла за время выпуска, выдержки стали в ковше до начала разливки. При выпуске и выдержке в ковше сталь охлаждается на 30-600С.

5.2 Влияние температуры разливки на качество стали

Повышенная температура разливки приводит к ухудшению качества слитка, так как в этом случае увеличивается время затвердевания стали в изложнице и в слитке сильнее развивается химическая неоднородность. При увеличении температуры разливки также возрастает количество растворенных в металле газов, что приводит к ухудшению свойств стали.

При пониженной температуре разливки повышается вязкость металла, что затрудняет процесс всплывания неметаллических включений в верхнюю часть слитка, откуда впоследствии они могут быть удалены в виде обрези. В результате слиток оказывается загрязненным повышенным количеством неметаллических включений. При сифонной разливке с пониженной температурой на поверхности металла образуется корочка, завороты которой являются дефектом слитка.

5.3 Выбор скорости разливки стали

Скорость разливки стали характеризуется скоростью подъема металла в изложнице. Обычно она находится в пределах 0,15-5 м/мин. Скорость разливки регулируют изменением диаметра разливочного стакана и частичным перекрытием струи металла с помощью стопора или шиберного затвора. Применение стаканов большого диаметра приводит к увеличению разницы скоростей отливки первых и последних слитков в плавке, что негативно отражается на качестве слитков. В этом случае быстрая разливка первых слитков приводит к привариванию их к изложнице или поддону, образованию поверхностных дефектов, снижению газовыделения из металла. Медленная разливка последних слитков приводит к образованию плен, заворотов корки.

Также следует отметить, что при разливке стали сверху скорость выше, чем при использовании сифонного способа. Это вызвано тем, что при сифонной разливке одновременно отливают несколько слитков, что позволяет достичь небольшой длительности плавки даже при малых скоростях разливки.

5.4 Влияние скорости разливки на качество стали

Повышенная скорость разливки приводит к увеличению количества продольных трещин на поверхности слитка, а при разливке кипящей стали приводит к уменьшению толщины корковой зоны слитка. Пониженная скорость разливки, также как и пониженная температура приводит к появлению заворотов корки.

5.5 Режимы разливки спокойной стали

Спокойную сталь разливают, как сверху, так и сифонным способом в уширенные кверху изложницы с прибыльными надставками.

Разливку сверху начинают медленно при не полностью открытом стопоре для того, чтобы избежать разбрызгивания металла при ударе о дно изложницы и образования плен на поверхности слитка. После образования «подушки» жидкого металла разливку продолжают полной струей. Скорость разливки при этом определяется диаметром сталеразливочного стакана. Прибыльную часть слитка заполняют медленно с целью перевода усадочной раковины в верхнюю часть слитка. При разливке сверху скорость разливки составляет 0,3-1,1 м/мин., в последние годы внедряют скоростную разливку - до 4,5 м/мин. Однако применение скоростной разливки возможно только для сталей, имеющих незначительную склонность к трещинообразованию.

При сифонной разливке нижнюю часть слитка, также как и при разливке сверху заполняют с пониженной скоростью. В результате взаимодействия металла верхней части слитка с кислородом атмосферы на поверхности слитка образуется пленка из оксидов (корка), которая в процессе разливки может заворачиваться к стенке изложницы. Поэтому после наполнения нижней части изложницы скорость разливки выбирают исходя из состояния поверхности металла в изложнице. Для предотвращения заворотов корки разливку стараются вести так, чтобы между коркой и стенкой изложницы был рант жидкого металла. Обычно скорость разливки сифонным способом составляет 0,15-0,7 м/мин. Прибыльную часть слитка также заполняют с пониженной скоростью.

После окончания разливки состав со слитками выдерживают в разливочном пролете без движения от 30 мин. до 2ч. в зависимости от массы слитка и марки стали. Это служит для предотвращения увеличения степени ликвации.

5.5.1 Защита металла от окисления при разливке

В результате взаимодействия металла в верхней части слитка с кислородом атмосферы на поверхности слитка образуется пленка из оксидов (корка), которая в процессе разливки может заворачиваться к стенке изложницы (дефект - заворот корки).

Для предотвращения образования дефекта заворот корки применяют следующие способы защиты металла от окисления при разливке:

Разливка под слоем жидкого шлака.

Разливка под теплоизолирующими смесями или материалами.

Защита струи металла аргоном.

Разливка с использованием материалов, создающих в изложнице восстановительную атмосферу.

Разливка под слоем жидкого шлака

В этом случае на поверхности поднимающегося по мере наполнения изложницы металла создается слой жидкого шлака, который защищает сталь от окисления и охлаждения. Кроме того, в результате прилипания шлака к стенкам изложницы между ними и поднимающимся металлом остается шлаковая прослойка толщиной 1-3 мм, что обеспечивает получение чистой поверхности слитка. Впоследствии шлак легко отделяется от слитка.

Шлак может заливаться в изложницу либо образовываться экзотермическими смесями и брикетами.

В первом случае готовый шлак, выплавляемый в специальной печи, заливают в изложницу после подъема металла на 150-200 мм. Шлак состоит из 30-40% SiO2, 30-45% CaF2, а также Na2O, MgO, TiO2. Расход шлака составляет 5-10 кг/т стали.

Во втором случае экзотермические смеси в бумажных мешках или брикеты вводят в изложницу до начала разливки. Сгорая и расплавляясь при разливке они образуют жидкий шлак. Экзотермические смеси состоят из горючих компонентов (алюминий, магний, силикокальций) и окислителей (натриевая селитра, марганцевая руда). Горючие компоненты смеси окисляются с выделением тепла за счет кислорода, содержащегося в окислителях и, тем самым, обеспечивают шлакообразование. При изготовлении брикетов в смесь добавляют 3-20% жидкого стекла. Экзотермические смеси разделяют по скорости горения на быстро сгорающие и медленно сгорающие. Быстро сгорающие смеси содержат магний и селитру и сгорают с образованием шлака за 20-40 сек. Медленно сгорающие смеси сгорают и расплавляются за время наполнения изложницы на 1/3 высоты и более. Расход смесей и брикетов составляет 2,5-6,0 кг/т стали.

Недостатком данного способа является его повышенная стоимость, поэтому он используется только при разливке легированных и высоколегированных сталей, содержащих легко окисляющиеся компоненты.

Разливка под теплоизолирующими смесями или материалами

В состав смесей входят малопроводные неплавящиеся и частично плавящиеся материалы. В качестве неплавящихся материалов выступают: слюда, асбестит, графито-опилочная смесь. Частично плавящиеся материалы - зольно-графитовая или перлито-графитовая смеси. Неплавящиеся материалы спрессованные в диски при наполнении изложницы плавают на поверхности металла. Частично плавящиеся материалы загружают на дно изложницы в бумажных мешках; при разливке металла они подплавляются и образуют вязкий шлак. При этом нерасплавившаяся часть смеси выполняет роль теплоизолятора. Расход смесей составляет 1,0-3,5 кг/т стали. Достоинство - низкая стоимость.

Защита струи металла аргоном

На центровую устанавливают кольцевой устройство, которое соединяется с днищем сталеразливочного ковша и охватывает во время разливки струю металла. В кольцевую полость во время разливки подают аргон, который защищает металл от окисления. Недостаток способа - сложность. Поэтому применяют только для сталей, содержащих легкоокисляющиея элементы.

Разливка с использованием материалов, создающих в изложнице восстановительную атмосферу

Наибольшее распространение получили следующие материалы: деревянные рамки, петролатум.

Разливка с использованием деревянных рамок. До начала разливки в изложницу опускают деревянные рамки или диски. При контакте с жидким металлом они сгорают, плавая на поверхности стали. Продукты сгорания дерева создают в изложнице восстановительную атмосферу, что предохраняет металл от окисления и повышает качество поверхности слитка. Недостатком способа является то, что дерево сгорает быстрее, чем наполняется изложница.

Разливка с петролатумом. Петролатум - побочный продукт переработки нефти. До начала разливки его загружают в несмазанную изложницу, которую закрывают крышкой. При контакте с жидким металлом петролатум возгоняется и сгорает, тем самым, создавая в изложнице восстановительную атмосферу. Возгоны осаждаются на стенках изложницы, создавая слой смазки, что приводит к улучшению качества поверхности слитка.

5.6 Режимы разливки кипящей стали

Кипящую сталь разливают, как сверху, так и сифонным способом в уширенные книзу сквозные изложницы. При использовании обоих способов разливки нижнюю часть изложницы заполняют с пониженной скоростью с целью предотвращения образования плен на поверхности слитков. Затем скорость разливки увеличивают. Она определяется диметром сталеразливочного стакана при разливке сверху и сечением каналов сифонного кирпича при сифонной разливке. При разливке кипящей стали скорость подъема металла в изложнице определяет толщину корковой зоны слитка, поэтому скорость разливки вынуждены ограничивать. При разливке сифонным способом скорость разливки находится в пределах 0,2-0,6 м/мин., что обеспечивает толщину корковой зоны 15-40 мм. При разливке сверху скорость разливки стали составляет 0,5-1,0 м/мин., в результате при скорости разливки 1,0 м/мин. получают корковую зону толщиной 8-10 мм. Повышенная скорость при разливке сверху обусловлена большей продолжительностью разливки плавки. После наполнения изложницы сталь некоторое время кипит, а затем кипение прекращают с целью уменьшения химической неоднородности слитка. Применяют механическое и химическое закупоривание слитков.

5.6.1 Механическое закупоривание слитков

При механическом закупоривании на поверхность слитка укладывают массивную металлическую крышку, которая охлаждает верхнюю часть слитка. Продолжительность кипения металла (время до установки крышки) составляет 7-15 мин. Время кипения зависит от времени образования слоя твердого металла, достаточного для укладки на него крышки (1/6 от толщины слитка). Крышки снимают со слитков через 20-30 мин. после закупоривания.

5.6.2 Химическое закупоривание слитков

При химическом закупоривании в слиток вводят раскислители (алюминий), которые служат для ускорения кристаллизации верхней части слитка. Продолжительность кипения стали (время до ввода раскислителей) составляет 1-1,5 мин. Химическое закупоривание применяют для слитков большой массы (более 6-8 т), так как при механическом закупоривании крупных слитков степень химической неоднородности достигает значительных величин из-за продолжительного кипения металла (7-15 мин.). Расход алюминия на закупоривание слитков составляет 100-600 г на тонну стали. Показателем правильно выбранного расхода алюминия служит выпуклая гладкая поверхность слитков. При недостаточном расходе алюминия поверхность слитков получается рослой, а при избыточном - в ней образуется концентрированная усадочная раковина. Для химически закупоренных слитков обрезь с головной части после прокатки составляет 4-8% от массы слитка против 8-13% для механически закупоренных слитков.

5.6.3 Применение интенсификаторов кипения

Как уже упоминалось выше при разливке кипящей стали сверху скорость вынуждены ограничивать в пределах не выше 1,0 м/мин. для получения достаточной толщины корковой зоны слитка. Однако для увеличения производительности отделений разливки сталеплавильных цехов скорость вынуждены увеличивать. В этом случае для компенсации отрицательного влияния увеличения скорости повышают окисленность стали путем введения в изложницу при разливке интенсификаторов кипения. В результате увеличения окисленности стали повышается интенсивность ее кипения и возрастает толщина корковой зоны слитка. Интенсификаторы кипения представляют собой порошкообразные смеси следующего состава: 70-85% прокатной окалины, 5-20% плавикового шпата, 0-10% натриевой селитры, 0-13% коксика. Расход смесей составляет 200-850 г на тонну стали. Применение интенсификаторов кипения позволяет увеличить скорость разливки до 2,0-2,5 м./мин. без снижения толщины корковой зоны слитка.

5.6.4 Скоростная разливка стали

Данный способ применяется для химически закупоренных слитков, при его использовании скорость разливки достигает 4-5 м/мин. Сущность данного способа залучается в следующем. При разливке кипящей стали с повышенной скоростью газовые пузыри формируются у самой поверхности слитка и не успевают вырасти до значительных размеров. В результате получается слиток без корковой зоной с мелкими сотовыми пузырями. При нагреве под прокатку наружный слой вместе с сотовыми пузырями окисляется и переходит в окалину. В результате слиток получается без поверхностных дефектов.

6. КАЧЕСТВО СЛИТКОВ

6.1 Химическая неоднородность слитков

Химическая неоднородность (ликвация) относится к естественным дефектам слитка, то есть к возникающим неизбежно в процессе его кристаллизации.

Степень ликвации определяется по формуле:

, (3)

где и - максимальное и минимальное содержание элемента в стали, определенное химическим анализом, %;

Ковшовая проба по данному элементу, %.

Как уже отмечалось выше (п. 1.5) ликвация в слитках бывает двух видов: дендритная (неоднородность стали в пределах одного кристалла) и зональная (неоднородность состава стали в различных частях слитка). При этом зональная ликвация достигает большей абсолютной величины. Наиболее подвержены ликвации следующие элементы: сера, фосфор, углерод. Рассмотрим зональную ликвацию в слитках различных типов.

6.1.1 Зональная ликвация в слитке спокойной стали

В корковой зоне слитка ликвация отсутствует, так как из-за быстрой кристаллизации поверхностных слоев ликвационные процессы не успевают развиться. В остальном зонах ликвация по высоте слитка подчиняется следующей закономерности: в верхней части слитка содержание элементов возрастает в направлении оси, в средней части слитка ликвация незначительна, в нижней части слитка ликвация убывает к оси слитка. Наличие отрицательной ликвации в нижней части слитка объясняется тем, что примеси всплывают в верхнюю часть слитка. В слитке спокойной стали также наблюдаются еще два вида зональных ликваций: V-образная и - образная ликвации. V-образная ликвация образуется под усадочной раковиной в результате опускания в усадочные пустоты загрязненного примесями металла из прибыльной части слитка. - образная ликвация («усы») представляет собой скопление примесей в виде нитей или полос. Причинами образования «усов» являются: выделение при кристаллизации пузырей водорода, которые увлекают за собой другие примеси; опускание загрязненного примесями металла в усадочные полости слитка по узким каналам между осями дендритов.

Степень развития зональной ликвации возрастает при увеличении скорости охлаждения стали, массы и поперечного сечения слитка. Легирующие элементы (например никель) наоборот могут существенно понизить степень зональной ликвации.

6.1.2 Зональная ликвация в слитках кипящей и полуспокойной стали

В целом зональная ликвация в слитках кипящей стали выражена значительно сильнее, чем в слитках спокойной стали. Особенно это касается механически закупоренных слитков в связи со значительной продолжительностью кипения стали.

В механически закупоренном слитке также как и в слитке спокойной стали в корковой зоне слитка ликвация отсутствует вследствие быстрого затвердевания стали. В остальном объеме слитка до вторичных пузырей имеет место отрицательная ликвация, так как при кипении ликвирующие элементы выносятся в верхнюю часть слитка. В центральной части слитка внутри вторичных пузырей содержание элементов возрастает в направлении от поверхности к оси слитка и от нижней к верхней части слитка.

В химически закупоренном слитке ликвация практически отсутствует в корковой зоне и зоне сотовых пузырей. В остальном объеме слитка наблюдается повышение содержания элементов от нижней к верхней части слитка и от поверхности к оси слитка. Также имеют место слабо выраженные V-образная и - образная ликвации.

Также как и в слитке спокойной стали степень развития зональной ликвации возрастает при увеличении скорости охлаждения стали и массы слитка. Кроме того, на развитие зональной ликвации оказывает влияние продолжительность кипения металла в изложнице - с ее увеличением ликвация возрастает.

В слитке полуспокойной стали характер ликвации практически аналогичен ликвации в химически закупоренном слитке кипящей стали.

6.2 Поверхностные дефекты слитков

Продольные наружные горячие трещины

При возникновении зазора между слитками и стенками изложницы корка слитка может не выдержать ферростатического давления жидкой стали и в результате образуются продольные разрывы - трещины. Причиной образования продольных трещин также может служить разливка нецентрированной струей металла. В этом случае струя может размывать корку слитка. Ширина трещин составляет 1-3мм, а длина достигает 1 м. Обычно продольные трещины образуются в углах слитка. Вероятность возникновения продольных трещин возрастает при увеличении температуры и скорости разливки, так как в этом случае медленнее нарастает толщина корки слитка. На вероятность образования продольных трещин также оказывает влияние форма поперечного сечения слитка. С уменьшением поверхности теплоотдачи медленнее нарастает корка слитка и соответственно увеличивается вероятность появления трещин. В связи с этим наибольшей склонностью к трещинообразованию обладают слитки круглого сечения, а наименьшей - слитки прямоугольного сечения. Для предотвращения образования продольных горячих трещин кроме снижения температуры и скорости разливки эффективно применение изложниц с вогнутыми и волнистыми стенками.

Поперечные горячие трещины

Возникают в результате препятствия свободной усадке затвердевающего слитка. Если в стенках изложницы имеются выбоины или имеется зазор между изложницей и прибыльной надставкой, то жидкий металл заполняет их и застывает в них. При дальнейшем затвердевании слиток подвисает в этом месте, так как его длина уменьшается за счет усадки. В результате под действием веса слитка корочка может разорваться (рис. 23).

Для исключения данного дефекта необходимо тщательно контролировать качество поверхности изложниц и обеспечивать плотное прилегание прибыльной надставки к изложнице.

Рис. 23 - Поперечная горячая трещина на слитке массой 17 т

Продольные наружные холодные трещины

Возникают при быстром охлаждении слитков в температурном интервале ниже 6000С в результате термических и фазовых напряжений. Наибольшей склонностью к возникновению продольных холодных трещин обладают стали с содержанием углерода более 0,4% и легированные хромом, марганцем, кремнием. Для предотвращения их образования следует уменьшать скорость охлаждения слитков в указном температурном интервале за счет, например, посадки слитков в нагревательные колодцы обжимного цеха в горячем состоянии.

Образуются преимущественно при разливке сверху. Представляют собой окисленные брызги и заплески (капли) металла, которые застывают на стенках изложницы. Разбрызгивание металла возникает в результате удара струи о дно изложницы. Заплески полностью не растворяются в жидкой стали, так как их поверхность окислена и образуют на поверхности слитков дефекты в виде плен (рис. 24а). Плены не свариваются с металлом и при прокатке, поэтому на поверхности заготовок данный дефект также остается (рис. 24б).

сталь кристаллизация слиток разливка

Рис. 24 - Плены на поверхности

а - слитка; б - заготовки

Для снижения вероятности образования плен разливку начинают медленно, что позволяет уменьшить разбрызгивание струи. Кроме того, для разливки применяют промежуточные устройства (промежуточные ковши и воронки). В этом случае уменьшается напор струи за счет снижения высоты столба жидкой стали в промежуточных устройствах. Это приводит к ослаблению удара струи о дно изложницы и уменьшению разбрызгивания.

Заворот корки

Поверхностный дефект, образующийся преимущественно при сифонной разливке стали. Механизм образования дефекта следующий. При разливке слитков на поверхности образуется пленка из оксидов, которые возникают при контакте элементов стали с кислородом атмосферы. Затвердевающий под пленкой металл образует вместе с ней корку, в которой также присутствуют всплывающие неметаллические и шлаковые включения. При наличии дефектов на внутренней поверхности изложницы пленка пристает к стенкам изложницы и поднимающийся снизу металл заворачивает ее. В месте заворота корки наблюдается скопление неметаллических включений и газовых пузырей, образующихся в результате взаимодействия кислорода в корке и углерода стали. При прокатке в месте заворота корки образуются рванины. Пораженность слитков заворотами корки увеличивается при снижении температуры и скорости разливки стали, а также при увеличении содержания в стали легкоокисляющихся элементов (хром, алюминий, титан). Возможности для повышения температуры и скорости разливки ограничены в связи с увеличением при этом пораженности слитков продольными трещинами. Поэтому для снижения вероятности образования данного дефекта применяют методы защиты поверхности металла от окисления (см. п. 5.5.1).

6.3 Дефекты макроструктуры слитков

Осевые межкристаллитные трещины

Образуются преимущественно по границам зерен в осевой зоне слитка. Механизм образования таких трещин аналогичен механизму возникновения наружных трещин. В конце периода кристаллизации слитка движущиеся навстречу друг другу двухфазные зоны смыкаются в осевой зоне. Так как к этому моменту прекращается поступление в изложницу жидкого металла, то скорость усадки в осевых объемах становится выше скорости усадки наружных слоев слитка. В результате в осевых объемах возникают растягивающие напряжения, а в периферийных - сжимающие. При достижении растягивающими напряжениями критической величины возникают межкристаллитные трещины (рис. 25).

Рис. 25 - Межкристаллитные трещины в сечении заготовки из стали 45ХН

Наибольшей склонностью к образованию межкристаллитных трещин обладают низкоуглеродистые стали, легированные хромом, никелем. Снижению пораженности данным видом дефекта способствует посадка слитков в нагревательные колодцы обжимного цеха с температурой не менее 9000С.

Расслоение (расслой)

По внешнему виду данный дефект напоминает межкристаллитные трещины. Обнаруживается при порезке заготовок после прокатки и представляет собой видимый разрыв сплошности на торцах заготовок (рис. 26).

Рис. 26 - Осевые расслоения в квадратной заготовке кипящей стали сечением 80×80 мм

В большинстве случаев в месте расслоения обнаруживается значительная концентрация неметаллических включений (силикатов или алюминатов). Поэтому при прокатке расслой не заваривается. Причиной появления данного дефекта являются: нарушение технологии выплавки и раскисления стали, увеличенная продолжительность кипения металла в изложнице.

Представляют собой внутренние разрывы стали, которые обнаруживаются в изломе в виде пятен округлой или овальной формы (рис. 27).

Причиной образования флокенов является водород, который выделяется при затвердевании стали в макропустотах с образованием молекул. Напряжения, создаваемые давлением водорода, суммируясь с другими внутренними напряжениями вызывают образование надрывов в металле. Флокены резко ухудшают механические свойства стали (прочность и пластичность) и могут привести к аварийным поломкам деталей.

Рис. 27 - Дефект «флокены» в изломе образцов стали

Для снижения количества флокенов в стали применяют следующие методы:

1. Обжиг извести и прокаливание ферросплавов.

2. Защита струи металла от окисления при разливке.

Термическая обработка слитков (гомогенизация, отжиг).

Замедленное охлаждение проката (в специальных ямах или термосах).

4 Контроль качества слитков

Предварительный контроль качества слитков и прокатанных из него заготовок проводят с целью исключения некачественного металла из дальнейшего передела. Кроме того, это позволяет контролировать соблюдение технологии выплавки и разливки стали и оперативно вносить корректирующие воздействия при выявленных отклонениях.

Контроль качества поверхности слитков, поступающих непосредственно из сталеплавильных цехов на нагревательные колодцы обжимного цеха в горячем состоянии, осуществляется в потоке визуально. В результате слитки с грубыми дефектами отбраковываются и отправляются на переплав. Более мелкие дефекты (плены, рванины, трещины и т.д.) зачищаются после прокатки на специальных машинах огневой зачистки, установленных в потоке прокатных станов. Оставшиеся дефекты удаляются с заготовок после их остывания путем зачистки газовыми резаками на складах прокатных цехов.

Слитки, поступающие после отливки на склад, там же проходят контроль качества поверхности. Обнаруженные при осмотре на складе дефекты удаляют огневой зачисткой (газовыми резакми) или вырубкой пневматическим зубилом. И только после этого направляются для прокатки в обжимные цеха.

Контроль макроструктуры слитков производят при помощи проб, отобранных от заготовок после прокатки. Дефекты макроструктуры оценивают на темплетах после травления образцов (чаще всего в соляной кислоте). Оценку производят по специальной пятибалльной шкале согласно требований соответствующих ГОСТов.

Для ответственных марок сталей производят также контроль микроструктуры. Для этого образцы исследуют под микроскопом с целью выявления неметаллических включений.

В последнее время для контроля качества слитков внедряют методы неразрушающего контроля: магнитная и ультразвуковая дефектоскопия. Метод магнитной дефектоскопии заключается в регистрации рассеяния наведенного магнитного поля на структурных неоднородностях и дефектах. Его применяют для обнаружения поверхностных дефектов и дефектов, лежащих на небольшой глубине. Ультразвуковой метод позволяет обнаружить внутренние дефекты, расположенные на значительной глубине и потому является более эффективным.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Воскобойников В.Г. Общая металлургия: учебник для вузов / В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 768 с.

Власов Н.Н. Разливка черных металлов / Н.Н. Власов, В.В. Корроль, В.С. Радя. - М.: Металлургия, 1987. - 272 с.

Явойский В.И. Металлургия стали / В.И. Явойский [и др.] - М.: Металлургия, 1973. - 816 с.

Айзатулов Р.С. Теоретические основы сталеплавильных процессов / Р.С. Айзатулов [и др.] - М.: МИСИС, 2002. - 320 с.

Выплавленную сталь выпускают из плавильной печи в разливочный ковш, из которого ее разливают в изложницы или кри­сталлизаторы установок для непрерывной разливки стали.

В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает, и получаются слитки, которые затем подвергают обработке давлением - прокатке, ковке.Сталеразливочный ковш (рис. 1.12) имеет стальной сварной кожух 1 , выложенный изнутри огнеупорным кирпичом 2 . В дне ковша имеется керамический стакан 3 с отверстием 4 для выпуска стали. Отверстие в стакане закрывается и открывается стопорным устройством. Стопорное устройство имеет стальную штангу 6, на конце которой укреплена пробка 5 из огнеупорного материала. На штангу надеты трубки 7 из огнеупора, предохраняющие ее от расплавления жидкой сталью. Стопор поднимают и опускают рычажным механизмом 11 вручную или с помощью гидравлического привода с дистанционным управлением. Ковш за две цапфы 8 поднимается краном. Емкость ковша выбирают в зависимости от емкости плавильной печи с учетом слоя шлака 9 (100 …200 мм), предохраняющего зеркало металла 10в ковше от охлаждения при разливке. Обычно емкость ковшей 5…260 т. Для крупных плавильных агрегатов применяют ковши емкостью 350…480 т.

Изложницы - чугунные формы для изготовления слитков. Конфигурация изложниц характеризуется формой поперечного и продольного сечений и зависит от сорта заливаемой стали и назначения слитка. Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями (рис. 1. 12).

Слитки квадратного сечения (рис. 1. 12, а )прокатывают на сортовой прокат (двутавровые балки, швеллеры, уголки и т. д.); слитки прямоугольного сечения (рис. 1. 12, б )с отношением ширины к толщине 1,5…3,0 – на лист; из слитков круглого сечения (рис. 1. 13, в ) изготовляют трубы, колеса. Многогранные слитки (рис. 1. 13, г ) используют для поковок.

Для разливки спокойной стали, применяют изложницы, расширяющиеся кверху (рис. 1. 14, б ),для разливки кипящей стали - изложницы, расширяющиеся книзу (рис. 1. 14, а ).

Изложницы, расширяющиеся кверху, обычно имеют дно, а расширяющиеся книзу делают сквозными, без дна. Изложницы для разливки спокойной стали имеют прибыльные надставки 8 (рис. 1. 14, б ),футерованные изнутри огнеупорной массой 9 с малой теплопроводностью. Сталь в прибыльной надставке дольше находится в жидком состоянии и питает затвердевающий слиток металлом, благодаря чему уменьшается глубина усадочной раковины, улучшается качество слитка, уменьшаются отходы при обрезке его головной части.

Размеры изложниц зависят от массы слитка. Для прокатки отливают слитки от 200 кг до 25 т; для поковок - массой до 250 т.

Экономически более целесообразна разливка стали в крупные слитки, так как при этом сокращаются затраты труда, на огнеупоры, потери металла, уменьшается продолжительность разливки. Однако масса слитка ограничивается мощностью прокатного оборудования и ухудшением качества слитка из-за неравномерности химического состава в различных его местах. Обычно углеродистые спокойные и кипящие стали разливают в слитки массой до 25 т, легированные и высококачественные стали – в слитки от 500 кг до 7 т, а некоторые сорта высоколегированных сталей в слитки массой несколько сот килограммов.

Способы разливки стали. Применяюттри основных способа разливки стали: в изложницы сверху; в изложницы сифоном; на установках непрерывной разливки стали (УНРС).

В изложницы сверху (рис. 1. 14, а )сталь заливают непосредственно из ковша 1.

Рис. 1.14. Разливка стали в изложницы

При разливке сверху исключается расход металла на литники, проста подготовка оборудования к разливке, температура заливаемой стали может быть ниже, чем при сифонной заливке. Однако при разливке сверху сталь падает в изложницу с большой высоты, брызги металла застывают на стенках изложницы и ухудшают поверхность слитка, образуя окисные плены. Окисные плены не свариваются с телом слитка даже при прокатке, после которой необходимо зачищать поверхность заготовки для улучшения ее качества, что является очень трудоемкой операцией. При сифонной разливке (рис. 1. 14, б )сталью заполняют одновременно несколько изложниц (от 4 до 60). Изложницы устанавливают на поддоне 6, в центре которого находится центровой литник 3, футерованный огнеупорными трубками 4, соединенный каналами, выполненными из огнеупорных пустотелых кирпичей 7, с нижними частями изложниц. Сифонная разливка основана на принципе сообщающихся сосудов: жидкаясталь 2 из ковша 1 поступает в центровой литник и через каналы заполняет изложницы 5 снизу. Этот способ разливки обеспечивает плавное, без разбрызгивания заполнение изложниц, поверхность слитка получается чистой, сокращается продолжительность разливки, можно разливать большую массу металла одновременно на несколько мелких слитков. Однако при сифонной разливке повышается трудоемкость подготовки оборудования, увеличивается расход огнеупоров, появляется необходимость в расходовании металла на литники (до 1,5 % от массы заливаемой стали), в перегреве металла в печи до более высокой температуры, так как при течении по каналам он охлаждается.

Оба способа разливки широко применяют. Для обычных углеродистых сталей используют разливку сверху; для легированных и высококачественных сталей – разливку сифоном.

Непрерывная разливка стали (НРС) (рис. 1.15) состоит в том, что жидкую сталь из ковша 1 через промежуточное разливочное устройство 2 непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна – кристаллизатор 3, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток 4.

Рис. 1.15. Схема разливки стали на машинах непрерывного литья

Перед заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку, образующую его дно. Затравка имеет головку в форме ласточкина хвоста. Жидкий металл, попадая в кристаллизатор и на затравку, охлаждается, затвердевает, образуя корку. Затравка тянущими валками 5 вытягивается из кристаллизатора вместе с затвердевающим слитком, сердцевина которого находится в жидком состоянии. Скорость вытягивания слитка из кристаллизатора зависит от сечения слитка. Например, скорость вытягивания прямоугольных слитков сечением 150×500 мм и 300×2000 мм ~1 м/мин.

На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой, подаваемой через форсунки в зоне 6 вторичного охлаждения. Из зоны вторичного охлаждения слиток выходит полностью затвердевшим и попадает в зону 7 резки, где его разрезают газовым резаком 8 на куски заданной длины. Для предотвращения приваривания слитка к стенкам кристаллизатора последний совершает возвратно-поступательное движение с шагом 10…50 мм и частотой 10…100 циклов в минуту, а рабочая поверхность кристаллизатора смазывается специальными смазками. Высота кристаллизатора 500…1500 мм.В них получают слитки прямоугольного поперечного сечения с габаритными размерами от 150×500 до 300×2000 мм, квадратного от 150×150 до 400×400 мм, круглые в виде толстостенных труб. Вследствие направленного затвердевания и непрерывного питания при усадке в слитках непрерывной разливки отсутствуют усадочные раковины, они имеют плотное строение и мелкозернистую структуру. Поверхность слитка получается хорошего качества. Выход годных заготовок может достигать 96…98 % от массы разливаемой стали.

• Введение
• 1. Особенности разливки стали
• 2. Ковши для разливки стали
• 3. Способы изготовления стальных отливок
• 3.1 Получение штучных фасонных отливок
• 3.2 Разливка стали в изложницы
• 3.3 Затвердевание и строение стального слитка в изложнице
• 3.4 Обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата
• 3.5 Непрерывная разливка стали
• 4. Опыт повышения качества стали на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»
• 5. Особенности и недостатки непрерывной разливки стали
• Заключение
• Список использованной литературы

Введение

Металлургическое производство возникло на заре развития человеческого общества. Такие металлы, как железо, медь, серебро, золото, ртуть, олово и свинец, нашли свое применение еще до нашей эры.

Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. В наши дни трудно найти такую отрасль производства, научно-технической деятельности человека или просто его быта, где металлы не играли бы главенствующей роли как конструкционный материал.

Металлы разделяют на несколько групп: черные, цветные и благородные. К группе черных металлов относятся железо и его сплавы, марганец и хром. Золото, серебро и платина относятся к благородным. К цветным относятся все остальные металлы периодической системы Д. И. Менделеева.

Железо и его сплавы являются основой современной технологии и техники В ряду конструкционных материалов железо и его сплавы стоят на первом месте и составляют более 90 % всех металлов, применяемых в современном производстве.

Самым важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеродом, образующими группу сталей и чугунов. Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14%. Сталь - важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта и многих других отраслях регионального и федерального хозяйства. Сталеплавильное производство является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии.

Современный высокий уровень металлургического производства основан на глубоких теоретических исследованиях, крупных открытиях, сделанных в разных странах мира и богатом практическом опыте.

Развитие металлургии идет по пути дальнейшего совершенствования плавки и разливки металла, механизации и автоматизации производства, внедрения новых прогрессивных способов работы, обеспечивающих улучшение технико-экономических показателей плавки и качества готовой продукции.

1. Особенности разливки стали

Процесс разливки стали включает подготовку жидкой стали к разливке, ее транспортировку от сталеплавильного агрегата до места разливки и непосредственную заливку стали в формы с целью получения отливок заданных параметров по линейным размерам, форме, весу, механическим свойствам и требуемой структуры.

Основной особенностью, которую следует учитывать при разливке стали, является то, что она имеет меньшую жидкотекучесть, чем чугун, повышенную усадку - линейную 2% и объемную 6%.

Усадка жидкого металла зависит от температуры заливки и является величиной неопределенной. Поэтому ее относят к определенному отрезку температуры (в 1 0 С или в 100 0 С) и обычно выражают в процентах. Усадку затвердевания и усадку твердого металла (объемную и линейную) также выражают в процентах.

Объемная усадка твердого металла принимается по известным соотношениям для коэффициентов теплового расширения тел в 3 раза больше, чем линейная.

Процесс усадки в чрезвычайно большей степени затрудняет получение точных и высокоточных отливок. Одна из сложностей состоит в образовании внутри затвердевающей отливки усадочных пороков в виде всякого рода несплошностей (раковин, пористости, трещин). Возникновение этих дефектов связано с неодновременным затвердеванием металла в объеме отливки. Отдавая тепло окружающей среде (материалу формы), отливка начинает охлаждаться и затвердевать с наружной поверхности, в то время, как внутренняя ее часть продолжает оставаться жидкой. При дальнейшем охлаждении и затвердевании сердцевина отливки претерпевает большее относительное сжатие, чем ранее затвердевшая наружная поверхность. Вследствие этого сплошность металла нарушается и внутри отливки образуется вакуумная пустота, носящая название «усадочная раковина».

Для фасонных отливок характерно образование внутренней, скрытой раковины, в отличие от нее в слитках усадка металла вызывает образование воронкообразной впадины, которую называют внешней или открытой усадочной раковиной.

Величина температурного интервала кристаллизации также влияет на образование и характер усадочных пороков.

Таким образом, усадка стали в жидком состоянии, в процессе переходного периода от жидкого состояния к затвердеванию и непосредственно при затвердевании предопределяет величину усадочной раковины.

Размер и форма отливки оказывают влияние как на величину, так и на расположение раковины в отливке. Теоретически величина раковины оказывается пропорциональной объему отливки.

Условия охлаждения отливки сказываются, прежде всего, на характере образующихся усадочных пустот. Чем интенсивнее охлаждается отливка, тем в меньшей степени в ней развивается дендритная кристаллизация.

В связи с вышеизложенным, следует:

1. С целью предупреждения брака по усадочным раковинам необходимо по возможности обеспечивать направление затвердевания отливки в направлении к местам расположения наиболее массивных ее частей.

2. С целью предупреждения брака по песочным раковинам и другим порокам необходимо основные обрабатываемые поверхности, а также развитые поверхности отливки располагать преимущественно снизу по заливке, а при отсутствии такой возможности вертикально или наклонно.

3. С целью снижения брака по недоливам более тонкие стенки отливки должны располагаться в нижних по заливке частях формы и по возможности в вертикальном или наклонном положении.

Для устранения возможности образования усадочных раковин в узлах и массивных частях отливки, при проектировании и изготовлении формы предусматривается установка прибылей, которые служат также сборниками всплывающих неметаллических включений или возможных других выделений.

Вес прибыли для стальных деталей составляет 30 - 50 % веса отливки.

1. Усадочная раковина образуется в местах отливки, остывающими последними, к ним относятся все наиболее массивные части, местные утолщения, узлы сочленения отдельных элементов детали, а также места затрудненной теплоотдачи.

2. Усадочная раковина стремится занять наивысшее положение в отливке.

3. Открытые прибыли устанавливают на верхних частях отливки, закрытые - на массивных частях отливки, расположенных внутри формы.

4. Постановка прибылей на массивные части отливки замедляет скорость охлаждения последней, способствуя увеличению в ней остаточных напряжений.

5. Постановка прибылей в местах концентрации растягивающих напряжений в отливке при высокой температуре, способствует образованию горячих трещин в этих местах при затвердевании отливки.

6. Постановка прибылей на необрабатываемые части отливки приводит к увеличению затрат на ее обработку.

7. Для охлаждения местных узлов и главным образом утолщенных мест отливки, если последние не обеспечиваются питанием от прибыли, при изготовлении формы устанавливают холодильники - металлические вкладыши.

2. Ковши для разливки стали

Жидкая сталь, полученная в сталеплавильном агрегате (дуговая печь, мартен, конвертор, индукционная печь и т.п.), должна быть транспортирована к месту разливки. Для этой цели используется специальный сталеразливочный ковш. Его назначение - прием расплавленной стали, перемещение полученного объема стали от сталеплавильного агрегата к месту разливки, кратковременное хранение и разливка стали в питатели литейных форм.

В зависимости от способа транспортировки ковшей и их назначения в технологическом процессе они подразделяются на крановые и монорельсовые. Крановые ковши в свою очередь подразделяются на:

1. Конические, емкостью от 1 до 70 т.

2. Стопорные, емкостью о 1 до 70 т.

3. Барабанные, емкостью от 1 до 5 т.

Монорельсовые ковши подразделяются на;

1. Конические, емкостью от 100 до 400 кГ.

2. Конические с механизмом поворота, емкость от 500 до 800 кГ.

3. Чайниковые, емкостью от 100 до 250 кГ.

4. Барабанные, емкостью от 400 до 800 кГ.

Конструкция чайникового ковша схематично представлена на рис.1.

Наружный корпус ковша выполнен из стали. Две цапфы, расположенные диаметрально противоположно и несколько выше центра тяжести ковша, жестко закреплены на наружной поверхности корпуса. Цапфы необходимы для опоры ковша на посадочные места монорельсовой тележки или крановой подвески. Способ фиксации ковша определяется его грузоподъемностью и методом транспортировки.

Внутренняя полость ковша облицована термостойкой футеровкой, обеспечивающей долговечность ковша, исключающей прогар наружного корпуса жидким металлом и играющей роль термоизолятора, поддерживающего температуру жидкой стали в ковше.

Розлив жидкой стали из ковша осуществляется путем его поворота на цапфах на некоторый угол. Траектория истечения металла параболическая и с изменением угла наклона ковша изменяется форма параболы и интенсивность струи вытекающего металла.

На рис. 2 представлена схематическая конструкция стопорного ковша, устройство которого допускает выдачу жидкого металла через сопло, расположенное в дне ковша и закрываемое стопором. Управление работой стопора осуществляется специальным рычажным механизмом, закрепленным на наружной поверхности корпуса.

В остальном, ковш по конструкции и устройству аналогичен ковшу, представленному на рис. 1.

Преимущества рассматриваемого ковша перед предыдущим заключается в том, что во - первых отсутствует необходимость поворота ковша, а во - вторых поток вытекающего металла прямолинейный и направлен вертикально вниз.

Развитие процессов разливки стали привело к созданию и применению ковшей барабанного типа, схематическая конструкция которого представлена на рис. 3.

Ковш представляет собой цилиндр 2 с горизонтальной осью вращения; торцы цилиндра жестко и герметично закрыты крышками, на наружной поверхности которых строго соосно установлены цапфы 1. Для заливки жидкого металла в ковш и выдачи этого металла из ковша на боковой поверхности цилиндра расположено окно 3.

Корпус ковша и цапфы изготовлены из стали, а его внутренняя поверхность выложена огнеупорным футеровочным материалом.

Конструкция данного ковша имеет ряд преимуществ перед предыдущими:

1. Допускает использование в механизированных устройствах транспортировки, заливки и выдачи жидкой стали.

2. Жесткая фиксация ковша во время транспортировки.

3. Лучшая теплоизоляция ковша, благодаря чему увеличивается время отбора жидкой стали.

4. Возможность поворота ковша на 180 0 .

Ковши по своей конструкции, металлоемкости и способу транспортирования жидкой стали подбираются в зависимости от требований технологического процесса, способа получения готовой продукции литейного производства и степени механизации производственных процессов.

3. Способы изготовления стальных отливок

Жидкая сталь может быть использована:

Для получения фасонных штучных отливок любых габаритов и массы как в единичном, крупносерийном так и массовом производстве

Для заливки в изложницы с целью дальнейшей обработки получено слитка давлением (прокатка, ковка) и как завершающая стадия этого процесса - получение сортового проката.

Для непрерывной разливки на специальном оборудовании с целью получения сортового проката минуя стадии получения слитка, его охлаждение, дополнительный нагрев и последующую обработку давлением.

3.1 Получение штучных фасонных отливок

Эти отливки являются заготовками деталей любой машиностроительной отрасли. Приблизительно 23% по объему всего выпускаемого сталелитейной промышленностью ассортимента составляют фасонные отливки с выходом годного металла немногим более 60%. Для получения стальных фасонных отливок из углеродистой стали используются в основном литейные стали марок 15Л, 20Л, 25Л, 30Л, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л и 55Л. В пределах одной и той же группы сложности и массы отливки могут быть изготовлены различными способами.

К основным способам изготовления отливок относятся:

А. Обычный способ литья: ? литье в разовые сырые и сухие песчаные формы вне зависимости от способа формовки.

Б. Специальные способы литья:

В металлические формы (кокили),

Литье в оболочковые формы,

Литье по выплавляемым моделям,

Центробежное литье.

Способ изготовления отливки выбирается с учетом последующей механической обработки готовой отливки, на основе сравнительного технико - экономического анализа.

Самый простой способ, известный с древнейших времен - изготовление формы в почве (на плацу). Форма в почве открытая применяется при единичном (индивидуальном) производстве.Более ответственные отливки и с повышенной весовой характеристикой получают при формовке различными способами: нижняя часть отливки в почве, верхняя - в опоке. В этом случае заливка жидкого металла производится через питатель.

Отливки могут быть получены при формовке модели в двух опоках, как одинаковых по высоте, так и разновысоких. Процесс формовки осуществляется вручную, а заливка жидкой стали производится через питатель и литниковую систему. В форме, при необходимости, могут быть расположены прибыли.

При машинной формовке формы изготавливаются за редким исключением в двух опоках (рис. 4 и рис. 5). Этот способ применяется в серийном и массовом производствах. При использовании форм, представленных на рис. 4. заливка жидкой стали производится в сырую форму, а при использовании форм, представленных на рис. 5, заливка жидкой стали производится в сухую форму или форму с поверхностной подсушкой.

Весовые группы отливок для данного способа заливки способ формовки не ограничены.

Кроме обычных способов получения стальных отливок методом литья в разовые песчаные формы достаточно широко распространены специальные способы литья.

Литье в металлические формы (кокили), Эти формы многократного использования, изготовлены из стали или чугуна. Применяются формы с горизонтальной, вертикальной и комбинированной плоскостью разъема. По плоскости разъема изготавливают полость конфигурации отливки и литниковой системы. Для получения внутренних полостей в отливке применяют песчаные стержни.

Заливка жидкой стали в кокиль производится через питатель, после затвердевания отливки выбивают.

Применяется литье в кокиль для получения стальных отливок, при этом номенклатура отливок очень разнообразна.

Литье в оболочковые формы применяется преимущественно с целью сокращения большого объема механической обработки отливки и изготовления отливок 4…6 квалитетов точности, а также тогда, когда способ получения отливки по выплавляемым моделям экономически не оправдан.

Заливка жидкой стали, чаще всего, осуществляется сифонным способом.

Литье в оболочковые формы применяется в серийном и массовом производстве.

Литье по выплавляемым моделям применяется для сокращения большого объема механической обработки, вплоть до полного ее исключения, главным образом тогда, когда стальное литье трудно поддается резанию.

Применяется в серийном и массовом производстве.

Центробежное литье применяется главным образом для обеспечения высокой плотности материала отливки и исключения центровых стержней.

Получение стальных отливок методом центробежного литья производится на специальных машинах с горизонтальной, вертикальной или наклонной осью вращения отливки.

Заливка стали во вращающуюся форму производится по специальному открытому лотку непосредственно из ковша. Стержни для получения внутренней полости отливки не нужны.

Проводя анализ способов получения отливок можно сказать, что разливка жидкой стали в формы в единичном или мелкосерийном производстве производится без применения средств автоматизации непосредственно из ковша в питатель формы.

В условиях серийного и массового производства применяется метод разливки жидкой стали в разовые в основном сырые песчаные формы, изготавливаемые в двух равновысоких опоках методом машинной формовки с давлением допрессовки 20 - 30 МПа. Такой способ получения форм является предпосылкой для создания механизированного или автоматизированного участка заливки форм жидкой сталью, т. к. такие формы в опоках допускают их транспортировку.

Ускорение темпа изготовления форм в потоке (12 с. и менее) в условиях массового и крупносерийного производства делает необходимой автоматическую заливку жидкой стали. Промышленностью (как отечественной так и зарубежной) выпускаются установки для автоматической разливки жидкой стали - это установки с применением магнитного насоса, дозирующего разливочного ковша с индукционным подогревом, промежуточного стопорного барабанного ковша с дозированием массы металла и др. Для механизированной или автоматизированной разливки жидкой стали используют электрофицированные тележки типа ТМЛ - 100 и ТМЛ - 200, выпускаемые отечественной промышленностью. Эти тележки снабжены кабиной оператора и одновременно имеют возможность дистанционного управления передвижением и манипуляциями ковша (подъем, опускание, поворот и т. п.). Тележка перемещается по монорельсовому пути.

При использовании метода разливки жидкой стали непосредственно из ковша в форму необходимо соблюдать время отбора жидкой углеродистой стали из ковшей, которое рекомендуется принимать по приведенным материалам:

Емкость ковша, т 4 6 - 8 16

Время отбора, мин 12 17 23

3.2 Разливка стали в изложницы

Разливку жидкой стали в изложницы применяют для получения стальных заготовок, значительных габаритов и массы, для их дальнейшей обработки давлением (после их остывания и последующего дополнительного нагрева) с целью получения сортового проката или больших поковок. Разливку жидкой стали в изложницы осуществляют из ковша. Формы для разливки (изложницы) принимаются в зависимости от намечаемой готовой продукции: для сортового и фасонного проката.

Изложницы представляют собой чугунные формы для получения слитков различного сечения. По конструкции изложницы подразделяют на глуходонные и сквозные, по способу заливки металла - на заполняемые сверху и заполняемые снизу (сифонная разливка). Чугунные изложницы вертикального типаиспользуются для разливки стали. Изложницы для слитков, предназначенных для поковок, вмещают до 100 т стали и более; изложницы для стали, идущей в прокатку, рассчитаны на слитки массой от 100 кГ до 20 т (слитки для слябов). В целях уменьшения усадочной раковины в слитках И. изготовляют с утепленной надставкой.

Способ разливки стали в изложницу и состояние металла в процессе разливки и затвердевания существенно влияют на свойства стали. В основном различают два вида разливки: кипящей и спокойной стали.

Применяют два способа разливки стали в изложницы: сверху непосредственно в изложницу и сифоном

Рис. 6 Схема изложниц: а-с верхней разливкой; б-с сифонной разливкой

При разливке сверху (рис.6) сталь заливают из ковша 2 в каждую изложницу 1 последовательно.

При таком способе разливки стали поверхность слитков вследствие попадания брызг жидкого металла на стенки изложницы может быть загрязненной пленками оксидов.

При сифонной заливке (рис. 6 ,б) сталью заполняют одновременно от 2 до 6 установленных на поддоне 5 изложниц через центровой литник 3 и каналы в поддоне. В этом случае сталь поступает в изложницы снизу, что обеспечивает плавное, без разбрызгивания их заполнение, поверхность слитка получается чистой, сокращается время разливки. Сталь в надставке 4 сохраняется в жидком состоянии, благодаря чему уменьшаются раковина и отходы слитка при обрезке.

Разливку сверху обычно применяют для углеродистых, а разливку сифоном -- для легированных сталей.

3.3 Затвердевание и строение стального слитка в изложнице

Процесс затвердевания стального слитка и образование кристаллической структуры в нем был рассмотрен выше. Необходимо добавить, что строение слитка определяется не только условиями охлаждения, но и степенью раскисления. По этому признаку стали делятся на кипящие, спокойные и полуспокойные. Схемы строения слитков представлены на рис. 7.

Рис.7. Схематическое изображение слитков сталей:

а - кипящей, б - спокойной, в - полуспокойной

Кипящая сталь? сталь, не полностью раскисленная в печи. Ее раскисление продолжается в изложнице за счет взаимодействия оксида железа FeO с углеродом. Образующийся при этом оксид углерода СО выделяется из стали и она не содержит неметаллических примесей, обладая при этом высокой пластичностью.

Кипящую сталь раскисляют так, что она и во время наполнения изложницы и после окончания процесса наполнения выделяет газ. В результате реакции углерода с кислородом на фронте затвердевания образуется окись углерода. При этом формируются чистый поверхностный слой (плотная корка) и сердцевина, обогащенная примесями (зона ликвации)- Интенсивное выделение газа вплоть до полного затвердевания предотвращает сосредоточенное уменьшение объема в середине верхней (головной) части слитка. Уменьшение объема (усадочная раковина) обусловливается неодинаковым удельным объемом стали в жидком и твердом агрегатных состояниях. В кипящей стали раковина распределена в форме газовых пузырей (пор) по всему объему слитка. При последующей горячей обработке давлением газовые пузыри завариваются, так как они почти не загрязнены. Это положительно сказывается на выходе годного. Еще одним преимуществом является чистая поверхностная зона, удовлетворяющая высоким требованиям к качеству поверхности. Недостатком является обогащение элементами-примесями (ликвация): углеродом, фосфором, серой, азотом и кислородом в осевой зоне, особенно в верхней части слитка. Это приводит к неравномерности свойств материала по высоте слитка и по его поперечному сечению. Еще одним недостатком является повышенная склонность к хрупкому разрушению, так как азот связать не удается.

Спокойная сталь получаются при полном раскислении металла в печи и ковше (рис. 7, б). Такая сталь затвердевает без выделения газов, в слитке образуется плотная структура, а усадочная раковина концентрируется в верхней части слитка, что увеличивает выход годного металла. Спокойная сталь устраняет перечисленные выше недостатки, присущие кипящей стали. При разливке спокойной стали обеспечиваются существенное уменьшение содержания кислорода и элементов, имеющих сродство с кислородом, которые перечислены выше. Поскольку элементы алюминий, титан, ванадий и цирконий одновременно обладают и высоким сродством к азоту, тем самым одновременно достигается и снижение склонности к хрупкому разрушению стали. Неблагоприятное влияние на качество стали могут оказать оксиды, образующиеся при связывании кислорода, которые, если их не представляется возможным удалить из расплава, превращаются в неметаллические включения и при достаточной концентрации могут ограничить использование материала из-за образования несплошностей в нем. Поскольку в результате эрозии огнеупорного материала в сталь попадают дополнительные (экзогенные) неметаллические включения, уменьшению их содержания путем выделения следует уделять особое внимание. При продувке жидкой стали аргоном достигается снижение содержания неметаллических включений в ней. Еще остающиеся неметаллические включения выделяются в процессе затвердевания, особенно в подповерхностной зоне, что может неблагоприятно сказаться на качестве поверхности. Однако и по всей длине слитка и особенно в верхней его части (где кончается усадочная раковина) возможно обогащение неметаллическими включениями. Еще одним недостатком спокойных сталей является сосредоточенное уменьшение объема в верхней части слитка, что снижает выход годного. При использовании изложниц, оборудованных в верхней части теплоизолирующими прибыльными надставками, это уменьшение выхода годного может быть в известной мере компенсировано.

Полуспокойная сталь получается при раскислении ферромарганцем и недостаточным количеством ферросилиция или алюминия и путем целенаправленного регулирования содержания кислорода. В результате получается полуспокойная или механически закупоренная сталь. Эти мероприятия позволяют достичь лучшего качества поверхности, чем у спокойной стали, и более равномерного распределения ликвирующих элементов, чем в кипящей стали, а сам слиток не имеет концентрированной усадочной раковины, в нижней части он обычно имеет строение спокойной, а в верхней -- кипящей стали (рис.7,в). Такая сталь по качеству применима только для некоторых определенных целей, а по стоимости является промежуточной между кипящей и спокойной.

3.4 Обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата

При внепечной обработке металл, выплавленный в обычном сталеплавильном агрегате (мартеновской печи, конвертере или электропечи), подвергается внешнему воздействию в сталеразливочном ковше. Основной целью внепечной обработки жидкой стали в ковше является снижение содержания растворенных в металле газов, неметаллических включений и серы.

В настоящее время нет такого способа обработки жидкой стали в ковше, который позволил бы одновременно значительно снизить в металле содержание неметаллических включений, серы и газов. Поэтому в зависимости от поставленной задачи применяется тот или иной способ внепечной обработки металлов.

Обработка металлов в ковше синтетическим шлаком приводит к снижению в стали количества серы, неметаллических включений и кислорода. Сущность метода заключается в том, что металл выпускают из печи в ковш, частично заполненный жидким шлаком (4 - 5 % от массы металла), который предварительно выплавляют в специальном агрегате. Жидкий шлак и металл интенсивно перемешиваются. Сера, кислород и неметаллические включения переходят из металла в шлак. При обработке металла синтетическим шлаком важную роль играет его состав и физико-химические свойства. Шлак должен иметь низкие температуру плавления и вязкость, а также обладать высокой основностью и низкой окисленностью. Этим требованиям отвечают известково-глиноземистые шлаки, содержащие 50 - 55 % СаО, 38 - 42 % Al 2 O 3 , 1,5 - 4 % SiO 2 , 0,15 - 0,5 % FeO. Шлаки такого состава обладают высокой рафинирующей способностью.

Повышение качества стали, обработанной синтетическим шлаком, компенсируют затраты, связанные с выплавкой такого шлака.

Продувка металла в ковше порошкообразными материалами является одним из современных способов повышения качества стали и производительности сталеплавильных агрегатов.

Электрошлаковый переплав (ЭШП) заключается в следующем:

Переплавляемая сталь подается в установку в виде расходуемого (переплавляемого) электрода 1 (рис. 8). Расплавленный шлак 2 (смесь 60...65 % CaF2, 25...30 % Al2O3, CaO и другие добавки) обладает большим электросопротивлением и при прохождении электрического тока в нем генерируется тепло, достаточное для расплавления электрода. Капли металла проходят слой шлака, собираются в ванне и затвердевают в водоохлажденной изложнице, образуя слиток. При этом кристаллизация металла происходит последовательно и направлена снизу вверх, что способствует удалению неметаллических включений и пузырьков газа и тем самым образованию плотной и однородной структуры слитка. В конце переплава поддон опускают и затвердевший слиток извлекают из изложницы.

Современные установки ЭШП позволяют получать слитки различного сечения массой 40т.

Рис.8. Схема установки ЭШП: 1-электрод, 2-расправленный шлак, 3-ванна, 4-изложница, 5-полученный слиток, 6- поддон

Жидкий металл в потоке инертного газа (аргона) через фурму вводят измельченные десульфураторы и раскислители. В результате такой обработки можно получить металл с содержанием серы и кислорода менее 0,005 % каждого.

Обработка жидкой стали аргоном в ковше является наиболее простым способом повышения качества металла. Аргон вдувают в жидкую сталь через пористые и огнеупорные пробки, которые устанавливают в днище ковша. Аргон не растворяется в жидкой стали, поэтому при продувке металла аргоном в объеме жидкой стали образуется большое количество пузырей, которые интенсивно перемешивают металл и выносят на его поверхность неметаллические включения. Кроме того, водород и азот, растворенные в стали, переходят в пузыри аргона и вместе с ним покидают жидкий металл, т. е. происходит дегазация стали.

Наиболее простым способом является вакуумирование стали в ковше. В этом случае ковш с жидким металлом помещают в герметичную камеру, из которой откачивают воздух. При снижении давления в камере металл закипает вследствие бурного выделения из металлов газов. После дегазации металла камеру разгерметизируют, а ковш с вакуумированной отправляют на разливку.

Ковшевое вакуумирование неэффективно при обработке полностью раскисленной стали и больших масс металла. В этом случае вследствие слабого развитии реакции 2C + O 2 = 2CO металл кипит вяло. Для улучшения дегазации стали вакуумную обработку металлов в ковше совмещают с продувкой его аргоном и электромагнитным перемешиванием. Обычно дегазацию металла в ковше проводят в течение 10 - 15 мин. Более длительная обработка приводит к значительному снижению температуры металла.

Парционное и циркуляционное вакуумирование стали применяют при дегазации больших масс металла.

При парционном вакуумировании футерованная вакуумная камера не большого объема помещается над ковшом с жидким металлом. Патрубок камеры, футерованный изнутри и снаружи, погружен в жидкий металл. Под действием атмосферного давления порция металла (10 - 15 % от общей массы) поднимается в камеру и дегазируется. При движении ковша вниз или камеры вверх металл вытекает, а при обратном движении вновь поднимается в камеру, для полной дегазации стали необходимо провести от 30 до 60 циклов вакуумной обработки.

При циркуляционном способе вакуумирования стали применяют вакуумную камеру с двумя патрубками. Жидкий металл из ковша поднимается в камеру по одному патрубку, дегазируется и вытекает обратно в ковш по второму патрубку. Происходит непрерывная циркуляция металла через вакуумную камеру. Подъем жидкой стали в камеру происходит за счет действия аргона, который подают во входной патрубок.

Струйное вакуумирование металла применяется в основном при отливке крупных слитков. Этот способ является более совершенным, т. к. устраняется вторичное окисление при разливке вакуумированного металла из ковша в изложницы.

При отливке слитков в вакууме струя металла, переливаемого из ковша а изложницу, установленную в вакуумной камере, разрывается выделяющимися газами на множество мелких капель металла. Поверхность металла резко возрастает, что приводит глубокой дегазации стали. Кроме того, сталь также дегазируется в изложницы.

Последнее время для получения стали с очень низким содержанием углерода обработку металла в вакууме совмещают с продувкой его кислородом или смесью аргона и кислорода.

Рафинированная синтетическим шлаком сталь отличается низким содержанием кислорода, серы и неметаллических включений, что обеспечивает ей высокую пластичность и ударную вязкость.

3.5 Непрерывная разливка стали

Непрерывная разливка стали - процесс получения из жидкой стали слитков - заготовок (для дальнейшей прокатки, ковки или прессования), формируемых непрерывно по мере поступления жидкого металла с одной стороны изложницы - кристаллизатора и удаления частично затвердевшей заготовки с противоположной стороны. При этом следует отметить, что процессу непрерывного литья подвергают исключительно спокойную сталь, поскольку, ввиду высокой скорости вытягивания, получить удовлетворительное качество поверхности не удается.

Непрерывная разливка стали имеет следующие преимущества перед обычной разливкой: на 10 … 15% сокращается расход металла на 1 т годного проката вследствие уменьшения обрези головной и донной части заготовки, сокращаются капитальные затраты на изготовление парка чугунных изложниц, которые полностью исключаются при данном техпроцессе, отсутствуют участки для подготовки изложниц и извлечения слитков из них, полностью отсутствуют дорогостоящие блюминги и слябинги, на которых крупные слитки обжимаются в заготовку для последующей прокатки; создаются условия для полной механизации и автоматизации процесса разливки; благодаря ускорению затвердевания повышается степень однородности металла, улучшается его качество.

Непрерывная разливка стали производится на специальных установках - УНРС (рис. 9).

Жидкую сталь из ковша 6 через промежуточное устройство 5 непрерывно заливают сверху в водоохлаждаемую изложницу без дна -- кристаллизатор? 4, а из нижней его части вытягивают с определенной скоростью (которая колеблется в пределах 1...2,5 м/мин), с помощью валков 3 затвердевающий слиток. Кристаллизатор 4 имеет внутреннюю полость, профиль которой соответствует поперечному сечению отливки. Рабочую часть кристаллизатора, контактирующую с металлом, выполняют из меди, твердых алюминиевых сплавов, стали или графита. Корпус кристаллизатора интенсивно охлаждается водой, циркулирующей по имеющимся в нем каналам.

Стальные отливки льют в длинные кристаллизаторы (1000 … 1500 мм). Для получения отливок с внутренними полостями в кристаллизатор устанавливают стержень соответствующего сечения.

В начале процесса в кристаллизатор вводится временное дно - так называемая затравка, соединенная с индивидуальным приводом и имеющая профиль, соответствующий профилю сечения получаемой отливки. Металл затвердевает у стенок кристаллизатора и у затравки, которая освобождает путь для извлечения из кристаллизатора оболочки заготовки и которая начинает извлекаться из кристаллизатора с постоянной, заранее заданной скоростью. Сверху в кристаллизатор непрерывно подается жидкий металл в таком количестве, чтобы его уровень был постоянным в процессе всей разливки. Для уменьшения усилия вытягивания кристаллизатору сообщается возвратно - поступательное движение по его продольной оси, а на его стенки подается смазка. Поверхность жидкого металла предохраняется от окисления слоем синтетического шлака или защитной атмосферой, создаваемой инертным газом. На выходе из кристаллизатора заготовка с жидкой сердцевиной поступает в зону вторичного охлаждения, где на ее наружную поверхность подается из форсунок распыленная вода.и она окончательно затвердевает и попадает в зону резки, где ее разрезают газовым резаком 2 на слитки требуемой длины. Полученные слитки с помощью кантователя 1 опускаются на роликовый конвейер и подаются на прокатные станы.

Описанный способ непрерывного литья носит название литья по способу Юнганса.

На УНРС отливаются заготовки квадратного сечения размером от 50x50 до 300x300 мм, плоские слябы толщиной от 50 до 300 мм и шириной от 300 до 2000 мм, круглые заготовки (сплошные и с внутренней полостью) диаметром от 100 до 550 мм, из которых получают трубы, сортовой и листовой прокат, поковки. Большая степень химической однородности по длине и поперечному сечению непрерывнолитых заготовок обеспечивает стабильные механические свойства и повышает надёжность работы металлоизделий. Благодаря своим преимуществам Непрерывная разливка стали принята в качестве основного способа разливки во всех вновь сооружаемых сталеплавильных цехах и будет широко использоваться при реконструкции действующих заводов. Наибольшая производительность УНРС обеспечивается при их работе в сочетании с кислородными конвертерами. В этом случае достигается равенство циклов выпуска стали из конвертера и разливки её на УНРС, благодаря чему жидкий металл может подаваться на установку непрерывно в течение длительного времени. В цехах с современными дуговыми печами, продолжительность плавки в которых выдерживается достаточно точно, также может быть организована разливка так называемым методом «плавка на плавку» (одна установка непрерывно принимает металл от нескольких печей).

Благодаря непрерывному питанию и направленному затвердеванию в слитках, полученных на УНРС, отсутствуют усадочные раковины. Поэтому выход годных заготовок может достигать 96... 98 % массы разливаемой стали, поверхность получаемых слитков отличается хорошим качеством, а металл слитка -- плотным и однородным

Для уменьшения капитальных вложений и для создания наиболее целесообразного совмещения непрерывного литья с прокаткой создана радиальная установка непрерывной разливки стали. Эта установка в 2 - 3 раза ниже вертикальных (высота которых может превышать 40 м) и соответственно дешевле. Эти установки делят на два вида радиальная УНРС без деформации заготовки до полного затвердевания и с деформацией заготовки до окончания затвердевания.

Общий вид радиальной УНРС без деформации заготовки до полного затвердевания представлен на рисунке 10.

Рис. 10 Общий вид радиальной установки непрерывной разливки стали:

1- основной разливочный ковш; 2 - промежуточный ковш; 3- кристаллизатор; 4 - механизм возвратно - поступательного движения кристаллизатора; 5 - вторичное охлаждение; 6 - механизм вытягивания.

Разливка стали, осуществляется из ковша чайникового типа, имеющего перегородку для задерживания шлака во время слива металла. Перед разливкой ковш с металлом устанавливают на люльку механизма поворота с приводом. Из ковша металл через носок заливается в промежуточную емкость, установленную на кронштейне, прикрепленном к раме люльки поворота ковша. В промежуточной емкости над кристаллизатором установлен цирконовый дозатор. Промежуточная емкость имеет неподвижный желоб для слива металла в случае переполнения ковша и поворотный желоб для слива первых загрязненных и охлажденных порций металла. Под промежуточной емкостью закреплен еще один поворотный желоб, который служит для перерыва струи металла, поступающего в кристаллизатор. Перед разливкой футеровку основного ковша и промежуточной емкости разогревают до 900--1150°С.

Конвейерное литье- непрерывное литье между движущимися в одну сторону конвейерами (рисунок 11). Жидкий металл 1 заливается между двумя рядами пластин (изложниц), соединенных в конвейеры 2. Пазы в изложницах образуют канал, перекрытый затравкой. По мере движения конвейеров металл, закристаллизовавшийся на стенках изложниц, выдается в виде квадратного, круглого или другого профиля.

Рис. 11 Схема конвейерного литья

Также в металлургических цехах с современными дуговыми печами, продолжительность плавки в которых выдерживается достаточно точно, применяется способ «плавка на плавку». Одна установка непрерывно принимает металл от нескольких печей.

Способ горизонтального литья приведен на рисунке 12.

Рис. 12 Способ горизонтального литья

Жидкий металл подают из ковша или из раздаточной печи 1 в кристаллизатор 2, под влиянием водоохлаждаемых стенок которого начинается охлаждение. Затвердевшую часть отливки 3 вытягивают тянущими роликами 4 и периодически разрезают пилами или резаками 5 на заготовки необходимой длины.

Данный способ непрерывной разливки стали имеет преимущества перед другими способами: это отсутствие вторичного окисления при переливе металла из метеллоприёмника в кристаллизатор, данное преимущество позволяет разливать высоколегированные стали с более высоким качеством; отсутствие деформации слитка, что дает возможность разливать трещинночуствительные стали, которые не выдерживают разгиба, характерного например, для радиальных машин. Также можно отметить гибкость конструкции, что дает возможность при незначительных затратах менять технологическую длину машины, количество и расположение устройств вторичного охлаждения, что особенно важно, это возможность оперативного перехода на литье другого сечения.

Прогрессивный способ получения стальных заготовок методом непрерывного литья требует постоянного совершенствования и внедрения научных достижений в производство, что приводит к увеличению выпуска продукции при одновременном повышении качества.

4. Опыт повышения качества стали на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»

В качестве примера рассматривается проект реконструкции металлургического производства ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» без остановки действующего производства.

Для обеспечения необходимых требований к качеству металла установлены агрегат доводки стали (АДС) и агрегат ковш-печь (АКП). Выплавку металла проводят в двух двухванных сталеплавильных агрегатах (ДСА), вместимость которых уменьшена с 285 до 175 т для соблюдения оптимального времени разливки. Для производства сортовой заготовки используется следующая технологическая схема: ДСА > АКП или АДС > МНЛЗ.

Разливка стали на сортовых МНЛЗ осуществляется открытой струей. Высокая насыщенность кислородом металла, выплавленного в ДСА, и дополнительное газонасыщение металла вследствие вторичного окисления на разливке отражаются на качестве сортового проката, приводят к появлению поверхностных дефектов из-за нарушения сплошности металла, обусловленного образованием подкорковых газовых пузырей. Для улучшения качества металла проведен комплекс работ, направленный на уменьшение окисленности металла как в ДСА, так и на установках внепечной обработки.

Рис. 13. Зависимость окисленности металла в печи от содержания углерода на выпуске: 1 -- без применения алюмофлюса; 2 -- с применением алюмофлюса (3.8 - 4.9 кг/т).

Применение для предварительного раскисления металла в печи расчетного количества карбида кремния, содержащего ~ 80 % Si и 4 % С, и углеродсодержащего материала УМ-5, содержащего 70 % С и 14 % SiC, позволяет снизить окисленность металла на 75-100 ррm.

Вопросы снижения окисленности металла в печи изучали также при изменении содержания углерода в металле на выпуске и при подаче в печь до выпуска разного количества алюмофлюса, содержащего 4 - 7 % металлического алюминия.

Рис. 14. Зависимость окисленности металла от количества присаживаемого алюмофлюса при постоянном содержании углерода на выпуске.

В качестве критериев оценки были приняты показатели окисленности металла по приходе на АКП и угары раскислителей, применяемых на выпуске, при выплавке стали СтЗсп. Изменение окисленности стали в ковше по приходе плавки на АКП от содержания углерода в металле перед выпуском плавки из печи показано на рис. 13, а изменение окисленности металла от количества присаживаемого алюмофлюса в печь -- на рис. 14.

При увеличении содержания углерода в металле перед выпуском и при предварительном раскислении в печи достигается уменьшение окисленности металла, и, как следствие, увеличивается усвоение ферросплавов, применяемых для раскисления. По разработанной технологии содержание углерода на выпуске должно составлять не менее 0,03 %, а металл должен быть предварительно раскислен в печи алюмо-флюсом (до 7,0 кг/т) либо соответствующим количеством углеродсодержащего материала УМ-5 или карбида кремния.

Понижение окисленности металла на АКП . Для изучения возможности более глубокого раскисления металла и уменьшения пораженности слитка внутренним газовым пузырем на АКП были проведены опытные плавки с применением порошковой проволоки, содержащей силикокальций. Анализ опытных плавок с силикокальцием позволил сделать вывод о том, что применение этого материала приводит к снижению окисленности металла вследствие его более глубокого раскисления, в результате чего имеет место уменьшение балла внутреннего газового пузыря с ростом общего расхода силикокальция (рис. 15).

Рис. 15. Зависимость внутреннего газового пузыря от расхода силикокальция

Рис. 16. Зависимость уменьшения содержания FeO в шлаках на АКП от расхода карбида кремния

Рис. 17. Зависимость степени снижения окисленности металла от расхода карбида кремния

Для уменьшения содержания кислорода в металле и шлаке за счет диффузионного раскисления металла были проведены опытные плавки стали СтЗсп с применением карбида кремния для раскисления шлака. При увеличении расхода карбида кремния до 1 кг/т происходит пропорциональное уменьшение содержания FeO в шлаке (рис. 16) и окисленности металла (рис. 17).

Уменьшение окисленности металла в печи привело не только к снижению окисленности по приходе на агрегаты внепечной обработки, но и к уменьшению угара кремния и марганца в среднем на 8 %. За счет уменьшения содержания кислорода в стали отмечено улучшение качества металла: уменьшение краевых точечных загрязнений на 12 %, газовых пузырей -- внутреннего на 70 %, поверхностного на 21 %.

5. Особенности и недостатки непрерывной разливки стали

При непрерывном литье в кристаллизаторе ограниченной протяженности получают отливки или литые заготовки неограниченной длины. В полости кристаллизатора в его различных частях одновременно происходит охлаждение расплава, затвердевание и охлаждение отливки, причем все ее части последовательно проходят одни и те же зоны кристаллизатора и, следовательно, формируются в одинаковых условиях.

Высокий градиент температур по сечению отливки, находящейся внутри кристаллизатора, и постоянное пополнение расплава в полости кристаллизатора создают предпосылки для направленного затвердевания и непрерывного питания отливки, поэтому отливки получаются плотными

Рассматриваемый вид литья характеризуется:

Высоким выходом годного металла, вследствие уменьшения обрези и отсутствия литниковой системы

Исключением из технологического процесса такой энергоемкой операции, как обжатие слитков;

Точностью и чистотой поверхности отливок;

Большой степенью химической однородности по длине и поперечному сечению непрерывно литых заготовок;

Обеспечивает стабильные механические свойства литых заготовок, что в свою очередь приводит к повышению надежности работы металлоизделий;

Снижением затрат электроэнергии;

Низким удельным расходом на изготовление форм;

Полным исключением из технологического процесса изготовления отливок операций выбивки отливок из форм, обрубки и очистки отливок;

Сокращением цикла производственных операции от выплавки стали до получения готового проката;

Улучшение условий труда;

Улучшения экологической обстановки за счет уменьшения загрязнения окружающей среды вследствие исключения из технологического процесса операции формовки, изготовления стержней и применения стержневых смесей.

Методом непрерывной разливки стали получают заготовки постоянного сечения в виде квадрата размером от 50 x 50 до 300 x 300 мм, слябы толщиной от 50 до 300 мм и шириной от 300 до 2000 мм, многогранники, уголки, заготовки круглого поперечного сечения (сплошные и с внутренней полостью) диметром от 100 до 550 мм, из которых затем получают круглый прокат и трубы, полосы, сортовой и листовой прокат и поковки.

Недостатками метода непрерывной разливки стали являются:

Невозможность изготовления отливок сложной конфигурации;

Ограниченная номенклатура отливок и заготовок;

Малые объемы разливки сталей различных марок повышают их себестоимость;

Невозможность разливки сталей некоторых марок, например, кипящих;

Возникшие неожиданные поломки оборудования, вызывающие остановку оборудования, оказывают значительное влияние на снижение общей производительности.

Заключение

Процесс разливки стали достаточно сложный, т. к. он затрагивает ряд взаимосвязанных процессов; получение качественного металла для получения качественной конечной продукции; сокращение потерь металла из - за несовершенства технологического процесса; сокращение энергозатрат на производство металла и уменьшение капитальных вложений при реконструкции или расширении производства стали.

Одновременно следует учитывать, что процесс разливки жидкой стали очень трудоемкий и требует значительных затрат физического труда обслуживающего персонала в частности заливщиков.

Выше приведенные положения ставят перед инженерами и учеными задачи для каждодневного решения в части совершенствования технологического процесса разливки жидкой стали и ее подготовке к разливке; максимально возможной автоматизации этих процессов, совершенствованию оборудования.

Использование технологического процесса непрерывной разливки стали и оборудования, на котором этот технологический процесс осуществляется, позволяют значительно продвинуться вперед на пути технического прогресса.

Список использованной литературы

1. Небогатов Ю.Е. и Тамаровский В.И. Специальные виды литья. М.: «Машиностроение», 1975.

2. Бигеев А.М. Металлургия стали. М.: Металлургия, 1987.

3. Михайлов А.М. Литейное производство. М.: «Машиностроение», 1987. .

4. Бойченко М.С., Рутес В.С., Фульмахт В.В., Непрерывная разливка стали, М., 1961.

5. Николаев О. А., Сарычев А. В., Ивин Ю. А. и др. Технология выплавки стали в двухванновом агрегате и способы ее подготовки для разливки на сортовых МНЛЗ. ISSN 0038 - 920Х «Сталь». №3. 2006г.

6. Шварцмайер В., Непрерывная разливка, пер. с нем., М., 1962;

7. Германн Э., Непрерывное литье, пер. с нем., М., 1961; Теория непрерывной разливки. Технологические основы, М., 1971.

Подобные документы

Макроструктура готового сортового проката, полученного из квадратных заготовок непрерывной разливки. Оборудование для разливки стали. Технология разливки стали в изложницы. Сифонная разливка стали, ее скоростной режим. Улучшение качества разливки стали.

курсовая работа , добавлен 26.05.2015


Кристаллизация стального слитка. Строение механически закупоренных слитков кипящей стали. Преимущества и недостатки использования полуспокойной стали по сравнению с кипящей. Футеровка сталеразливочных ковшей. Влияние скорости разливки на качество стали.

курс лекций , добавлен 30.05.2014


Основные свойства стали и характеристика ее разливки, этапы и особенности. Факторы, влияющие на качество выплавки и критерии его повышения. Характеристика и требования к ковшам для разливки стали. Способы изготовления стальных отливок и их разновидности.

курсовая работа , добавлен 21.10.2009


Анализ мирового опыта производства трансформаторной стали. Технология выплавки трансформаторной стали в кислородных конвертерах. Ковшевая обработка трансформаторной стали. Конструкция и оборудование МНЛЗ. Непрерывная разливка трансформаторной стали.

дипломная работа , добавлен 31.05.2010


Исследование классической разливки стали в изложницы на сталеплавильном производстве. Изучение блочных, гильзовых и составных типов кристаллизаторов. Описания устройства для резки слитка на куски, работы секции охлаждения слябов из углеродистой стали.

отчет по практике , добавлен 17.05.2011


Расчет технологических параметров непрерывной разливки стали на четырехручьевой МНЛЗ криволинейного типа. Параметры жидкого металла для непрерывной разливки. Расчет основных параметров систем охлаждения кристаллизатора и зоны вторичного охлаждения.

курсовая работа , добавлен 31.05.2010


Строение и свойства стали, исходные материалы. Производство стали в конвертерах, в мартеновских печах, в дуговых электропечах. Выплавка стали в индукционных печах. Внепечное рафинирование стали. Разливка стали. Специальные виды электрометаллургии стали.

реферат , добавлен 22.05.2008


История развития выплавки стали в дуговых электропечах. Технология плавки стали на свежей углеродистой шихте с окислением. Выплавка стали в двухванном сталеплавильном агрегате. Внеагрегатная обработка металла в цехе. Разливка стали на сортовых МНЛЗ.

отчет по практике , добавлен 10.03.2011


Преимущества и недостатки современных машин для непрерывной разливки стали. Автоматические и автоматизированные системы управления. Поддержание процесса разливки в автоматическом режиме. Система прогнозирования и предотвращения прорывов твердой корочки.

презентация , добавлен 30.10.2013


Основные способы производства стали. Конвертерный способ. Мартеновский способ. Электросталеплавильный способ. Разливка стали. Пути повышения качества стали. Обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата. Производство стали в вакуумных печах.

Наиболее распространена разливка стали в изложницы, ко­торые бывают чугунными, реже стальными с дном или без дна, расширенными кверху или книзу для более удобного извлечения слитков. Перед разливкой изложницы очищают, подогревают и смазывают изнутри для получения чистой поверхности слитка. Разливку производят двумя спосо­бами: сверху или снизу. При разливке сверху сталь зали­вают в каждую излож­ницу отдельно (рис. 52, а) непосредственно из ковша или с по­мощью воронок, жело­бов и промежуточных ковшей. Этот способ применяют в тех слу­чаях, когда требуется получить небольшое число крупных слитков. Преимущество его в том, что он позволяет разливать не очень горячую сталь: при этом получается более здоровый слиток с меньшей усадочной раковиной. Качество поверхности слитка получается невысокое из-за брызг при заливке, но неметаллических включений в слитке образуется меньше.

Разливку снизу (сифонную) применяют в тех случаях, когда нужно разлить сталь в большое число изложниц (2-6 шт.). Схема сифонной разливки представлена на рис. 52, б.

Полученная в сталеплавильных агрегатах сталь содер­жит значительное количество растворенного кислорода в виде закиси железа. Он снижает ударную вязкость стали, придаст ей красноломкость и хладноломкость. Для осво­бождения стали от кислорода ее раскисляют веществами, называемыми раскислителями. В качестве раскислителей используют алюминий, кальций, кремний, марганец, титан, которые вводят в виде ферросплавов.

В зависимости от степени раскисления различают спо­койную, полуспокойную и кипящую сталь.

Спокойную сталь изготавливают полностью раскислен­ной. Слиток такой стали отличается большой плотностью, не имеет газовых пузырей. Усадочная раковина расположе­на на в прибыльной части (рис. 53, а).

Кипящая сталь получается при частичном восстановле­нии закиси железа с небольшим расходом раскнелителей. В процессе затвердевания слитка в стали идет реакция с выделением оксида углерода, которое является причиной образования в нем большого числа газовых пузырей (рис. 53, б).

Полуспокойная сталь раскисляется в меньшей степени, чем спокойная, что приводит к образованию в слитке газо­вых пузырей (рис. 53, в). По свойствам и структуре полуспокойная сталь занимает промежуточное положение меж­ду кипящей и спокойной.

По форме продольного сечения различают слитки с уширением кверху или книзу. Кипящую сталь разливают в из­ложницы, уширенные книзу, а спокойную - в изложницы, уширенные кверху, с утепленными надставками (рис. 54). Уширение изложниц кверху и применение утепленных надставок уменьшают распределение усадочной раковины на высоте слитка. Выход годного проката из слитков спокой­ной стали, уширенных кверху, больше, чем из слитков уширенных книзу. Отношение высоты к средней толщине у слитков спокойной стали обычно находится в пределах 2,5-3,0, у слитков кипящей стали это отношение иногда достигает более 4. Для получения высококачественной стали применяют разливку в вакууме. При этом способе жидкий металл подвергают выдержке (вакуумированию) в закрытой камере, из которой непрерывно удаляют воздух и газ. Благодаря этому металл получается с минимальным содержанием газов и неметаллических включений. Вакуумирование обычно производят в ковше перед разливкой стали по изложницам.

При застывании стали протекает процесс кристаллиза­ции. Если холодный слиток разрезать поперек или вдоль, прострогать, отшлифовать и протравить, то можно невоору­женным глазом увидеть его структуру или, как говорят, макроструктуру (в отличие от микроструктуры, которую можно наблюдать под микроскопом при увеличении). Мак­роструктура слитков весьма разнообразна и зависит от состава стали, температуры разливки, скорости застывания; последняя, в свою очередь зависит от скорости заполнения изложницы жидким металлом, температуры и материала изложницы, толщины ее стенок и других факторов.
Слитки затвердевают в изложнице неравномерно, причем их строе­ние получается неоднородным (рис. 55). У стенок излож­ниц образуются мелкие кристаллы, так как здесь охлаждение идет быстрее. Дальше от стенок охлаждение замедля­ется, и кристаллы растут свободнее. Рост идет в направле­нии отвода тепла, и вследствие этого получаются вытяну­тые к центру столбчатые кристаллы, которые занимают большую часть слитка. В центре металл стынет еще мед­леннее, образуется новая зона кристаллов. В жидком ме­талле возникают новые центры кристаллизации, которые растут свободно. Кристаллы получаются крупнее и ориен­тируются беспорядочно.