книги / Металлургия черных и цветных металлов

сти и зона V-образной ликвации. Форма осевой ликвации и со­ седство с ней осевой рыхлости предполагают непосредственную связь образования V-образной ликвации с усадкой стали. В ниж­ ней части слитка находится своеобразная зона отрицательной ликвации или конуса осаждения.

Степень развития химической неоднородности в слитках-мас- сой 6—10 т обычно для серы 20—50 %, фосфора — 20—40 %, для углерода— 10—15 %. В крупных кузнечных слитках мас­ сой ~200 т степень сегрегации может быть 100—200 %. Возни­ кает дендритная ликвация, которая более характерна для слит­ ков спокойной стали, чем кипящей.

Для концентрации, локализации усадки и связанных с ней пороков необходимо возможно дольше и в возможно большем объеме поддерживать в жидком состоянии металл в верхней части слитка. В связи с этим для производства спокойной стали неизбежно применяют прибыльные надставки для формирова­ ния прибыльной части или головы слитка. Тем же целям слу­ жат утепляющие смеси. Сохранению жидкого металла воз­ можно дольше и в возможно большем количестве способствует подъем теплового центра слитка, поэтому большую часть спокойной стали разливают в изложницы с расширением вверх.

Газы и неметаллические включения в слитке спокойной стали. В жидкой стали в заметных количествах растворены во­ дород, азот, кислород, сера и фосфор. В процессе разливки и кристаллизации слитка растворимость газов в стали уменьша­ ется. При раскислении спокойной стали значительная часть ра­

возможно спонтанное выделение водорода с поверхности ме­ талла. Образование пузырьков СО облегчает выделение водо­ рода. Выделение водорода из стали происходит и в твердом слитке. Так как водород диффундирует в твердом металле, он частью покидает его, а частью скапливается в порах и внутрен­ них трещинах. Накопившийся в объеме водород переходит в мо­ лекулярное состояние, развивая такое высокое давление, что может привести к нарушению сплошности металла.

Всего из спокойной стали при ее кристаллизации обычно вы­ деляется 2—9 см3 газов на 100 г металла, в основном состоя­ щих из монооксида углерода и водорода. В процессе затверде­ вания газы распределяются неравномерно по слитку. Концен­ трация водорода увеличивается от периферии к центру слитка. В местах пористости, скопления ликватов, неметаллических включений концентрация водорода повышается. Увеличение концентрации происходит у границ зерен с дефектами решетки. Локальное накопление водорода может привести к образованию

флокенов. Для предотвращения этого производят медленное ох­ лаждение металла, благодаря чему водород частично удаля­ ется, частично его концентрация выравнивается.

Неметаллические включения в слитке спокойной стали пред­ ставлены оксидами, сульфидами и оксисульфидами. Как пра­ вило, сульфиды выделяются на оксидных включениях, представ­ ляющих собой подложку. Распределение этих включений соот­ ветствует распределению зон ликвации. При горячей механиче­ ской обработке сульфидные включения вытягиваются в на­ правлении течения металла и ухудшают механические качества металла в направлении, поперечном деформации.

Оксидные включения спокойной стали состоят из силикатов железа, марганца, кремния, кварцевого стекла, корунда, алю­ мосиликатов. Скопление оксидных включений наблюдается в центральной части слитка и конусе осаждения. Число оксид­ ных включений уменьшается, а их размеры увеличиваются в на­ правлении от периферии к оси слитка. При прокате пластичные силикаты вытягиваются, корунд и силикаты измельчаются и вы­ тягиваются в строчки.

На обрезь головной части теряется 20—25 % массы слитка, в случае производства высококачественного металла необхо­ димо отрезать 15—20 % от нижней части слитка. Таким обра­ зом, выход годного в виде слитков спокойной стали оказывается очень низким, доходящим до 50 %. Это уменьшает производи­ тельность, увеличивает себестоимость, которая и без того выше себестоимости кипящей и полуспокойной стали из-за более сложной и дорогой технологии. Соответственно, спокойную сталь используют в машиностроении, в конструкциях, где не­

родистые, легированные качественные и высококачественные марки.

Слиток кипящей стали. Выделение СО обеспечено повышен­ ным содержанием кислорода в стали перед выпуском, концен­ трация которого определяется концентрацией углерода и обычно составляет 0,03—0,05 %,. Эта величина превышает рав­ новесную, которая при 1600 °С определяется постоянной [С] [0]= =0,0022 при рсо= 101,325 кПа. К этому следует добавить, что углерод и кислород — ликвирующие элементы, и накопление их в некоторых участках дендритами еще более отклоняет состоя­ ние от равновесия и интенсифицирует окисление углерода.

Обычно концентрация водорода в кипящей стали перед вы­ пуском составляет 2,5—4,5 см3/100 г, или 0,00023—0,0003 %. Концентрация азота (0,003—0,007 %) также невелика. При 1600 °С и давлении газовой фазы рн, и pNj, равных атмосфер-

между растущими кристаллами и газовыми пузырьками. Пер­ вые стремятся скорее расти в направлении к оси слитка основ­ ными или главными осями дендритов и скорее вырастить боко­ вые ветви, сомкнуться с боковыми ветвями соседних дендритов и тем замкнуть объем, в котором растет газовый пузырек. Газо­ вый пузырек стремится уйти от этой погони к оси слитка между дендритами, иногда не успевает обогнать их и оказывается их пленником. Именно таким образом' образуются характерные для слитка кипящей стали сотовые пузыри. Так впервые рассмотрен механизм образования и роста сотовых пузырей Д. К. Черно­ вым в 1878 г., и он дал схему этого процесса (рис. IX-.20). При большой скорости роста пузырька (рис. IX.20, а) в расплав вы­ ходит его полушаровое основание, отрывается от объема, кото­ рый замыкается растущими, смыкающимися кристаллическими ветвями. Таким образом, между кристаллитами остается сото­ вый пузырь, а вышедший в расплав пузырь всплывает. Если скорости роста пузыря и кристаллизации одинаковы, то пузырь оформляется в цилиндрическую форму (рис. IX.20, б). Если ско­ рость кристаллизации превышает скорость роста пузыря, то по­

обратного направления нарушают четкость и расположение кри­ сталлических зон. Для слитков кипящей стали характерна зона сотовых пузырей (рис; IX.21, 2), от периферии к оси' слитка, располагающихся на 2/3 высоты слитка от его основания и на ширине 30—100 мм.

В верхней трети слитка сотовые пузыри отсутствуют по­ тому, что с высотой уменьшается ферростатическое давление, удаление пузырей усиливается и, кроме того, поток газовых пу­ зырей, образующихся на ?/3 нижней части слитка, вымывает га­ зовые пузыри верхней трети.

Зона вторичных округлых пузырей (рис. IX.21, 3) распола­ гается на 2/з верхней части высоты, в поперечном сечении по контуру, повторяющему контур наружного периметра слитка. Вторичные пузыри обычно отделены от сотовых прослойкой ме­ талла, но иногда могут сближаться с ними.

слитка.

В головной части слитка кипящей стали (рис. IX.21, 5) фик­ сируется повышенное количество пузырей. На их накопление могло повлиять образование корочки на остывающей поверхно­ сти верха слитка. Усадочной раковины в слитке нет, но ее объем распределен между многочисленными газовыми пузырями по всему телу слитка.

За время кипения крупного слитка массой 15—20 т из стали выделяется 5,0—7,0 кг, или ~0,03 % кислорода и угле­ рода. Баланс кислорода показывает, что на выделение такого количества пузырей растворенного кислорода в стали не хва­ тит, дополнительный приток кислорода приходит из атмосферы и достигает до половины необходимого.

Пузыри в теле слитка не опасны и не снижают качества стали потому, что при концентрации углерода в кипящей стали 0,25—0,30 % сталь хорошо сваривается. При горячей обработке (прокат, ковка) пузырь расплющивается и стенки пузыря сва­ риваются, не оставляя следов бывшего пузыря. Опасны пу­ зыри, близко лежащие к поверхности слитка: такие пузыри при механической обработке^давлением могут раскрыться, и кисло­ род воздуха окислит поверхность, на ней появятся цвета побе­ жалости. При обработке давлением такие стенки не сварятся и дадут трещины или волосовины.

На интенсивность кипения, определяющую структуру, влияет скорость разливки. При малой скорости металл дольше нахо­ дится при небольшом ферростатичСском давлении, поэтому сталь кипит энергичнее, и внешняя корочка оказывается здоро­ вой и более толстой. Для регулирования интенсивности ки­ пения применяют алюминий, частично раскисляя им сталь.

Алюминий добавляют в ковш, в струю при сифонной разливке или в изложницу.

Кипение стали заканчивается по окончании заливки излож­ ницы образованием корки на поверхности слитка. Если наме­ реваются регулировать длительность кипения и сократить ее, то накрывают верх слитка плитой. Прекращается поступление кислорода к металлу из атмосферы, а давление газов над слит­ ком возрастает. Оба фактора затрудняют, а вскоре прекращают кипение. Чем раньше прекращается кипение, тем меньшую протяженность имеют сотовые пузыри. Обычно слиток накры­ вают крышками массой до 2 т через 12—18 мин по окончании заливки.

Кипящая сталь, выплавленная по нормальной технологии,

уровне, до которого была залита сталь в изложницу. Причиной рослости может быть вялое кипение, а послед­

нее — результатом разливки с большой скоростью, так как в этом случае быстро нарастает ферростатическое давление, уменьшающее возможность начала кипения и уменьшающее его интенсивность. При высоком содержании марганца умень­ шается переокисление стали. Высокая концентрация углерода уменьшает произведение концентраций [CJO] за счет снижения кислорода и приближает его к равновесному. В том и другом случае снижение концентрации кислорода обусловливает вялое и запоздалое кипение. Сотовые пузыри в этом случае распола­ гаются близко к поверхности слитка и медленно растут. Сла­ бое движение металла не в состоянии выносить пузыри из мест их образования в головную часть слитка, вследствие чего сли­ ток начинает расти. Неправильные добавки могут снизить ин­ тенсивность кипения и привести к рослости слитка. Избыточный расход алюминия может привести к получению слитка, в кото­ ром нижняя часть похожа на слиток кипящей стали, а верх­ няя— на слиток спокойной стали с явно выраженной усадоч­ ной раковиной. В таком слитке одновременно наблюдаются по­ роки, свойственные кипящей и спокойной стали.

Для слитков кипящей стали характерно отсутствие Л- и V-образных зональных ликваций, свойственных слитками спо­ койной стали, но это не значит, что в слитках кипящей стали ликвация отсутствует. Напротив, в слитках кипящей стали ликвационные процессы и последующая неоднородность — сегрега­ ция— развиты больше. Концентрация углерода, фосфора и серы увеличивается от наружной корки до оси и от нижней части слитка к верхней. Максимальное скопление ликвирующих примесей наблюдается в средней части слитка, на расстоянии 10—20 % от верха повышенное содержание ликватов, в зоне

вторичных пузырей и по их границам, особенно в верхней ча­ сти их, по направлению их движения. Сегрегация в средних по массе и крупных слитках может быть для серы 400—500 %, для фосфора ~ 200 % и для углерода 100—150 %. При условиях неблагоприятного формирования крупных слитков сегрегация достигает для серы 1000 %, для фосфора 600 % и для углерода 300 %. При производстве качественного и высококачественного металла, особенно при производстве тонкого листа, блюмы и слябы от головной части слитка в прокат не направляют. Лик­ вация протекает параллельно с кристаллизацией и кипением. Рост твердой фазы сопровождается активным кипением, часть кислорода и углерода расходуется на реакцию между ними, а другая часть вместе с серой и фосфором выносится пузырь­ ками в жидкую фазу. Корочка кристаллизуется из более чи­ стого металла и имеет отрицательную сегрегацию. Отрицатель­ ная ликвация наблюдается в зоне пузырей и нижних горизонтах слитка. Кристаллизация слоя металла между сотовыми и вто­ ричными пузырями происходит в условиях, когда газообразо­ вание, а с ним и перемешивание резко ослаблены, происходит накопление ликватов у фронта растущих кристаллов. К этому же приводят процессы концентрационного уплотнения и замед­ ленный теплоотвод из данной зоны через зону сотовых пузы­ рей. Поэтому вокруг образовавшихся вторичных пузырей ме­ талл обогащен ликватами. Увеличение массы слитка кипящей стали усиливает ликвационные процессы, увеличение высоты слитка уменьшает ликвацию, так как затрудняется кипение, а скорость кристаллизации возрастает. Повышение температуры

разливки удлиняет продолжительность кипения, а следова­

стали, закупоренной химически (рис. 1Х.21,в). Накрывание слитка кипящей стали, как и в предыдущем способе, прекра­ щает кипение и тем снижается ликвация, таким образом полу­ чают слиток кипящей стали, закупоренной механически (рис.

IX.21,6).

Газы и неметаллические включения в кипящей стали. Содер­ жание водорода в кипящей стали, выпускаемой из сталепла­ вильного агрегата, невелико, в пределах 2,5—4,0 см3/100 г. При кипении стали в изложнице водород поглощается каждым об­ разующимся пузырем и выносится из слитка, остаточное содер­ жание водорода в кипящей стали не выше 2 см3/ 100 г. Оста­ точный водород скапливается в оставшихся пузырях, что умень­ шает его концентрацию в растворе. Таким образом, содержание его в кипящем металле мало, и сегрегация в слитке не обнару­

живается.

Концентрация азота в выплавленной стали составляет

Рис. IX.22. Схемы структур слитков полуспокойной стали при раз­ личной ее раскисленностн:

а — недораскнсленная; б и в — нормально раскисленная (крайние пределы); г — перераскисленная

0,03—0,007 %. В слитке азот сегрегирует подобно фосфору. Так как азот сильно снижает качество кипящей стали, в частности является одной из главных причин старения и хладноломкости, то его, переводят в нитриды, вводя в сталь алюминий, ванадий и др.

Несомненно, самораскисление обусловливает меньшее коли­ чество неметаллических включений в кипящей стали по срав­ нению со спокойной. Так как в сталь не вводится ферросилиций, то практически отсутствуют силикатные включения, а если встречаются, то они экзогенного происхождения. Небольшое ог­ раниченное введение в кипящую сталь алюминия (до 150 г/т) способствует появлению глиноземных включений в виде ко­ рунда размером до 10 мкм. Оксисульфидные включения состоят из твердых растворов FeS—MnS, FeO—МпО и сульфидно­ оксидной эвтектики. Такие включения встречаются в местах ликвационных накоплений, главным образом в околоосевой частки слитка, в верхних горизонтах величина их до 100 мкм, иногда выше. Сульфиды FeS—MnS встречаются отдельными включениями и скоплениями. Количество сульфидных включе­ ний растет, оксидных уменьшается от периферии к центру. В химически закупоренном слитке, естественно, включений больше, чем в слитке кипящей стали.

Кипящую сталь обычно разливают в сквозные изложницы, расширяющиеся книзу. Такая форма изложницы способствует созданию рассредоточенной усадки, облегчает образование ко­ рочки верха слитка при прекращении кипения.

Так как структура слитка определяется характером кипения стали в изложнице, в настоящее время определена скорость подъема металла. При разливке сифоном со скоростью 0,17—

0,30 м/мин создается толщина корочки >25—36 мм;-при ско­ рости 0,5—0,6 м/мин толщина корочки уменьшается до 14— 18 мм. При разливке кипящей стали сверху на сортовые про­ фили скорость разливки 0,8—2,0 м/мин, для листа 0,50— 0,70 м/мин, при этом толщина здоровой корочки составляет 8— 10 мм, рослость — не более 100—150 мм. Продолжительность кипения стали в изложнице в зависимости от марки стали и массы слитка составляет 10—20 мин. Накрывают слиток.крыш­ ками после образования ободка твердеющей стали у стен из­ ложницы шириной 60—100 мм. Снимают крышки через 20— 30 мин. Температура металла при разливке должна быть выше температуры ликвидуса на 80—100 °С. В качественных слит­ ках химически закупоренной стали головная обрезь ниже, а выход высших сортов проката выше, чем у слитка кипящей стали той же массы.

Кипящую сталь производят марками Ст1кп—Ст4кп и угле­ родистые качественные конструкционные марки 05кп, 08кп, Юкп, 15кп, 20кп; особое место занимают 05кп, 08кп — низко­ углеродистые марки для глубокой и весьма глубокой вытяжки. Кипящая сталь составляет большую долю (до 70 %) всей про­ изводимой стали.

Себестоимость кипящей стали ниже спокойной. Выход годного кипящей стали значительно выше, чём спокойной, потому что потери металла на обрезь невелики (5—7 % и меньше).

Слиток полуспокойной стали. Раскисленность металла полуспокойной стали перед разливкой является средней между спокойной и кипящей соответственно и структура слитка про­

заданного состава, кремнием или алюминием в количествах, определяемых необходимой раскисленностью. Полуспокойная сталь по сравнению с кипящей более однородна, с лучшими механическими качествами, более устойчива к старению, по­ этому выход годного металла после проката слитка полуспокой­ ной стали на 10 % выше, чем слитка равной массы спокойной стали. При производстве полуспокойной стали вдвое уменьша­ ется расход ферросплавов и раскислителей, что снижает себе­ стоимость. Полуспокойную сталь разливают в сквозные расши­ ряющиеся книзу изложницы сверху и сифоном.

Полуспокойная сталь заменяет ряд марок кипящей, напри­ мер от 05кп до 25кп. В этих случаях номенклатурное обозначе­ ние кп заменяется на пс. Сталь углеродистая качественная конструкционная марок 15Г, 20Г и 25Г может с успехом произ­ водиться как 15Гпс, 20Гпс и 25Гпс. Полуспокойная сталь идет на производство сварных труб, для производства водо-, газо-, нефтепроводных бесшовных труб.

Гл а в а 5. НЕПРЕРЫВНАЯ РАЗЛИВКА СЛИТКОВ

ИЗАГОТОВОК

§1. Развитие непрерывной разливки

Еще Г. Бессемер после освоения предложенного им процесса конвертерного передела зарегистрировал два патента на непре­ рывную разливку стали. Характерно и то, что в 80-х годах про­ шлого столетия было много предложений по непрерывной раз­ ливке металла. В годы Великой Отечественной войны можно считать, что все основные цветные металлы разливали на уста­ новках непрерывной разливки, выдавая непрерывный слиток, заготовку, а иногда готовую продукцию. Развитие непрерывной разливки стали задержалось длительной войной и восстановле­ нием разрушенного народного хозяйства. Однако уже в 50-е годы был предложен ряд разработок УНРС, несколько вариан­ тов испытывали в полузаводских и заводских условиях.

Вариант непрерывной разливки на вертикальной машине не­ прерывного литья заготовок (МНЛЗ) показал наибольшую эф­ фективность, получил приоритетное признание и развитие. Из