Окончательное формирование характеристик металла завершается в процессе разливки и затвердевания слитков. Подготовку к разливке ведут еще до того, как будет подготовлена сталь: приготовляют выпускные желоба, разливочные ковши (рис.1.6) и формы изложницы, в которые разливают сталь.
Выплавленную в печи сталь выпускают по желобам в сталеразливочный ковш ёмкостью от 5 до 350 т в зависимости от ёмкости печи. Ковши после каждой разливки поступают на ремонт. Отремонтированный ковш высушивают и перед заливкой нагревают до 500 – 700 оС.
Рис.1.6. Сталеразливочный ковш: 1 – стакан для выпуска стали; 2 – рычажный мехнизм стопра; 3 – стопор; 4 – цапфа для подъёма ковша. |
Из ковша сталь разливают в изложницы для получения слитков. Изложницы изготавливают из чугуна, реже – из стали. Форма поперечного сечения изложниц может быть квадратной (для получения слитков, прокатываемых на сортовой прокат), прямоугольной (для слитков, прокатываемых на лист), круглой (для прокатки труб) и многогранной (для изготовления крупных поковок). Перед разливкой стали изложницы тщательно очищают от металла, приставшего к поверхности, затем подогревают до 80 – 120 оС и покрывают специальными обмазками или красками для получения чистой поверхности слитка. Изложницы выдерживают малое количество заливок, поэтому они делают получение слитков намного дороже.
Применяют три основных способа разливки стали:
а) В изложницы сверху (рис.1.7, а). Этот способ обычно применяют при получении крупных слитков.
Достоинства способа: исключается расход металла на литники как в разливке сифоном; проста подготовка оборудования к разливке; температура разливаемой стали может быть ниже, чем при сифонной разливке; меньше неметаллических включений в получаемых слитках.
Недостатки: разбрызгивание металла; брызги застывают на поверхности и ухудшают поверхность слитка; образуются оксидные плены, которые не свариваются с телом слитка даже при последующей прокатке, после которой необходимо зачищать поверхность заготовки для улучшения качества, что является трудоёмкой операцией.
б) В изложницы сифоном снизу (рис.1.7, б). В этом случае сталью заполняются одновременно от 2 до 60 изложниц, установленных на поддоне, через центровой литник и каналы и каналы в поддоне, т.е. эта разливка основана на принципе сообщающихся сосудов.
Достоинства разливки сифоном снизу: плавное без разбрызгивания
Рис.1.7. Разливка стали в изложницы: сверху (а), сифоном (б): 1 – изложницы; 2 - разливочный ковш; 3 – центровой литник; 4 – прибыльная надставка; 5 – поддон.
заполнение изложниц; получается чистая поверхность слитков; сокращается продолжительность разливки; можно разливать большой объём металла сразу на множество мелких слитков.
Недостатки: получается удлинённая усадочная раковина, так как последние порции горячего металла поступают снизу; повышенная трудоёмкость подготовки оборудования; до 1,5 % металла теряется в литниках; необходимость перегрева металла в печи до более высокой температуры, так как при течении по каналам он охлаждается; повышенное количество неметаллических включений в стали из-за размыва огнеупорного покрытия каналов при движении по ним стали.
в) Непрерывная разливка стали (рис.1.8) производится на машинах непрерывной разливки стали (МНРС).
Рис.1.8. Схема установки для непрерывной разливки стали. |
Жидкая сталь из ковша через промежуточное разливочное устройство 1 непрерывно подаётся в водоохлаждаемую изложницу без дна – кристаллизатор 2. МНРС имеют от 1 до 8 кристаллизаторов. Перед заливкой в кристаллизатор подают затравку в виде ласточкиного хвоста, образующего дно кристаллизатора. Затравка тянущими валками вытягивается вместе со слитком, сердцевина которого находится еще в жидком состоянии, со скоростью 1…2,5 м/мин.
На МНРС получают слитки прямоугольного (от 150 500 до 300 2000) и квадратного (от 150 150 до 400 400) сечений, а также круглого в виде тонкостенных труб. Из-за непрерывного питания и направленного затвердевания в слитках отсутствуют усадочные раковины, слитки имеют плотное мелкозернистое строение, поверхность их хорошего качества. Слитки, полученные на МНРС, могут быть прокатаны на сортовых станах, минуя блюминги и слябинги.
Строение слитков.
В общем случае в слитках можно выделить три зоны: 1 – Внешняя мелкозернистая зона состоит из мелких ориентированных различным образом зёрен. Формируется в начальный момент времени, когда металл соприкасается с холодными стенками изложницы и охлаждается с высокой скоростью; 2 – Зона столбчатых кристаллов, вытянутых перпендикулярно стенке изложницы. Формируется после образования мелкозернистой корки, когда отвод тепла становится направленным перпендикулярно стенке изложницы, а скорость охлаждения снижается; 3 – Внутренняя часть – зона крупнозернистых кристаллов – формируется в условиях равномерного медленного охлаждения.
Кристаллы в слитках имеют дендритную (древовидную) форму.
Кроме указанных общих признаков структура слитка зависит от степени раскисления стали. Различают:
а) кипящую сталь (рис.1.9, а), раскисленную в печи не полностью (только марганцем). Её раскисление продолжается в изложнице при разливке (FeO + C → Fe + CO↑. Выделяющийся газ СО вызывает кипение).
б) полуспокойную сталь (рис.1.9, б), имеющую в нижней части слитка структуру спокойной стали, а в верхней – структуру кипящей. Раскислена марганцем и алюминием.
в) спокойную сталь (рис.1.9, в), получаемую при полном раскислении в печи и ковше марганцем, кремнием и алюминием. При заливке сталь выделяет мало газов, не кипит, даёт плотный слиток с образованием в верхней его части усадочной раковины.
Кипящая сталь не образует усадочной раковины, так как её объём увеличивается за счёт образования газовых пузырей в слитке. Кипение стали способствует удалению водорода и азота, выравниванию температуры по объёму слитка при этом снижается вероятность образования усадочных дефектов. Вместе с тем кипение из-за интенсивного движения металла способствует образованию зональной ликвации – неоднородности химического состава в различных частях слитка – сера, фосфор и углерод скапливается в головной части слитка.
Рис.1.9. Схемы строения стальных слитков кипящей (а), полуспокойной (б) и спокойной (в) стали. |
По сравнению со спокойной сталью кипящая сталь не содержит неметаллических включений – продуктов раскисления стали, следовательно, она более пластична при обработке давлением. Газовые раковины внутри слитка при обработке давлением завариваются. Она дешевле спокойной стали; из-за отсутствия усадочной раковины у кипящей стали меньше отходы на головные части слитка. Вместе с тем из-за сильной зональной ликвации верхнюю часть слитка кипящей стали отрезают (отходы 5 – 8 %), но это все равно меньше потерь из-за усадочной раковины в спокойной стали.
Из спокойной стали изготавливают ответственные конструкции и детали. Слитки кипящей низкоуглеродистой стали предназначены только для прокатки: из неё изготавливают сортовой прокат (балки, швеллеры, уголки, лист, проволоку и т.п.). Серьёзный недостаток кипящей стали – склонность к старению, поэтому кипящую сталь не применяют в ответственных сварных конструкциях.
Дефекты стальных слитков:
1. Дендритная ликвация – неоднородность химического состава стали в пределах одного кристалла;
2. Зональная ликвация. Головная часть слитков содержит больше серы, фосфора и углерода. Причина появления зональной ликвации в кипящей стали – интенсивное движение металла при кипении, а в спокойной – конвекция жидкого металла. Зональная ликвация больше в кипящей стали, чем в спокойной;
3. Усадочная раковина и осевая рыхлость в слитках спокойной стали;
4. Плены на поверхности. При разливке на поверхности жидкого металла образуются пленки оксидов, неметаллических и шлаковых включений, которые потоком металла заносятся в его объём – заворот корки. При прокатке в месте заворота корки возникают раковины;
5. Поперечные и продольные горячие трещины, образующиеся вследствие торможения усадки слитка в изложнице.