Разливка стали, ее способы

Небольшая часть выплавляемой стали (3...5 %) рас­ходуется на изготовление стальных фасонных отливок в песчаных литейных формах. Основная масса стали ис­пользуется для получения слитков в разливочных отде­лениях сталеплавильных цехов. Далее слитки направля­ются в прокатные и кузнечные цехи.

Сталеразливочный ковш представляет собой усечен­ный конус со сферическим днищем, вместимость ковшей составляет 50...480 т. Формы и размеры металлических изложниц определяются видом и назначением слитков; степенью раскисления и методом разливки стали; требо­ваниями к однородности металла и мощностью оборудо­вания, на котором будут обрабатываться давлением слитки.

Слитки, предназначенные для прокатки, отливаются массой до 30 т; для кузнечных работ — до 320 т.

Изложницы для разливки спокойной стали снабжа­ются прибыльной надставкой 3 (рис. 2.7,а,в), футеро­ванной изнутри. Благодаря этому обеспечивается под­питка металлом кристаллизующегося слитка. Это при­водит к повышению качества, уменьшению глубины про­никновения усадочной раковины и снижению отходов металла при обрезке верхней части слитка.

Существует два метода разливки стали: сверху (наиболее распространенный) и сифоном. При раз­ливке обычной углеродистой стали сверху (рис. 2.7, а) металл поступает из сталеразливочного ковша 1 в из­ложницу 2 непосредственно или через промежуточное устройство 3 (рис. 2.7,6).

Сифонный метод (рис. 2.7, в) используется при раз­ливке качественной стали и для получения мелких и средних слитков. В этом случае жидкая сталь из ков­ша / попадает в центровой литник 2, футерованный пус­тотелой огнеупорной трубкой. Затем по каналам 4 из огнеупорных кирпичей сталь снизу поступает в изложницы 5, закрепленные на поддоне 6.

При охлаждении происходит переход стали из жид­кого состояния в твердое. Образуется большое число центров кристаллизации, зарождение кристаллов (первая стадия) и дальнейший их рост (вторая стадия). Ес­ли зародыши образуются в жидкой фазе, зарождение Кристаллов является гомогенным. Появление зародышей на межфазной поверхности относят к гетерогенному за­рождению кристаллов, что чаще встречается при кри­сталлизации.

На рост кристаллов главным образом влияют коли­чество теплоты, интенсивность и направление теплоотвода и количество примесей в сплаве.

Процесс кристаллизации стали характеризуется на­личием интервалов температур и скоростью затвердева­ния слитка.

При переходе стали из жидкого состояния в твердое наблюдается изменение линейных размеров и объема, что объясняется разностью плотностей стали в рассмат­риваемых, агрегатных состояниях. Это явление называет­ся усадкой, которая оказывает существенное влияние на формирование структуры и качества слитка.

Неоднородность физического и химического состава (ликвация) и усадка слитка приводят к возникновению остаточных напряжений, трещинообразованию и др. В зависимости от степени раскисления выплавляемую сталь делят на спокойную, кипящую и полуспокойную. Спокойная сталь раскисляется марганцем, кремнием и алюминием. Кислород при этом не проявляет активно­сти, и реакция окисления углерода в связи с этим пре­кращается. Поэтому разливка и кристаллизация спокой­ной стали протекают почти без газовыделения. Кипящая сталь подвергается частичному раскислению марганцем. При разливке и кристаллизации кипящей стали проис­ходит окисление углерода и активное выделение пузырь­ков газа СО. Полуспокойная сталь занимает промежу­точное положение между спокойной и кипящей сталями.

Рис. 2.7. Разливка стали в изложницы: а, б — разливка сверху; в — разливка сифоном

Слиток спокойной стали характеризуется структур­ной, физической и химической неоднородностями.

Строение слитка спокойной стали (рис. 2.8, а) изме­няется вдоль продольной и поперечной осей и состоит из следующих зон: наружной зоны мелких равноосных кри­сталлов 1, зоны столбчатых кристаллов (дендритов) 2, осевой зоны крупных равноосных кристаллов 3.

Рис. 2.8. Строение слитков стали: а — спокойной; б — кипящей

Появив­шиеся кристалы частично опускаются вниз, когда в се­редине слитка еще существует жидкий расплав, образуя «конус осаждения» 6. Возникающий в области соедине­ния изложнииы с прибыльной надставкой «мост» 5 состоит из плотного металла за счет постоянной подпитки излишним металлом, заполняющим надставку.

В верхней части слитка вследствие изменения плот­ности стали при переходе из жидкого состояния в твер­дое и длительного нахождения в утепленной надставке жидкого подпитывающего металла образуется усадоч­ная раковина 4.

Обильное газовыделение влияет на строение и каче­ство слитка кипящей стали. Большая часть образовав­шихся при кипении газов удаляется, меньшая — распре­делятся в газовых пузырях, полостях или порах слитка. Строение слитка кипящей стали показано на рис. 2.8, б. Зона плотного наружного слоя 1 из мелких кристаллов образуется в момент соприкосновения жидкой стали со стенками изложницы. И в кипящей стали растут столб­чатые кристаллы, между которыми располагается обо­гащенный примесями (прежде всего углеродом и кисло­родом) жидкий расплав.

На границе жидкой и твердой фаз зарождается га­зовый пузырь СО. Часть возникшего газа удаляется вверх, а часть захватывается растущими дендритами и остается в пространстве между ними в виде удлинен­ных пузырей. Так формируется зона сотовых пузырей 2, распространяющаяся в нижней части слитка на % его высоты. В верхней части газ покидает слиток. В процессе кристаллизации пузыри, сначала состоявшие из СО, на­полняются еще и водородом. Промежуточная плотная зона 3 содержит относительно плотный и чистый металл.

Наступает момент, когда концентрация газовых при­месей становится значительной. Это приводит к образо­ванию зоны вторичных пузырей 4. Скорость роста кри­сталлитов (зерен кристаллов неправильной формы) уже не велика, поэтому газовые пузыри имеют округлую форму. К этому времени заканчивается наполнение из­ложницы, и сверху образуется твердая корка, затрудня­ющая выход из металла газовых пузырей. Газовые пу­зыри зон 2 и 4 «завариваются» при последующей про­катке.

Срединная часть слитка 5 состоит из равноосных кри­сталлов со значительным содержанием примесей. Име­ются в ней и газовые пузыри, большая часть их собира­ется в верхней части слитка. Они плохо или вообще не завариваются при прокатке. Поэтому верхняя часть слитков спокойной и кипящей стали при прокатке отрезается и отправляется в переплав.

Кипящая сталь имеет ряд особенностей, связанных с активным движением металла в изложнице вследствие газовыделения. Кристаллическая неоднородность в слит­ке выражена менее резко, чем в спокойной стали. Металлопотоки не позволяют значительно развиться столб­чатым кристаллам. Зато неравномерность состава ме­талла в различных зонах слитка по тем же причинам весьма существенна.

Полуспокойная сталь подвергается частичному раскислению (без алюминия) в ковше. Сначала металл «ки­пит», что способствует образованию пузырей, как в ки­пящей стали, а затем затвердевает, как слиток спокой­ной стали. Слиток полуспокойной стали не имеет концентрированной усадочной раковины.

Замена спокойной стали на кипящую и тем более на полуспокойную экономически выгодна. Удаляемая часть слитка спокойной стали составляет 15...20 %. Замена же повышает выход годного металла на 5...10%. При этом используются изложницы более простой конструкции.