Разливка стали

Готовую сталь из печи сливают в ковш, из ковша сталь разливают в изложницу или машину для непрерывной разливки стали.

Изложницы представляют собой чугунные формы для изготовления стальных слитков. Форму изложницы выбирают в зависимости от назначения слитка, марки стали и т.п. Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями.

Слитки квадратного сечения прокатывают на сортовой прокат (двутавровые балки, швеллеры, уголки и т.д.); прямоугольные с отношением ширины к толщине 1,5…3,0 – на лист; слитки круглого сечения – на трубы, колеса; многогранные слитки используют для поковок.

Для разливки спокойной стали используют изложницы, расширяющиеся кверху, на них устанавливают прибыльные надставки, футерованные огнеупорной массой с малой теплопроводностью. Сталь в ней дольше сохраняет жидкое состояние и питает слиток при усадке (улучшается качество слитка). Кипящая сталь разливается в изложницы, расширяющиеся книзу. При этом изложницы обычно делают сквозными без дна. Размеры изложниц зависят от массы слитка. Для прокатки отливают слитки от 200 кг до 25 000 кг, для поковок массой до 250 т.

Экономически более целесообразна разливка в более крупные слитки.

Существует два способа разливки стали в изложницы: разливка сверху и разливка снизу (сифоном).

Разливка сверху[6, рис. 29, а] – заключается в заполнении изложницы жидким металлом прямо из ковша или через воронку, а также заливка нескольких изложниц (2...4) через промежуточный ковш, установленный между основным ковшом и изложницами. Применение воронки и промежуточного ковша уменьшает давление струи стали и способствует получению слитка с более чистой поверхностью (позволяет уменьшить разбрызгивание металла). При этом можно предельно снизить температуру заливки стали, что хорошо сказывается на качестве слитка. При разливке сверху необходимо следить, чтобы сталь не разбрызгивалась, т.к. брызги, застывая на стенках изложницы, ухудшают качество поверхности слитка, образуют окисные плены. При таком способе создаются неблагоприятные условия для удаления газов.

При сифонной разливке[6, рис. 29, б] сталь из ковша заливается в центровой литник, футерованный огнеупорными трубками, и через каналы из огнеупорных пустотелых кирпичей поступает одновременно в целый ряд изложниц (от 4 до 60). Основана на принципе сообщающихся сосудов. Способ обеспечивает плавное, без разбрызгиваний заполнение изложниц, поверхность слитка получается чистой, сокращается продолжительность разливки, можно разливать большую массу металла одновременно на несколько мелких слитков. Однако процесс более трудоемок, более дорогой, а также требует более высокой температуры разливки, т.к. при течении по каналам металл охлаждается. Слитки массой до 20 тонн разливают как сверху, так и сифоном, свыше 20 тонн – только сверху. Разливку сверху используют, как правило, для углеродистых сталей, сифоном – для легированных и высококачественных сталей.

Непрерывная разливка стали [6, рис.30] осуществляется следующим образом. Из ковша 1 жидкая сталь поступает в промежуточное разливочное устройство 2, из него отдельными струями – в водоохлаждаемую изложницу без дна (кристаллизатор) 3. В кристаллизатор перед заливкой вводится временное дно (затравка) с углублением в виде ласточкиного хвоста. Попадая в кристаллизатор, металл затвердевает. Затравка тянущими валками 5 вытягивается из кристаллизатора, увлекая за собой затвердевающий слиток 4, сердцевина которого находится в жидком состоянии. Скорость вытягивания слитка определяется его сечением (для сечения 300х2000 мм – 1 м/мин). На выходе из кристаллизатора слиток попадает в зону вторичного охлаждения 6, где охлаждается до полного затвердевания водой, подаваемой через форсунки.

Затвердевший слиток подается в зону резки, где разрезается газовым резаком 7 на куски заданной длины. В кристаллизаторе получают слитки прямоугольного поперечного сечения размером 300х2000 мм, квадратного до 400х400 мм, круглые в виде толстостенных труб. Установки непрерывной разливки стали (УНРС) могут иметь до восьми кристаллизаторов, таким образом можно одновременно получать несколько слитков. В слитках непрерывной разливки отсутствуют усадочные раковины, они имеют плотное строение и мелкозернистую структуру.

Выход готовой продукции на 10…15% выше, чем при разливке в изложницы.

2.3.7 Кристаллизация стали и строение слитка

Залитая в изложницы сталь отдает тепло ее стенкам, поэтому кристаллизация слитка начинается от стенок изложницы и заканчивается в его центральной части. Сталь застывает в виде кристаллов древовидной формы – дендритов, размеры и форма которых зависят от условий кристаллизации. На кристаллическое строение влияет, прежде всего, степень раскисленности стали. Различают спокойную, кипящую и полуспокойную сталь.

Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше. Затвердевает без выделения газов, образуя плотный слиток (рис. 31, а), в верхней части которого формируется усадочная раковина 2, а в средней части – усадочная осевая рыхлость 1. Во избежание образования дефектов слиток разливают с прибыльной частью, которую затем отрезают (14…22% от массы металла), отрезается также донная часть слитка (1..3% массы металла), где могут находиться неметаллические включения.

Кристаллическое строение слитка спокойной стали имеет три выраженные зоны [6, см. рис. 31, а]:

А - зона мелких равноосных кристаллов у поверхности слитка (наружный слой);

Б - зона столбчатых кристаллов (дендритов), вытянутых в направлении центральной части слитка.;

В - зона крупных неориентированных кристаллов в центральной части слитка. Подобное строение определяется изменением скорости кристаллизации металла.

Кипящая сталь – не полностью раскислена в печи и ковше, и ее раскисление продолжается в изложнице за счет углерода металла (FeО+C=Fe+CO­).

Окись углерода стремится выделиться из застывающей стали, увлекая азот и водород. Выделение газов – кипение металла в изложнице. Полностью газ не успевает выйти и остается в металле в виде газовых раковин (пузырей). Поэтому в слитке кипящей стали [6, рис. 31, б] вслед за зоной мелких кристаллов (плотный металл) идет зона продолговатых сотовых пузырей, вытянутых к оси слитка (на расстоянии 15…20 мм от поверхности слитка). При прокатке газовые пузыри завариваются. Образование пузырей ведет к увеличению размеров слитка (слиток растет). Для уменьшения "роста" слитка кладут груз. В слитке кипящей стали не образуется концентрированная усадочная раковина: усадка рассредоточена по полостям газовых пузырей. Интенсивное движение металла при кипении способствует развитию в слитках ликвационных явлений: углерод, сера и фосфор скапливаются в верхней его части, от чего свойства стали здесь ухудшаются.

Полуспокойная сталь – частично раскисляется в печи и ковше, а частично – в изложнице углеродом металла. Слиток полуспокойной стали [6, рис.36, в] имеет в нижней части структуру спокойной стали, а в верхней – кипящей. В нем нет концентрированной усадочной раковины, за счет этого выход годного металла увеличивается до 90…95%. Ликвация меньше, чем в слитке кипящей стали, свойства близки к свойствам спокойной стали.

Дефекты стального слитка –усадочные раковины в слитках спокойной стали, осевая рыхлость, газовые пузыри, плены на поверхности, неметаллические и шлаковые включения, ликвация, трещины (горячие и холодные). Ликвация – химическая неоднородность слитка по составу. Возникает вследствие уменьшения растворимости примесей железа при переходе из жидкого состояния в твердое. Различают ликвацию в пределах одного кристалла (дендритная), нескольких кристаллов (междендритная), различных частей слитка (зональная – повышение содержания примесей в различных частях слитка, например, в осевой и в области усадочной раковины). Наибольшей склонностью к ликвации обладают сера, фосфор и углерод (ликвация серы может достигать 500%). Дендритная ликвация приводит к анизотропии механических свойств стали. Зональная ликвация ухудшает качество слитка и может привести к отбраковке металла.

Меры борьбы с ликвацией:

1 Увеличение скорости затвердевания слитка

2 Изменение структуры стали

3 Уменьшение примесей в металле

2.3.8 Способы улучшения качества стального слитка

1 Обработка металла синтетическим шлаком – для предупреждения окисления легированной стали и улучшения её механических характеристик за счет интенсивного перемешивания стали со шлаком при заполнении ковша. С этой целью предварительно в ковш заливается синтетический шлак, выплавляемый в электропечах (55% СаО, 40% Al₂O₃, небольшое количество SiO₂, MgO и минимум FeO).

В результате перемешивания металлургические реакции между металлом и шлаком протекают в сотни раз быстрее, чем в печи. При этом из стали удаляется сера, кислород и неметаллические включения.

2 Разливка стали в инертной атмосфере предотвращает окисление стали. Процесс заключается в заливке металла в герметизированную, промытую аргоном изложницу. Это способствует снижению кислорода в стали.

3 Вакуумная дегазация стали осуществляется в ковше или изложнице, проводится для уменьшения содержания растворенных в металле газов и неметаллических включений. Сущность процесса - снижение растворимости газов (H₂, N₂, O₂) при понижении давления над зеркалом металла. Производится выдержкой ковша или изложницы со сталью в вакуумной камере. Продолжительность вакуумирования 12…15 мин. Содержание газов снижается в 3…5 раз, содержание неметаллических включений – в 1,5…2 раза.

4 Электрошлаковый переплав, при котором расходуемый электрод из переплавляемой стали плавится в слое шлака. Мелкие капли металла проходят через шлак и активно взаимодействуют с ним. В результате происходит удаление неметаллических включений и газов (концентрация серы уменьшается в 2…3 раза, кислорода – в 1,5…2 раза).

5 Плавка в электронно-лучевых печах основана на использовании свободных электронов, получивших ускорение в электрическом поле высокого напряжения. Плавка происходит в вакуумных камерах, плавление и затвердевание металла в водоохлаждаемых кристаллизаторах. Таким способом выплавляются чистые тугоплавкие металлы (молибден, цирконий, и др.), жаропрочные сплавы и специальные стали.

6 Вакуумно-дуговой переплавосуществляется в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом.

7 Плавка в плазменно-дуговых печах применяется для получения высококачественных сталей и сплавов Источник теплоты в этих печах – низкотемпературная плазма (30 000 ⁰С). В печах создаётся нейтральная среда (аргон, гелий).