КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СТАЛИ ПРИ ПЕРЕХОДЕ НА НЕПРЕРЫВНУЮ РАЗЛИВКУ

Разливка стали непрерывным спосо­бом имеет ряд существенных особен­ностей, главные из которых следую­щие:

1. В отличие от разливки в излож­ницу разливка в кристаллизатор УНРС ведется непрерывно; соответ­ственно металл непрерывно переме­шивается в кристаллизаторе, что влия­ет на условия всплывания включений, развитие ликвации; непрерывно при ударе струи о поверхность металла в кристаллизаторе образуются брызги, на поверхности металла возникает волновое движение жидкости.

2. В отличие от разливки стали в изложницу боковые поверхности слитка, кристаллизующегося при не­прерывной разливке, подвергаются более интенсивному охлаждению, что должно улучшать структуру отливае­мой заготовки. Вместе с тем в самом кристаллизаторе успевает образовать­ся лишь сравнительно тонкая корочка слитка, основная масса металла крис­таллизуется ниже кристаллизатора, в зоне вторичного охлаждения. В связи с этим даже небольшая трещина в об­разующейся закристаллизовавшейся корочке может вызвать аварийный прорыв металла или получение заго­товки с неудовлетворительной поверх­ностью.

Обычно за время прохождения металла через кристаллизатор удается от­вести менее 1/5 общего количества тепла, выделяющегося в процессе кристаллизации слитка, причем по мере повышения производительности УНРС этот показатель снижается. В связи с этим прочность образующейся корочки, которая зависит от качества металла, имеет при непрерывной раз­ливке особо важное значение. Напри­мер, содержание в металле серы, допу­стимое при разливке в изложницы, оказывается чрезмерным в случае не­прерывной разливки; сера оказывает заметное отрицательное влияние на прочность металла при высоких тем­пературах (рис. 24.13).

3. Сечение непрерывнолитой заго­товки обычно существенно меньше сечения слитка, отлитого в изложни­цу; следовательно, для получения рав­ных размеров готового проката сум­марное обжатие при прокатке метал­ла, отлитого непрерывным способом, меньше, чем металла, отлитого в из­ложницы. В то же время известно, что в процессе обработки металла давлением уменьшаются в размерах или вообще исчезают многие внут­ренние дефекты слитка, измельчает­ся и становится более однородной структура металла, уменьшается балл, характеризующий содержание неме­таллических включений, повышаются показатели механических характерис­тик.

4. Разливка плавки через разливоч-

Рис. 24.13.Влияние содержания серы в ме­талле на пораженность непрерывнолитых за­готовок трещинами:

/ — сталь 17ПС; 2— сталь СтЗсп

ные стаканы небольшого диаметра, обычно применяемые в промежуточ­ных ковшах, часто продолжается доль­ше, чем разливка в крупные изложни­цы, поэтому требуется подавать на УНРС металл с более высокой темпе­ратурой нагрева. В этом случае возни­кает опасность перегрева металла, ко­торый, в свою очередь, связан с насы­щением металла газами и способству­ет развитию ликвационных процессов. По данным исследований, при повы­шении перегрева над точкой ликвиду­са с 5 до 20 °С степень ликвации серы увеличилась с 16 до 60 %. Все это тре­бует точных технологических реше­ний и высокой культуры производ­ства.

Основные технологические при­емы, обеспечивающие получение не­прерывнолитой заготовки высокого качества, должны соответствовать сле­дующим основным требованиям: 1) высокое качество разливаемого ме­талла; 2) возможно более низкий пере­грев (над температурой ликвидуса) ме­талла, поступающего в кристаллиза­тор; 3) защита металла от вторичного окисления и попадания шлаковых ча­стиц; 4) перемешивание кристаллизу­ющегося металла; 5) обработка давле­нием кристаллизующейся заготовки. При выполнении этих требований за­готовки, полученные при непрерыв­ной разливке, имеют, как правило, бо­лее однородную кристаллическую структуру, чем обычные слитки.

24.7.1. Структура непрерывнолитой заготовки.В структуре заготовки обычно явно различимы следующие зоны:

1. Корка слитка — зона мелких бес­порядочно ориентированных кристал­лов; толщина ее зависит от условий разливки и интенсивности охлажде­ния и составляет 10—20 мм.

2. Зона столбчатых кристаллов.

3. Осевая зона равноосных беспо­рядочно ориентированных кристаллов с повышенной концентрацией ликва-тов и следами усадочных явлений. При малых размерах заготовки и ин­тенсивном охлаждении третьей зоны может не быть.

Так же, как и при разливке в из­ложницы, при охлаждении и кристал­лизации линейные размеры (сечение) непрерывнолитого слитка уменьша­ются; это должно учитываться формой кристаллизатора (используют неболь­шую конусность) и изменением рас­стояния между направляющими вал­ками (роликами). Развитие ликваци­онных явлений в непрерывнолитом слитке ограничено малой продолжи­тельностью кристаллизации, а зональ­ная ликвация минимальна; однако хи­мическая и кристаллическая неодно­родность наблюдается и в непрерыв­ном слитке, и это учитывается при организации технологии.

Отличительными особенностями формирования непрерывного слитка, которые определяют его строение, яв­ляются высокие скорости кристалли­зации и малая продолжительность его полного затвердевания, поэтому про­явление ликвации в непрерывном слитке значительно меньше, чем в обычном. Однако при высоких скоро­стях вытягивания глубина жидкой фазы, в которой формируется осевая зона слитка, достигает значительных размеров. Осевая зона литых загото­вок является тепловым центром, за­твердевающим в последнюю очередь. Этот тепловой центр постоянно при­сутствует в слитке и не может быть удален или выведен. При затвердева­нии непрерывного слитка с глубоким и сильно вытянутым расположением лунки кристаллизующегося металла и усадке слитка в связи с переходом из жидкого в твердое состояние в этой зоне образуются и развиваются значи­тельные конвективные потоки. Ре­зультатом является усиление осевой ликвации в непрерывном слитке. Сле­довательно, с наличием вытянутой ос­трой лунки и значительных конвек­тивных потоков связано образование в осевой зоне пористости и ликвацион­ных пятен.

Осевая пористость и осевая ликва­ция являются основными внутренни­ми дефектами непрерывного слитка.

24.7.2. Дефекты непрерывного слит­ка.В процессе избирательной крис­таллизации маточный раствор, обога­щенный примесями, оттесняется в осевую зону заготовки. Участок осе­вой пористости, отсеченный от верх­них питающих жидких слоев затвер­девшим металлом, представляет собой своеобразную полость по отношению к окружающим участкам. В эту по­лость стремятся ликваты, имеющие пониженную температуру плавления и находящиеся в жидком состоянии; вокруг ликвационного пятна образует­ся область металла, обедненного лик-вирующими примесями (так называ­емая область обратной ликвации). По-видимому, осевая пористость приводит к концентрации ликватов, образовавшихся в результате избира­тельной кристаллизации. Особенно четко осевая пористость проявляется в слитках квадратного сечения.

Образование осевой ликвации в слитках малых и больший сечений, т. е. в слитках с неразвитой и имею­щей существенное развитие зоной твердожидкого состояния, происходит по-разному. Например, на сортовых заготовках, особенно на заготовках мелких сечений из высокоуглеродис­той стали, в осевой зоне наряду с кон­центрированной пористостью наблю­дается значительная неоднородность по содержанию углерода. Химический анализ показывает, что в центральной части содержание углерода может быть на 0,1—0,3 % выше, а в зоне свет­лого кольца на 0,5—0,1 % ниже, чем в ковшовой пробе (обратная ликвация). Можно предположить следующий ме­ханизм ее образования. По мере про­движения фронта затвердевания про­исходит монотонное обогащение лик-ватами внутренних зон. Развитые транскристаллиты могут служить про­водниками для отвода тепла кристал­лизации от центральной части слитка, имеющей вид цилиндра с очень разви­той поверхностью охлаждения и по­этому затвердевающей с высокой ско­ростью. Вследствие объемной недо­статочности, наблюдающейся в мо­мент окончательного затвердевания осевой зоны, возможно отсасывание маточного раствора из прилегающих слоев, чем объясняется меньшее со­держание примесей в них. Таким об­разом, все примеси, расширяющие интервал кристаллизации (например, углерод), затрудняют получение слит­ка без таких дефектов, как осевая по­ристость и осевая ликвация.

1. Наиболее важным внешним па­раметром, влияющим на характер затвердевания и макроструктуру непре-рывнолитых заготовок, является тем­пература металла. Общее снижение температуры в объеме расплава, а так­же в локальных макро- и микрообъе­мах до температуры ликвидуса (или более низкой) способствует интенси­фикации процесса кристаллизации расплава вследствие уменьшения кри­тических размеров зародышей и уве­личения линейной скорости их роста. Исследования показали, что повыше­ние температуры металла (в ковше) на 30—40 °С увеличивает ликвацию фос­фора и углерода в 2 раза, а ликвацию серы в 2,5 раза.

2. Параметрами внешнего воздей­ствия на кристаллизующийся слиток являются также характер и интенсив­ность вторичного охлаждения: чем больше интенсивность вторичного охлаждения, тем меньше осевая лик­вация. Интенсификация вторичного охлаждения приводит к понижению температуры поверхности заготовки, ускорению роста столбчатых кристал­лов; при этом уменьшаются глубина лунки жидкого металла и раздутие за­готовок под влиянием ферростати-ческого давления. Особенно заметно положительное влияние интенсифи­кации охлаждения при отливке сля­бов. При отливке блюмовых загото­вок иногда полезно менее интенсив­ное охлаждение, так как при этом увеличивается зона равноосных крис­таллов и в заготовках из сталей с ог­раниченным интервалом кристалли­зации происходит заметное рассредо­точение осевой пористости и осевой ликвации.

Рациональная организация вторич­ного охлаждения определяется рядом факторов, в том числе формой и раз­мерами заготовки. Очень важным па­раметром, влияющим на качество за­готовки, является чистота стали от га­зов и нежелательных примесей, преж­де всего серы и примесей цветных металлов. В ряде случаев качество не-прерывнолитой заготовки ухудшается вследствие образования трещин. Раз­личают три температурные зоны по­ниженной прочности и пластичности. При этих температурах создаются ус­ловия, приводящие к образованию трещин.

Высокотемпературная зона(вблизи точки плавления). Наличие в межден­дритных пространствах жидкой фазы, затвердевающей вследствие ликвации примесей при пониженной температу­ре, обусловливает низкие значения прочности и пластичности и является основной причиной образования тре­щин при непрерывной разливке.

Промежуточная зона(900—1200 °С). Низкая пластичность стали в этой зоне связана с появлением ликваци-онных легкоплавких прослоек (суль­фидов железа, цветных металлов) по границам аустенитного зерна.

Низкотемпературная зона(700— 900 °С). Хрупкость стали в этой зоне может возникнуть в результате фазо­вых превращений при резком перепа­де температур, а также вследствие вы­делений дисперсных фаз (типа нитри­дов алюминия, ниобия, ванадия) при циклических чередованиях нагрева и охлаждения в зоне вторичного охлаж­дения.

Возникновение внутренних трещин может быть связано с появлением рас­тягивающих напряжений, превышаю­щих допустимые. В процессе прокатки непрерывнолитых заготовок с внутрен­ними трещинами несплошности ме­талла могут быть устранены. Химичес­кая неоднородность, сопровождающая трещины, проявляется в виде участков повышенной травимости. Трещины могут образовываться в кристаллиза­торе в корочке слитка почти у мениска в момент превращения -Fe—> -Fe, протекающего с уменьшением объема. Образованию трещин способствуют: неравномерность фронта кристаллиза­ции вследствие размывающего дей­ствия струи металла; дефекты в стенках кристаллизатора; снижение прочности корочки вследствие высокого содержа­ния таких элементов, как сера, фосфор и др. Наиболее чувствительны к обра­зованию трещин стали, содержащие 0,17—0,24 % С. Трещины часто распо­лагаются по складкам на поверхности слитка, образовавшимся в результате качания кристаллизатора (по следам качания). Складка обычно появляется в момент разрушения пленки, образо­вавшейся на выпуклом мениске, когда жидкая сталь переливается через верх­ний край корочки и в течение короткого промежутка времени соприкасается со стенкой кристаллизатора, после чего мениск вновь становится выпук­лым. Эксперименты показали, что продолжительность «залечивания» об­рыва корочки составляет не менее 0,3с.

24.7.3. Методы повышения качества непрерывнолитых заготовок.Высокое качество металла при непрерывной разливке обеспечивается мероприяти­ями, связанными как с работой УНРС, так и с использованием ряда способов рафинирования стали.

К числу мероприятий, связанных с работой УНРС, относятся:

1. Обеспечение заданного для дан­ной марки температурного режима разливки.

2. Подвод металла в кристаллиза­тор, исключающий размыв корочки.

3. Подбор соответствующей смазки стенок кристаллизатора и защитных смесей.

4. Контроль состояния поверхнос­ти стенок кристаллизатора.

5. Соблюдение центровки и техно­логической оси УНРС.

6. Создание конструкции кристал­лизатора, обеспечивающей наиболее продолжительный контакт оболочки слитка со стенками (оптимальная ко­нусность и проч.).

7. Обеспечение оптимального ре­жима вторичного охлаждения.

8. Контроль работы опорных и тя­нущих устройств с целью предотвра­тить деформацию оболочки не полно­стью затвердевшего слитка.

К числу мероприятий по рафини­рованию, подготовке к непрерывной разливке и последующей обработке стали относятся:

1. Удаление из стали вредных при­месей, прежде всего серы, фосфора и примесей цветных металлов.

2. Внепечная обработка стали, обя­зательная продувка металла в разли­вочном ковше инертным газом и наве­дение на поверхности металла шлака, предохраняющего металл от вторич­ного окисления.

3. Перелив металла из разливочно­го в промежуточный ковш. Эту опера­цию проводят таким образом, чтобы исключить влияние: а) атмосферы на струю металла, вытекающего из разли-

393

Рис. 24.14.Варианты конструктивного решения уплотнений между раз­ливочным и промежуточным ковшами:

/ — разливочный ковш; 2— пневмоцилиндры; 3 — промежуточный ковш; 4— пат­рубок для присоединения измерителя содержания кислорода в защитной атмосфе­ре; 5— уплотнительные устройства; 6— слой защитного шлака

вечного ковша, и б) перемешивания металла со шлаком в промежуточном ковше на загрязнение металла неме­таллическими включениями. Решение первой задачи возможно при исполь­зовании различных способов защиты. На рис. 24.14, а показана конструкция промежуточного ковша с подъемной воронкой; газовое уплотнение создают между ней и разливочным ковшом, поверхность металла в промежуточ­ном ковше покрыта защитным слоем. В конструкции, приведенной на рис. 24.14, б, подача металла осуще­ствляется через пространство, запол­ненное аргоном или азотом (через «за­весу»).

Решение второй задачи возможно несколькими путями: увеличить вмес­тимость промежуточного ковша; ис­пользовать промежуточный ковш с разделительными стенками-перего­родками, обеспечивающими хорошее разделение металла и попадающих в ковш шлаковых частиц; способ наве­дения в промежуточном ковше шлака, для чего вводят добавки соответствую­щего состава. Шлак должен обеспечи­вать термоизоляцию стали, защиту ее от окисления атмосферным воздухом и абсорбцию неметаллических вклю­чений. Составы вводимых добавок оп­ределяются рядом факторов: составом и степенью чистоты стали, характером образующихся при раскислении вклю-

чений, составом и свойствами футе­ровки и т. п. Например, для практики работы заводов Японии, для которой характерна разливка металла, сравни­тельно чистого от включений, типич­ные составы флюсов, %: CaF₂ 5—20; СаО 40-50; MgO 5-10; SiO₂5-10; А1₂О₃ 10—30. При разливке сталей с большим количеством образующихся в процессе раскисления включений глинозема флюсы должны содержать большие количества CaF₂ и SiO₂. По­скольку шлаки, обладающие высокой абсорбционной способностью, явля­ются агрессивными по отношению к футеровке, разрабатывают технологии и конструкции, позволяющие иметь шлаки различающегося состава в зоне заливки металла и в зоне, прилегаю­щей к футеровке. Важной характерис­тикой является вязкость шлака: слиш­ком большая вязкость ухудшает абсорб­цию включений, слишком низкая — создает условия для попадания шлака в кристаллизатор.

4. Защита от окисления струи ме­талла, вытекающей из промежуточно­го ковша, применение удлиненных затопленных разливочных стаканов, защита поверхности металла в крис­таллизаторе слоем шлака, ассимили­рующим всплывающие неметалличес­кие включения и обеспечивающим в определенной мере смазку поверхнос­ти кристаллизатора, предохраняющую

от зависания заготовки и образования поперечных трещин.

5. Особые методы воздействия на кристаллизующийся металл (электро­магнитное перемешивание жидкого металла в кристаллизующейся заго­товке, обработка ультразвуком и др.).