Особенности разливки кипящей стали

Кипящую сталь разливают и сифоном, и сверху в уширяющиеся книзу сквозные изложницы. В обоих случаях для предотвра­щения заплесков металла на стенки изложницы и образования плен на нижней поверхности слитков стопор открывают плав­но и нижнюю часть изложницы заполняют медленно. В даль­нейшем скорость наполнения изложницы при разливке сверху определяется диаметром стакана сталеразливочного ковша, а при разливке сифоном — сечением каналов сифонного кирпи­ча. При сифонной разливке перегретой стали и при чрезмер­ной ее окисленности могут происходить выплески металла из центровой. В этом случае в центровую для дополнительного раскисления вводят небольшое количество алюминия.

При разливке кипящей стали важным фактором является скорость подъема металла в изложнице, определяющая толщи­ну здоровой корки в слитке. При сифонной разливке эта скорость обычно находится в пределах 0,2—0,6 м/мин, что обеспечивает достаточную толщину здоровой корочки в слит-

 

35-3810

ке (15—40 мм). Разливку сверху с целью сокращения ее об­шей продолжительности вынуждены вести со значительно большими скоростями, в результате чего уменьшается толщи­на здоровой корочки. Скорость разливки сверху без интен-сификаторов кипения обычно составляет 0,5—1,0 м/мин и при скорости около 1,0 м/мин получают здоровую корочку мини­мально допустимой толщины (8-10 мм). Продолжительность отливки слитков массой 5—20 т при разливке сифоном со­ставляет 5—12, при разливке сверху 2—4 мин.

После окончания наполнения изложницы металл в ней не­которое время кипит, а затем для уменьшения развития хи­мической неоднородности кипение прекращают, применяя ме­ханическое или химическое закупоривание слитка. Состав с изложницами выдерживают у разливочной площадки до начала транспортировки не менее 20 мин.

Механическое закупоривание. Кипение в изложнице про­должается до тех пор, пока у ее стенок затвердеет слой металла, достаточный для укладки на него крышки. Толщина этого слоя составляет около 1/6 толщины слитка, а время кипения 7—15 мин. Затем на поверхность металла укладывают массивную металлическую крышку, вызывающую охлаждение и замораживание верха слитка, в результате чего прекращает­ся кипение. Крышки снимают со слитка через 20—30 мин после, закупоривания.

Химическое закупоривание. Как показал опыт, механичес­кое закупоривание обеспечивает удовлетворительное качест­во слитков массой менее 6-8 т. В более крупных слитках из-за длительного кипения (7-15 мин) ликвация развивается столь сильно, что для удаления скоплений вредных примесей требуется существенное увеличение головной обрези при прокатке. Поэтому в последние годы, особенно в связи с увеличением массы отливаемых слитков, вместо механическо­го закупоривания применяют химическое.

При химическом закупоривании для прекращения кипения и ускорения застывания верха слитка в изложницу вводят рас-кислители. Используют алюминий (гранулированный, жидкий) и иногда ферросилиций (в виде кусков размером 4-30 мм), которые дают на поверхность металла через 1—1,5 мин после окончания наполнения изложницы. Лучшие результаты дает применение алюминия, расход которого на закупоривание из­меняется в пределах 100—600 г на 1 т стали и увеличивает-

ся при снижении содержания углерода и марганца в стали. При недостаточном количестве алюминия верхняя часть слит­ка получается рослой, а при избыточном в ней образуется концентрированная усадочная раковина. В обоих случаях возрастает головная обрезь, что нежелательно. Признаком правильно выбранного расхода алюминия служит выпуклая гладкая поверхность слитков без прорывов жидкого металла.

При химическом закупоривании алюминием вследствие уменьшения ликвации головная обрезь крупных слитков кипя­щей стали составляет 4-8 % вместо 8-13 % при механическом закупоривании.

Применение интенсификаторов кипения. Как показал опыт, уровень окисленности кипящей стали, при ее выплавке су­ществующими методами таков, что ее можно разливать со скоростью подъема металла ы изложнице не более 1 м/мин, поскольку при большей скорости толщина здоровой корочки слитка получается недостаточной (< 8-10 мм). В последние годы в связи с недостаточной пропускной способностью раз­ливочных отделений сталеплавильных цехов скорости разлив­ки вынуждены увеличивать; в этом случае для увеличения толщины здоровой корочки в изложницу при разливке вводят интенсификаторы кипения- порошкообразные смеси, содержа­щие оксиды железа и способные легко передавать кислород этих оксидов жидкой стали. Вследствие увеличения окислен­ности стали повышается интенсивность ее кипения, что обеспечивает утолщение здоровой корочки.

В состав интенсификаторов кипения входят, %: прокатная окалина 70-85, плавиковый шпат 5-20, кальцинированная сода 0-10, натриевая селитра 0-12, коксик 0-13. Смесь вводят в изложницу в течение всего времени ее наполнения. Расход смеси составляет 200-850 г на 1т стали, возрастая при увеличении содержания в ней углерода. Применение ин-тенсификатора кипения позволяет получать здоровую корочку достаточной толщины при увеличении скорости разливки до 2,0-2,5 м/мин. Иногда увеличения интенсивности кипения достигают, обдувая при разливке струю металла кислородом.

Углеродистый интенсификатор кипения. В последние годы разработан новый способ повышения интенсивности кипения, не требующий увеличения окисленности жидкой стали. На поддоне, служащем для установки сквозных изложниц, зак­репляют брикеты или наносят покрытие из углеродистого ма-

териала (например, из антрацита: с каменноугольным пеком). Взаимодействие углерода этого материала с кислородом жид­кой стали вызывает активное кипение с пронизыванием пузы­рями СО металла по всей высоте изложницы, что способству­ет увеличению толщины здоровой корочки и вызывает повыше­ние выхода годных слябов без зачистки их поверхности. Кроме того, происходит раскисление металла твердым угле­родом, что ведет к снижению количества оксидных включений в слитке; отмечено также снижение химической неоднород­ности металла.

Скоростная разливка. В последние годы на ряде заводов освоена разливка химически закупориваемой и полуспокойной сталей со скоростью наполнения изложниц до 4-5 м/мин. При разливке кипящей стали со столь большой скоростью подъема металла в изложнице пузыри начинают формироваться у самой поверхности слитка, а благодаря быстрому закупориванию они не успевают вырасти до значительных размеров. Полу­чается слиток без здоровой корочки с мелкими подкорковыми пузырями. Тонкий наружный слой металла с пузырями, окис­ляясь при нагреве слитка под прокатку, переходит в окали­ну, и поверхность проката получается без дефектов, нес­мотря на отсутствие здоровой корочки.

При скоростной разливке полуспокойной стали пузыри ли­бо не образуются, либо формируются мелкие подкорковые пу­зыри, зона расположения которых при нагреве под прокатку переходит в окалину.

ДЕФЕКТЫ СТАЛЬНЫХ СЛИТКОВ

Дефекты или пороки стальных слитков разделяют на естест­венные, т.е. неизбежные, которые возникают при затверде­вании и охлаждении слитка, и технологические, которые возникают из-за несовершенства технологии разливки, а также выплавки стали. К числу первых относятся усадочная раковина, осевая рыхлость, химическая и структурная не­однородность, сотовые пузыри, эндогенные неметаллические включения; к числу вторых — трещины, плены, завороты кор­ки, подкорковые пузыри в слитках спокойной стали, "голе­нища" и рослость слитков кипящей стали, малая толщина в них здоровой корочки и некоторые другие. Часть дефектов рассмотрены при описании строения слитков, наиболее важ­ные из остальных рассматриваются ниже.

Поперечные горячие трещины. Образование наружных попе­речных трещин - результат препятствия свободной усадке затвердевающего слитка. Наиболее часто трещины возникают вследствие местного зависания слитка в изложнице.

При наличии выбоин в стенках изложницы или зазора меж­ду изложницей и прибыльной надставкой жидкий металл за­полняет эти углубления и застывает в них. В дальнейшем полузатвердевший слиток зависает в этом месте, так как его длина уменьшается вследствие усадки стали. Корочка затвердевшего металла может разорваться в месте зависания под действием веса слитка.

Для предупреждения образования этого порока необходимо обеспечивать плотное прилегание прибыльной надставки к изложнице и отбраковывать изложницы с дефектными стен­ками.

Продольные наружные горячие трещины^ Они возникают при разливке перегретой стали и при повышенных скоростях раз­ливки. Их ширина составляет 1-3 мм, длина достигает 1м и более.

Трещины образуются следующим образом. В результате усадки корки затвердевающего слитка и теплового расшире­ния изложницы между ними образуется зазор. Жидкий металл оказывается как бы в сосуде, стенками которого служит корка затвердевшего металла. Тонкая корка может не выдер­жать ферростатического давления жидкой стали; ее разрыв в продольном направлении и представляет собой продольную трещину. Вероятность разрыва тем выше, чем выше темпера­тура стали и скорость разливки, так как в этих случаях из-за избытка тепла медленнее нарастает толщина корки затвердевшего металла. Продольные трещины чаще образуются у углов слитка и иногда на его гранях.

Склонность к образованию продольных трещин зависит от свойств стали (пластичности в горячем состоянии) и формы поперечного сечения слитка. Наибольшей склонностью к тре-щинообразованию обладают слитки круглого сечения, пос­кольку в этом случае поверхность соприкосновения слитка и изложницы, т.е. поверхность теплоотдачи оказывается наи­меньшей и медленнее нарастает толщина корки затвердеваю­щего металла. Наименьшей склонностью к образованию про­дольных трещин обладают слитки, отливаемые в изложницы прямоугольного сечения с вогнутыми и волнистыми гранями.

Мерами борьбы с образованием продольных горячих трещин обычно служат: предотвращение перегрева стали, уменьшение скорости разливки, применение изложниц с вогнутыми и вол­нистыми стенками.

Возможно также образование горячих продольных трещин на грани слитка в результате неправильного центрирования струи металла при разливке сверху. Если струя металла отклоняется от центра изложницы, то она будет размывать корку затвердевающего металла и в месте ее утоньшения образуется трещина.

Продольные холодные наружные трещины. Они образуются в процессе охлаждения затвердевшего слитка на его гранях при температуре ниже 600 °С. Они возникают при слишком быстром охлаждении слитков в результате термических и фа­зовых напряжений. Для предотвращения их образования сле­дует медленнее проводить охлаждение слитков. Наиболее действенное средство против образования термических тре­щин — посадка слитков в нагревательные колодцы в горячем состоянии.

Склонность стали к образованию холодных трещин возрас­тает при ее легировании хромом, марганцем, кремнием, а также при содержании в стали более 0,4 % С.

Внутренние трещины в осевой части слитков спокойных легированных сталей. Они иногда образуются в результате термических напряжений при слишком быстром охлаждении слитка в конце кристаллизации. В прокатанном металле они могут вызывать расслоения (нарушения сплошности металла).

Плены. Они обычно образуются при разливке сверху и преимущественно в нижней части слитка. В результате удара струи металла о дно изложницы сталь разбрызгивается. Брызги и заплески застывают на -стенках изложницы, причем поверхность их окисляется и поэтому они не растворяются в поднимающейся жидкой стали и не свариваются с основной массой слитка, образуя дефект поверхности слитка — плены. Плены не свариваются с металлом и при прокатке, вследст­вие чего поверхность прокатанных заготовок приходится подвергать зачистке.

Для уменьшения разбрызгивания заполнение изложниц на­чинают медленно при неполностью открытом стопоре или затворе. С целью уменьшения пленообразования применяют также разливку через промежуточные ковши и воронки (см.

рис. 149). Вследствие малой высоты столба жидкой стали в воронке или ковше уменьшается напор струи и ослабляется удар о дно изложницы и разбрызгивание.

Заворот корки. Это дефект поверхности слитков, обра­зующийся преимущественно при сифонной разливке вследствие окисления и охлаждения поверхности жидкой стали в излож­нице.

Обычно поверхность поднимающегося в изложнице металла покрывается пленкой оксидов, образующихся в результате окисления составляющих стали кислородом воздуха. Затвер­девающий под пленкой металл образует вместе с ней корку, которая поглощает также всплывающие из.жидкой стали неме­таллические и шлаковые включения. Если корка пристает к стенкам изложницы, то поднимающийся снизу металл проры­вает ее, заворачивает к стенке изложницы и заливает. В месте заворота корки в слитке обнаруживаются скопления неметаллических включений и газовые пузыри, образующиеся в результате взаимодействия оксидов корки с содержащимся в стали углеродом. В процессе прокатки в месте заворота корки возникают разрывы металла (рванины), поэтому тре­буется зачистка поверхности проката или поверхности слит­ков перед прокаткой, что усложняет производство и вызы­вает дополнительные потери металла.

Интенсивность роста корки и пораженность слитка заво­ротами увеличиваются при низких температуре разливаемой стали и скорости разливки и, в особенности, при наличии в стали легкоокисляющихся элементов (хрома, алюминия, тита­на). Определенного снижения интенсивности образования корки достигают путем повышения температуры и скорости разливки, однако возможности подобного метода ограничены в связи с повышением при этом вероятности образования продольных трещин. Если регулированием температуры и ско­рости разливки предотвратить образования корки не удает­ся, то прибегают к специальным мерам защиты поверхности металла в изложнице от окисления (см. c_f 540).

Осевая {центральная) пористость или рыхлость — это мелкие усадочные пустоты В: осевой части слитка. Особенно много их под усадочной раковиной.

Прокатка металла не всегда обеспечивает заваривание осевых пор, особенно при производстве заготовок крупного сечения вследствие меньшей степени обжатия. Наличие осе-

вой пористости обнаруживают при контроле макроструктуры прокатанных заготовок. При выявлении недопустимой цент­ральной пористости металл не может быть использован для изготовления деталей ответственного назначения.

Осевая пористость образуется следующим образом. При кристаллизации слитка осевая зона незатвердевшего металла все время сужается и в отдельных местах происходит срас­тание кристаллов, растущих с противоположных боков этой зоны. Под сросшимися кристаллами затвердевание идет без доступа жидкого металла сверху из прибыльной части слитка и поэтому в этих местах образуются мелкие усадочные пус­тоты.

Увеличению осевой рыхлости способствует понижение тем­пературы разливаемого металла, увеличение массы слитка, наличие в стали элементов, повышающих усадку при затвер­девании (в особенности углерода), наличие элементов (хро­ма, титана), увеличивающих вязкость жидкой стали.

На развитие осевой рыхлости большое влияние оказывает конусность слитка. Чем она больше, тем дольше длится затвердевание вышележащего слоя по сравнению с нижележа­щим и вследствие этого улучшается питание жидким металлом нижележащих слоев осевой части слитка и уменьшается осе­вая пористость. Однако обычно конусность слитков ограни­чивают 2—4%, так как увеличение конусности, как уже ука­зывалось, затрудняет прокатку слитков.

Улучшение обогрева верхней части слитка приводит к уменьшению осевой пористости.

Внутренние пузыри в слитках спокойной стали. Отдельные газовые пузыри обычно обнаруживаемые в верхней части слитка возникают в результате недостаточной раскисленнос-ти стали или повышенного содержания в ней водорода. В недораскисленной стали растворенный кислород реагирует с углеродом и образуются пузыри СО, избыточный водород вы­деляется в виде пузырей при кристаллизации; образующиеся пузыри СО и водорода задерживаются между кристаллами в объеме слитка. Раскатанные пузыри обнаруживаются в метал­ле после прокатки в виде мелких трещин.

Рослость слитков спокойной стали возникает по той же причине, что и отдельные пузыри СО или Н₂. При значитель­ной недораскисленности стали или высоком содержании водо­рода газовых пузырей образуется так много, что они вспу-

чивают металл верхней части слитка, вызывая увеличение его высоты ("рост"). Для слитков спокойной стали рослость является браковочным признаком. Рослость, вызываемая вы­делением водорода, характерна для сталей с повышенным со­держанием кремния.

Подкорковые пузыри. В слитках спокойной стали иногда обнаруживаются газовые пузыри, расположенные у поверхнос­ти слитка. Причин возникновения этих подкорковых пузырей несколько. Одна из них— излишне толстый слой смазки из­ложницы. В этом случае смазка не успевает выгореть до подхода ждкого металла и залитая металлом возгоняется. Возгоны задерживаются между кристаллами затвердевающего металла, образуя пузыри.

Пузыри образуются и при слишком высоком (> 0,5 %) со­держании влаги в смазке в результате ее испарения, а так­же при разливке недостаточно раскисленной стали вследст­вие образования при ее кристаллизации пузырьков СО. Обра­зуются подкорковые пузыри и в результате разбрызгивания стали при разливке сверху. Приставшие к стенкам капли ме­талла (брызги) окисляются с поверхности. Попав затем в жидкую сталь, оксиды капель реагируют с углеродом стали,

образуя пузырьки СО.

При прокатке слитков в местах расположения пузырей возникают волосовины — мелкие тонкие трещины.

Рослость слитков кипящей стали возникает при недоста­точной окисленности металла, когда из-за вялого кипения в слитке остается много пузырей СО, вызывая увеличение его

высоты.

Большое число газовых пустот, особенно в верхней части слитка (малая плотность его верха) вызывает необходимость увеличения головной обрези слитков при прокатке. Посколь­ку при вялом кипении получается малая толщина беспузырис­той корки, рослость слитка свидетельствует о наличии и

этого дефекта.

Голенище. При чрезмерной окисленности кипящей стали кипение в процессе заполнения изложницы идет очень бурно, пузырьки СО сильно вспенивают металл. После окончания ин­тенсивного кипения (при химическом закупоривании после ввода алюминия) сталь оседает, оставляя на стенках излож­ницы застывшую корку (голенище).

Глава 6. НЕПРЕРЫВНАЯ РАЗЛИВКА СТАЛИ