Особенности строения слитка спокойной стали

Обычная структура слитка спокойной стали (рис. 24.5) характеризуется на­личием шести основных зон.

24.2.1. Тонкий поверхностный слойобразуется в момент соприкосновения жидкого металла со стенками излож­ницы или кристаллизатора. Этот слой (часто называемый корочкой слитка) состоит из мелких беспорядочно ори­ентированных кристаллов; по хими­ческому составу он близок к составу жидкого металла в ковше.

24.2.2. Зона столбчатых кристаллов.Протяженность и характер этой зоны определяются составом стали, интен­сивностью охлаждения и разностью температур жидкого маточного ра­створа и внешней охлаждаемой поверх­ности. По мере увеличения ширины

Рис. 24.5.Схема кристалличес­кой структуры слитка спокой­ной стали:

/ — мост над рако­виной; 2— усадоч­ная раковина; 3, 4 — пустоты и рых­лость; 5 — различ­но ориентирован­ные кристаллиты; 6 — мелкие равно­осные кристалли­ты; 7, 8— зоны столбчатых крис­таллитов; 9—столб­чатые кристалли­ты, направленные к тепловому цент­ру; 10— конус осаждения

зоны столбчатых кристаллов интен­сивность передачи тепла через этот утолщающийся слой снижается; одно­временно уменьшается охлаждающая способность нагревающейся изложни­цы; начинающаяся усадка слитка приводит к образованию зазора меж­ду изложницей и корочкой слитка, что также резко ухудшает условия теплоотвода.

24.2.3. Зона, характеризующаяся за­медлением роста кристаллов,уменьше­нием их размеров и некоторым их от­клонением вверх, в сторону теплового центра слитка. Медленно растущие кристаллы уже не успевают «захваты­вать» выделяющиеся при кристалли­зации газы; цепочка этих газов увле­кает с собой ликваты, и в затвердев­шем слитке остаются соответствую­щие следы ( -образная ликвация, или «усы»). Конец кристаллизации третьей зоны соответствует моменту образова­ния по всему периметру слитка тепло­изолирующего зазора между застыв­шим слитком и изложницей. Темпера­тура изложницы к этому моменту дос­тигает температуры красного каления, а направленный теплоотвод в зоне ос­тавшегося жидкого металла практи­чески прекращается, и начинается постепенное охлаждение всей жидкой массы металла, оставшейся в центре слитка.

24.2.4. Зона беспорядочно ориенти­рованных кристаллов.Сопровождаю­щие кристаллизацию ликвационные явления приводят к тому, что в остав­шемся в центре слитка маточном ра­створе имеется большое число цент­ров кристаллизации. В результате эта (осевая) зона слитка характеризует­ся наличием беспорядочно ориенти­рованных равноосных кристаллов. Вследствие усадки слитка обычными дефектами этой зоны являются осевая рыхлость и V-образная ликвация.

24.2.5. Зона конуса осажденияимеет конусообразную форму и расположе­на в нижней части слитка. Эта область представляет собой конгломерат срос­шихся кристаллов, часть которых рос­ла вверх под влиянием охлаждающего действия поддона, часть опускалась вниз в результате обламывания крис­таллов второй и третьей зон, а также оседания кристаллов при кристалли­зации осевой части слитка. Пересече­ние кристаллов второй зоны, расту­щих в горизонтальном, и кристаллов пятой зоны, растущих в вертикальном направлениях, дает на разрезе слитка рисунок конуса без четко обозначен­ной вершины. Донная часть слитка (пятая зона) в большинстве случаев характеризуется отрицательной сегре­гацией таких примесей, как углерод, фосфор, сера; однако в случае введе­ния в металл сильных раскислителей и десульфураторов, образующих туго­плавкие оксиды и сульфиды, способ­ных служить центрами кристаллиза­ции (например, алюминий или РЗМ), в зоне конуса охлаждения обнаружи­вается также повышенное содержание таких тугоплавких включений, как А1₂О₃₎ CeO, CeS и т. п.

24.2.6. Зона усадочной раковины.Усадка стального слитка сопровожда­ется помимо повышения плотности металла протеканием процесса газо­выделения при переходе из жидкого в твердое состояние. Одновременно в процессе усадки изменяются размеры и форма слитка. Процесс затвердева­ния жидкой стали, заполняющей из­ложницу, можно схематично, условно разделить на ряд небольших периодов, в течение каждого из которых затвер­девает соответствующий слой металла, а уровень оставшейся жидкой части слитка несколько снижается вслед­ствие общей усадки. Интенсивность теплоотвода вниз (к поддону) и в сто­роны (к стенкам изложницы) суще­ственно выше, чем вверх, в окружаю­щий воздух. В результате в момент полного затвердевания слитка его верх­няя часть представляет собой углубле­ние, лунку. Это углубление называют усадочной раковиной. Форма и распо­ложение усадочной раковины зависят от формы слитка и условий его затвер­девания. Для удобства извлечения слитков изложницы выполняют не с вертикальными (рис. 24.6, а) стенка­ми, а с расширяющимися вверх или вниз (рис. 24.6, б, в). В изложницах первого типа усадочная раковина вы­ведена вверх; в изложницах второго типа последние порции металла зат­вердевают не в верхней, а в осевой ча­сти слитка и усадочная раковина рас­пространена на значительную глу­бину.

Предложенная схема условна. На практике процесс усадки сопровожда­ется некоторым охлаждением металла

Рис. 24.6.Влияние формы изложницы на расположение усадочной раковины в слитке

также и в верхней части слитка. В ре­зультате этого над усадочной ракови­ной образуется застывший слой ме­талла, называемый мостом, а сама уса­дочная раковина состоит из большой полости в верхней части слитка и се­рии расположенных ниже небольших пустот, называемых усадочной порис­тостью или усадочной рыхлостью.

Причиной образования усадочной рыхлости и пористости является от­сутствие жидкого металла для запол­нения пустот, образующихся при усадке слитка в последний момент его затвердевания. В тех случаях, когда металлический мост отделяет усадоч­ную раковину от атмосферы, она за­полнена газами, выделяющимися при кристаллизации. Главной составляю­щей этих газов является водород. В верхней и осевой частях слитка нахо­дятся повышенные концентрации ликватов; эти ликваты вследствие хо­рошей смачиваемости ими газовых пу­зырей концентрируются на поверхно­сти усадочной раковины и пузырей, представляющих усадочную рыхлость. При последующей прокатке или ковке эти пузыри не завариваются или зава­риваются недостаточно полно. Осо­бенно плохо завариваются газовые пу­зыри в стали с повышенным содержа­нием углерода, а при >0,5 % С вообще не завариваются. Вследствие этого часть прокатанного слитка, которая соответствует расположению зоны усадочной раковины, приходится пос­ле прокатки отрезать и возвращать на переплав. Эта часть составляет 10-15 % от массы слитка.

Такие значительные колебания ве­личины обрези определяются составом стали, требованиями к ее качеству, тех­нологией разливки и использованием различных приемов для уменьшения обрези. Эти приемы основаны на стремлении увеличить продолжитель­ность пребывания металла в жидком состоянии в верхней части слитка, с тем чтобы жидкий металл заполнял (питал) образующиеся при усадке пус­тоты. С этой целью, поскольку в после­днюю очередь затвердевает верхняя, головная часть слитка, используют раз­личные приемы, например ее «утепле­ние». Чаще всего применяют два спо­соба, рассмотренные ниже.

Рис. 24.7.Прибыльные надставки и способы их установки:

а — стационарная; б— плавающая

Рис. 24.8.Изложница

с теплоизоляционным

вкладышем

1. Уменьшение потерь тепла в ре­зультате использования так называе­мой прибыльной надставки, которая может представлять собой металли­ческий корпус (рис. 24.7), футерован­ный изнутри малотеплопроводным ог­неупорным материалом; прибыльная надставка может быть изготовлена из, огнеупорного материала без металли­ческого корпуса или представлять со­бой просто керамический, теплоизо­ляционный, выполненный по форме изложницы вкладыш¹ (рис. 24.8), ко­торый вкладывается сверху в излож­ницу и утепляет верхнюю часть слитка (этот способ утепления головной час­ти слитка в настоящее время наиболее распространен).

2. Подвод дополнительного тепла к головной части слитка. Для осуществ­ления этого способа используют сле­дующие приемы: 1)доливка порции горячего металла в момент, когда уро­вень находящейся в изложнице стали начал вследствие усадки снижаться; 2) обогрев верхней части слитка га­зом или электрической дугой (способ Н. Г. Славянова); 3) засыпка на верхслитка смесей, одновременно изоли­рующих поверхность и выделяющих тепло, например засыпка древесного угля, асбеста, сажи или древесных опилок; 4) применение разогреваю­щих порошков (термитных или люн-керитных смесей). В состав засыпае­мых на поверхность слитка порошков входят горючая составляющая (алю­миний, ферросилиций, древесный уголь), окислитель (окалина, марган­цевая руда, иногда селитра) и инерт­ные наполнители (шамот, боксит). Состав используемых смесей колеб­лется в очень широких пределах. Оп­ределенную положительную роль в утеплении верха слитка и уменьшении глубины усадочной раковины играют шлакообразующие смеси, вводимые в изложницу для улучшения поверхно­сти слитка. Образующийся в процес­се наполнения изложницы жидкий шлак выполняет несколько функций: 1) значительно снижает потери тепла излучением с открытой поверхности металла; 2) защищает ее от окисления; 3) абсорбирует всплывающие включе­ния; 4) образует между изложницей и поверхностью слитка прослойку (гарнисаж), снижающую температурный градиент и напряжения в корочке слитка; 5) затекая в неровности на стенках изложницы, играет роль смаз­ки и улучшает поверхность слитка. В табл. 24.2 представлены 13 вариантов составов шлакообразующих смесей, используемых на разных заводах.

¹ Примерный состав шихты, из которой изготавливают теплоизоляционные вклады­ши: 75 % кварцевого песка, 10 % бумажных отходов, 5% огнеупорной глины, 10% суль­фитно-спиртовой барды.

24.2.7. Критерий направленности затвердевания.Из приведенного выше следует, что для распространенных в настоящее время способов массового получения слитков характерно пре­имущественно такое затвердевание, при котором центральная часть слит­ка, кристаллизующаяся в последнюю очередь, неизбежно оказывается по­ристой, менее плотной, с увеличенной концентрацией газов и ликвирующих примесей. Этот недостаток трудно (практически невозможно) устранить ни повышением интенсивности ох­лаждения, ни улучшением работы прибыльной надставки. Практически очень трудно обеспечить такую работу прибыли, при которой центральная часть и зона центральной пористости питались бы жидким металлом до мо-

Таблица 24.2.Состав шлакообразующих

смесей 1-13, %

Материал

Высокотер-мичные смеси

Смеси по­ниженной термичнос-ти

Нетермичные смеси

Алюми­ний

—

—

—

—

—

—

—

Силикокальций

—

—

—

—

—

—

—

—

—

Окалина

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

Марган­цевая руда

-----

—

—

—

—

—

Плави­ковый шпат

—

—

—

—

—

—

—

—

—

Шамот

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

Силикат­ная глыба

—

Боксит

—

—

—

—

—

—

—

—

—

Ставролитовый концен­трат

—

—

—

—

—

—

—

—

Известь

—

—

—

—

—

—

Извест­няк

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

Датолит

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

Цемент

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

Домен­ный шлак

—

мента полного затвердевания. Затвер­девание от стенок изложницы называ­ют боковым или горизонтальным, за­твердевание от дна изложницы (или поддона) — продольным или вертикаль­ным. На рис. 24.9 показаны схемы из­ложниц трех типов. Отношение коли­чества тепла, отводимого от кристал-

Рис. 24.9.Схемы затвердевания слитка:

а — обычного; б— повышенной конусности; в -направленного затвердевания

лизующегося слитка в вертикальном направлении, Q_B к количеству тепла, отводимого в горизонтальном на­правлении, Q_r называют критерием направленности затвердевания k_{H 3} = = Qв/Qr. Для слитка цилиндрической (диаметром D) формы k_н.₃ = D/4H, для слитка конической формы k_н.₃ = tga + d/4H + H/d tg² , где — угол кони­ческого слитка;d—диаметр нижнего основания слитка.

Чем больше угол а (выше конус­ность), тем выше качество слитка. Если коэффициенты теплообмена в вертикальном и горизонтальном на­правлениях обозначить а_в и а_r, то для слитка цилиндрической формы k_{н з} = (a_B/a_r)/(D/4H). При затвердева­нии слитка в изложнице k_н3« 1, что определяет невозможность существен­ного повышения однородности строе­ния слитка в обычных условиях. Для получения значения k_н.₃ > 1 необходи­мо проводить отливку слитков в фор­му с тепловой изоляцией сбоку и сверху и с применением кристаллиза­тора в донной его части (рис. 24.9, в). При отливке в такую форму слиток будет плотным по всей высоте с вытя­нутыми параллельно оси столбчатыми кристаллами, что определяет однород­ность его строения. Такой слиток можно назвать слитком однонаправлен­ного затвердевания. К сожалению, конструирование изложницы для по­лучения такого слитка — непростая за­дача.

Для слитков или заготовок малой толщины возможно и другое реше­ние — отливать слитки малой высоты, например разливая металл тонким слоем на движущуюся водоохлаждае-мую ленту. В этом случае H/D « 1 и имеет место однонаправленное за­твердевание снизу вверх (k_нл —> ).