yandex.metrica
Слитки и разливка стали

Разливка и кристаллизация кипящей стали

При выплавке кипящей стали раскислители практически не используются, так как металл самораскислится при разливке и кристаллизации в изложницах. Если вводят раскислители, то в ограниченных количествах, чтобы не затормозить самораскисления, выделения газов и получения нормальной структуры слитка кипящей стали. Обычно в печь вводится ферромарганец.

Кипящую сталь разливают в сквозные изложницы, расши­ряющиеся книзу.

Разливка может быть как сверху, так и снизу — сифоном. Последний способ дает возможность лучше контролировать ско­рость заполнения изложницы металлом. Скорость заполнения имеет определяющее значение для структуры слитка. При раз­ливке со скоростью подъема металла в изложнице 12—25 см/мин образуется корочка толщиной 25—35 мм и уменьшается вдвое при скорости 50—60 см/мин. При первом пределе скорости металл закипает, как только поднимается уровень на 125—150 мм выше дна изложницы, и кипит в течение периода разливки.

Под кипением металла в изложнице подразумевается выде­ление газовых пузырей с поверхности расплава в результате раз­вития реакции между растворенными в металле углеродом и кислородом

[С] + [FеО] = [Fе] + СОгаз

В соответствии с этой реакцией выделяющиеся при затверде­вании газы состоят из 85—95% окиси углерода. Реакция начи­нается и развивается благодаря тому, что в нераскисленном (или слабо раскисленном) металле содержание растворенного кисло­рода повышенное. При заливке металла после соприкосновения его со стенкой изложницы, тотчас же образуется плотная наруж­ная корочка из равноосных мелких кристаллов. Далее, при уста­новившемся теплоотводе через корочку слитка растут дендритные кристаллы. Так как характер кристаллизации избирательный и сначала выпадают более чистые кристаллы, маточный расплав обогащается углеродом и кислородом, при этом еще более нару­шается равновесие, что способствует началу реакции с образова­нием окиси углерода. Развитию реакции благоприятствует пони­жение температуры металла и способствуют образовавшиеся и образующиеся кристаллы, создавая границу раздела расплав — твердая фаза, на которой энергетически облегчается возникновение и рост пузырьков окиси углерода. Все эти условия способствуют реагированию растворенных углерода и кислорода и, раз начав­шись, реакция идет до конца отвердевания. В результате реакции концентрация кислорода в металле отвердевшего слитка значи­тельно ниже, чем в исходном металле, а произведение m = [%С] × × [%O] оказывается на низшем уровне, укладывается в пределы от 0,0015 до 0,0025, очевидно достигая равновесия.

Концентрация кислорода в несколько раз ниже равновесной с углеродом наблюдается в зоне сотовых пузырей, что объясняется развитием ликвации, протекающей с большой скоростью, чему способствует выделение газов в промежутках между кристаллами. После образования корочки начинается рост столбчатых кристал­лов, который аналогичен образованию зоны столбчатых кристаллов при отвердевании спокойной стали. Однако при отвердевании кипящей стали маточный раствор обогащается кислородом и раз­вивается реакция с выделением окиси углерода.

Поперечный разрез слитка кипящей стали х 1/10

Выделяющаяся окись углерода образует газовые пузыри. Так как формирование этих пузырей происходит между растущими дендритными кристаллами, то пузырек приобретает вытянутую форму, что характерно для сотовых пузырей (рис. 136). Рост сото­вых пузырей происходит до тех пор, пока скорость роста пузыря больше скорости роста дендритов. Как только скорость роста дендритов будет больше, столбчатые кристаллы замыкают фронт роста сотовых пузырей. Часть пузырей выплывает в расплав, перемещаясь к центру и вверх. Эти пузыри и пузыри, образую­щиеся за пределами столбчатых кристаллов, создают зону вто­ричных пузырей. Они имеют округлую форму. При энергичном кипении, т. е. выделении газов, жидкий металл интенсивно цир­кулирует, пузыри лучше выносятся к центру и в верх слитка и их меньше остается в металле. В этом случае толще получается корка металла от края слитка до сотовых пузырей.

Вертикальные разрезы слитков кипящей стали

В верхней части нормального слитка кипящей стали обычно накапливаются не успевшие удалиться округлые пузыри. Могут проявиться усадочные пустоты, усадочная раковина отсутствует. Усадку в слитке кипящей стали компенсирует сумма всех газовых пузырей и возможных усадочных пустот. Структура типичных слитков кипящей стали представлена на рис. 137.

Затвердевание головной части слитка кипящей стали могут дать три типа слитка: рослый, с усадкой и ровный. Рослый сли­ток получается при вялом кипении, в результате чего сталь ока­зывается недораскисленной и недостаточно дегазированной. После достижения уровня металл, подпираемый газами, начинает подниматься, образуя рослую голову слитка (до 400—450 мм).

Рослая головка обогащена газовыми пузырями и вредными при­месями.

Переокисленная, перегретая сталь кипит очень бурно, под­нимается вверх и резко оседает, образуя у стен изложницы голе­нище. Внутренняя поверхность голенища окислена, не может свариваться с металлом и при прокате даст расслой. Слитки идут на неответственные назначения или в переплав.

При кипении стали в изложнице газовые пузыри выталки­вают ликваты к осевой части слитка и выносят их в головную часть. В результате в слитке кипящей стали наблюдается большее развитие ликвации, чем в слитке спокойной стали. Особенно вы­сокая ликвация наблюдается у вторичных пузырей в связи с тем, что именно ими осуществляется вынос металла, обогащенного вредными примесями и ликвирующими элементами и адсорбцией их у границы металл—газ.

В отличие от слитка спокойной стали в слитке кипящей стали не наблюдаются усы или Λ-ликвация, и отчетливо наблюдается V-ликвация.

Развитие ликвации в слитках кипящей стали можно оценить примерно следующими величинами неравномерности состава 6—8-слитка: до 200—250% С, 400—500% Р и до 600— 650% S.

Ликвация в кипящей стали повышается с увеличением массы слитка, температуры и скорости разливки, интенсивности и дли­тельности кипения.

Уничтожить явления ликвации в слитке кипящей стали не­возможно, однако уменьшение в металле концентрации вредных примесей, таких как сера и фосфор, смягчает проявление ликва- ционных явлений.

Так как ликвация усиливается с длительностью кипения, целесообразно ее регулировать прекращением кипения металла в изложнице. Для этого изложницу сверху закрывают крышкой, под которой создается повышенное давление выделяющихся га­зов, и реакция самораскисления стали заканчивается.

Преимуществом кипящей стали является отсутствие концен­трированной усадочной раковины в слитках, а также отсутствие неметаллических включений продуктов раскисления. Серьезным недостатком кипящей стали является чрезвычайно сильная нерав­номерность (ликвация) химического состава газов по продольному и поперечному сечению слитка.

Для сохранения преимуществ спокойной и кипящей стали и уменьшения недостатков одного и другого вида производят сталь полуспокойную. Раскисленность полуспокойной стали — промежуточная между спокойной и кипящей. Раскисление производится в такой степени, что сталь умеренно кипит в изложнице.

В результате слиток полуспокойной стали имеет характер структуры, похожий как на слиток спокойной (перераскисленный слиток г), так и на слиток кипящей стали (недораскисленный слиток а) (рис. 138, б, в).

Слитки полуспокойной стали

В слитках полуспокойной стали наряду с сотовыми пузырями обычно образуются небольшие усадочные полости в виде несколь­ких газовых раковин. Как правило, в полуспокойной стали сото­вые пузыри обычно формируются в верхней части слитка, вторич­ные пузыри отсутствуют. Степень ликвации в слитках полуспокойной стали значительно меньшая, чем в кипящей. Отсутствие концентрированной усадочной раковины уменьшает обрезь головной части до 5%, в связи с этим выход годных слябов увеличивается до 90—95%. Небольшой расход раскислителей удешевляет производство полуспокойной стали сравнительно со спокойной. В связи с этими преимуществами в последнее время замечается тенденция к увеличению производства полуспокойного металла.