Непрерывная разливки стали

Хотя эффект повышенной реакционной способности некоторых видов сталей был открыт еще в 1940 году, по крайней мере, два десятилетия на это открытие никто не обращал внимания. И лишь в 60-х годах прошлого века вновь встал вопрос о необычайной реакционной активности некоторых сталей, то есть вновь исследователи подтвердили наличие эффекта, который был назван в честь первооткрывателя эффектом Санделина.

Что же произошло?

Дело в том, что в 60-х годах наметилось коренное изменение технологии получения стальной продукции - предложен способ непрерывной разливки стали.  Заметим, что данный способ был предложен советскими специалистами. Он привел к заметному удешевлению производства, что в условиях рыночной конкуренции заставило ведущие металлургические компании осуществить техническое перевооружение своих производств. Естественно,  что процесс этот длительный, и само перевооружение заняло в целом не один десяток лет.

Непрерывная разливка стали, разработанная в начале 60- х годов, стала реальной альтернативой существовавшим до нее методам, поскольку снимаются ограничения на производительность сталеплавильного оборудования, кроме того, можно получать слитки достаточно малого размера, размер ликвации в которых уже существенно меньше. Процесс непрерывной разливки стали вкратце можно описать следующим образом.

Таблица  5.2.  Химический  состав  углеродистых  качественных сталей (ГОСТ 1050-88).

Таблица 5.3. Механические свойства проката из углеродистой качественной стали по ГОСТ 1050-88 диаметром (толщиной) не более 80 мм

Примечания:

1. Предел текучести σ, Н/мм²
2. Временное сопротивление разрыву, Н/мм².
3. Относительное удлинение, %.
4. Относительное сужение, %.

Жидкий металл выливается в промежуточное разливочное устройство, нижняячасть которой соединенас кристаллизатором. Кристаллизатор (рис. № 5.6) представляет из себя вертикально расположенную медную  прямоугольную трубу (как имеющую наибольшую теплопроводность), охлаждаемую водой. В начале разливки дно у кристаллизатора заткнуто “затравкой”, представляющей из себя металлическую штангу со съемной головкой, в которой предусмотрен паз типа “ласточкин хвост”. Попавший металл затвердевает внутри кристаллизатора и вытягивается за ласточкин хвост из него. В то же время слиток застыл еще не полностью, поэтому его можно изогнуть и перевести в горизонтальное состояние. Непрерывную полосу режут на мерные куски и отправляют на дальнейшую переработку. Схематически процесс непрерывной разливки стали изображен на рис. 5.7.

Рис. 5.6. Структура составного тонкостенного кристаллизатора для отливки непрерывных плоских слитков: 1 – стальная пластина; 2 – медная пластина; 3,4 – коллекторы воды.

Быстрое затвердевание слитка непрерывной разливки вследствие его малой толщины и повышенной скорости охлаждения ведет к получению металла с более мелкой кристаллической структурой и менее развитой химической неоднородностью. Слитки непрерывной разливки имеют также более чистую поверхность по сравнению со слитками, полученными разливкой в изложницы. За счет экономии металла (отсутствие усадочной раковины), огнеупоров и отказа от ряда дорогостоящего оборудования получаемая сталь оказывается заметно более дешевой, слитки более пригодны к дальнейшему переделу, процесс уже не накладывает ограничений на размер технологического металлургического оборудования.

Внедрение непрерывной разливки стали началось, как уже говорилось, в шестидесятых годах прошлого столетия. При этом, если в шестидесятом году на установках непрерывной разливки во всем мире было разлито 1,6 млн тонн стали, то в 1968 г. - уже 37,7 млн тонн (то есть почти в 25 раз больше, хотя от общего производства стали это были лишь проценты).

 Рис. 5.7. Возможности метода непрерывной разливки стали.

Особенно впечатляют успехи капиталистических стран. Например, в ФРГ рост доли стали непрерывной разливки вырос с 7,3% в 1969 г. до 38% в 1978 г. Характер изменения доли стали, полученной по новому методу в последующий период для некоторых других европейских стран, хорошо виден из рис. № 5.8, где приведены данные по изменению доли стали, полученной способом непрерывной разливки - с 1976 г по 1988 г. доля этой стали у большинства стран приблизилась к 100%. Обратим при этом внимание на то, что доля стали, производимой непрерывным методом, в Советском Союзе изменилась очень мало - всего на несколько процентов. Этот факт наглядно говорит об ущербном способе ведения социалистического хозяйства.

Почему же проблема эффекта Санделина при непрерывной разливке встала так остро? Дело в том, что способом непрерывной разливки можно разливать только т.н. “успокоенные” или “частично успокоенные” стали. Сталь, полученную мартеновским способом и содержащую большое количество растворенного кислорода, надо “успокоить”. Для этого в расплав необходимо добавить некоторое количество раскислителя (марганца, титана, алюминия, кремния), причем используются, в основном, первый и два последних. Выбор раскислителя определяется не только техническими (прочностными и ударными) свойствами материала, но и экономическими факторами также. Поскольку точно угадать количество раскислителя невозможно, количество оставшегося в стали кремния и алюминия “гуляет” в некоторых пределах.

Рис. 5.8. Темпы перехода различных стран на непрерывную разливку стали.

Использование алюминия в раскисленной стали приводит к улучшенным характеристикам на удар, если проведено тщательное удаление нитрида алюминия. Раскисленный кремнием материал, наоборот, имеет более хорошие характеристики на растяжение.

С точки зрения экономики - здесь наблюдается полное преимущество кремния. С его помощью можно просто и недорого увеличить прочность на растяжение и предел текучести при растяжении. При применении кремния в качестве раскислителя можно использовать более дешевую облицовку разливочного оборудования, поскольку вынос кремния из футеровки по сравнению с имеющимся в стали незначителен. Наоборот, при раскислении алюминием необходимо обращать внимание на качество футеровки и на количество кремния, из нее вымываемого.

Контроль качества раскисления алюминием является более критичным с точки зрения контроля, кроме того, раскисленная продукция без кремния должна иметь сечение не менее 140 кв. мм, в то время как при раскислении кремнием такие ограничения не действуют. Поэтому тонкостенная продукция изготавливается исключительно с использованием кремния в качестве раскислителя. Более толстые заготовки могут быть раскислены или алюминием, или кремнием. Наконец, еще одно преимущество раскисленных кремнием материалов состоит в том, что их поверхность не требует поверхностной обработки.

Классификация стали по степени раскисления примерно одинакова как для России, так и для Западных государств - имеется три категории стали по степени раскисления:

• кипящие стали - менее 0,03% кремния (в России менее 0,07%);
• полуспокойные стали - от 0,03 до 0,11% кремния (в России от 0,07 до 0,17%);
• спокойные (полностью раскисленные) стали. В России интервал от 0,17 до 0,37% кремния, в Западных странах - от 0,2 до 0,6% кремния.

Поскольку раскисление кремнием - процесс более дешевый, качество материала выше, технические характеристики выше и количество дефектов меньше, раскисление кремнием является преобладающим.

Проблема цинкования сталей

Для России в связи с переходом основной части металлургической отрасли на непрерывную разливку стали проблема является более острой, чем для стран Западной Европы и США. Не секрет, что производство низкоуглеродистой стали ориентировано на экспорт. Благодаря тому, что основные поставщики стали перешли на непрерывную разливку, то есть производительность труда приблизилась к таковой для стран Европы, но сырье и труд рабочих значительно более дешевы, в целом себестоимость российского металла и качество позволяют конкурировать с западными производителями на рынке. При этом, поскольку западные покупатели более осведомлены о существовании проблемы пика Санделина, они стремятся покупать стали с определенным содержанием кремния и фосфора в ней. Нам же остается то, что осталось. Таким образом, кому вершки, а кому корешки.

Поскольку основная задача цехов цинкования нашей страны – это цинкование давальческой продукции, то приходится цинковать то, что дают поставщики этой продукции, как правило, это мелкие и средние, очень редко достаточно крупные фирмы. Лишь в последнее время появились сообщения о том, что ставятся ванны (в основном, семиметровые) под цинкование собственной продукции. Мелкие и средние фирмы, как правило, оцинковывают не более 50 тонн продукции в месяц. Оптовые поставки трубной продукции и металлопроката в такие фирмы невозможны, эти фирмы покупают продукцию не у изготовителя продукции, а у дилеров. Таким образом, связь между изготовителем и потребителем отсутствует. Дилеры вообще не знают о существовании сталей Санделина. Поэтому вероятность того, что мелкая и средняя фирма купит металл с содержанием кремния в пике Санделина, для России весьма велика. Отсюда и постоянное с годами увеличение удельного расхода цинка на тонну продукции. Но стоит только поставить перед производителем требование продажи стали с требуемым содержанием кремния, получаются нормальные результаты в части удельного расхода цинка.

В заключение раздела приведем еще одно требование сегодняшнего дня. По мере того, как развивается технология строительства, требуются все более и более прочные, а также морозостойкие стали. Это стали с повышенным содержанием кремния (0,5-0,6%), что при цинковании дает толщину покрытия на них до 400 мкм и более. Сейчас накоплен лишь отрицательный опыт цинкования таких сталей, поскольку повышенная толщина покрытия приводит к его повышенной хрупкости. На Западе такая задача встала на несколько десятилетий раньше, поэтому и предложения по ее решению появились именно на Западе.

• Причины повышения реактивности сталей в зоне Санделина
• Производство оцинкованного швеллера
• Недостатки проектирования изделий при цинковании
• Разработка электрохимической технологии и наноструктурированных покрытий
• Плазменно-дуговое напыление