Регион:

Разливка стали и ее ликвация

Разливка стали и ее ликвация

Выплавленную сталь необходимо извлечь из печей, чтобы превратить в полуфабрикат, пригодный для дальнейшей переработки в изделия. Поэтому сталь выпускают через разливочный ковш в специальные формы – изложницы. Одновременно из разливочного ковша отбирают пробу металла на анализ (ковшовая проба), результаты которого по основным примесям отражаются в сопроводительных документах. В результате затвердевания стали получают стальные слитки, которые затем подвергают вторичной переработке с целью получения продукции, пригодной для непосредственного использования или для изготовления конечных изделий.

По мере совершенствования производства и развития технического прогресса объем единичных плавок возрастал и для некоторых мартеновских печей, по данным Воскобойникова, может превышать 900 тонн, поэтому применяют системы разливки одновременно в несколько изложниц, но все равно возникают проблемы с качеством металла по сечению и высоте изложниц, связанные с проблемами неоднородного застывания слитка и ликвации.

Поскольку сталь – это раствор примесей различных элементов (нас интересует C, S, P и Mn), то процесс кристаллизации осуществляется в температурном интервале примерно в полторы сотни градусов – сначала кристаллизуются более высокоплавкие составляющие, затем более легкоплавкие. При этом состав кристаллов, образующихся в начале застывания, может существенно отличаться от состава последних порций маточного раствора. Такое явление неоднородности сплава, образующегося при кристаллизации слитка, и носит название ликвации.

В зависимости от места расположения, протяженности и объема в слитке различают микро- , макро- и местную ликвацию. К первой относят дендритную (или внутрикристаллическую) ликвацию, ко второй – зональную (прямую и обратную), к третьей - внеосевую, осевую V- образную и пятнистую. Происхождение дендритной (внутрикристаллической) ликвации видно из рис. 5.3, где изображен ход процесса кристаллизации стали. Он складывается из двух стадий – зарождения кристаллов и последующего их роста. Зарождающийся кристалл имеет правильно ограненную (или близкую к ней) форму, причем гранями кристалла являются плоскости с  наибольшей плотностью упаковки атомов. Однако сразу после зарождения кристалла правильный рост возникшего кристалла прекращается, и начинается преимущественный рост  его вершин, то есть ветвей дендрита. Связано это с т ем обстоятельством, что количество тепла и примесей сплава будет минимальным у вершин и максимальным у центра граней кристалла, что препятствует дальнейшей кристаллизации у граней. От вершин кристалла вырастают оси А первого порядка (стволы дендрита), на них перпендикулярно направленные оси m второго порядка (ветви), на которых аналогичным образом развиваются оси n третьего порядка и так далее. Появление все новых осей и их постепенное утолщение приводит к формированию сплошного кристалла (дендрита).

Скорость роста кристаллов определяется в первую очередь интенсивностью теплоотвода: чем больше скорость теплоотвода и чем больше переохлаждение металла, тем больше будет скорость роста. Необходимо иметь в виду высказанное выше замечание, что сталь – это раствор примесей в железе, и как в истинном растворе, образование твердой фазы идет для основного элемента и примесей неодинаково – сначала образуются оси кристаллов, обедненные примесями, а затем содержание последних в остающемся жидком металле возрастает. Поэтому содержание примесей в последующих осях дендрита возрастает.

Дендрит стали

Рис. 5.3. Схема дендрита, выросшего в условиях направленного теплоотвода.

По мере затвердевания слитка изменяется скорость теплоотвода, и в соответствии с этим различные зоны слитка имеют различную структуру. На рис. 5.4 приводится в качестве примера строение слитка спокойной стали. Слиток имеет следующие структурные зоны, отличающиеся формой кристаллов и их размерами: тонкая наружная корка из мелких равноосных кристалликов; зона вытянутых крупных столбчатых кристаллов; центральная зона крупных неориентированных кристаллов и зона мелких неориентированных кристаллов внизу слитка, имеющая конусообразную форму (конус осаждения).

Наружная зона образуется в момент соприкосновения жидкой стали с холодными стенками изложницы. Резкое переохлаждение металла вызывает образование  очень большого числа зародышей и их быстрый рост, в связи с чем кристаллы не успевают вырасти до значительных размеров и принять определенную ориентацию. Толщина мелкокристаллической корки невелика, поскольку охлаждение жидкого металла с большой скоростью длится очень недолго.

Строение стального слитка

Рис. 5.4. Строение стального слитка: 1 – поверхностный слой равноосных кристаллов; 2 – зона столбчатых кристаллов; 3 – центральная зона беспорядочно ориентированных равноосных кристаллов; 4 – усадочная раковина.

В дальнейшем условия теплоотвода изменяются, и формируется новая кристаллическая зона. Скорость теплоотвода становится поэтому значительно меньшей, но он остается однонаправленным (перпендикулярно стенкам изложницы), из-за этого главные оси образовавшихся кристаллов прекращают свой рост, если они не направлены перпендикулярно стенкам. Таким образом формируется зона столбчатых кристаллов, вытянутых параллельно направлению теплоотвода.

Наконец, в центральной зоне слитка направленный теплоотвод практически не ощущается, и, кроме того, затвердевающий здесь металл удален от всех стенок изложницы примерно на одинаковое расстояние.

Иное наблюдается при кристаллизации кипящей стали. При соприкосновении жидкой стали с холодными стенками изложницы начинается кристаллизация стали, и образуется плотная беспузырчатая корочка. Отсутствие пузырей в наружной корочке объясняется тем, что при ее образовании пузырьки СО могут легко удаляться из стали. Большая скорость кристаллизации и малое ферростатическое давление облегчают интенсивное выделение пузырьков газа, а нарастание корочки ровным фронтом и малый размер кристаллов делают маловероятным застревание пузырьков между ними. Толщина здоровой корочки может изменяться от 3 до 40 мм.

В дальнейшем, по мере ослабления интенсивности отвода тепла, начинается рост вытянутых кристаллов. Условия газовыделения ухудшаются, поэтому образование пузырьков замедляется, и часть их зарождается после того, как сформировались основные дендритные оси. Пузырьки, образовавшиеся в межосных пространствах дендритов, в дальнейшем растут как бы “зажатыми” между растущими вглубь слитка кристаллами и приобретают вытянутую (в виде сот) форму.

Зона сотовых пузырей простирается от низа слитка до уровня, соответствующего половине - двум третям его высоты. Отсутствие сотовых пузырей в верхней части слитка связано с лучшим газовыделением.

Длина сотовых пузырей определяется продолжительностью кипения стали в изложнице, изменяясь в пределах от 30 до 110 мм. Их рост прекращается после того, как произведена механическая закупорка слитка. Поэтому далее образуется зона плотного металла, и лишь в срединной части вновь появляются пузыри, вызванные тем, что давление газов в этой, пока еще жидкой зоне, превосходит ферростатическое давление. В нижней части слитка наблюдаются отдельные пузыри, в верхней части скопление пузырей значительно больше, они образуют головную рыхлость, которая в осевой части слитка может распространяться на глубину до 13% от высоты слитка. Усадочной раковины не образуется.

Структура химически закупоренного слитка кипящей стали несколько отлична. Сотовые пузыри в таком слитке недоразвиты, их длина значительно меньше, чем в механически закупоренном слитке, вторичных пузырей в слитке нет, лишь в головной части слитка наблюдается скопление пузырей и имеются усадочные полости. Полуспокойная сталь по степени раскисленности занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталями. Полуспокойную сталь раскисляют или марганцем и небольшим количеством кремния, или марганцем с небольшим количеством алюминия.

При кристаллизации полуспокойной стали выделяется лишь небольшое количество окиси углерода, кипение металла в изложнице идет менее интенсивно, чем при кристаллизации спокойной стали. В нормально раскисленном слитке полуспокойной стали (рис. № 5.5) сотовые пузыри расположены в верхней его части близко от поверхности.  Вторичных пузырей в слитке полуспокойной стали нет. В головной части слитка имеется большое количество пузырей и сравнительно крупных газовых раковин, образующихся вследствие скопления здесь углерода и кислорода.

Недостатком способа разливки стали в изложницы является значительная неоднородность слитка не только по структуре, но и по химическому составу.

Жидкая сталь представляет из себя однородный раствор углерода, кремния, марганца, фосфора, серы, а также кислорода и других газов в жидком железе, но содержание этих примесей в различных точках стального слитка неодинаково. Такая неоднородность в металлургии называется ликвацией. Объясняется ее появление тем, что коэффициенты разделения конкретных микроэлементов (а все эти примеси не что иное, как микроэлементы) между твердым телом и жидкостью отличны от единицы. У всех примесей коэффициенты разделения меньше единицы, но поскольку они различны, различна и степень ликвации, которая определяется по формуле:

C = (Cmax - Cmin)/Cæ * 100 %

где Сmax и Сmin - максимальное и минимальное содержание конкретного элемента в той или иной части слитка; Сæ - содержание элемента в жидкой стали.

Сотовые пузырьки в слитке стали

Рис. 5.5. Схема расположения сотовых пузырей в слитке полуспокойной стали.

Типы ликвации

Различают ликвацию двух видов: дендритную и зональную.

Дендритная ликвация - это неоднородность стали в пределах одного кристалла (дендрита), зональная – в пределах слитка. Наибольшей склонностью к дендритной ликвации обладают сера, фосфор и углерод, несколько меньшей - кремний, марганец. Величина дендритной ликвации, то есть различие между содержанием отдельных элементов в осях и межосных пространствах дендритов, достигает существенных значений; так, степень дендритной ликвации в трехтонном слитке составляет: серы - около 200%, фосфора - около 120%, углерода 60%, кремния 20%, марганца 15%.

Поскольку готовность стали к разливке определяется по результатам анализа ковшовой пробы, слишком большая величина слитка может привести к тому, что процесс кристаллизации стали будет протекать так медленно, что неоднородность полученного слитка по ликвации будет превышать допустимые пределы, и сталь пойдет в брак. Поэтому на пути увеличения размеров сталелитейного оборудованияэтот факт накладывает определенные ограничения.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

comments powered by HyperComments