Разливка стали и строение слитка

Выплавленную в плавильной печи сталь выпускают в сталеразливочный ковш и мостовым краном переносят к месту разливки в слитки. Емкость ковша обычно определяется емкостью плавильной печи и составляет от 5 до 350 т. Сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы установок для непрерывной разливки. Изложницы представляют собой чугунные формы для получения слитков различного сечения. Масса слитков для проката обычно равна 10—12 т, а для поковок достигает 250—300 т.

Для разливки стали в изложницы применяют два способа: сверху и сифоном снизу (рис. 2.7). При разливке сверху сталь подают ковшом в каждую изложницу отдельно. При такой разливке поверхность слитков вследствие попадания брызг жидкого металла на стенки изложницы может быть загрязнена корольками (каплями затвердевшего металла) и пленками оксидов. При сифонной разливке сталью заполняют одновременно от 2 до 60 установленных на поддоне изложниц через центровой литник и каналы в поддоне. В этом случае сталь поступает в изложницы снизу, что обеспечивает плавное, без разбрызгивания их заполнение. Поверхность слитка получается чистой, сокращается время разливки. Но при этом способе разливки получается удлиненная усадочная раковина вследствие того, что последние порции горячего металла поступают снизу.

Рис. 2.7. Разливка стали в изложницы: а — сверху; б — снизу (сифоном) 1 — ковш; 2 — металл; 3 — центровой литник; 4 — изложницы; 5 — поддон; 6 — надставка для утепления прибыли

Непрерывная разливка стали производится на машинах непрерывной разливки стали МНРС (рис. 2.8). Жидкую сталь из ковша через промежуточное устройство непрерывно заливают сверху в водоохлаждаемую изложницу без дна (кристаллизатор), из нижней части которой с помощью валков со скоростью 1—2,5 м/мин вытягивают затвердевающий слиток. На выходе из кристаллизатора слиток охлаждают водой, он окончательно
затвердевает и попадает в зону резки, где его разрезают газовым резаком на куски определенной длины. Благодаря непрерывному питанию и направленному затвердеванию в слитках, полученных на МНРС, отсутствуют усадочные раковины. Поэтому выход годных заготовок может достигать 96—98 % массы разливаемой стали, поверхность получаемых слитков отличается хорошим качеством, а металл слитка — плотным и однородным строением.

Рис. 2.8. Схема машины непрерывной разливки стали 1 — ковш; 2 — водоохлаждаемый кристаллизатор; 3 — зона охлаждения; 4 — тянущие валки; 5 — резак; 6 — кантователь для укладки слитков на тележку

В зависимости от способа разливки структура слитка может иметь различное строение (рис. 2.9). В общем случае в ней можно выделить три зоны. Внешняя часть слитка состоит из мелких неориентированных зерен, формирующихся в начальный момент затвердевания, когда металл, соприкасаясь с холодными стенками формы, охлаждается в тонком слое с весьма большой скоростью. После образования внешней мелкозернистой зоны условия затвердевания металла меняются: скорость охлаждения уменьшается, отвод тепла становится направленным (перпендикулярно к стенкам формы), зерна приобретают столбчатый вид. Внутренняя часть слитка — зона крупных равновесных зерен — формируется в условиях равномерного охлаждения жидкого металла. Здесь зерна зарождаются и растут без определенного направления. В процессе затвердевания объем жидкого металла уменьшается, поэтому в слитке образуется усадочная раковина. Она расположена в верхней части слитка, где затвердевают последние порции металла, а под ней на некоторую глубину протягивается усадочная рыхлота.

Структура, показанная на рис. 2.9, а, образуется при кристаллизации спокойной стали, которую получают при полном раскислении металла в печи и ковше. Такая сталь затвердевает без выделения газов, поэтому слиток имеет плотное строение, а усадочная раковина концентрируется в верхней части.

Рис. 2.9. Строение стальных слитков спокойной (а) и кипящей (б) стали 1 — усадочная раковина; 2 — зона мелкозернистых кристаллов; 3 — зона столбчатых кристаллов; 4 — зона крупнозернистых кристаллов

На рис. 2.9, б показана структура слитка кипящей стали. Выделение газов в ней происходит при затвердевании слитка, поэтому образуется не концентрированная усадочная раковина, а большое количество рассредоточенных газовых пузырей. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений и обладает высокой пластичностью. Листовой прокат, получаемый из низкоуглеродистой кипящей стали, широко применяется при изготовлении деталей холодной обработкой давлением, так как он имеет высокую пластичность.

Стальные слитки неоднородны по химическому составу. Химическая неоднородность, или ликвация, возникает вследствие уменьшения растворимости примесей в железе при его переходе из жидкого состояния в твердое. Ликвация бывает двух видов— дендритная и зональная. Дендритной ликвацией называется неоднородность стали в пределах одного кристалла (дендрита) — по направлениям его центральной оси, ветвей и в приграничных зонах. Например, при кристаллизации стали содержание серы на границах зерен по сравнению с содержанием ее в их центре увеличивается в 2 раза, фосфора — в 1,2 раза, а углерода уменьшается почти наполовину. Зональная ликвация — неоднородность состава стали в различных частях слитка. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы, фосфора и углерода увеличивается в несколько раз, в нижней части — уменьшается. Зональная ликвация приводит к браку металла вследствие отклонения его свойств от заданных, поэтому верхнюю прибыльную часть слитка при прокатке отрезают.