Особенности разливки спокойной стали
Лекция №5 Особенности разливки спокойной стали
Спокойную сталь разливают и сифоном и сверху, как правило, в изложницы, расширяющиеся кверху с прибыльными надставками.
Технология разливки
При разливке сверху струя металла должна быть направлена строго по центру изложницы. Во избежание разбрызгивания металла при ударе о дно изложницы разливку начинают медленно при неполностью открытом стопоре. После образования «подушки» жидкого металла разливку ведут полной струей. Скорость разливки при этом определяется диаметром разливочного стакана (40-55мм). Прибыльную часть слитка заполняют медленно, что способствует выводу усадочной раковины в прибыль.
Скорость разливки сверху до недавнего времени выбирали в пределах 0,3—1,1 м/мин. В последние годы для сталей не склонных образованию продольных трещин внедряют скоростную разливку (до 4,5 м/мин - стакан диаметром 80мм). Длительность наполнения тела слитков массой от 2 до 20 т составляет 0,5—8 мин.
При сифонной разливке низ изложницы также заполняют медленно. В дальнейшем скорость разливки регулируют в зависимости от вида поверхности металла в изложнице. Обычно на поверхности металла образуется окисленная корка, завороты которой у стенок изложницы — серьезный дефект слитка. Образование и рост корки интенсифицируются при малой скорости разливки, недостаточной температуре металла и в особенности при наличии в стали легкоокисляющихся элементов (алюминия, титана, хрома). Для предотвращения заворотов корки разливку стараются вести с «чистым зеркалом» или так, чтобы между коркой и стенкой изложницы был рант жидкого металла. При разливке сталей, содержащих алюминий, титан повышенное количество хрома, избежать заворотов корки путем увеличения скорости разливки обычно не удается н применяют специальные методы защиты поверхности металла от окисления.
Величина скорости разливки стали сифоном обычно находится в пределах 0,15—0,7 м/мин. Прибыльную часть слитка, как и при разливке сверху, наполняют замедленно. Длительность наполнения тела слитков массой от 1 до 13 т изменяется в пределах от 1,5 до 9 мин.
После окончания разливки слитка спокойной стали поверхность металла в прибыльной надставке засыпают экзотермическим или теплоизолирующими смесями. Состав с изложницами с затвердевающими в них слитками выдерживают в разливочном пролете без движения от 30 мин до 2 ч (в зависимости от марки стали и массы слитка). Необходимость длительной выдержки до начала транспортировки вызывается тем, что при сотрясении кристаллизующегося слитка резко усиливается внеосевая (зональная) ликвация.
Защита металла в изложнице от окисления
Для предотвращения образования и заворота корки при сифонной разливке спокойной стали, а иногда и при разливке сверху применяют следующие способы защиты поверхности металла в изложнице от окисления и охлаждения.
Разливка под слоем жидкого шлака. На поверхности поднимающегося в изложнице металла создают слой жидкого шлака, который защищает сталь от окисления и охлаждения, что исключает образование окисленной корочки. Шлак также поглощает частицы окислов, всплывающие из металла. Помимо этого, в результате прилипания шлака к стенкам изложницы между ними и поднимающимся металлом остается тонкая (1—3 мм) шлаковая прослойка, что обеспечивает получение чистой поверхности слитка. В последующем шлаковая рубашка легко отделяется от затвердевшего слитка. Улучшение поверхности слитка существенно снижает отходы металла при зачистке поверхности слитка и прокатанной заготовки. При этом отпадает необходимость в смазке стенок изложницы каменноугольной смолой или лаком. Наличие слоя шлака на зеркале жидкого металла позволяет снизить потери тепла излучением. После окончания разливки жидкий шлак служит изолирующей и утепляющей прибыль средой, что приводит к улучшению макроструктуры слитка.
Рекомендуемые материалы
Способы наведения шлака:
1. Шлак, заливаемый в изложницу. Шлак выплавляют в специальной шлакоплавильной печи и заливают в изложницу после подъема металла на высоту 150—200 мм; расход шлака составляет 5—10 кг/т стали. Обычно применяют шлаки системы Si02—CaF2—CaO—А1203 с высоким содержанием Si02 (30 — 40 %) и CaF2 (30—45 %). Иногда в состав шлаков вводят Na2O, MgO, ТiO2.
Вследствие сложности в высокой стоимости этот способ применяют лишь при разливке высоколегированных сталей, содержащих легкоокисляющиеся элементы.
2. Шлак, образуемый экзотермическими смесями и брикетами. Экзотермические смеси вводят в изложницу в бумажных мешках или в виде брикетов до начала разливки; сгорая и расплавляясь они образуют жидкий шлак.
В состав экзотермических смесей входят окисляющиеся компоненты (порошок алюминия, магния, силикокальция, сплава алюминий—магний), окислители (натриевая селитра Na2NO3, марганцевая руда) и наполнители или шлакообразующие (жидкое стекло, плавиковый шпат, печной шлак и др.). Горючие компоненты смеси окисляются за счет кислорода окислителей с выделением тепла, которое обеспечивает шлакообразование. Наполнители обеспечивают получение шлака нужного состава (достаточно легкоплавкого и жидкоподвижного) и, кроме того, замедляют горение смеси.
По скорости горения экзотермические смеси разделяют на быстро и медленносгорающие. Первые содержат магний и селитру, и сгорают с образованием шлака в течение 20—40с; вторые, без магния и селитры сгорают и расплавляются за время наполнения изложницы на 1/3 высоты. Брикеты сгорают полностью лишь в конце наполнения изложницы.
Состав одной из быстросгорагощих смесей, %: порошок сплава алюминий—магний 6, алюминиевый порошок 11, натриевая селитра 10, марганцевая руда 20, плавиковый шпат 23, силикатная глыба 20, доменный шлак 10. Состав брикетов одного из отечественных заводов, %: алюминиевый порошок 5; силико кальций 20; плавиковый шпат 20; марганцевая руда 17; силикатная глыба 23; жидкое стекло 15.
Расход смесей и брикетов составляет 2,5—6 кг/т стали. Вследствие дороговизны их используют при разливке легированных и высококачественных сталей.
Разливка под теплоизолирующими смесями и материалами. При разливке углеродистых и низколегированных сталей, не содержащих легкоокисляющихся элементов применяют более дешевые, чем экзотермические смеси материалы —малотеплопроводные неплавящиеся и частично плавящиеся. К первым относятся диски и плиты, получаемые прессованием из слюды, асбестита, графито-опилочной смеси и др. Диски во время заполнения изложницы плавают на поверхности поднимающегося металла.
Более широкое применение нашли частично плавящиеся смеси: зольно-графитовая, перлито-графитовая и вермикулито-графитобая, содержащие 12—30 % графита, а также чистый вермикулит (минерал типа гидрослюд). Зольно-графитовая смесь содержит золу тепловых электростанций, основу которой составляют SiO2 и А12О3.
Вермикулит и перлит — природные минералы; обожженный вермикулит содержит, %: 35—40 SiO2; 13—20 А1аО3; 5—20 Ре2О3; 15—27 MgO; 0,8—3,5 СаО; состав обожженного перлита, %: 72—76 SiO2; 13—15 Al2O3 3—9 (К2О + NaaO), остальное окислы железа и СаО.
Смеси или вермикулит загружают на дно несмазанных изложниц в бумажных мешках. При соприкосновении с жидким металлом смесь подплавляется и образует вязкий шлак, не налипающий на стенки изложницы; верхняя нерасплавившаяся часть смеси выполняет роль теплоизолятора. Графит в смесях предотвращает их спекание и налипание на стенки изложницы.
Расход зольно-графитовой смеси составляет 2—3,5, перлито- и вермикулито-графитовых 1,0—1,5, вермикулита 1,5—2,5 кг на 1 т стали.
Защита струи металла аргоном. На центровую устанавливают специальное кольцевое устройство, соединяемое с днищем сталеразливочного ковша и охватывающее во время разливки струю металла. В кольцевую полость подают аргон, предохраняющий металл от окисления. Готовая сталь при этом содержит пониженное количество кислорода и неметаллических включений. Из-за сложности способ применяется только при разливке сталей, содержащих легкоокисляющиеся элементы.
Разливка с использованием материалов, создающих в изложнице восстановительную атмосферу. Сюда относят ряд способов, из которых наибольшее применение находят разливка с деревянными рамками и разливка с петролатумом.
1. Разливка с деревянными рамками. Деревянные рамки или диски опускают в изложницу до начала разливки. В дальнейшем они сгорают, плавая на поверхности поднимающегося металла. Продукты сгорания дерева создают в изложнице восстановительную атмосферу, что способствует получению более чистой поверхности слитка.
Недостаток способа —быстрое сгорание дерева, заканчивающееся раньше окончания заполнения слитка.
2. Разливка с петролатумом. Петролатум (побочный продукт перерабатки нефти) загружают в количестве 0,2—1,0 кг/т в несмазанную изложницу до начала разливки, а изложницу плотно закрывают крышкой. При соприкосновении с жидким металлом петролатум частично возгоняется, частично сгорает, что создает в изложнице восстановительную атмосферу и предохраняет металл от окисления. Возгоны осаждаются на стенках изложницы, создавая слой смазки, это обеспечивает улучшение поверхности слитка.
Хорошие результаты получены при совместном использовании петролатума и вермикулита, которые загружают в изложницы до начала разливки.
Специальные методы теплоизоляции и обогрева верха слитка
Наряду с применением футерованных прибыльных надставок в сочетании с засыпкой верха слитка теплоизолирующими смесями используют ряд других способов снижения величины головной обрези верха слитков спокойной стали.
1. Применение теплоизоляционных, вкладышей. Вкладыши в виде пластин закрепляют у стенок прибыльной надставки или же в верхней части изложницы вдоль ее стенок, В последнем случае изложницы применяют без прибыльных надставок.
Наиболее часто вкладыши изготовляют из песка с добавкой бумаги, отходов целлюлозного производства, глины и ряда связующих, иногда из асбестита со связующими и др. Обычно вкладыши применяют в сочетании с засыпкой верха слитка экзотермическими смесями.
Благодаря низкой теплопроводности вкладышей охлаждение металла в прибыльной части изложницы происходит медленнее, чем при использовании обычных прибыльных надставок; это уменьшает глубину усадочной раковины в слитке и обрезь металла при прокатке. В последние годы вкладыши применяют все шире, поскольку при относительной дешевизне их использование снижает величину головной обрези на 2—5 %.
2. Применение экзотермических вкладышей. Вкладыши выполняют из экзотермических смесей в виде пластин. Их укрепляют у стенок верхней части изложницы или в прибыльной надставке; иногда прибыльную надставку обмазывают изнутри экзотермической массой. Экзотермические смеси, из которых на связке (жидкое стекло) готовят вкладыши, содержат горючее вещество (алюминий), окислитель (окалину) и нейтральные наполнители (шамот, глину, вермикулит). При контакте с горячим металлом алюминий окисляется за счет кислорода окислителя и при этом выделяется тепло. В результате обогрева уменьшается глубина проникновения в слиток усадочной раковины и снижается головная обрезь на 5—8 %.
Стоимость экзотермических вкладышей сравнительно высока и их применяют лишь при производстве дорогостоящих высококачественных и легированных сталей.
3. Электродуговой обогрев. В прибыльную надставку вводят графитовый электрод, устанавливая его над поверхностью металла. После зажигания дуги на поверхность металла в надставке засыпают шлакообразующую смесь {например из шамота, извести и плавикового шпата). Образующийся шлак повышает устойчивость горения дуги и предохраняет металл от науглероживания материалом электрода. Длительность обогрева слитков от 0;5 до 8 т изменяется в пределах 0,5—2,2 ч. Способ позволяет повысить выход годного на 5—8 % при расходе электроэнергии 15—40 кВт-ч на 1т стали.
4. Газовый обогрев. После наполнения слитка в прибыльную надставку засыпают шлаковую смесь и над поверхностью металла устанавливают газокислородную горелку. Обогрев в течение 15 — 20 мин за счет сжигания природного или коксового газа в кислороде позволяет повысить выход годного металла на 6—8 %. Шлак, получающийся при расплавлении шлаковой смеси в надставке, предохраняет металл от окисления.
5. Электрошлаковая подпитка. Поверхность металла в прибыли покрывают шлаком, состоящим из CaO, CaF2 и А12О3, который обладает электропроводностью, и в то же время большим электросопротивлением. В шлак сверху погружают электрод из стали того же состава, что и отливаемый слиток. При прохождении электрического тока от электрода к металлу через шлак, последний сильно нагревается, электрод плавится и капли металла через шлак поступают в головную часть слитка. Таким образом происходит не только обогрев головной части слитка, по и питание усадки слитка металлом плавящегося электрода. Способ позволяет получать слитки без усадочной раковины и увеличить выход годного металла на 15 % и более.
Осуществить газовый и электродуговой обогрев, а также электрошлаковую подпитку в условиях массового производства сложно и затруднительно. Поэтому их чаще применяют при производстве дорогих высоколегированных сталей, когда это оказывается экономически целесообразным.
Особенности разливки кипящей стали
Кипящую сталь разливают и сифоном, и сверху в уширяющиеся книзу сквозные изложницы. в обоих случаях для предотвращения заплесков металла на стенки изложницы и образования плен на нижней поверхности слитков стопор открывают плавно и нижнюю часть изложницы заполняют медленно. В дальнейшем скорость наполнения изложницы при разливке сверху определяется диаметром стакана сталеразливочного ковша, а при разливке сифоном — сечением каналов сифонного кирпича. При сифонной разливке перегретой стали и при чрезмерной ее окислениости могут происходить выплески металла из центровой. В этом случае в центровую для дополнительного раскисления вводят небольшие количества алюминия. При разливке кипящей стали важным фактором является скорость подъема металла в изложнице, определяющая толщину здоровой корки в слитке. При сифонной разливке эта скорость обычно находится в пределах 0,2—0,6 м/мин, что обеспечивает достаточную толщину здоровой корочки в слитке (15—40 мм). Разливку сверху с целью сокращения ее общей продолжительности вынуждены вести со значительно большими скоростями, в результате чего уменьшается толщина здоровой корочки. Скорость разливки сверху без интенсификаторов кипения обычно составляет 0,5—1,0 м/мин и при скорости около 1,0 м/мин получают здоровую корочку минимально допустимой толщины (8—10 мм). Продолжительность отливки слитков массой 5—20 т при разливке сифоном составляет 5—12, при разливке сверху 2—4 мин.
После окончания наполнения изложницы металл в ней некоторое время кипит, а затем для уменьшения развития химической неоднородности кипение прекращают, применяя механическое или химическое закупоривание слитка. Состав с изложницами выдерживают у разливочной площадки до начала транспортировки не менее 20 мин.
Механическое закупоривание. Кипение в изложнице продолжается до тех пор, пока у ее стенок затвердеет слой металла, достаточный для укладки на него крышки. Толщина этого слоя составляет около 1/6 толщины слитка (60-100мм), а время кипения 7—15 мин. Затем на поверхность металла укладывают массивную металлическую крышку, вызывающую охлаждение и замораживание верха слитка, в результате чего прекращается кипение. Крышки снимают со слитка через 20—30 мин после закупоривания.
Химическое закупоривание. Как показал опыт, механическое закупоривание обеспечивает удовлетворительное качество слитков массой менее 6—8 т. В более крупных слитках из-за длительного кипения (7—15 мин) ликвация развивается столь сильно, что для удаления скоплений вредных примесей требуется существенное увеличение головной обрези при прокатке. Поэтому в последние годы, особенно в связи с увеличением массы отливаемых слитков, вместо механического закупоривания применяют химическое.
При химическом закупоривании для прекращения кипения и ускорения застывания верха слитка в изложницу вводят раскислители. Используют алюминий (гранулированный, жидкий) и иногда ферросилиций (в виде кусков размером 4—30мм), которые дают на поверхность металла через 1—1,5 мин после окончания наполнения изложницы. Лучшие результаты дает применение алюминия, расход которого на закупоривание изменяется в пределах 100—800 г на 1т стали и увеличивается при снижении содержания углерода и марганца в стали. Закупоривание производят присадкой алюминия на зеркало металла непосредственно после окончания заливки изложницы. Алюминий дается в виде дроби или жидким. При недостаточном количестве алюминия верхняя часть слитка получается рослой (выпуклой с прорывами металла), а при избыточном в ней образуется концентрированная усадочная раковина. В обоих случаях возрастает головная обрезь, что нежелательно. Признаком правильно выбранного расхода алюминия служит выпуклая гладкая поверхность слитков без прорывов жидкого металла.
При химическом закупоривании алюминием вследствие уменьшения ликвации головная обрезь крупных слитков кипящей стали составляет 4—8 % вместо 8—13 % при механическом закупоривании.
Применение интенсификаторов кипения. Как показал опыт, уровень окисленности кипящей стали, при ее выплавке существующими методами таков, что ее можно разливать со скоростью подъема металла в изложнице не более 1 м/мин, поскольку при большей скорости толщина здоровой корочки слитка получается недостаточной (<8—10 мм). В последние годы в связи с недостаточной пропускной способностью разливочных отделений сталеплавильных цехов скорости разливки вынуждены увеличивать; в этом случае для увеличения толщины здоровой корочки в изложницу при разливке вводят интенсификаторы кипения — порошкообразные смеси, содержащие окислы железа и способные легко передавать кислород этих окислов жидкой стали. Вследствие увеличения окисленности стали повышается интенсивность ее кипения, что обеспечивает утолщение здоровой корочки.
В состав интенсификаторов кипения входят, %: прокатная окалина 70—85, плавиковый шпат 5—20, кальцинированная сода 0—10, натриевая селитра 0—12, коксик 0—13. Смеси в виде порошка даются на струю с начала заливки изложницы и прекращается их подача за 10—20 с до конца наполнения. Расход смеси составляет 200—850 г на 1 т стали, возрастая при увеличении содержания в ней углерода.
Наличие в смеси легко диссоциирующих или испаряющихся веществ позволяет получить многочисленные пузырьки газов, которые служат зародышами для последующего выделения СО. Добавка плавикового шпата способствует быстрому расплавлению смеси и ее распределению в объеме металла. В ряде случаев при разливке низкоуглеродистой стали в смесь добавляют также порошок графита.
Толщина здоровой корочки для различных марок кипящей стали, отлитой с применением смеси, составляет 10—20 мм. Повышенной загрязненности стали неметаллическими включениями в результате добавки смесей не отмечается.
Применение интенсификатора кипения позволяет получать здоровую корочку достаточной толщины при увеличении скорости разливки до 2,0—2,5 м/мин.
Лекция "Рабочая программа дисциплины" также может быть Вам полезна.
Действенным средством увеличения толщины беспузыристой корочки является обдув струи стали при разливке кислородом. Так, при расходе кислорода в количестве 1,4—1,5 м3/мин удалось увеличить толщину корочки в 9-т слитке кипящей стали на 8—11 мм.
Ускоренная разливка стали может привести к образованию горячих трещин в слитке. С целью предотвращения этого дефекта при скоростной разливке обычно используют ребристые изложницы. В этом случае за счет развитой поверхности охлаждения здоровая корочка нарастает быстрее, а волнистая форма и наличие ребер упрочняют ее. Однако стойкость таких изложниц несколько хуже, а эксплуатация сложнее.
В целом скоростная разливка кипящей стали не только обеспечивает повышение производительности сталеплавильных цехов, но также позволяет снизить температуру стали на 10—15 °С, повысить стойкость сталеразливочных ковшей и, что наиболее существенно, приводит к улучшению поверхности слитка и снижению брака по поверхностным дефектам.
Скоростная разливка. В последние годы на ряде заводов освоена разливка химически закупориваемой и полуспокойной сталей со скоростью наполнения изложниц до 4—5 м/мин. При разливке кипящей стали со столь большой скоростью подъема металла в изложнице пузыри начинают формироваться у самой поверхности слитка, а благодаря быстрому закупориванию они не успевают вырасти до значительных размеров. Получается слиток без здоровой корочки с мелкими подкорковыми пузырями. Тонкий наружный слой металла с пузырями окисляясь при нагреве слитка под прокатку переходит в окалину и поверхность проката получается без дефектов, несмотря на отсутствие здоровой корочки.
Технология разливки полуспокойной стали
Полуспокойную сталь разливают как сифоном, так и сверху в сквозные расширяющиеся книзу или в бутылочные изложницы. Хорошие результаты дает применение скоростной разливки сверху с линейной скоростью подъема металла не менее 1,5 м/мин. В этом случае за счет быстрого роста ферростатического давления возможно подавить или по крайней мере ослабить процесс образования подкорковых пузырей. Если глубина их залегания не превышает 3—4 мм, они удаляются вместе со слоем окалины, образующимся при нагреве слитков, и не ухудшают поверхности проката.
Полуспокойную сталь разливают как в бутылочные, так и в сквозные уширяющиеся книзу изложницы. Последние получили большее распространение как более удобные в эксплуатации. Температура разливки полуспокойной стали зависит от ее марки и способа разливки, однако она обычно несколько ниже, чем для кипящей.