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 А1_аО₃; 5—20 Ре₂О₃; 15—27 MgO; 0,8—3,5 СаО; состав обож­женного перлита, %: 72—76 SiO₂; 13—15 Al₂O₃ 3—9 (К₂О + Na_aO), 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.