Улучшение структуры корковой зоны верхней части слитка полуспокойной стали

Улучшение структуры коркового слоя верхней части слитка можно достичь либо путем значительного уменьшения размеров и количества пузырей, чтобы удалить их с окалиной без образования дефектов на заготовке, как это происходит для остальной части раската нормального слитка, либо путем увеличения толщины здоровой корки до размеров, исключающих возможность вскрытия пузырей при нагреве и прокатке слитков.

Для решения этой задачи были использованы средства теплофизического (применение изложниц с «полузакрытым верхом») и химического (дополнительное раскисление головной части слитка) воздействия на верхнюю часть кристаллизующегося слитка полуспокойной стали.

Разливка в изложницы с «полузакрытым верхом» (ИПВ). При разливке полуспокойной стали в бутылочные (I) изложницы было установлено их преимущество по сравнению с обычными (II) для снижения величины головной обрези (в скобках приведены средние значения):

Однако как показано ранее, неоднократные попытки промышленного внедрения бутылочных изложниц на отечественных заводах не увенчались успехом. Поэтому были предложены изложницы с «полузакрытым верхом» (рис. 27), отличающиеся от бутылочных вдвое большим сечением горловины.

Предполагалось, что использование таких изложниц позволит свести к минимуму затруднения, характерные для эксплуатации бутылочных изложниц, и в то же время реализовать такое преимущество последних, как уменьшение «утяжки» в головной части слитка. Предполагалось также, что увеличение массы верхней части изложниц будет способствовать ускорению кристаллизации головной части слитка, а следовательно, уменьшению размеров газовых пузырей в ее корковом слое.

Наиболее полное исследование ИПВ и отработка технологии разливки полуспокойной и кипящей стали в такие изложницы были выполнены на заводе «Азовсталь». В окончательном варианте площадь верхнего сечения «в свету» для ИПВ составляет 0,187 м2 (рис. 27), т. е. примерно в два раза меньше, чем для применявшихся на заводе обычных сквозных изложниц (рис. 27, а).

Высота пирамидальной (заполняемой металлом) части изложницы составляет 0,3 м. При ее выборе стремились обеспечить минимальную «утяжку» в головном торце раската, а также плавное уменьшение площади поперечного сечения слитка.

Высота призматической (не заполняемой металлом во время разливки) части изложницы составляет 0,15 м. Этот размер выбран с учетом возможности некоторого роста слитков после конца их отливки.

Разливку металла производят сифонным способом в сквозные уширенные книзу изложницы, установленные на восьмиместных поддонах, па слитки массой 7,4—7,8 т. Линейная скорость наполнения изложниц металлом составляет 0,25—0,45 м/мин.

При разливке нормально и недостаточно раскисленной полуспокойной стали продолжительность искрения металла после наполнения изложниц нового типа оказалась на 5—10 с меньше, чем для обычных изложниц, вследствие более быстрой герметизации жидкой стали затвердевшей корочкой. Продолжительность искрения металла опытных и сравнительных слитков перераскисленной полуспокойной стали была одинаковой (до 10 с).

При разливке стали Ст.3пс в ИПВ содержание кислорода в пробах газа над зеркалом металла оказалось в среднем на 3,4% (14,2 против 17,6%) ниже, чем в обычных, что, по-видимому, обусловлено меньшим поступлением атмосферного кислорода во внутреннюю полость ИПВ вследствие уменьшения размеров горловины.

Газонасыщенность полуспокойной стали практически не зависит от типа изложниц. Однако в связи с некоторым уменьшением вторичного окисления зеркала металла при разливке в ИПВ содержание растворенного кислорода в жидкой стали незначительно снижается.

Температура жидкой стали по мере наполнения изложниц обоих видов (замеры проводили начиная от 250—300 мм до заданного уровня налива вплоть до закрытия стопора) была практически одинаковой (1508—1523°С для ИПВ и 1508—1528° С для обычных изложнии). Однако после наполнения в ИПВ отмечается более интенсивное остывание металла: через 2—3 мин разность температур стали на расстоянии 80 мм от зеркала металла по центру в ИПВ и обычной изложнице составляет 10—15 град.

Исследование с применением изотопа фосфора Р-32 показало, что через 12 с после закрытия стопора толщина слоя металла, затвердевшего у стенок ИПВ, оказалась значительно больше, чем в обычной изложнице (табл. 19). При вводе изотопа через 4,5 мин разности температур не зафиксировано, однако толщина «моста» в опытном слитке больше.

Различие в температуре жидкой стали и толщине затвердевшего слоя обусловлено, видимо, более интенсивным отводом тепла в верхней части ИПВ вследствие увеличения ее охлаждающей массы (толщины стенок). Однако существенное различие в скорости кристаллизации имеет место, вероятно, лишь до образования зазора между слитком и стенками изложницы, после чего кристаллизация резко замедляется и влияние на нее массы стенок изложницы становится незначительным. Обычно зазор образуется не позднее третьей минуты после окончания разливки. Расчетами по методике В.А. Ефимова установлено, что вследствие меньшей площади поперечного сечения и увеличения скорости кристаллизации зазор в верхней части ИПВ образуется раньше.

Исследования подтвердили, что при разливке нормально раскисленной и недораскисленной полуспокойной стали в изложницы с «полузакрытым верхом» пузыри в корковой зоне головной части слитка имеют меньшие размеры, чем при отливке в обычные изложницы; в слитках перераскисленной стали, когда пузыри вообще невелики, существенного различия не наблюдается.

В табл. 20 приведены размеры пузырей в корковой зоне, оцененные по угловым темплетам слитков одних и тех же плавок.

Слиток полуспокойной стали, отлитый в ИПВ, характеризуется удовлетворительной макроструктурой, рассредоточенной усадочной раковиной и толстым «мостом» над ней (рис. 28).

Уменьшение размеров пузырей в головной части слитков нормально и недостаточно раскисленной полуспокойной стали из ИПВ объясняется ускоренным затвердеванием периферийного слоя металла в первые минуты кристаллизации (до образования зазора).

Степень развития химической неоднородности в слитках полуспокойной стали при использовании новых изложниц практически не изменилась. Однако область повышенных концентраций ликвирующих элементов располагается ниже (на горизонтах, соответствующих 21—25% от верха), чем в обычных слитках (16—21%).

Обтекаемая форма головной части новых слитков удобна для прокатки на обжимном стане в связи с лучшими условиями захвата валками, что определяет различие формы головных концов раскатов новых и обычных слитков (рис. 29). Последние в продольном сечении имеют осевое нарушение сплошности, являющееся следствием «утяжки». Головные торцы раскатов опытных слитков в большинстве случаев ровные или овальные, без трещин и разрывов. Как видно из рис. 29, дефектами было поражено на сравнительном слитке около 2,0%, а на опытных — менее 1% длины раската.

Учитывая, что в некоторых случаях дефекты, связанные с «утяжкой», имеют место не по оси раскатов, была изучена макроструктура поперечных проб (75х75 мм), отобранных от раскатов опытных слитков на горизонтах 1,2, 3 и 5% от головного торца. Дефекты макроструктуры, связанные с «утяжкой», в раскатах опытных и сравнительных слитков отсутствовали на горизонтах, соответствующих 2 и 3%. Это позволило снизить минимальные нормы головной обрези при переходе на новые изложницы на 1 % (с 3 до 2%).

Однако нередко размер головной обрези определяется не только «утяжкой», но и другими дефектами, например грубыми рванинами, рыхлостью (усадкой), рослостью и т. д.

Опытно-промышленное опробование ИПВ показало, что снижение головной обрези при их использовании составляет при прокатке слитков нормально и недостаточно раскисленной полуспокойной стали соответственно 0,7 и 1,2%, причем в первом случае в основном в результате уменьшения дефектов, связанных с «утяжкой», а во втором — уменьшением рванин от вскрывшихся пузырей. Для перераскисленной полуспокойной стали экономии металла не получено.

He установлено влияния типа изложниц па макро- и микроструктуру, химическую неоднородность, а также уровень и колебания механических свойств проката из полуспокойной стали по раскату слитка.

В 1970 г. изложницы нового типа внедрены на заводе «Азовсталь» для разливки всей полуспокойной и кипящей закупоренной стали.

Стойкость ИПВ находится на одинаковом с обычными изложницами уровне (70—80 наливов). Однако вследствие большей массы изложниц нового типа их расход на 1 т стали несколько выше (на 0,8 кг/т), чем обычных.

Промышленное внедрение изложниц нового типа позволило снизить головную обрезь раскатов слитков полуспокойной стали в среднем на 0,9% (абс.).

Аналогичные результаты получены при промышленном опробовании ИПВ в условиях разливки стали сверху (Криворожский завод).

Дополнительное раскисление головной части слитка. Опыты по дополнительному раскислению головной части слитков нормально раскисленной полуспокойной стали Ст.3пс проведены на заводах Криворожском и «Азовсталь».

На Криворожском заводе при разливке сверху со скоростью около 1 м/мин алюминиевую дробь в количестве 15—20 г/т вводили за 200—300 мм до заданного уровня налива металла в изложницу. Для сравнения часть слитков тех же плавок отливали без дополнительного раскисления. Введение алюминия в изложницу привело к значительному уменьшению размеров пузырей в верхней части слитка (рис. 30), поэтому головная часть раскатов, пораженная мелкими рванинами, имела значительно меньшую протяженность. В связи с этим уменьшилась и головная обрезь (табл. 21).

На заводе «Азовсталь» при сифонной разливке на восьмиместных поддонах алюминиевую дробь в количестве 20—60 г/т вводили в центровую, когда металл в изложницах находился на 200—250 мм ниже заданного уровня налива. При дополнительном раскислении через центровую алюминий неравномерно распределялся по изложницам, в результате чего слитки, расположенные ближе к центровой, получались перераскисленными. Размер головной обрези и расходный коэффициент металла у опытных слитков оказался выше, чем у сравнительных.

Такой способ не может быть рекомендован для сифонной разливки, во всяком случае при использовании многоместных поддонов (6—8 изложниц), несмотря на то, что эффективность его в отношении уменьшения размеров пузырей в корковой зоне верхней части слитка не вызывает сомнений.

В связи с тем, что при сифонной разливке дораскисление головной части слитка нормально раскисленной полуспокойной стали путем ввода алюминиевой дроби через центровую не позволяет получить устойчивых результатов, а присадка алюминия на зеркало металла с последующим перемешиванием вручную при работе с многоместными поддонами — трудоемкая операция, на заводе им. Петровского были проведены исследования по дораскислению головной части слитков полуспокойной стали Ст.3пс алюминиевыми прутками. Прутки диаметром 6—8 мм подвешивали по углам изложниц с таким расчетом, чтобы алюминий начинал дораскислять металл за 700 мм до заданного уровня металла в изложнице (верхняя часть слитка).

Введение алюминия в поверхностную зону было необходимо для предотвращения зарождения и развития пузырей. Наличие корки на зеркале металла во время наполнения изложниц не препятствовало действию алюминия, так как она в месте контакта с прутком расплавляется. Применение алюминиевых прутков практически полностью исключало образование пузырей в верхней части слитков (рис. 31).

Головная часть раскатов слитков, отлитых с дораскислением алюминиевыми прутками, характеризовалась чистой поверхностью, что позволило снизить головную обрезь по этой причине на плавках с нормальной степенью раскисленности (табл. 22). На плавках с повышенной степенью раскисленности применение алюминиевых прутков приводило к увеличению головной обрези (плавки № 1 и 5). Аналогичные опыты, проведенные на заводе «Азовсталь», подтвердили результаты, полученные на заводе нм. Петровского.

Активная смазка изложниц. Наряду с исследованиями но дораскислению головной части слитков полуспокойной стали были проведены опыты по применению активной смазки изложниц. Введение алюминия в состав лака для смазки изложниц способствует раскислению поверхностных слоев жидкого металла, находящихся в контакте со стенками изложниц, в результате чего увеличивается толщина беспузыристой корки.

Лабораторные опыты с такой смазкой провели на опытном заводе Украинского института металлов при отливке слитков массой 160 кг. Промышленное опробование проводили на заводах Криворожском и «Азовсталь» при сифонной разливке. Активная смазка состояла из кузбасслака и алюминиевой пудры (120—150 г/л). Применение ее обеспечивало сохранение в процессе наполнения изложниц металлом жидкого ранта шириной 10—25 мм, что в некоторой степени устраняло образование плен и заворотов корки. Толщина здоровой корки в верхней части опытных слитков составила 10—15 мм, в то время как при обычной смазке — 3—7 мм (рис. 32). Заготовки, полученные при прокатке слитков опытных плавок на Криворожском заводе, не нуждались в зачистке. В то же время заготовки 30% сравнительных плавок стали Ст.5пс и всех сравнительных плавок стали Ст.3пс подвергались ей (табл. 23). В следствие улучшения поверхности раскатов величина головной обрези при прокатке опытных плавок оказалась ниже.

Для нормально раскисленных и несколько недораскисленных плавок полуспокойной стали на заводе «Азовсталь» количество раскатов с дополнительной головной обрезью из-за рванин и расходный коэффициент металла на слитках с активной смазкой (I) оказались также ниже, чем при обычной (II) смазке:

Однако отсутствие специальных устройств для нанесения смазки с высокой вязкостью, обусловленной добавкой алюминия, не позволило пока внедрить эту технологию. Дальнейшие работы были направлены на создание устройства для механического нанесения такой смазки на поверхность изложниц и изыскание более эффективных ее составов. Были разработаны и испытаны на моделях в заводских условиях специальные форсунки. Для промышленного опробования выбрана центробежная форсунка с подачей смеси порошка и воздуха в распыляющую зону (рис. 33).

Таким образом, для улучшения структуры коркового слоя верхней части слитка полуспокойной стали, а также для оптимизации его формы и уменьшения «утяжки» при прокатке на обжимных станах следует перейти на применение изложниц с «полузакрытым верхом».

Для дополнительного уменьшения размеров подкорковых пузырей в верхней части слитков полуспокойной стали целесообразно производить дораскисление ее небольшим количеством алюминия (10—20 г/т) путем ввода дроби под струю (разливка сверху) или прутков механизированным способом (разливка сифоном). Возможно также использование активной смазки изложниц.