Способы повышения качества слитка обычного производства

После краткого анализа причин и механизма образования наружных и внутренних дефектов стальных слитков, формируемых в изложницах, ознакомимся с мероприятиями, направленными на уменьшение физической, структурной и химической неоднородности литого металла.

На этапе разливки стремятся предохранить сталь от вторичного окисления, поглощения водорода и азота, свести к минимуму взаимодействие ее с огнеупорными материалами. Это особенно важно при производстве высоколегированных сталей и сплавов, сталей для конструкций ответственного назначения, при разливке металла после внепечного рафинирования, а также при получении крупных слитков. К арсеналу защитных средств относятся вакуум, шлак, инертные газы. Иногда они применяются не только для защиты стали от воздуха, но и с целью рафинирования металла.

Несовершенство традиционных методов разливки, которое приводит к образованию дефектов на поверхности слитков, особенно ощутимо при производстве высоколегированных сталей. Зачистка поверхности слитков при подготовке их к дальнейшему переделу сопряжена с потерями дорогостоящего металла, значительными материальными и энергетическими затратами. Такие стали разливают сифонным способом в слитки относительно небольшой массы. Качество их поверхности повышают уменьшением степени окисления и охлаждения зеркала металла, заполняющего изложницу. Для этого применяют деревянные рамки, пропитанные различными веществами, в полость изложницы вводят четыреххлористый углерод, apron, азот, элементы с высоким сродством к кислороду (селен, магний). Больший эффект получают при использовании защитных засыпок (слюда, перлит), экзотермических смесей и особенно при разливке стали под жидкими шлаками.

При разливке стали сверху стремятся предотвратить ее разбрызгивание, зависание слитка и приварку его к поддону. Снизить брак по пленам, расслою и поперечным трещинам помогают выбор формы разливочных стаканов, применение обмазок и вкладышей, тщательная сборка прибыльной надставки с изложницей.

Для крупного слитка влияние поверхностных дефектов менее ощутимо, поскольку последующая длительная термомеханическая обработка приводит к окислению его поверхности и потерям металла в виде кузнечной окалины. При отливке крупных листовых и кузнечных слитков усилия направлены в основном на предупреждение появления трещин в оболочке затвердевшего металла. Возникающие в ней напряжения уменьшают выбором рациональных геометрических параметров изложницы и конфигурации ее внутренних стенок.

Возникновение внутренних дефектов в обычном слитке (особенно крупном) предотвратить невозможно. Однако, учитывая важность повышения качества слитка, разрабатываются новые и совершенствуются старые способы уменьшения его физической, структурной и химической неоднородности, которые можно разделить па две группы.

К одной из групп относятся мероприятия, способствующие ускоренному затвердеванию стали во всем объеме изложницы, при котором формируется дисперсная, однородная структура металла. Выше указывалось, что для этого необходимы переохлаждение расплава и присутствие в нем растворимых, нерастворимых или активных примесей. Предельный случай такого способа формирования слитка — это разливка переохлажденного металла, затвердевающего сразу во всем объеме изложницы. Однако полученный слиток не будет физически однородным, так как вследствие усадки стали в междендритных объемах образуются многочисленные микропоры. Кроме того, полное снятие перегрева металла нежелательно по двум причинам: холодная сталь плохо разливается, а застуживание зеркала металла в изложнице приводит к появлению поверхностных дефектов слитка.

Поэтому для получения однородной, мелкозернистой структуры слитка создают условия затвердевания стали, близкие к предельным, но не достигающие их, в частности обеспечивают минимальный перегрев стали при попадании в изложницу. К опробованным методам относятся оптимальное понижение температуры металла в ковше, разливка стали через охлаждающие среды, ввод микрохолодильников и модификаторов, которые, расплавляясь, не только отбирают тепло перегрева, но и образуют дополнительные центры кристаллизации. Измельчению кристаллов и интенсификации теплообмена между слитком и изложницей способствует также воздействие на металл извне (перемешивание, вибрация).

Научно-исследовательские и опытно-промышленные работы, ведущиеся в этих направлениях, относятся к группе технологических процессов, иногда именуемой «суспензионная разливка». Согласно, ее можно подразделить на три вида: экзогенную, эндогенную и совмещенную (табл. 8).

Экзогенную суспензионную разливку осуществляют введением в жидкий металл добавок (инокуляторов) в количестве 1—5 % (до 50 %) массы слитка. Применяют железный порошок, стальную и чугунную дробь, гранулы различных металлов и ферросплавов. В качестве макрохолодильников используют также стальные шары, стержни, полосы, высечку, стружку и т. п. В зависимости от размеров и количества добавок изменяется структура затвердевшего металла (табл. 9).

При эндогенной суспензионной разливке различными методами добиваются возникновения в расплаве дополнительных (эндогенных) центров кристаллизации и интенсификации теплопереноса.

Ввод в сталь инокуляторов, микро- и макрохолодильников, механическая и ультразвуковая вибрация расплава, перемешивание его электромагнитным полем или продувкой газа, а также другие меры способствуют ускорению затвердевания стали в изложнице, измельчению кристаллической структуры, уменьшению химической неоднородности металла и, следовательно, достижению комплекса свойств, полезных в конкретных условиях производства и эксплуатации изделий из такого металла.

В отличие от методов суспензионной разливки, предусматривающих ускоренную, преимущественно объемную кристаллизацию металла, ко второй группе мероприятий для улучшения внутреннего строения слитка относятся те, которые способствуют направленному затвердеванию стали в изложнице, т. е. постепенному перемещению границы выливаемости от нижних горизонтов слитка к верхним.

Критерием направленности затвердевания служит соотношение скоростей продвижения изоликвидуса в горизонтальном и вертикальном направлениях. Самый простой способ его регулирования заключается в подборе отношения высоты Hс к диаметру Dс слитка, а также конусности изложницы (рис. 33). Чем меньше это отношение и больше уширение изложницы кверху, тем лучше условия питания расплавом центральных объемов слитка и меньше осевая неоднородность.

Однако при выборе рациональной геометрии слитка руководствуются не только этими соображениями. В зависимости от предназначения слитки бывают двух типов: кузнечные и передельные (листовые и сортовые). Возможности кузнечно-прессового оборудования по степени обжатия слитков значительно выше, чем прокатных станов. Поэтому кузнечные слитки отливают в основном укороченного типа (Нс/Dс =1,0/2,0), а передельные — удлиненного (Hс/Dс = 3/8).

Возможности изменения конусности изложницы также ограничены. С увеличением площади ее поперечного сечения возрастает продолжительность пребывания стали в жидком состоянии, расширяется двухфазная область и усиливается ликвация. Кузнечные слитки конусностью более 15 % не находят применения из-за пониженной технологической пластичности и неравномерности деформации металла осевой зоны. Передельные слитки с увеличенной конусностью вообще неприменимы для обжатия на станах.

Для направленного затвердевания металла в изложнице стремятся использовать прибыльную часть слитка. Прибыль, как известно, не только компенсатор усадки стали и резервуар для ассимиляции ликватов и включений. Чем дольше металл сохраняется здесь жидким, тем лучше питание затвердевающих объемов слитка и меньше его физическая неоднородность.

К сожалению, потенциальные возможности прибыли как средства управления расположением теплового центра слитка используются примерно на одну треть, поскольку очень высоки потери теплоты на прогрев прибыльной надставки и излучением зеркала металла. Потери теплоты уменьшают оптимизацией геометрии надставки, утеплением металла изоляционными и экзотермическими смесями, разливкой стали под жидкими шлаками. При отливке небольших слитков эти меры способствуют некоторому снижению физической и химической неоднородности металла. С увеличением массы слитков эффективность этих мер уменьшается, поскольку усиливающийся отвод теплоты в массивные стенки прибыльной надставки приводит к раннему затвердеванию металла в верхней части изложницы. Такое обстоятельство требует компенсации тепловых потерь прибылью до полного затвердевания стали в центральных объемах слитка.

Обогрев прибыли экзотермическими смесями полезен, когда продолжительность их горения близка к времени затвердевания стали в изложнице, т. е. применительно к слиткам массой до 1 т. Для подвода тепла к прибыли при формировании слитка большей массы разработаны способы электродугового, индукционного и электрошлакового обогрева, а также электрошлаковая подпитка слитка (рис. 34).

При дуговом обогреве прибыли передается часть тепловой энергии дугового разряда постоянного и переменного тока, который возбуждается между угольным или графитированным электродом и поверхностью металла. При обогреве крупных листовых и кузнечных слитков используют трехфазный трансформатор и три нерасходуе-мых электрода. Хотя этот способ очень прост, ему присущ ряд недостатков: низкая эффективность обогрева (большая часть энергии рассеивается излучением столба дуги), привязка дуги на небольшом участке поверхности металла, значительное окисление легирующих элементов, науглероживание стали, негативные экологические факторы (излучение, шум и др.). Эти показатели несколько улучшаются при обогреве дугой, горящей под слоем шлака, или в случае применения легкоплавких обмазок для электродов. Тем не менее удельные затраты энергии на дуговой обогрев слитка наиболее высоки по отношению к другим способам.

Индукционный обогрев — самый эффективный в энергетическом отношении способ, поскольку теплота генерируется непосредственно в жидком металле. При оптимальном сочетании электрических и геометрических параметров системы индуктор — прибыль, КПД процесса достигает 0,8—0,9. Вместе с тем процесс чувствителен к режиму разливки стали, наиболее сложен конструктивно и небезопасен для персонала.

Способы электрошлакового обогрева и подпитки основаны на явлении выделения теплоты в расплаве шлака при протекании через последний электрического тока. Эффективность преобразования электрической энергии в теплоту при электрошлаковом процессе очень высока, однако в смысле передачи теплоты металлу он уступает индукционному нагреву. Вместе с тем способам электрошлакового обогрева и подпитки слитков свойственны простота необходимого оборудования и технологическая гибкость. Здесь можно применять как постоянный, так и переменный (одно- и трехфазный) ток. При обогреве используют один или несколько графитированных электродов, а при подпитке — подходящие для этого стальные изделия (штанги листовую обрезь, литники и др.). Теплотой шлаковой ванны изделия оплавляются и капли электродного металла, пройдя через шлак, смешиваются с металлом, затвердевающим в изложнице. Достоинство электрошлакового способа — равномерный обогрев шлаковой ванной поверхности металла в прибыли и возможность металлургического воздействия (десульфурация, ассимиляция включений, изоляция от атмосферы, а при подпитке — регулирование химического состава стали в прибыли).

Перечисленные способы обогрева прибыли примерно одинаково воздействуют на процесс формирования слитка. Кардинальных изменений его внутреннего строения не происходит. В слитке обнаруживается та же структурная, химическая и физическая неоднородность металла, однако в несколько ослабленном виде. Отмечается двух- и трехкратное уширение зоны столбчатых кристаллов в верхней половине слитков при индукционном обогреве и электрошлаковой подпитке, что объясняют усиленным перемешиванием металла, способствующим сохранению его перегрева. Для остальных способов такой эффект не зафиксирован вероятно из-за того, что вводимая теплота локализуется в объеме прибыли и не оказывает влияния на формирование этой зоны. Все способы обогрева и особенно подпитка ослабляют общую химическую неоднородность слитка и зональную сегрегацию. В таких слитках конус осаждения и, следовательно, зона отрицательной сегрегации в 2—3 раза меньше по объему, чем в рядовых.

Достоинством обогрева и подпитки считают уменьшение расхода стали на прибыль за счет частичной или полной ликвидации усадочной раковины. Эти способы, за исключением индукционного обогрева, позволяют даже отказаться от прибыли без ухудшения качества литого металла, что дает возможность сэкономить при разливке 15—18 %, а иногда до 30 % стали. Однако такой подход правомерен в случае производства передельных слитков, головная часть которых не используется и идет в обрезь. Значительные масштабы их производства даже при небольшом уменьшении расхода металла на прибыль создают большой экономический эффект. При отливке кузнечных слитков такой эффект не достигается, поскольку, во-первых, их производство мелкосерийное (а в случае уникальных поковок — единичное); во-вторых, несравненно большее значение здесь имеет качество тела слитка; в-третьих, прибыль часто необходима для манипуляций со слитком при его обжатии и ее размеры уменьшать нельзя.

Таким образом, перечисленные мероприятия в недостаточной мере способствуют направленному (снизу — вверх) формированию слитка. Это объясняется тем, что с их помощью нельзя существенно изменить тепловую обстановку на фронте затвердевания стали не только в нижних, но даже в подприбыльных объемах изложницы. Здесь следует отметить еще одну негативную особенность формирования слитка в изложнице. Через несколько минут после ее заполнения между внутренними стенками и затвердевшей оболочкой слитка образуется зазор. Плотность теплового потока в разогретую чугунную стенку снижается в 3—4 раза, что, естественно, приводит к уменьшению скорости затвердевания металла. Последняя является одним из основных параметров регулирования размеров структурных зон слитка, показателей дисперсности дендритной структуры и, следовательно, химической неоднородности металла. В частности, протяженность зоны столбчатых кристаллов прямо пропорциональна коэффициенту затвердевания.

Практика показывает, что интенсификация охлаждения поверхности слитка способствует при прочих равных условиях развитию указанной зоны. Были опробованы разнообразные способы улучшения теплоотвода: заполнение образовавшегося зазора легкоплавкими металлами, применение водоохлаждаемых поддонов, раннее «раздевание» слитка и охлаждение его поверхности водой, которое можно полагать наиболее эффективным способом. Однако даже в этом случае протяженность столбчатых кристаллов не превышает 100 мм, хотя и увеличивается в 1,5—2 раза по сравнению с обычным слитком. Это объясняется быстрым увеличением теплового сопротивления твердой фазы по мере ее роста, о чем свидетельствует уменьшение скорости затвердевания металла с удалением от охлаждаемой поверхности (рис. 35). Кроме того, в осевых объемах принудительно охлаждаемого слитка, как и обычного, быстро снимается перегрев стали и создаются условия для формирования зоны равноосных кристаллов.

Таким образом, при формировании крупного слитка в изложнице (особенно из стали с широким температурным интервалом кристаллизации) нельзя избежать возникновения в нем внутренних дефектов. Появляются они при неблагоприятных условиях кристаллизации в основном в осевой зоне равноосных кристаллов. Поэтому предупредить их появление можно заведомым уменьшением по крайней мере одного из размеров поперечного сечения слитка (до 150—200 мм) при усиленном охлаждении его поверхности.

Такой слиток, естественно, не может быть применен для изготовления поковки, тем более крупной, и его достоинства проявятся лишь при использовании литого металла для проката на лист или мелкий сорт. Получать слитки малого сечения по схеме разового формирования в изложницах неэкономично: увеличится парк изложниц, усложнится работа на разливочной канаве, уменьшится выход годного металла за счет головной и донной обрези слитков. В этом случае целесообразно использовать способ полунепрерывной или непрерывной разливки стали.

Способ непрерывной разливки заключается в том, что жидкий металл заливают сверху в водоохлаждаемую форму — кристаллизатор, а снизу с помощью механизмов непрерывно вытягивают частично затвердевший слиток — заготовку (рис. 36). Постоянство уровня жидкого металла в кристаллизаторе, стабильность параметров разливки, отделение экзогенных включений и шлака обеспечивают за счет предварительного перелива стали из ковша (или печи) в промежуточную емкость. У многоручьевых машин последняя выполняет еще функцию равномерного распределения жидкого металла по кристаллизаторам.

Слиток, имеющий жидкую сердцевину, поступает в зону вторичного охлаждения, где на его поверхность из многочисленных форсунок подается вода. В этой зоне расположены направляющие ролики* препятствующие деформации еще недостаточно прочной оболочки слитка. Движение слитка осуществляется группой вытягивающих роликов. Непрерывный слиток разрезают на мерные заготовки газовым резаком или механическими ножницами.

С помощью одно- или многоручьевых УНРС получают заготовки различных профилей и размеров поперечного сечения (круг диаметром от 100 до 600 мм, квадрат от 50 до 370 мм, слябы толщиной от 70 до 350 мм и шириной до 3000 мм), близкого к сечению двутавровой балки и др. Наряду с вертикальным УНРС существуют и другие типы таких машин: вертикальные с изгибом заготовки, с радиальным кристаллизатором, роторные наклонные и горизонтальные, трубные. Проводятся работы по совмещению непрерывной разливки с прокаткой.

Основная задача в области непрерывной разливки стали — повышение производительности за счет увеличения площади поперечного сечения получаемых заготовок и отработки технологии разливки металла по схеме «плавка на плавку». По этой схеме непрерывно разливают иногда до 25 тыс. т стали (или 270 последовательных выпусков металла из сталеплавильного агрегата), обеспечивая производительность УНРС 800 тыс. т слябов в год. Подробную информацию об особенностях и модификациях непрерывной разливки, достигнутых результатах и перспективах ее развития можно получить из ряда монографий советских специалистов. Здесь же отметим только основные достоинства и недостатки этого способа.

Интенсивное охлаждение способствует ускорению направленного (горизонтального) затвердевания металла в сравнении с обычным слитком. Поэтому в непрерывно-литых заготовках формируется более дисперсная структура металла, меньше (примерно на 30 %) степень дендритной химической неоднородности стали. Вследствие подавления ликвации осевая и зональная сегрегации, а также общая химическая неоднородность по сечению и длине заготовки выражены слабее. Резко сокращаются усадочная раковина и головная обрезь заготовки.

Непрерывную разливку обычно применяют там, где разливка металла сдерживает производительность плавильных агрегатов. Например, без освоения этого процесса немыслима эксплуатация крупных кислородных конвертеров, из которых трижды в течение часа выпускают по несколько сотен тонн стали. При этом значительно снижаются капитальные затраты за счет исключения дорогостоящего оборудования (парк изложниц, стрипперные механизмы, обжимные станы и др.). Сокращается производственный цикл устранением трудоемких операций по подготовке изложниц, выбивке слитков, обжатия на станах. Благодаря возможности полной механизации и комплексной автоматизации процесса улучшаются условия труда, повышается культура производства, увеличивается выход годного проката в среднем на 7—10 %, а при разливке легированных сталей— на 15—20 %.

Однако не следует полагать, что непрерывная разливка служит средством радикального улучшения качества стального слитка. Значительная глубина лунки жидкого металла (от нескольких метров до двух-трех десятков метров) и неравномерное продвижение фронта затвердевания в горизонтальном направлении приводят к образованию перехватов или мостов и, следовательно, усадочной рыхлости в осевой части слитка. Даже в заготовках весьма небольшого сечения (100х120 мм) наблюдают выраженную осевую физическую и химическую неоднородность. Поскольку при формировании в заготовке столбчатой структуры металла избавиться от этого дефекта не удается, при непрерывной разливке используют технологические приемы, цель которых — получить равноосную структуру металла. Для этого применяют электромагнитные поля и модификаторы, снижают температуру стали и интенсивность охлаждения заготовки, т. е. превращают разливку в непрерывно-суспензионную. Однако даже при полностью неориентированной структуре в осевой зоне заготовки всегда обнаруживается макросегрегация, последствия которой выявляются уже в готовом изделии.

Таким образом, непрерывная разливка стали, а также описанные способы повышения качества обычных слитков способствуют некоторому улучшению структуры металла, уменьшению физическом и химической его неоднородности. Однако в ряде случаев этого явно недостаточно. Развитие новых отраслей техники и прежде всего авиакосмической, ядерной энергетики, газотурбостроения и ряда других потребовало значительного увеличения производства легированных сталей и сплавов со специальными свойствами, создания новых металлических материалов, способных работать в самых разнообразных и жестких условиях, и, что особенно важно, потребовало обеспечить исключительно высокое их качество с целью повышения надежности и долговечности изделий ответственного назначения. Обычные методы производства даже при существенном их усовершенствовании во многих случаях уже не смогли обеспечить требуемого уровня качества металла. Решению этих задач в значительной мере способствовало появление принципиально новых способов получения слитка, в основе которых лежит процесс последовательного, направленного снизу вверх его формирования.