Получение слитка вертикально направленным формированием

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Получение слитка вертикально направленным формированием

30.10.2020

Высококачественное, надежное в эксплуатации изделие ответственного назначения можно получить только из слитка, отличающегося физической, структурной, химической однородностью и высокой чистотой металла. Обычно такой слиток получают в два этапа. На первом, предусматривающем выплавку, рафинирование, доводку стали до марочного состава и необходимой температуры, стремятся обеспечить чистоту и гомогенность расплава. На втором этапе, при разливке и затвердевании стали в изложнице» стараются предотвратить появление наружных и внутренних дефектов в слитке, обеспечить его однородность.

Как отмечалось в первой главе, задача получения жидкой стали особой чистоты в настоящее время практически решена. Внепечное рафинирование сталей массового производства обеспечивает в них к моменту разливки очень низкое содержание вредных примесей, например серы — менее 0,001%, кислорода — до 0,0020 %, водорода — менее 0,0001 %. При выплавке специальных сталей и сплавов в печах ВИП снижается концентрация и вредных цветных примесей.

Однако на втором этапе в связи с несовершенством разливки стали и неблагоприятными условиями ее затвердевания в изложнице многое из достигнутого при выплавке и рафинировании теряется. Вторичное окисление, взаимодействие с огнеупорными материалами и ликвация ухудшают показатели чистоты и химической неоднородности литого металла. Наружные и внутренние дефекты слитка в совокупности с химической неоднородностью уменьшают выход годного металла, негативно сказываются на свойствах изделий.

Причину неудовлетворительного качества внутреннего строения слитка можно кратко сформулировать как нестабильность условий кристаллизации стали. Этому в немалой мере способствует быстрое заполнение изложницы металлом.

Корковый слой образуется еще при заливке стали в изложницу, а после ее заполнения теплота остывающего металла отводится со всей поверхности слитка, что, естественно, не благоприятствует вертикальной направленности его формирования. Раннее образование зазора между слитком и изложницей, а также увеличение теплового сопротивления нарастающей оболочки слитка уменьшают скорость затвердевания металла. Хотя сталь в центральных объемах сохраняется в жидком состоянии, перегрев ее быстро снимается. При этом уменьшается температурный градиент в жидкости у фронта затвердевания, расширяется двухфазная зона, развивается ликвация, формируется конус осаждения. В заключительной стадии затвердевания стали центральные объемы изолируются от прибыли, образуется осевая сегрегация и физическая неоднородность.

Мероприятия, усовершенствующие традиционный способ формирования слитка в изложнице (суспензионная разливка, утепление и обогрев прибыли, подпитка, усиленное охлаждение и др.), лишь несколько улучшают его внутреннее строение. Однако, как отмечалось, коренных изменений при этом не происходит, слиток остается физически, структурно и химически неоднородным. Это объясняется тем, что при большом объеме залитой в изложницу стали не удается существенно повлиять на кристаллизацию металла и обеспечить необходимую направленность его затвердевания.

Внутренние макродефекты слитка локализуются в основном в зоне равноосных кристаллов, а в зоне столбчатых кристаллов качество металла значительно выше. Следовательно, обеспечив направленный рост столбчатых кристаллов по всему объему слитка, можно значительно уменьшить количество его внутренних дефектов. Однако практика показывает, что такое усовершенствование традиционного формирования слитка в изложнице принесет небольшую пользу. Транскристаллизация, например, присуща структуре слитков хромоникелевых сталей (типа 18-10) относительно небольшой массы. Однако в осевых объемах такого слитка, на границе стыка кристаллов, растущих от противоположных стенок изложницы, скапливаются ликваты, образуются рыхлость и трещины. Понятно, что для предупреждения этих дефектов необходимо изменить направление роста кристаллов с тем, чтобы они смыкались в нижних горизонтах слитка раньше, чем в верхних.

Можно ли способствовать направленной кристаллизации металла в слитках большей массы и других типов стали? Ответить на этот вопрос можно утвердительно. Методы управления структурой металла хорошо известны из теории кристаллизации и успешно применяются, например, при выращивании монокристаллов чистых металлов. Для направленного роста кристаллов необходимы значительный температурный градиент в жидкости у фронта затвердевания и отвод теплоты через твердую фазу. Скорость роста монокристаллов ограничивают, чтобы максимально использовать ликвацию для их очистки от примесей.

Замедлять процесс затвердевания многокомпонентного сплава, каковым является сталь, нецелесообразно (вследствие избирательной кристаллизации слиток будет химически неоднородным) и не выгодно в технико-экономическом аспекте (речь идет о получении многотонных слитков). Наоборот, следует всемерно способствовать ускорению направленной кристаллизации стали, поскольку при этом, в частности, уменьшается степень дендритной сегрегации.

Качество выращиваемого монокристалла зависит не только от величины отношения температурного градиента к скорости роста, но и в значительной мере от постоянства этой величины. Для формирования ориентированной кристаллической структуры в стальном слитке также необходимо обеспечить постоянство указанных параметров. На это следует обратить особое внимание, поскольку возникновение внутренних дефектов слитка объясняется именно изменением условий кристаллизации стали в изложнице. Основная причина этого заключается в том, что перегрев залитой в изложницу стали над температурой ее ликвидуса снимается после формирования коркового слоя слитка. Именно поэтому в случае быстрого заполнения изложницы невозможно сохранить высокий температурный градиент у фронта затвердевания, т. е. постоянство перегрева жидкой фазы в сердцевине слитка при усиленном теплоотводе от его поверхности, и, следовательно, невозможно обеспечить ориентированную кристаллизацию стали при благоприятной направленности (снизу вверх) роста кристаллов.

Физически, структурно и химически однородный слиток можно получить, обеспечив равенство скоростей поступления металла в изложницу и его кристаллизации. При относительно мелкой металлической ванне это позволит сохранить высокие значения и постоянство температурного градиента в жидкости у фронта кристаллизации, уменьшить протяженность двухфазной зоны и обеспечит равномерное питание расплавом всех затвердевающих участков вплоть до завершения процесса формирования слитка.

С какой же скоростью нужно подавать жидкий металл в изложницу? Ее можно примерно оценить из условий формирования в слитке зоны столбчатых кристаллов. По данным В.А. Ефимова, столбчатые кристаллы растут со скоростью 2—6 мм/мин при температурном градиенте в жидкости 20—50 °С/см. Массовая скорость Q подачи жидкого металла в изложницу, разумеется, зависит от поперечного сечения получаемого слитка. Для сравнения слитков различной конфигурации удобно воспользоваться их эквивалентным диаметром Dэкв.

Расчеты показывают (рис. 37), что квазистационарный режим формирования слитка со скоростью 2—6 мм/мин можно обеспечить лишь при такой скорости подачи жидкого металла, которая в 100—200 раз меньше обычной массовой скорости разливки стали в изложницы.

Медленная разливка стали технически трудно реализуема и неизбежно приведет к ухудшению качества металла. Длительная выдержка металла в ковше требует поддержания необходимой температуры и предотвращения его вторичного окисления. Разливать сталь тонкой струйкой в течение нескольких часов не только затруднительно, но и нецелесообразно, так как это неизбежно приведет к размыву футеровки и загрязнению стали продуктами взаимодействия с огнеупорными материалами. Кроме того, в струе и на поверхности металлической ванны в изложнице в еще большей мере возрастает опасность вторичного окислит я стали и насыщения ее газами.
Получение слитка вертикально направленным формированием

С учетом перечисленных трудностей используют другой метод медленного наполнения изложницы, для чего применяют твердый металл, например, в виде расходуемой заготовки (электрода), которую расплавляют с необходимой массовой скоростью (рис. 38). Капли стекают с торца заготовки вниз, образуя в изложнице металлическую ванну. За счет направленного отвода теплоты металл затвердевает в нижней части ванны, и последовательным перемещением фронта затвердевания вверх формируется слиток. Таким образом, в одном технологическом процессе совмещаются оба этапа производства слитка: получение жидкой стали и ее направленная кристаллизация.

Такая технологическая схема (расходуемая заготовка - капельный перенос металла — направленно формируемый слиток) в общих чертах характеризует несколько процессов, предназначенных для производства слитков особо высокого качества и объединенных в группу процессов СЭМ. Принципиальное различие между ними заключается в способе преобразования электрической энергии в теплоту, необходимую для осуществления процесса. К числу опробованных и применяемых в настоящее время источников теплоты относятся: электрический дуговой разряд (электрическая дуга), шлаковая ванна (электрошлаковый процесс), электронный луч, низкотемпературная плазма, электромагнитное поле (индукционный нагрев).

Источник теплоты нужен не только для плавления заготовки. Определенное количество теплоты, генерируемой источником, нужно направлять и к поверхности ванны для перегрева металла над температурой ликвидуса. Это вызвано необходимостью высокого температурного градиента в жидкой фазе у фронта затвердевания и сохранения зеркала металла жидким (особенно на периферии) вплоть до окончания переплава. Последнее очень важно для получения качественной поверхности слитка.

Источники теплоты называют независимыми, когда генерируемую ими энергию можно без ограничений распределять по двум указанным главным направлениям, т. е. в крайних случаях направлять либо только на заготовку, либо только на поверхность металлической ванны. При этом переплавляемую заготовку либо не включают в электрическую цепь источника питания вообще, либо пропускают через нее малую долю общего электрического тока. К независимым источникам теплоты относятся электронный луч, низкотемпературная плазма и в известной мере электромагнитное поле.

Если в качестве источников теплоты применяют дуговой разряд или шлаковую ванну, то заготовка обычно является участком электрической цепи и через нее протекает либо весь ток, либо пропорциональная его доля в соответствии с количеством одновременно используемых заготовок. В этих случаях заготовку называют расходуемым электродом. Изменение количества теплоты, передаваемого металлической ванне, может быть достигнуто только варьированием мощности источника и обязательно сопровождается пропорциональным изменением тепловложения в электрод. Поэтому при переплаве электродов с помощью дугового разряда или в шлаковой ванне скорость их плавления тесно связана с вводимой электрической мощностью, а указанные источники теплоты именуются зависимыми.

Капельное наплавление слитка немыслимо без изоляции жидкого металла от воздуха. В большинстве случаев это достигается герметизацией плавильного пространства с последующим его вакуумированием или заполнением инертным газом. При электрошлаковом процессе это не обязательно, поскольку расплав шлака способен в определенной мере служить изолятором жидкого металла от атмосферы.

В ряде случаев выбор защитной среды предопределен особенностями источника теплоты. Так, для стабильного существования дугового разряда и электронного луча необходим достаточно высокий вакуум. Электрошлаковый процесс, как явствует из названия, невозможен без шлаковой ванны. При использовании низкотемпературной плазмы и электромагнитного поля имеется широкий выбор' защитной среды.

Изоляция жидкого металла от воздуха — обязательное условие для осуществления переплавных процессов. Однако не менее важна для защитной среды и функция рафинирующего, а иногда и легирующего агента. Вакуум, шлак и инертный газ сами по себе являются средствами рафинирования стали. Ho чтобы расширить возможности рафинирования и легирования металла, иногда используют одновременно несколько рафинирующих сред, а инертный газ разбавляют (или заменяют) активным, например, азотом, водородом.

Такие процессы, называемые еще вторичными рафинирующими переплавами, именуют в соответствии с используемым источником теплоты и рафинирующей средой. Промышленное применение получили ВДП, ЭШП, ЭЛП и ПДП.

Несомненное достоинство перечисленных процессов — высокие показатели рафинирования металла, достигаемые при благоприятных кинетических и термодинамических условиях протекания дегазации, десульфурации и других реакций, очистки металла от включений и испарения вредных цветных примесей. Этому способствует большая удельная площадь поверхности расплавленного металла. Он взаимодействует с рафинирующей средой в период пленочного течения по торцу оплавляющейся заготовки, на этапе падения капель и на поверхности ванны. Из позитивных термодинамических факторов следует отметить высокую температуру взаимодействующих фаз и контролируемый химический состав рафинирующего агента. Немаловажное значение для показателей рафинирования имеют и условия затвердевания металла. Мелкая ванна, высокий температурный градиент в жидкости, узкая двухфазная зона, последовательное перемещение фронта кристаллизации снизу вверх благоприятствуют выделению включений на поверхность металла и последующей их диссоциации или же ассимиляции шлаком. Однако основным достоинством процессов СЭМ следует считать уменьшение степени физической, структурной и химической неоднородности получаемого слитка.

При оптимальных режимах переплава (достаточная тепловая мощность, равномерное ее распределение по поверхности ванны и спокойное состояние последней) качество поверхности слитка значительно выше, чем формируемого в изложнице. Иногда, например при использовании шлака, полученный слиток не требует обработки поверхности перед дальнейшим переделом.

Внутреннее строение слитка зависит в основном от глубины и формы металлической ванны. Обеспечить наиболее благоприятные условия формирования слитка можно при сравнительно малой глубине ванны. Создание высокого температурного градиента в жидкой фазе у фронта затвердевания обеспечивает направленный рост кристаллов, уменьшает протяженность двухфазной зоны и, следовательно, угнетает ликвацию. При этом зона столбчатых кристаллов занимает почти весь объем слитка, исключено появление в нем осевой неоднородности, усадочной раковины. Выход годного металла достигает 95-97%.

Профиль металлической ванны определяет направление роста столбчатых кристаллов, поскольку их главные оси, как правило, ориентируются перпендикулярно этой изотермической поверхности (рис. 39). Оптимальная для конкретных случаев форма ванны создается изменением скорости переплава заготовки и сосредоточенности теплового потока в слиток. При этом необходимо учитывать тепловложение источника и капель металла, а также неравномерность условий охлаждения по сечению слитка. Наибольшими возможностями регулирования структуры металла обладают процессы, использующие независимые источники тепла (ЭЛП, ПДП).

Необходимо отметить и роль кристаллизатора, поскольку иногда можно услышать ошибочное мнение, что достижение при переплавных процессах высокого качества слитка обусловлено использованием именно этого их атрибута. Кристаллизатор действительна интенсифицирует охлаждение металла. Однако это относится в основном к зоне контакта мениска металла с охлаждаемой стенкой. Ниже его уровня охлаждение прогрессивно ухудшается, что вызвано усадкой слитка, нарушением контакта его со стенкой и образованием между ними зазора. В этом аспекте процессы СЭМ ничем не отличаются от непрерывной разливки стали.

Кристаллизатор необходим прежде всего для надежной, безопасной работы оборудования. Он должен длительно противостоять высоким тепловым нагрузкам, воспринимая их как от охлаждаемого слитка, так и от источника теплоты. Кроме того, кристаллизатор исключает контакт жидкого металла с огнеупорами и обеспечивает «стерильность» формирования слитка.

Высокое же качество строения слитка обусловлено направленной кристаллизацией расплава при оптимуме и постоянстве глубины и формы металлической ванны, а также температурного режима процесса. Достаточно сказать, что при нарушении оптимального режима переплава, например при чрезмерной его производительности, в слитке обнаруживают дефекты, свойственные обычному слитку (зональность строения, макросегрегация и др.).

При общей характеристике переплавных процессов СЭМ необходимо упомянуть и о значительных затратах электроэнергии, которые в 2—10 раз превышают эквивалентное количество теплоты, требующееся для плавления металла заготовки или электрода. Это вызвано использованием водоохлаждаемого кристаллизатора, потерями при трансформации электрической энергии в теплоту, неблагоприятными конструктивно-технологическими особенностями процессов. Разумеется, стремятся всемерно повысить энергетическую эффективность переплавов. Однако с повышенным расходом электроэнергии приходится мириться, поскольку за счет этого удается целенаправленно воздействовать на процессы рафинирования и кристаллизации металла.

Для осуществления перечисленных процессов необходим исходный металл. В процессах с зависимым источником теплоты переплавляют только компактный электрод. Применение независимых источников теплоты позволяет использовать и некомпактную шихту (стружка, обрезь и др.). Расходуемые электроды (заготовки) могут быть литыми (в изложницу или с помощью УНРС), катаными (сорт или лист) или коваными. Установлено, что качество исходного и переплавленного металла взаимосвязано, поэтому к качеству электродов или некомпактной шихты предъявляются требования, зависящие от способа переплава.

Как видно, между переплавными процессами СОМ много общего. Вместе с тем различие применяемых источников теплоты и рафинирующих сред обусловливает неодинаковые возможности процессов в аспекте рафинирования, легирования металла и воздействия на кристаллизацию. Поэтому для каждого из них нужно оптимизировать сортамент переплавляемых металлов, сталей и сплавов. При этом необходимо учитывать не только их металлургические особенности, по и технико-экономическую эффективность.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: