Кузьмин Б.А. и др. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

101

выплавки широкого сортамента углеродистых и легированных сталей, так и в

смысле потребляемых исходных материалов.

В мартеновских печах можно перерабатывать передельные чугуны любо-

го состава как в твердом, так и в расплавленном состоянии, различный лом и

вводить в шихту другие добавки (руду, окалину и т. п.).

Выход годной стали, благодаря небольшому угару, при мартеновой плав-

ке выше, чем при конверторном переделе, и составляет 90-96% металлической

завалки.

Недостатком мартеновского способа получения стали является большая

продолжительность плавки, превышающая несколько часов, и большой расход

топлива особенно при работе на твердой завалке.

Получение стали в дуговых электрических печах имеет неоспоримые

преимущества, важнейшими из которых являются очень высокое качество по-

лучаемой стали, возможность выплавлять любые марки стали, включая высо-

колегированные, тугоплавкие и жаропрочные. Плавка в электрических печах

дает минимальный угар железа по сравнению с другими сталеплавильными аг-

регатами и, что особенно важно, минимальное окисление дорогостоящих леги-

рующих присадок благодаря нейтральной атмосфере в печи. Следует отметить

удобство регулирования температурного режима и легкость обслуживания этих

печей.

Недостатком выплавки стали в дуговых электрических печах является по-

требность в большом количестве электроэнергии и высокая стоимость переде-

ла, так как на 1 т стали при твердой закалке расходуют от 600 до 950 кВт-ч

электроэнергии. Поэтому дуговые электрические печи применяют главным об-

разом для получения высоколегированных и других дорогих сортов стали,

предназначенных для ответственных изделий.

Для повышения качества стали и увеличения производительности от-

дельных агрегатов иногда применяют так называемые дуплекс-процессы. Для

102

этого сталь из кислородного конвертора направляют на доводку в основную

мартеновскую печь или дуговую электрическую печь, но такое комбинирова-

ние пока не нашло широкого применения.

§ 5. Разливка стали и получение слитков

На металлургических заводах жидкую сталь после выпуска из печи раз-

ливают в слитки различной формы и развеса, которые служат затем заготовка-

ми в прокатных и кузнечных цехах.

Жидкую сталь из печей выпускают в большие разливочные ковши, в дне

которых имеется отверстие, закрывающееся сверху стопором через систему

рычагов, выведенных за стенку ковша. Ковши имеют прочный кожух с цапфа-

ми для захвата его краном. Внутри ковш и стопор футеруют шамотным огне-

упорным кирпичом. Металл, выпущенный в ковш, выдерживается 5-10 мин для

выравнивания его состава и всплывания неметаллических примесей и газов, по-

павших в сталь при выпуске ее из печи. Затем ковш направляют на разливку.

в современных условиях сталь разливают либо в изложницы, либо на ус-

тановке для непрерывной разливки. Заполнение изложниц сталью возможно

сверху непосредственно из донного отверстия ковша или сифонным способом.

В последнем случае разливка производится через вертикальный литник, из ко-

торого жидкая сталь через горизонтальные литниковые ходы с системой шла-

коуловителей поступает снизу в несколько изложниц.

103

Схемы двух видов разливки стали в

изложницах показаны на рис. 57. Слитки

для сортового проката имеют круглое се-

чение. Слитки для проката на лист делают

плоскими. Наиболее часто слитки отливают

массой от 1 до 20 т, иногда - в 100 т и бо-

лее. Выбор способа разливки обусловлен

организационными и технологическими

условиями сталеплавильного цеха. Для из-

готовления слитков крупного развеса

сталь обычно заливают сверху, мелкого

развеса - сифонным способом. Затвердева-

ние стали в металлической изложнице не

может идти одновременно во всем объеме слитка, оно начинается с холод-

ных стенок и дна, а затем распространяется внутрь слитка. Кроме того, при

затвердевании жидкая сталь уменьшается в объеме на несколько процентов.

Все это приводит к образованию в слитке усадочной раковины в ее головной

части, а иногда и мелких раковин ниже головной части слитка. Для прокатки и

ковки необходимы слитки без усадочных раковин одинакового химического

состава, по возможности однородной структуры. Однако выполнить все эти ус-

ловия при отливке слитков в изложницы очень трудно.

Слитки, отлитые сверху, обычно имеют меньшую по размеру усадочную

раковину, чем слитки, залитые сифонным способом, так как в верх слитка дли-

тельное время подается горячий расплавленный металл. На зато поверхность

слитка, полученного сифонным способом, гораздо чище и ровнее, чем у

слитков, залитых сверху, так как брызги металла, неизбежные при верхней

заливке, попадая на холодные стенки изложницы, застывают и не всегда потом

сплавляются с основным металлом.

104

Для уменьшения размера усадочной раковины принимают различные ме-

ры: слиток расширяют вверху и сужают к нижней части; верхнюю съемную

часть изложницы внутри футеруют огнеупорами (так называемыми утеплен-

ными насадками); у крупных слитков после начала затвердевания верхнюю

часть нагревают газовыми горелками, электросварочной дугой, иногда кладут

термитную смесь. Для разогрева верхней части слитка применяют и другие тех-

нические приемы.

Первый капитальный труд о строении

стального слитка был написан в 1878 г. все-

мирно известным русским ученым Д. К. Чер-

новым, а более поздние работы уточнили и

подтвердили многие его взгляды на кристал-

лизацию стали.

Различают полученные в изложницах

слитки спокойной и кипящей стали, Если сли-

ток спокойной стали разрезать вдоль и от-

шлифовать, то можно увидеть несколько раз-

личных структурных зон (рис. 58). У поверх-

ности боковых стенок и дна слитка есть не-

большой слой мелких однородных плотных кристаллов; затем следует второй,

более толстый слой столбчатых дендритных кристаллов, образующих различ-

ные дефекты и пустоты в местах стыка отдельных дендритов особенно при

стыке дендритов боковых стенок и дна, и в середине находится третья зона

равноосных кристаллов разного размера неплотной структуры с большим коли-

чеством неметаллических включений, чем у краев слитка, вызванных тем, что

эта часть слитка застывает последней и часть неметаллических примесей оттес-

няется сюда затвердевающими у стенок дендритамй.

105

Структура слитка в различных его частях так же, как химический состав

стали, сильно отличается от средних данных, полученных после взятия пробы

из жидкой стали перед разливкой. Благодаря ликвации, происходящей при ос-

тывании слитка в изложнице, содержание углерода, а особенно серы и фосфора

в различных частях слитка может отклоняться на 200-300%.

В середине верхней трети или четверти слитка располагается более или

менее компактная усадочная раковина, вблизи которой часто можно увидеть

мелкие раковины и рыхлоту.

Кроме того, химический состав стали и других сплавов в различных мес-

тах одного и того же дендрита получается неоднородным. Оси дендрита, обра-

зовавшиеся позднее, богаче легкоплавким элементом и плавятся быстрее (и за-

стывают позже). Поэтому слиток в зоне дендритов имеет внутрикристалличе-

скую или дендритную ликвацию. Еще более резко в слитке спокойной стали

выражена так называемая зональная ликвация, т. е. пробы металла, взятые у

стенок слитка в его средней (третьей) зоне, могут существенно отличаться по

химическому составу. Это можно наблюдать у углеродистой стали, полученной

изложенными выше способами и хорошо раскисленной в печи и ковше.

На рис. 59 представлен схематический разрез слитка

кипящей стали. Такие слитки получают из стали, содержа-

щей не более 0,3% углерода при условии, что эта сталь не

раскисляется полностью в печи богатыми ферросплавами и

алюминием. При заливке такой стали в изложницу после об-

разования у холодных стенок изложниц небольшого слоя

мелких кристаллов из почти чистого железа в оставшемся

жидком металле (при дальнейшей кристаллизации) повыша-

ется содержание углерода, поэтому активно начинается реак-

ция прямого восстановления углеродом еще не раскисленной

закиси железа

106

FеО + С = Fе + СО

Образовавшиеся пузырьки газообразной окиси углерода оттесняются

кристаллизующимися дендритами от стенок к центру слитка и вверх, а также

перемешивают оставшуюся еще в жидком состоянии сталь, выравнивая ее хи-

мический состав. Затем они выносят к поверхности слитка часть неметалличе-

ских включений и растворенных в металле газов. Выделение пузырьков газа из

застывающего слитка создает впечатление кипения (что и обусловливают его

название). Некоторые пузырьки окиси углерода не успевают выйти из слитка до

его застывания и в слитке образуются пустоты правильной круглой формы.

Пустоты, образованные окисью углерода в малоуглеродистой стали, заварива-

ются при больших обжатиях слитков. Слитки кипящей стали получаются

обычно с небольшими усадочными раковинами и имеют мало неметаллических

включений, так как не раскисляются ферросплавами и алюминием, да и стоят

они поэтому дешевле.

У слитков перед прокаткой отрезается верхняя часть, в которой размеще-

на усадочная раковина, так как она имеет окисленную I поверхность и не зава-

ривается при прокатке. В последние десятилетия создается большое количество

установок для

непрерывной разливки стали, при которой не образуется усадочных рако-

вин и получаются слитки, значительно более равномерные как по химическому

составу, так и по структуре. Схема машины для непрерывной разливки стали,

представляющей собой многоэтажное соорузкение, показана на рис. 60. Сталь

из разливочного ковша через промежуточный ковш непрерывной и равно-

мерной струей заливается в кристаллизатор, представляющий собой слегка ка-

чающейся вверх и вниз двухстенный короб из красной меди, стенки которого

интенсивно охлаждаются проточной водой. Благодаря этому сталь быстро фор-

мирует прочные и плотные стенки слитка. Из кристаллизатора слиток непре-

рывно вытягива-82 ется валками с определенной скоростью, соответствующей

107

скорости кристаллизации слитка. Ниже кристаллизатора до выхода из валков

слиток подвергается вторичному охлаждению брызгами, при этом заканчивает-

ся его отвердение. После выхода из валков от непрерывно опускающегося

слитка кислородно-газовой горелкой отрезают куски необходимой длины и от-

возят в нужном направлении.

В последние годы появились не только вертикальные установки для раз-

ливки стали, но и установки с изгибом слитка. Наиболее популярна сейчас ус-

тановка радиальной непрерывной разливки, схема которой показана на рис. 60,

108

б, которая может быть размещена в габаритах существукщих сталеплавильных

цехов.

Слитки непрерывной разливки по сравнению со слитками, полученными

в изложницах, имеют более чистую поверхность; кроме того, из-за большой

скорости охлаждения они характеризуются мелкой структурой и менее разви-

той химической неоднородностью, минимальной по продольной оси слитка.

Однако и эти слитки имеют свои дефекты; наиболее часты продольные и попе-

речные наружные трещины, появляющиеся при нарушении скорости вытягива-

ния слитка, которая может измениться от 0,4 до 10 м/мин.

Непрерывная разливка на разливочной машине обеспечивает не только

качественный слиток и резко уменьшает потери металла в отходы, но значи-

тельно облегчает условия работы и резко повышает производительность труда

как при разливке стали, так и при

дальнейшей обработке слитков.

Одноручьевая установка непре-

рывной разливки позволяет полу-

чить от 20 до 150 т/ч слитков (в за-

висимости от их сечения и фор-

мы).

Вторым фактором, обеспе-

чивающим повышение качества

стали в последнее время, стало ее

вакуумирование перед разливкой и

вакуумная разливка в слитки. Ва-

куумирование стали перед раз-

ливкой проводят в ковше, поме-

щая его в камеру (рис. 61). Камера футерована шамотным кирпичом и закрыва-

ется крышкой, стальное кольцо которой для уплотнения вдавливается в резино-

109

вую прокладку. В крышку вмонтирована «гляделка» с кварцевым стеклом. Об-

работка, ста л и в ковше длится 10-12 мин при остаточном давлении около 300

Па (20 мм рт. ст. ). Выделение газов при вакуумировании вызывает бурное ки-

пение и перемешивание металла.

После этого камеру соединяют с атмосферой, снимают крышку и сталь из

ковша разливают в слитки обычным способом.

Отливка слитков в вакууме применяется главным образом для высокока-

чественных и некоторых высоколегированных марок стали. Она требует до-

вольно сложной организации и оборудования; одна из применяемых установок

показана на рис. 62.

Разрежение в камере разливки устанавливается 70-50 Па (5-3 мм рт. ст.), а

иногда и меньше. Благодаря тому, что газы удаляются не только из слитка, а

также из струи металла, протекающей в вакууме, удаление газов в такой уста-

новке протекает значительно лучше, чем в стационарной камере (рис. 61). Из

стали

при разливке в вакууме удаляется около 60% растворенного водорода и

другие газы, уменьшается количество неметаллических включений. У слитков

стали, отлитых таким способом, повышаются механи-

ческие свойства и пластичность. Стоимость слитков,

отлитых этим способом, значительно повышается.

В годы Великой Отечественной войны 1941-

1945 гг. академик Е. О. Патон внедрил в практику

сварочных работ электрошлаковую сварку крупных

стальных деталей. В 60-х годах этот принцип нашел

применение в металлургии для значительного улуч-

шения качества стальных слитков.

В слегка конусной водоохлаждаемой изложнице

расплавлен слой шлака, содержащего значительное

110

количество плавикового шпата. Ко дну изложницы подводят полюс источника

переменного тока большой силы, а стальной стержень или слиток, отлитый лю-

бым путем, опускают в шлак и подводят к нему другой полюс; при этом сталь-

ной стержень разогревается и при достаточной большой силе тока начинает

плавиться его часть, опущенная в шлак. Капли металла, проходя через шлак,

очищаются от неметаллических включений и растворенных газов. Попадая на

холодные стенки изложницы, капли начинают кристаллизоваться, образуя но-

вый слиток. По мере его образования либо опускают поддон изложницы, либо

медленно поднимают первичный слиток-электрод. Новый слиток благодаря

кристаллизации под флюсом и перемещению

зоны кристаллизации имеет хорошую структу-

ру и меньше неметаллических включений.

На рис. 63 показана трехпозиционная

промышленная установка для электрошлако-

вого переплава, где 1 - первичный слиток-

электрод, 2 - водоохлаждаемая изложница

вторичного слитка.

В последние годы на ряде заводов часть

стали повторно переплавляют на электрошлаковых установках и в вакуумных

печах, что значительно повышает качество слитков. На основе этого опыта

XXV съезд КПСС рекомендовал совершенствовать и шире внедрять прогрес-

сивные способы производства и улучшения качества металла: выплавку стали в

кислородных конверторах, электропечах, вакуумный, электрошлаковый пере-

плавы, а также непрерывную разливку и обработку жидкой стали синтетиче-

скими шлаками и методом внепечного вакуумирования.