Процессы, происходящие во время выпуска и разливки стали. Во время выпуска сталь взаимодействует с кислородом и азотом воздуха, шлаком и футеровкой желоба и ковша. В ковше производится раскисление стали, происходит образование и удаление из него неметаллических включений, снижается температура металла и шлака, изменяется их состав.

При выпуске предварительно раскисленного в печи металла, общее содержание кислорода повышается и может достигнуть того значения, которое было до раскисления. Таким образом, предварительное раскисление стали в печи, особенно малоуглеродистой, нецелесообразно.

При выпуске нераскисленной кипящей стали, напротив, отмечается обычно снижение окисленности металла за счет активизации реакции окисления углерода. Выделяющийся на желобе СО экранирует струю от контакта с атмосферой.

При контакте струи с атмосферой возможно поглощение азота. Этому способствует более высокое, чем в плавильном агрегате, парциальное давление N₂ и отсутствие защиты слоем шлака.

В целом степень взаимодействия металла с атмосферой определяется удельной величиной поверхности и временем контакта, т. е. характером струи, а также зависит от состава газовой фазы, непосредственно примыкающей к поверхности металла, и от его состава.

Существенными источниками кислорода, поступающего в сталь во время выпуска плавки и выдержки металла в ковше, являются также шлак и огнеупорная футеровка. Это подтверждается сравнительно высоким угаром раскислителей, присаженных в ковш, который повышается при увеличении окисленности и количества шлака, попавшего в ковш.

После окончания выпуска сталь выдерживают в ковше перед разливкой. Продолжительность выдержки качественной стали составляет обычно 10--15 мин, выдержка рядовых сталей определяется временем транспортировки ковша до разливочной площадки или МНЛЗ.

Выдержка стали в ковше перед разливкой и в течение разливки способствует всплыванию частиц шлаковых и огнеупорных включений и продуктов раскисления, равномерному распределению элементов-раскислителей, присаженных в ковш, выравниванию температуры, выделению растворенных в стали газов.

В процессе выпуска стали в зависимости от емкости сталеплавильного агрегата металл остывает на 20--50 °С, а во время выдержки в ковше он остывает на 0,3--1,5°С/мин в зависимости от объема ковша.

При температуре стали шамотная футеровка активно взаимодействует с печным шлаком, находящимся в ковше. При этом шлак обогащается кремнеземом и глиноземом, что снижает его основность и вязкость - создаются условия для перехода части фосфора из шлака в металл. В результате к концу разливки его содержание в металле может возрастать.

Концентрация марганца в кипящей стали обычно уменьшается, что связано с его окислением при снижении температуры. В процессе разливки окисляется также до 0,02--0,03 % углерода.

В спокойной стали частично окисляется кремний и практически полностью выгорает алюминий.

Во время разливки стали в слитки происходит ее повторное окисление. При этом общее содержание кислорода может увеличиваться в два-три раза. Наиболее склонен ко вторичному окислению глубокораскисленный металл. Опасность окисления больше при непрерывном литье заготовок, где суммарная площадь контакта металла с атмосферой в струе и промежуточном ковше сравнительно велика.

Для уменьшения вторичного окисления при разливке применяют защиту струи аргоном, разливку через удлиненный стакан под уровень металла в кристаллизаторе, защиту зеркала металла в изложнице и кристаллизаторе шлаковыми смесями или созданием восстановительной атмосферы в полости изложницы и т. п.

2. Способы разливки стали

Рисунок 12 - Схема разливки стали сверху, через промежуточный ковш (а) и промежуточную воронку (б) (обозначения в тексте)

После заполнения каждой изложницы стопор или шиберный затвор ковша закрывают, ковш транспортируют к следующей изложнице и повторяют цикл разливки.

Иногда при разливке сверху применяют двухстопорные ковши; это позволяет одновременно заполнять две изложницы и сократить длительность разливки. С целью уменьшения напора струи и разбрызгивания металла на стенки изложниц разливку сверху иногда ведут через промежуточные ковши (рисунок 12, а) или через промежуточные воронки (рисунок 12, б).

Размещено на http://www.allbest.ru/

При сифонной разливке (см. рисунок 13), основанной на принципе сообщающихся сосудов, сталью одновременно заполняют несколько (от двух до шестидесяти) изложниц. Жидкая сталь из ковша (1) поступает в установленный на поддоне (5) футерованный изнутри центровой литник (2), а из него по футерованным каналам поддона (6) в изложницы (4) снизу. Центровой литник и изложницы устанавливают на массивной чугунной плите -- поддоне, имеющей канавки, в которые укладывают пустотелый сифонный кирпич (трубки или проводки).

Таким образом, металл из ковша поступает в изложницу, лишь пройдя систему каналов, футерованных огнеупорным кирпичом. После наполнения всех установленных на поддоне изложниц стопор (шиберный затвор) закрывают, и ковш транспортируют к следующему поддону и т. п.

Оба способа разливки обладают рядом преимуществ и недостатков. Сифонная разливка имеет следующие преимущества перед разливкой сверху:

одновременная отливка нескольких слитков сокращает длительность разливки плавки и позволяет разливать в мелкие слитки плавки большой массы;

удобно применять защиту зеркала металла в изложнице шлаковыми смесями или жидким шлаком;

поверхность слитка получается чистой, так как металл в изложницах поднимается без разбрызгивания;

повышается стойкость футеровки ковша и улучшаются условия работы стопора и шиберного затвора вследствие меньшей длительности разливки и уменьшения числа открываний/закрываний;

есть возможность следить за поведением металла в изложнице и регулировать скорость разливки.

Недостатки сифонной разливки:

сложность и повышенная стоимость разливки из-за расхода сифонного кирпича, установки дополнительного оборудования и затрат труда на сборку поддонов и центровых;

дополнительные потери металла в виде литников (0,7--2,5 % от массы разливаемой стали) и возможность потерь при прорывах металла через сифонные кирпичи;

необходимость нагрева металла в печи до более высокой температуры, чем при разливке сверху, так как он дополнительно охлаждается в каналах сифонного кирпича;

опасность загрязнения стали неметаллическими включениями из-за размывания сифонного кирпича.

Преимуществами разливки сверху являются:

более простая подготовка оборудования к разливке и меньшая стоимость разливки;

меньше опасность загрязнения стали неметаллическими включениями;

отсутствие расхода металла на литники;

температура металла перед разливкой может быть ниже, чем при сифонной разливке.

Вместе с тем, разливке сверху присущи следующие недостатки:

образование плен на поверхности нижней части слитков из-за разбрызгивания металла при ударе струи о дно изложницы. Застывшие на стенках изложницы и окисленные с поверхности брызги металла не растворяются в поднимающейся жидкой стали, образуя дефект поверхности -- плены, которые не свариваются с металлом при прокатке;

большая длительность разливки;

из-за большой длительности разливки снижается стойкость футеровки ковша и в связи с большим числом открываний и закрываний ухудшаются условия работы стопора или шиберного затвора.

Оба способа разливки широко применяют. Благодаря простоте и отсутствию потерь металла с литниками часто предпочитают разливку сверху. Несмотря на необходимость дополнительной зачистки поверхности проката, разливка сверху для рядовых марок является более экономичной, чем разливка сифоном. В то же время высококачественные в легированные стали, когда стремятся уменьшить потери дорогостоящего металла на зачистку и получить чистую поверхность слитка, разливают главным образом сифоном. Сифонной разливкой, как правило, получают также слитки массой менее 2,5 т.

3. Сущность процесса кристаллизации

Сущность процесса кристаллизации стали заключается в переходе ее из жидкого состояния в твердое.

При понижении температуры увеличивается вероятность существования образований (кристаллов или роев) с упорядоченным строением, а их структура приближается к структуре твердого кристалла. При определенной температуре, называемой температурой кристаллизации, термодинамически одинаково вероятно наличие в системе как жидкой, так и твердой фаз. При этой температуре свободная энергия чистого металла в жидком и твердом состояниях одинакова.

Из схемы (рисунок 14) следует, что выше температуры кристаллизации Т₂ > Те устойчивым является жидкое состояние G_ж < G_тв и наоборот.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, при температуре Те возможно возникновение кристаллика, который при определенных условиях может расти.

При охлаждении жидкости до температуры плавления кристаллизация начинается не сразу. Возникающие в жидкости кристаллические образования непрочны и легко разрушаются. Для образования устойчивых первичных кристаллов необходимо переохлаждение, т. е. некоторое снижение температуры ниже точки плавления.

Сталь в изложницах кристаллизуется или затвердевает в виде кристаллов древовидной формы -- дендритов. Процесс кристаллизации складывается из двух стадий -- зарождения кристаллов и последующего их роста. Различают гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов.

Под гомогенным подразумевают образование зародышей кристалла в объеме жидкой фазы, под гетерогенным -- на имеющейся межфазной поверхности (на поверхности находящихся в расплаве твердых частиц -- например, неметаллических включений, стенок изложниц и кристаллизаторов).

Гомогенное зарождение - происходит следующим образом: в жидком металле вблизи точки кристаллизации вследствие флуктуации энергии, состава и плотности непрерывно образуются группировки атомов с упорядоченной структурой -- комплексы или зародыши твердой фазы. Одновременно и непрерывно происходит разрушение большей части их них. С тем, чтобы зародыш стал термодинамически устойчивым, т. е. способным к дальнейшему росту необходимы определенные условия.

Условия гомогенного зарождения.

Из термодинамики известно, что переход жидкости в твердое состояние и наоборот возможны, если свободная энергия системы при этом уменьшается.

Затвердевание или расплавление в процессе изменения температуры объясняются тем, что при температурах, превышающих точку кристаллизации, меньшей удельной свободной энергией обладает жидкая фаза, а при более низких температурах -- твердая.

В процессе образования зародыша свободная энергия системы с одной стороны возрастает в результате затраты энергии на образование поверхности раздела «расплав -- зародыш»

и с другой стороны уменьшается в результате перехода части жидкости в твердую фазу, у которой уровень свободной энергии ниже

где у - межфазное натяжение на границе раздела фаз (удельная поверхностная энергия).

При температуре кристаллизации свободная энергия жидкой и твердой фаз равны и образование зародыша невозможно, так как нет источника для компенсации затрат энергии на образование поверхности раздела фаз. Поэтому для образования зародыша необходимо некоторое переохлаждение расплава.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При данной величине переохлаждения термодинамически устойчивыми, т. е. способными к дальнейшему росту, оказываются те зародыши, размер которых превысит так называемый «критический». Критический размер это такой, начиная с которого дальнейший рост сопровождается снижением суммарной свободной энергии образования зародыша (рисунок 15).

Величину критического радиуса зародыша определяют из соотношения:

где у - межфазное натяжение на границе раздела жидкой и твердой фаз;

Т_кр -- температура начала кристаллизации;

ДТ -- величина переохлаждения;

Q_Kp -- скрытая теплота кристаллизации.

Таким образом, на процесс кристаллизации решающее влияние оказывают степень переохлаждения и удельная поверхностная энергия на границе кристалл--жидкость. При увеличении степени переохлаждения критический радиус зародыша уменьшается, т. е. термодинамически устойчивыми становятся более мелкие зародыши. Аналогичное влияние оказывает уменьшение величины поверхностной энергии у.

Приближенные расчеты показывают, что гомогенное зарождение кристалла ряда металлов возможно при переохлаждении, равном 0,2*Т_кр, т. е. около 350 °С для железа. Уменьшение переохлаждения до 200 °С снижает вероятность образования равновесного зародыша при гомогенной кристаллизации почти в 10⁵ раз. Однако величина переохлаждения в стальном слитке обычно не превышает 10 °С. Следовательно, кристаллизация по гомогенному механизму на практике не реализуется.

В реальных условиях механизм затвердевания имеет гетерогенный характер, когда образование и рост зародыша происходят на уже имеющейся поверхности раздела - центрах кристаллизации. Процесс зарождения и роста кристаллов в этом случае существенно облегчается - в реальных условиях сталь начинает кристаллизоваться при переохлаждении в несколько градусов.

В формировании структуры слитка не меньшую роль играет последующий рост кристаллов, который обусловливается прежде всего интенсивностью и направленностью отвода тепла.

Рост кристаллов. Зарождающийся кристалл имеет правильную форму, определяемую типом кристаллической решетки твердого металла. Однако вскоре после зарождения правильный рост возникшего кристалла прекращается и начинается преимущественный рост его вершин, т, е. ветвей дендрита. Объясняется это следующим: количество тепла и примесей сплава, выделяющихся при кристаллизации, будет минимальным у вершин и максимальным у центра граней кристалла, что препятствует дальнейшей кристаллизации у граней. От вершин кристалла вырастают оси первого порядка (стволы дендрита), на них перпендикулярно направленные оси второго порядка (ветви), на которых аналогичным образом развиваются оси третьего порядка и т. д. Появление все новых осей и их постепенное утолщение приводят к формированию сплошного кристалла (дендрита).

При отсутствии направленного теплоотвода оси во всех направлениях развиваются примерно одинаково и кристалл получается равноосным. При направленном теплоотводе кристаллы имеют вытянутую форму.

Вид структуры слитка определяется условиями охлаждения. Качественная связь между скоростью образования зародышей V₀.₃, линейной скоростью кристаллизации V_л. _к и величиной переохлаждения представлена на рисунке 1

Размещено на http://www.allbest.ru/

При высокой степени переохлаждения (при первоначальном контакте жидкого металла с холодной стенкой изложницы или кристаллизатора) число образовавшихся зародышей велико, а скорость роста зерна ограничена. В этом случае формируется мелкозернистая структура. По мере уменьшения переохлаждения скорость образования зародышей снижается быстрее, чем скорость их линейного роста. Кристаллы будут развиваться до больших размеров. При степени переохлаждения, равной ДТ₂, когда образуется мало зародышей, а скорость роста зерна еще велика - структура будет крупнозернистой.

Скорость роста кристаллов определяется в первую очередь интенсивностью теплоотвода; чем больше скорость теплоотвода и чем больше переохлаждение жидкого металла, тем больше будет скорость роста. Рост кристаллов протекает одинаково как в случае гомогенного, так и в случае гетерогенного их зарождения.

Интервал кристаллизации. Сталь как многокомпонентный раствор кристаллизуется в определенном интервале температур путем так называемой «избирательной кристаллизации». При температуре, соответствующей началу интервала кристаллизации образуются и начинают расти оси кристаллов, обедненные углеродом и другими составляющими стали, а в остающемся жидком металле их содержание возрастает. Поэтому понижается температура затвердевания жидкой фазы и последующие оси кристалла формируются при все более низкой температуре, а содержанке примесей в них возрастает.

Величина интервала кристаллизации определяется составом стали и условиями затвердевания слитка. Она возрастает при увеличении содержания в стали углерода и легирующих элементов. При увеличении интервала кристаллизации возрастает степень химической неоднородности слитка.

Скорость затвердевания слитка. При затвердевании стали в изложнице тепло отводится через ее стенки, поэтому зарождение и рост кристаллов начинаются у стенок изложницы, а толщина затвердевшего слоя непрерывно возрастает в направлении к центру слитка.

Литература

1. Металлургия стали./ Под ред. Явойского В.И. и Кряковского Ю.В. М.: Металлургия, 1984. - С.125-187.

2. Баптизманский В.И. Теория кислородно-конвертерного процесса. М.: Металлургия, 1975. - С.14-47.

3. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали. Бигеев. А.М., Бигеев В.А. Магнитогорск: МГТУ, 2000. - С.342-352.

4. Дюдкин, Д.А. Современная технология производства стали. / Д.А. Дюдкин, В.В. Кисиленко. М.: Теплотехника, 2007. - 528 с.

5. Металлургия стали / Явойский, В.И., Кряковский, Ю.В., Григорьев, В.П. и др. - М.: Металлургия, 1983. - 584с.

6. Кудрин, В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов.- М.: "Мир", ООО "Издательство АСТ", 2003. - 528 с.

7. Чалмерс, Б. Теория затвердевания. М.: Металлургия, 1968. - 280 с.

8. Колосов, М.И., Смирнов, Ю.Д. и др. Сменное оборудование для разливки стали. - Челябинск, 1961. - 320с.

9. Технология производства стали в современных конвертерных цехах / Колпаков, С.Ф., Старов, Р.В., Смоктий, В.В. и др. - М.: Металлургия, 1991. - 464с.

10. Развитие технологии непрерывной разливки стали. Лякишев, Н.П., Шалимов, А.Г. М.: ЭЛИЗ, 2002. - 208 с.

11. Емельянов, В.А. Тепловая работа машин непрерывного литья заготовок. - М.: Металлургия, 1988. - 143с.

12. Журавлев, В.А., Китаев, Е.М. Теплофизика формирования непрерывного слитка. - М.: Металлургия, 1974. - 216с.

13. Литвин, А.В., Мазур, В.Л., Темошенко, В.Л. Разработка литейно-прокатных комплексов для производства листовой стали, тонких слябов и лент за рубежом. Черная металлургия, 1990, №4. - С.23-31.

Размещено на Allbest.ru