Часть слитка, где расположена усадочная раковина, называется «ушко» или «ушко слитка». Эта область образуется в результате усадки металла при его застывании, что приводит к образованию впадины в слитке.
Ушко является важным элементом в литейном производстве, так как оно может служить показателем качества литья, а также может быть использовано для последующей переработки и производства новых изделий.
Металлический слиток, его строение
При заливке в форму (изложницу) большой массы металла он не затвердевает одновременно во всем объеме слитка. Затвердевание начинается у мест, от которых отводится теплота, — у стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь формы. Поэтому в слитке наблюдаются области (зоны) с неодинаковым строением кристаллов (зерен).
Схема строения стального слитка приведена на рис. 1.12. В слитке имеются три структурные зоны:
О зона 1 — мелкие равноосные кристаллы, образующиеся при соприкосновении расплавленного металла с холодными стенками изложницы. Здесь металл переохлаждается и возникает множество центров кристаллизации, тем более что посторонние твердые частицы и выступы на поверхности изложницы создают дополнительные центры кристаллизации. Зона 1 распространяется на небольшую глубину;
О зона 2 — крупные столбчатые кристаллы, которые растут перпендикулярно стенкам и дну изложницы, в сторону, обратную направлению отвода теплоты от жидкости;
О зона 3 — различно ориентированные равноосные кристаллы разного размера, причем они всегда больше кристаллов зоны 1.
Рис. 1.12. Схема строения стального слитка
С точки зрения механической прочности столбчатые кристаллы для малопластичных металлов нежелательны. Особенно непрочными являются места встречи дендритов, растущих от разных стенок изложницы; здесь образуются различные дефекты — пустоты, неметаллические включения и т.п. Вследствие неравномерной кристаллизации зерен дендритной формы химический состав в разных местах одного и того же дендрита получается неоднородным. Неоднородность состава внутри одного кристалла называют внутрикристаллической или дендритной ликвацией.
В результате кристаллизации по зонам в слитке отмечается также ликвация, называемая зональной (макроскопической).
Наибольшее скопление примесей наблюдается в центре, в верхней части слитка.
При затвердевании и охлаждении слитка происходит сокращение объема, которое называется усадкой. Усадка не может происходить за счет общего понижения уровня металла, так как затвердевание слитка начинается у стенок и дна изложницы, а также с поверхности. Если принять, что сверху слитка поверхностной корки не образуется (это иногда бывает и практически), то слиток будет затвердевать по усадочной схеме, приведенной на рис. 1.13.
Рис. 1.13. Схема образования усадочной раковины
Затвердевание у стенок изложницы слоя 1 с уменьшением объема вызовет понижение уровня оставшегося жидкого металла, затвердевание слоя 2 и последующих слоев будет вызывать все большее понижение уровня жидкого металла. В результате в слитке получится воронкообразное углубление — усадочная раковина.
Под усадочной раковиной обычно располагаются ликва- ционная зона и мелкие усадочные раковинки (поры), которые создают зону, называемую усадочной рыхлостью. Усадочная рыхлость обусловлена образованием между растущими кристаллами отдельных замкнутых объемов металла, в которых происходит местная усадка и появляются мелкие раковины.
Та часть слитка, где расположены усадочная раковина, усадочная рыхлость, ликвационная зона, является дефектной частью (прибыльная часть), ее нельзя использовать для изготовления деталей, а необходимо отделить от здоровой части слитка. Перед дальнейшей обработкой давлением прибыльная часть слитка отрубается или отрезается, что дает отход 15—25 % металла.
К дефектам слитка относят также газовые пузыри, которые образуются из-за наличия большого количества газов в жидком металле. Часть их при затвердевании удаляется, а часть остается внутри слитка и образует газовые пузыри, микро- и мак- ропоры.
Усадочные раковины в стальных слитках и заготовках
В современных цехах технология разливки стали в уширенные книзу изложницы с теплоизолирующими вкладышами обеспечивает ряд технологических и экономических преимуществ. Вместе с тем особенности затвердевания спокойной стали в таких изложницах приводят к появлению в структуре слитков вторичных усадочных раковин и рыхлости. Исследования, выполненные различными авторами, показали, что для ряда углеродистых и низколегированных сталей наличие вторичных усадочных дефектов не сопровождается ощутимым ухудшением качественных показателей готового проката. Однако, что касается металла широкого сортамента,, то наличие этих дефектов потребовало углубленного изучения их влияния на качество металла и исследования механизма формирований вторичной усадочной раковины и факторов, оказывающих влияние на ее размеры и расположение.
Формирование вторичной усадочной раковины и рыхлости
На расположение усадочных дефектов стального слитка существенное влияние оказывает направленность затвердевания. Теплоотвод должен быть организован таким образом, чтобы металл затвердевал последовательно от донной к прибыльной части слитка. При этом должны сохраняться условия для беспрепятственного питания всех затвердевающих участков слитка.
Критерием направленного затвердевания служит соотношение скоростей вертикальной и горизонтальной кристаллизации слитка. Если смыкание фронтов кристаллизации в горизонтальном направлении в верхней части изложницы происходит раньше, чем на нижних горизонтах слитка, то создается область, трудно доступная для питания жидким металлом. После окончательного затвердевания слитка здесь образуется вторичная усадочная раковина, отделенная от первичной так называемым "мостом" металла.
Такая схема затвердевания характерна для слитков спокойной стали с обратной конусностью, в том числе отлитых в уширенные книзу изложницы с теплоизоляционными вкладышами. Многочисленные исследования продольных осевых темплетов от таких слитков свидетельствуют о том, что во всех случаях ( с различным утеттлениеж зеркала металла ) образуется открытая усадочная раковина. Форма раковины и ее глубина зависят от способа утепления зеркала ме т алла и состава теплоизоляционных вкладышей. Под усадочной раковиной наблюдается зона, обогащенная примесями, и внеосевая неоднородность. Ниже, в осевой части слитка располагаются вторичные усадочные дефекты, отделенные от первичной усадочной раковины плотным "мостом".
В качестве примера рассмотрим структуру уширенного книзу слитка массой 8,9 τ из стали СтЗсп. В слитке толщина моста плотного металла в подприбыльной части составила 200—250 мм, ниже которого по оси слитка на расстоянии 400 мм ( от 25 до 40 % от верха слитка > располагался металл с усадочной рыхлостью.
На горизонтах от 40 до 53 % имелись вторичные усадочные пустоты, размеры которых ( после травления темплета в горячей соляной кислоте ) составили до 30 мм длиной и 6—12 мм шириной. Для детального исследования структуры из дефектных зон вырезали планки. Металлографические исследования показали, что внутренние полости этих дефектов не окислены и не загрязнены неметаллическими включениями. На серных отпечатках в районе вторичных дефектов обнаружена ликвация серы и фосфора, но она находилась в тех же пределах, что и в районе зональной λ -образной сегрегации в обычном слитке.
На планках из опытного слитка изучали ликвацию элементов непосредственно из мест с вторичными усадочными дефектами путем отбора стружки сверлом диаметром 10 мм. Результаты исследования показали, что максимальная степень ликвации по углероду ( 42 % ) и сере ( 50 % ) обнаруживается вблизи от усадочной пористости и пустот. На горизонтах 25—40 % от верха слитка ( район расположения усадочной рыхлости ) степень ликвации несколько выше, чем на горизонтах 37— 55 %, где расположены вторичные усадочные пустоты.
Таким образом, наличие в слитке вторичных усадочных дефектов, а также расположенных в этой зоне участков с повышенной степенью ликвации может оказать отрицательное влияние на качество готового проката.
Факторы, влияющие на вторичную усадку
Факторы, влияющие на размеры и расположение вторичной усадочной раковины и рыхлости, изучали путем модельных исследований и на продольных разрезах промышленных слитков. Представляло интерес оценить влияние утепления прибыльной части слитка на вторичные усадочные дефекты.
Отличительной особенностью формирования опытных слитков А и Б является отсутствие затвердевания металла в прибыли в течение первых 10 мин ( момент введения, первой порции изотопа ), в то время как при контакте с шамотной футеровкой (слиток В ) за это время кристаллизуется слой металла толщиной 25 мм. В дальнейшем скорость затвердевания металла в контакте с теплоизоляционными вкладышами ( слиток А ) заметно ниже, чем в контакте с утеплителем из быстротвердеющей смеси ( слиток Б ) и шамотной футеровкой ( слиток А).
Результаты сопоставления значений коэффициентов затвердевания металла в подприбыльной части слитков показывают, что на верхних горизонтах слитка А скорость затвердевания меньше на 17—30 %, а слитка Б — всего на 3—10 % по сравнению со сравниваемым слитком В. Эти соотношения свидетельствуют, что на формирование структуры, верхних горизонтов слитков оказывает влияние тепло, подводимое из прибыли. На среднем горизонте слитков коэффициенты затвердевания практически одинаковы, следовательно, здесь влияние подвода тепла из прибыли при улучшении ее теплоизоляции практически не проявляется.
Pereosnastka.ru
Разливка стали
К атегория:
Производство черных и цветных металлов
Разливка стали
Готовая сталь выливается из печи в разливочный ковш, в котором с помощью мостового крана переносится к месту разливки, где и разливается по изложницам.
Изложницы представляют собой чугунные или, реже, стальные формы. Для облегчения выемки слитка изложницы делают конусными. Поперечное сечение изложниц бывает различной формы: для слитков, идущих на прокатку, — квадратной (рис. 1,а) или прямоугольной, для слитков под ковку — многоугольной (рис. 1,б) или круглой формы.
Разливочные ковши (рис. 2) изготовляются из листовой стали и выкладываются внутри шамотным кирпичом. В дно футеровки ковша вставляется огнеупорный стакан с отверстием, которое закрывается огнеупорной пробкой, укрепленной на конце стального штока (стопора), имеющего футеровку из шамотных колец.
Заполнение изложницы сталью может производиться сверху или снизу. Для получения большого количества мелких и средних слитков применяется так называемая сифонная разливка в изложницы, не имеющие дна и обычно расширяющиеся книзу.
При этом струя металла направляется в центральный литник, от которого металл по каналам расходится к изложницам и плавно, без разбрызгивания их заполняет, благодаря чему слитки получаются с относительно чистой поверхностью. Заполнение сверху производится в изложницу с дном, причем слиток получается более плотным, чем при сифонной разливке, так как горячая сталь поступает в прибыль и лучше «питает» слиток. Но поверхность слитка получается несколько худшей, чем при сифонной разливке, потому что сталь при заполнении нижней части изложницы разбрызгивается. Сверху отливаются преимущественно крупные слитки весом до 20 т для прокатки и в некоторых случаях более 100 т для специальных поковок.
В последние годы распространяется разливка стали в вакууме или в защитной среде.
По характеру раскисления различают спокойную и кипящую сталь.
Рис. 1. Изложницы
Рис. 2. Разливочный ковш
Спокойная сталь полностью раскислена в печи или в ковше марганцем, кремнием и алюминием и в изложнице затвердевает спокойно.
При соприкосновении стали со стенками изложницы образуются мелкие зерна. Далее скорость затвердевания уменьшается и кристаллы растут, ориентируясь по направлению отвода теплоты, в результате чего образуется зона слитка, представляющая ориентированные столбчатые кристаллы.
Внутреннюю часть слитка составляют неориентированные (вследствие отвода теплоты в разных направлениях) кристаллы, затвердевающие медленно. Получается плотный слиток с усадочной раковиной в верхней части. Часть слитка, где расположена усадочная раковина, называется прибылью. Для дальнейшей обработки (прокаткой, ковкой) прибыль отрезают. Спокойная сталь применяется для ответственных деталей.
Чтобы уменьшить усадочную раковину, применяют изложницы с прибыльной надставкой, имеющей малотеплопроводную огнеупорную футеровку. Благодаря этому сталь в надставке продол-жительное время остается жидкой и питает затвердевающий слиток, уменьшая в нем усадочную раковину.
Для той же цели в последние годы применяется обогрев прибыльных частей слитков электрическими дугами, индукционными токами, термитными смесями, газо» выми горелками и другими способами.
Помимо приведенного на рис. 4 кристаллического строения, для слитков характерна неоднородность вследствие зональной, внутрикристаллической ликвации и ликвации по удельному весу. Зональная ликвация вызывается фактом разности температур затвердевания различных составляющих сплавов; для стали, например, такими примесями являются сера, фосфор, неметаллические включения. Все эти примеси обычно располагаются в верхней части слитка.
Рис. 3. Заливка изложниц снизу (сифоном)
Рис. 4. Строение прибыльной надставкой
Рис. 5. Изложница с слитка
Рис. 6. Получение слитка кипящей стали
Чтобы закрыть выход газам в изложницу, в определенный момент вставляют чугунную крышку; в результате быстрого охлаждения под крышкой образуется твердая корка стали. Выделяющаяся окись углерода частично остается внутри слитка в виде рассеянных газовых раковин, компенсирующих объемную усадку, поэтому слиток не имеет сосредоточенной усадочной раковины и может делаться без прибыли.
Кипение в изложнице со свободным выходом газов (до образования корки) способствует более полному удалению из слитка неметаллических включений, поэтому пластичность кипящей стали выше, чем спокойной.
Кипящая сталь хорошо сваривается и штампуется, поэтому она применяется для деталей глубокой вытяжки, а также сварных труб и других изделий. Она дешевле спокойной стали, но слитки получаются неоднородными по составу, что ограничивает применение кипящей стали.
В последнее время начали внедряться методы непрерывной разливки стали.
На рис. 7 приведена схема непрерывной разливки стали. Из стопорного ковша через промежуточное разливочное устройство жидкая сталь непрерывно поступает в кристаллизатор, охлаждаемый водой. В кристаллизаторе формируется слиток — образуются его поверхности. Наиболее рациональным является слиток прямоугольного профиля размером от 150×500 до 200×600 мм.
Затвердевающий слиток непрерывно вытягивается из кристаллизатора вращающимися роликами со скоростью 0,5— 1,5 м/мин. В зоне между кристаллизатором и роликами слиток интенсивно охлаждается мелко распыленной водой для ускорения кристаллизации внутренней массы.
Глубина жидкой лунки для слитка сечением 150×500 мм достигает 4,2 м при вторичном (вне кристаллизатора) охлаждении водой в количестве 5 л на 1 кг стали. Для разделения слитка на куски нужной длины применяется резка струей кислорода. С этой целью ниже тянущих роликов 5 слиток сцепляется с тележкой газорезки 6, которая вместе с ним движется вниз. Отрезанные куски убираются на склад, откуда поступают для дальнейшей обработки (прокатки, ковки).
Непрерывная разливка имеет ряд преимуществ. Она дает заготовки сравнительно небольшого сечения, поэтому сокращается производственный цикл и устраняется необходимость выполнения ряда трудоемких операций с применением дорогостоящего оборудования, как-то: разливки стали по изложницам, прокатки на обжимных станах — блумингах и слябингах и пр. Кроме того, при непрерывной разливке отходы стали вследствие отсутствия усадочных дефектов составляют всего 2—3% вместо 15—25% при разливке в изложницы.
Рис. 7. Схема непрерывной разливки стали
По семилетнему плану высокопроизводительный метод непрерывной разливки широко внедряется на металлургических заводах СССР , в частности, на Ново-Липецком и Сталинском заводах.
На крупных металлургических заводах принята технология, по которой значительная часть слитков из сталеплавильных цехов направляется на прокатку в горячем состоянии. При такой технологической схеме весь процесс переработки руды — от колошника доменной печи и до выпуска готового проката — оказывается непрерывным.