Усадочные явления в процессе затвердевания и охлаждения слитка

В процессе затвердевания и охлаждения слитка протекают процессы усадки металла. Сущность усадки состоит в объемных изменениях жидкой и твердой фаз при понижении температуры и объемных изменениях, происходящих при фазовых превращениях. Эти процессы проявляются в слитке характерными изменениями, в результате которых уменьшаются его общие размеры, а внутри слитка образуются усадочные пустоты (усадочные раковины, усадочная пористость), усадочные деформации (линейная усадка, коробление), трещины, остаточные внутренние напряжения и т.п.

При фазовых превращениях в твердом состоянии, когда происходит изменение типа и параметров кристаллической решетки, наблюдаются скачкообразные изменения размеров тела, проявляющиеся либо в сжатии, либо в расширении определенных объемов.

Численные характеристики изменений размеров тел при охлаждении называют коэффициентами усадки, которые могут выражаться в объемных или линейных величинах, в долях единицы или в процентах.

Усадка при затвердевании, как и при охлаждении жидкости, проявляется в снижении уровня зеркала металла в прибыли. На величину усадки существенное влияние оказывает содержание углерода. С одной стороны, усадка при затвердевании взрастает с увеличением его содержания в связи с ростом интервала кристаллизации стали, а с другой – она уменьшается в твердом состоянии вследствие сужения перепада температур солидуса и перехода гамма-фазы в альфа-фазу (доперлитная усадка).

На величину усадки также оказывают влияние степень раскисленности стали. При повышении концентрации растворенного алюминия в стали до 0,06% уменьшается размер зерна, увеличиваются количество ферритной составляющей и расширение при превращении гамма-фазы в альфа-фазу. При дальнейшем повышении содержания алюминия количество феррита и величина расширения умеьшаются.

В целом же объемная усадка в жидком состоянии зависит от химического состава стали и температуры ее перегрева выше температуры ликвидуса. Величина объемной усадки стали при затвердевании обусловливается величиной интервала кристаллизации, которой, в частности, определяется содержанием углерода и других элементов.

Зависимость изменения размеров металлов и сплавов от температуры хотя и приближается к линейной, но строго линейной не является. Поэтому коэффициенты усадки определяют как средние для определенного интервала температур для каждой марки стали. Вместе с тем, можно считать, что для интервала затвердевания происходит последовательное равномерное уменьшение объема металла, вызванное усадкой как жидкой, так и образующейся твердой фазы. Следствием этих процессов является уменьшение объема металла внутри слитка, которое обусловливает появление усадочных раковин и пористости (рис.3.5).

Рисунок 3.7 - Фотография верхней части продольного темплета слитка массой 18 т

В табл.3.1 в качестве иллюстрации приведены некоторые численные значения усадки углеродистой стали при охлаждении и затвердевании.

Таблица 3.1 - Усадка углеродистой стали при охлаждении и затвердевании, %

По целому ряду соображений наиболее целесообразным представляется локализация усадочных полостей в пределах головной части слитка (прибыли). При правильно выбранных параметрах и конструкции прибыльной надставки уменьшается количество отходов от слитка.

С учётом объёма пустот в виде усадочной рыхлости в теле слитка объём усадочной раковины в прибыли составляет 3-4%. На практике на прибыльную часть слитка, которая служит для восполнения усадки стали при затвердевании, расходуется, как правило, 14-20% массы слитка, а с увеличением конусности слитка эта величина еще более возрастает. То есть, если для компенсации усадки из прибыли в тело слитка требуется около 3-4% жидкого металла, то остальные 10-60% металла, остающиеся в прибыли к моменту затвердевания слитка, обеспечивают поддержание этого количества стали в жидком состоянии до момента затвердевания тела слитка под прибылью.

Теплота в прибыли слитка расходуется в двух направлениях: боковом и вертикальном. Формирование усадочной раковины в прибыли зависит от соотношения тепловых потоков в боковом и вертикальном направлениях.

Идеальным вариантом формирования слитка является создание прибыльной надставки, не выделяющей теплоту в слиток, но предотвращающей выделение теплоты из слитка. Это связано с тем, что крайне важно не вводить дополнительную теплоту в тело слитка. Эта теплота переносится конвекцией в нижнюю часть слитка, где вследствие этого происходит задержка процесса затвердевания и развитие сегрегации.

В случае, когда тепловой поток в боковом направлении значительно больше, чем в вертикальном, то общая результирующая теплового потока приближается к горизонтальному направлению, что предопределяет и глубокую усадочную раковину в прибыли, а следовательно, и невысокий выход годного. Если же действие боковой изоляции эффективно и тепловой поток через боковую сторону утепленной прибыльной надставки минимален, то получается более ровное очертание (чашеобразное) прибыли и выход годного увеличивается.

Если тепловой поток ограничен в боковом и вертикальном направлении, то формируется более плавное очертание контура усадочной раковины, которая получается неглубокой, что и предопределяет высокий выход годного такого слитка.

Для получения достаточно широкой и неглубокой усадочной раковины требуется, чтобы скорость затвердевания металла в прибыли была значительно меньше, чем скорость затвердевания тела слитка. Тепловой баланс прибыли включает ряд статей расходной (q ) и приходной (Q ) частей:

q =Q ,

или

где q₁ - потери теплоты через зеркало металла; q₂ - количество теплоты, идущее на нагрев футеровки и каркаса надставки, и потери теплоты от поверхности каркаса в окружающую среду; q₃ - теплота, переданная в тело слитка; q_пр - прочие потери теплоты; Q₁ - теплота перегрева жидкой стали; Q₂ - теплота, выделяющаяся при затвердевании металла в прибыли; Q₃ - теплота, выделяющаяся при охлаждении первоначально затвердевших объемов металла; Q_вн - теплота, внесенная извне.

Доля тепловых потерь, приходящихся на каждую из статей, может изменяться в зависимости от условий футеровки надставки, теплоизоляции зеркала металла, конфигурации и размеров надставки и количества металла в прибыли. Установлено, что больше всего тепла теряется через футеровку надставки (75-85%). Тепловые потери через зеркало металла составляют около 15-25%.

Таким образом, затвердевание металла в прибыли, будучи явлением нежелательным, обусловлено тем, что предотвратить потери тепла металлом прибыли, а, следовательно, и снижения его температуры, полностью невозможно. Однако, эти потери можно свести к минимуму путём сокращения потерь тепла в окружающее пространство, то есть путём улучшения тепловой работы прибыли, что позволило бы довести в пределе объём прибыли до указанных выше значений.

Объем усадочной раковины в головной части слитка зависит, главным образом, от состава металла и температуры разливки. В то же время геометрическая форма и протяженность по высоте усадочной раковины определяются конфигурацией прибыли, конструкцией прибыльной надставки, условиями теплоотвода через футеровку надставки, утеплением зеркала металла и другими факторами.

32.Общее устройство мартеновской печи

Мартеновская печь состоит из верхнего и нижнего строений (рисунок 1). Верхнее строение печи, расположенное над рабочей площадкой цеха, состоит из рабочего пространства, головок и вертикальных каналов Плавильное (или рабочее) пространство ограничено передней стенкой с завалочными (рабочими) окнами, задней стенкой с выпускным отверстием, подом и сводом. В торцах плавильного пространства расположены головки, служащие для подвода топлива и воздуха и отвода из плавильного пространства продуктов сгорания. Головки соединяются с нижним строением печи вертикальными каналами. Нижнее строение печи расположено под рабочей площадкой цеха и состоит из шлаковиков, предназначенных для отделения от дымовых газов частичек уносимых ими из плавильного пространства шлака и пыли, регенеративных камер и боровов с перекидными клапанами. В регенераторах осуществляется подогрев воздуха до поступления в плавильное пространство Тепло для их нагрева отдают дымовые газы, периодически проходящие через регенераторы Направление движения дымовых газов, воздуха и топлива регулируется поочередным открытием тех или иных перекидных (пусковых) клапанов.
Проходя через предварительно нагретую насадку регенератора воздух нагревается до 1000—1200 °С и в нагретом состоянии через «головку» попадает в печь.

 

1 – рабочее пространство; 2 – головки; 3 – вертикальные каналы;
4 – шлаковики; 5 – насадки регенераторов; 6 – борова;
7 – реверсивные и регулирующие клапаны; 8 – котел-утилизатор;
9 – газоочистка; 10 – дымовая труба

Рисунок 1 – Схема мартеновской печи

В рабочем пространстве печи происходит смешение топлива с воздухом и сгорание его с образованием факела пламени, имеющего температуру 1800—1900 °С
Продукты сгорания (дым) с температурой 1650—1700 °С поступают в каналы противоположной головки, затем в вертикальные каналы, в шлаковики и регенераторы (с температурой 1500—1550 °С).
По истечении определенного промежутка времени (5—20 мин) после нагрева насадки регенератора и соответствующего охлаждения противоположной насадки регенератора производится изменение направления движения воздуха на обратное при помощи перекидных клапанов. Операцию изменения направления газов с помощью клапанов называют «перекидкой клапанов».
Из рабочего пространства печи дымовые газы выходят с температурой 1680—1750 °С, из шлаковика в регенератор — с температурой 1500—1550 °С. Пройдя насадку регенератора, они охлаждаются до 500—700 °С. Обычно стремятся использовать тепло отходящих газов, направляя их по системе боровов в котел-утилизатор. Если по каким-либо причинам котел-утилизатор не установлен или находится на ремонте, дымовые газы по боровам направляют в трубу.

33.Особенности использования щелочноземельных и редкоземельных металлов при обработке стали в ковше.

34.Укажите пределы, в которых обычно в настоящее время изменяется доля металлического лома в шихте кислородного конвертера. Какие факторы оказывают влияние на расход лома?

35.Виды шихтовых материалов сталеплавильного производства и причины, определяющие их применение

Шихтовые материалы сталеплавильного производства

Выплавка стали – один из важнейших технологических этапов в черной металлургии, так как технические свойства готовой продукции: труб, металлопроката, др., напрямую зависят от химического состава и качествастального слитка, что в свою очередь определяются технологией выплавки стали и свойствами используемых материалов.

Заданные в мартеновскую (конверторную) плавку материалы обычно делят на группы. Основная группа – металлошихта, в состав которой входит чугун, стальной (иногда чугунный) лом; ферросплавы, а также железо из:

· руды;

· агломерата;

· окатышей и др.

Чугун в сталеплавильных агрегатах, как правило, используется в жидком виде и поступает непосредственно из доменного цеха или после дополнительной оптимизации его химического состава в процессе внепечной обработки. Иногда жидкий чугун дополняется небольшим количеством холодного чугуна в «чушках». На предприятиях, не имеющих доменного производства, в шихте используют только твердый чугун, который задают непосредственно в плавку или предварительно расплавляют в специальных плавильных печах. Такой способ выплавки стали существенно удорожает процесс, являясь более трудоёмким и энергоёмким.

Стальной лом в составе металлошихты включает оборотные отходы своего предприятия (обрезки при раскрое металла, производственный брак, отходы литья, др.), собственный амортизационный и покупной лом, а также металл, извлеченный из шлаковых отвалов. Количество и состав лома зависит от марки выплавляемой стали, количества и химсостава чугуна. Лом учитывают по группам и видам. Особому учету подлежит легированный лом. Сбор, сортировка и обработка лома, образовавшегося на предприятии, как и извлечение металла из отвального шлака, производится на том же предприятии в специализированных цехах.

Сторонний лом металлургия покупает рассортированным и готовым к использованию. Этим занимается ломоперерабатывающая промышленность. Здесь происходит очистка лома от механических примесей и ржавчины, рассортировка по видам, группам и категориям, разделка негабаритных фрагментов, прессование, упаковка. В среднем доля покупного лома в металлургии не превышает 20%.

Ферросплавы представляют собой сплав железа с другими (в том числе, легирующими) элементами. Черная металлургия, как отрасль промышленности, включает ферросплавные заводы, но для металлургических комбинатов ферросплавы – всегда покупные материалы. Количество и состав применяемых ферросплавов строго индивидуально для каждой марки выплавляемой стали.

Вторая после металлошихты группа материалов для сталеплавильного производства — добавочные материалы. К ним относятся: твёрдые окислители (руда железная и марганцевая, агломерат, окатыши, окалина), известь, плавиковый шпат, топливо для карбюрации металла и др..

36.Способы раскисления стали и их влияние на качество стали.

Раскисление

Раскисление металла – одна из основных операций рафинирования металла, заключающаяся в удалении из жидкого металла кислорода, присутствующего в виде оксидов, присадкой в металл раскислителей (восстановителей) – веществ, обладающих способностью соединяться с кислородом. От раскисления металлов в большой степени зависит их качество. Хорошими раскислителями являются C, Si, Mn, используемые в видеферросплавов, в том числе комплексных раскислителей (силикомарганец, силикокальций и другие). Продукты раскисления всплывают в шлак либо удаляются в виде газа (оксид углерода).

Восстановительный процесс – физико-химический процесс получения металлов из оксидов отщеплением и связыванием кислорода восстановителем – веществом, способным соединяться с кислородом. Типичным восстановительным процессом является доменный процесс, в котором железо восстанавливается из руд главным образом углеродом или его оксидом.

Раскисление стали

Раскисление стали - это снижение содержания кислорода в стали до уровня, исключающего возможность окислительных реакций в слитке. Образующиеся при этом твёрдые, жидкие или газообразные продукты раскисления стали необходимо удалить до затвердевания слитка, так как они снижают качество стали. Содержание кислорода после раскисления стали снижается на порядок.

Стадии процесса раскисления:

Растворение раскислителей в жидком металле.

Реакции между кислородом и раскислителем.

Образование зародышей, рост и выделение продуктов раскисления.

Способы раскисления стали:

Осаждающее раскисление;

Диффузионное раскисление;

Специальные способы раскисления (обработка синтетическими шлаками; раскисление в вакууме).

Осаждающее раскисление

Такой способ раскисления, как осаждающее раскисление осуществляется при помощи элементов, обладающих большим сродством к кислороду, чем Fe. В зависимости от ситуации в качестве раскислителей применяют марганец, кремний, алюминий или комплексные раскислители.

Диффузионное раскисление

Выражение "диффузионное" не вполне соответствует существу процесса этого способа раскисления. Более точный термин - "экстракционное раскисление". При диффузионном раскислении содержание кислорода снижается за счёт раскисления шлака. Раскислителями могут быть C, Si, Al. Основная задача - снижение FeO в шлаке, что усиливает диффузию кислорода из металла в шлак (правило распределения Нернста).

Этот способ раскисления применяется только в дуговых печах, где нет горящих газов.

Обработка синтетическими шлаками (способ раскисления)

Широко применяется в практике обработка расплава железа синтетическими шлаками. В дуговой печи наводят шлак из Al2O3 и CaO; шлак заливают в ковш, туда же с высоты 3-6 м выливают струю металла из печи. Этот способ раскисления позволяет снизить содержание кислорода и серы.

Электрошлаковый переплав (способ раскисления)

Основная цель электрошлакового переплава (ЭШП) - очистка стали от серы и неметаллических включений в процессе расплавления исходного материала в разогретой шлаковой ванне. Кроме того, за счёт затвердевания в водоохлаждаемом кристаллизаторе можно управлять структурой слитка.

Вакуумное раскисление

Вакуумное раскисление основывается главным образом на реакции обезуглероживания, так как в вакууме раскислительная способность углерода значительно возрастает.