книги / Металлургические технологии

ставляет собой рольганг с системой водяных форсунок 6. Опорные устройства отсутствуют, так как вследствие малого металлостатиче­ ского давления выпучивание корки слитка не происходит. Далее расположен механизм периодического вытягивания слитка, который перемещает слиток вперед на 25...50 мм, а затем возвращается назад. Слиток при этом остается неподвижным, затем цикл повторяется. Число циклов колеблется от 20 до 100 в 1 мин. Периодическое вытя­ гивание слитка заменяет качание кристаллизатора, применяемое на вертикальных и криволинейных МНЛЗ для предотвращения зависа­ ния и разрывов корки слитка в кристаллизаторе.

Рис. 11.11. Схема горизонтальной машины непрерывного литья заго­ товок: 1 - сталеразливочный ковш; 2 - металлоприемник; 3 - огне­ упорный стакан; 4 - кристаллизатор; 5 - зона вторичного охлажде­ ния; 6 - водяные форсунки; 7 - слиток; 8 - механизм вытягивания слитка; 9 - газовый резак; 10 - рольганг

Горизонтальные МНЛЗ применяют для получения слитков не­ большого сечения толщиной не более 150...200 мм. Основные пре­ имущества этих машин: малая высота и высокая скорость разливки - до 4 м/мин.

Качество непрерывно-литых слитков. Слитки и заготовки, по­ лученные методом непрерывной разливки, благодаря ускоренной кристаллизации отличаются меньшей химической неоднородностью и более равномерным распределением неметаллических включений. Кроме того, от слитков, получаемых традиционными способами раз­

ливки, непрерьшно-литые слитки отличаются более чистой и гладкой поверхностью.

Типичными дефектами непрерывно-литых слитков являются:

1 ) осевая пористость, что связано с наличием в кристаллизую­ щемся слитке очень глубокой и узкой лунки жидкого металла. Осе­ вая пористость заметно увеличивается при увеличении перегрева ме­ талла и увеличении скорости разливки;

2) трещины. Продольные поверхностные трещины на гранях за­ готовки являются результатом действия усадочных напряжений и образуются при неравномерном прилегании формирующейся корки к стенкам кристаллизатора. Поперечные поверхностные трещины (надрывы корки) возникают в кристаллизаторе вследствие увеличе­ ния сил трения при недостаточной смазке его стенок и зависания корки при наличии на стенках кристаллизатора царапин и вмятин. Поперечные трещины в углах слитка и внутренние трещины образу­ ются в результате слишком интенсивного вторичного охлаждения.

С целью повышения качества непрерывно-литого металла орга­ низацию и технологию непрерывной разливки постоянно совершен­ ствуют.

Вопросы для самоконтроля 1 . Какова роль шлаков в процессе плавки сталей?

2 . Укажите основные параметры сталеплавильных шлаков.

3.Что такое основность и окисленность сталеплавильного шлака?

4.Что происходит при протекании реакции окисления углерода?

5.Как изменяется вероятность протекания реакций окисления углерода с повышением температуры в сталеплавильном агрегате?

6. Как изменяется вероятность протекания реакций окисления

примесей с повышением температуры в сталеплавильном агрегате? 7. Сравните условия, необходимые для проведения дефосфора-

ции и десульфурации в сталеплавильном агрегате. Возможно ли эти процессы проводить одновременно?

8. Что такое раскисление?

9. Почему при осаждающем раскислении в стали неизбежно ос­ таются оксидные включения?

10.Какое раскисление протекает быстрее: глубинное или диффу­ зионное?

11.Для чего удаляют шлак в конце окислительного периода (пе­ риода плавления и окисления примесей)?

12.Какие процессы при плавке стали протекают с участием шлаков?

13.Какому закону подчиняется взаимодействие расплавленного металла и шлака?

14.Опишите принцип действия бессемеровского конвертера. Что является топливом конвертерных процессов?

15.Перечислите периоды конвертерной плавки. Какие физико­ химические процессы происходят в каждый из периодов?

16.В чем отличия кислородно-конвертерной плавки от бессеме­ ровской?

17.Что является топливом в кислородно-конвертерном процессе?

18.Опишите современные разновидности кислородно-конвер­ терного процесса.

19.Из каких основных частей состоит мартеновская печь?

20.Назовите разновидности мартеновских процессов.

21.В чем заключаются технологические особенности мартенов­ ского процесса?

22.Опишите периоды мартеновского скрап-процесса.

23.В чем сущность электрометаллургии сталей?

24. Опишите технологию выплавки сталей сложного состава

впечах средней емкости.

25.Опишите технологические приемы получения сталей особо высокого качества.

26.Какие химические элементы являются вредными для сталей? Почему?

27.В чем сущность ВДП?

28.Опишите принцип процесса ЭШП.

29.Что называют разливкой сталей? Укажите виды разливки.

30.Опишите сущность непрерывной разливки сталей и виды МНЛЗ.

31.Каково устройство установки «ковш-печь»?

32.С какой целью производится дополнительная металлургиче­ ская обработка расплава?

33.Какие легирующие элементы обозначаются в сплавах буква­ ми А, Б, В, Г, Д?

Поскольку твердые металлы являются кристаллическими теламц5 переход металлов и сплавов из жидкого в твердое состояние называ­ ют кристаллизацией. В том случае, если переход «жидкость - твер­ дое тело» совершается без образования кристаллической структуры, говорят об аморфизации или стекловании.

12.1.1. Термодинамика процесса кристаллизации

Если вещество может существовать в виде той или иной фазы, то устойчивой будет являться та фаза, которая при данных условиях (в нашем случае - при данной температуре) будет обладать меньшей энергией Гиббса G. Условием термодинамического равновесия между твердой и жидкой фазами является равенство энергий Гиббса в этих состояниях, Си = G*. Температурная зависимость энергии Гиббса раз­ лична для разных фаз (рис. 12.1). В некоторой точке (при некоторой температуре) кривые пересекаются. Эту температуру, при которой выполняется условие Gxв = G>к, называют теоретической температурой

кристаллизации Т0. При темпера­ турах выше Т0 выполняется нера­ венство G>к < Gra, и устойчивой будет жидкая фаза. А при темпе­ ратурах ниже Т0 - GTB < G>K, и ус­ тойчивой будет твердая фаза.

Кристаллизация, как и любой другой самопроизвольный про­ цесс, может протекать только при

условии уменьшения энергии Рис. 12.1. Температурная Гиббса, т.е. когда

зависимость свободной энергии

ДG == GTв —Gm< 0.

для жидкой и твердой фаз

Другими словами, кристаллизация не может начаться и проте­ кать при теоретической температуре кристаллизации Г0, поскольку в этом случае GTB = G7KH AG = 0.

Для протекания кристаллизации металл необходимо переохладить

Как видно из графиков на рис. 12.1, с увеличением степени пере­ охлаждения (или перегрева, если речь идет о плавлении) значения AG становятся все более отрицательными, и вероятность протекания процесса кристаллизации увеличивается.

12.1.2. Кинетика процесса кристаллизации

Систематическое исследование кинетики кристаллизации пер­ вым провел Г. Тамман. Он развил идею Д.К. Чернова о том, что в процессе кристаллизации следует различать две стадии: стадию образования зародышей кристаллов, так называемых центров кри­ сталлизации и стадию роста этих зародышей. Тамман ввел количест­ венные параметры для описания процесса кристаллизации - скорость зарождения центров кристаллизации п и скорость их роста С.

Первый параметр п характеризует число зародышей твердой фа­ зы, способных к дальнейшему росту, появляющихся в единице объ­ ема жидкости за единицу времени. Второй параметр С показывает линейную скорость перемещения граней зародышей.

Как показывает термодинамический анализ, к дальнейшему рос­ ту способны не все зародыши, а только те, размер которых не мень­ ше определенного, так называемого критического размера зародыша. Критический размер зародыша Гщ>можно оценить по формуле

-„ = 2 < ,£ .Д Г ,

где о - удельная поверхностная энергия (поверхностное натяжение); Т0- теоретическая температура кристаллизации (плавления); L - скры­ тая теплота кристаллизации (плавления); АТ - степень переохлаждения.

Из данного выражения следует, что критический размер зародыша зависит только от степени переохлаждения, все остальные величины для данного расплава являются постоянными. Кроме того, из этой формулы видно, что без переохлаждения кристаллизация невозможна, так как при

A T = 0 критический размер зародыша Гкр —►оо, что соответствует условию, при котором критический размер зародыша должен быть равным все­ му объему, занимаемому расплавом.

Наблюдая за кристаллизацией прозрачных органических веществ, Тамман установил, что оба пара­ метра (и и С) зависят от степени переохлаждения АТ (рис. 12.2). Обе кривые имеют максимум, но при различных А Т Максимум скорости

роста центров С достигается при меньшей степени переохлаждения АТ= АГь в то время как максимум числа центров п достигается при значительно более высокой степени переохлаждения АТ= АТ2.

Эксперименты с металлическими расплавами показали, что кри­ вые Таммана сохраняют свое значение и для теории кристаллизации металлов и металлических сплавов. Основное отличие заключается в том, что при кристаллизации металлов и сплавов обычно реализуют­ ся только восходящие ветви кривых. В последние годы применение сверхвысоких скоростей охлаждения (104 °С/с и выше) позволило дос­ тичь таких степеней переохлаждения, при которых металлы затверде­ вают без образования кристаллической решетки, т.е. аморфизируются.

Анализ кривых Таммана показывает, как можно регулировать размер зерна в отливках. При малых скоростях охлаждения и, соот­ ветственно, малых АТ число возникающих центров кристаллизации п мало, а скорость их роста С велика. В результате в отливке формиру­ ется крупнозернистая структура. При больших АТ число зародышей, способных к росту, значительно больше, что приводит к форми­ рованию мелкозернистой структуры.

С этих позиций легко объясняется и строение стального слитка (см. подразд. 11.3): при контакте жидкого металла с холодными стенками изложницы степень переохлаждения велика, и, следова­ тельно, число центров кристаллизации п велико, а скорость их роста

С мала. В таких условиях формируется мелкозернистая корковая зо­ на. Зона столбчатых кристаллов формируется в условиях, когда раз­ ница температур между жидким металлом и только что закристалли­ зовавшимися кристаллами корковой зоны. Другими словами, степень переохлаждения невелика, поэтому число центров мало, а скорость их роста значительно выше, чем в первом случае. В результате раз­ мер столбчатых кристаллов значительно больше, чем кристаллов корковой зоны. Центральная зона равноосных кристаллов, так же как и зона столбчатых кристаллов, формируется при небольших степенях переохлаждения, поэтому зерна в ней тоже крупные. Отличие заклю­ чается в том, что зона столбчатых кристаллов формируется в услови­ ях преимущественного направления теплоотвода, в то время как в центральной части слитка такое направление отсутствует.

12.1.3. Дендритная схема роста кристаллов

Дендритная схема роста кристаллов в металлах и сплавах впервые была описана Д.К. Черновым еще в 1868 году. При росте кристаллов в идеальных условиях, т.е. без помех, в первую очередь образуются три длинные взаимно перпендикулярные оси первого порядка или главные

ся, как правило, ортогональные дендриты. Оси первого порядка начи­ нают расти в направлениях ребер куба.

В заключение необходимо подчеркнуть, что различные зоны дендритных кристаллов кристаллизуются в разное время: в началь­ ные моменты кристаллизации происходит активное формирование и рост осей первого порядка, а в конце процесса затвердевает рас­ плав, оставшийся в межосевых промежутках.

12.2. Литейные свойства металлов и сплавов

Литейными свойствами называют технологические характери­ стики металлов и сплавов, оказывающие влияние на качество отли­ вок. До настоящего времени нет единого мнения о том, какие харак­ теристики сплавов необходимо относить к литейным свойствам. Тем не менее все без исключения специалисты считают, что наиболее важную роль в формировании качества отливок играют такие свой­ ства, как жидкотекучесть, усадка, ликвация и горячеломкость.

12.2.1. Жидкотекучесть

Жидкотекучесть - это способность жидкого металла или сплава течь и заполнять литейную форму, точно воспроизводя очертания будущей отливки.

От уровня жидкотекучести зависят скорость заполнения формы, распределение температур в узлах фасонных отливок, создание усло­ вий для формирования усадочных раковин или пористости, удаления газов и неметаллических включений.

Если сплав обладает низкой жидкотекучестью, то движение рас­ плава может прекратиться раньше, чем будет заполнена литейная форма. Следствием этого является неисправимый брак литой заго­ товки - так называемый «недолив». Встречные потоки расплава с низкой жидкотекучестью из-за малой скорости движения могут ос­ тыть, закристаллизоваться и не соединиться друг с другом. В резуль­ тате в отливке образуется другой вид брака - «неслитина». Недолив и неслитина - наиболее характерные и простые виды брака, которые прямо связаны с жидкотекучестью.