2.2 Особливості будови зливка спокійної сталі

Звичайна|звична| структура зливка|зливка| спокійної сталі (рис. 2.5) характеризується наявністю | шести основних зон.

Тонкий поверхневий шар утворюється у момент зіткнення рідкого металу із стінками виливниці або кристалізатора. Цей шар (часто його називають скориночкою зливка) складається з дрібних безладно орієнтованих кристалів; за хімічним складом він близький до складу рідкого металу в ковші.

Зона стовбчастих кристалів. Протяжність і характер цієї зони визначаються складом сталі, інтенсивністю охолоджування і різницею температур рідкого маткового розчину і зовнішньої охолоджуваної поверхні. У міру збільшення ширини зони стовбчастих| кристалів інтен­сивність| передачі тепла через цей товстючий шар знижується; одночасно| зменшується охолоджуюча здатність|здібність| виливниці|, що нагрівається; усадка зливка|зливка|, який зачинається|починає|, приводить|наводить| до утворення зазору між| виливницею і скориночкою зливка|зливка|, що також різко погіршує умови тепловідводу|.

Рис. 2. 5. Схема кристалічної структури зливка спокійної сталі:

1 - міст над раковиною; 2 - усадкова раковина; 3, 4 - порожнечі та рихлість; 5 - рівноорієнтовані кристали; 6 - дрібні рівноосні кристали; 7, 8 - зона стовбчастих кристалів; 9 - стовбчасті кристали, направлені до теплового центру; 10 - конус осадження.

Зона, що характеризується уповільненням зростання кристалів. Зона, що характеризується уповільненням зростання кристалів, зменшенням їх розмірів і деяким їх відхиленням вгору, у бік теплового центру зливка. Повільно зростаючі кристали вже не встигають “захоплювати” гази, що виділяються при кристалізації; ланцюжок цих газів захоплює з собою ліквати, і в затверділому зливку залишаються відповідні сліди (Л- образна ліквація або “вуса”). Кінець кристалізації третьої зони відповідає моменту утворення по всьому периметру зливка теплоізолюючого зазору між застиглим зливком і виливницею. Температура виливниці до цього моменту досягає температури червоного коління, а направлений тепловідвід в зоні рідкого металу, що залишився, практично припиняється, і зачинається поступове охолоджування всієї рідкої маси металу, що залишилася в центрі зливка.

Зона безладно орієнтованих кристалів. Супроводжуючі кристалізацію лікваційні явища приводять до того, що в матковому розчині, що залишився в центрі зливка, є велике число центрів кристалізації. В результаті ця (осьова) зона зливка характеризується наявністю безладно орієнтованих рівновісних кристалів. Унаслідок усадки зливка звичайними дефектами цієї зони є осьова рихлість і V- образна ліквація.

Зона конуса осадження. Зона має конусоподібну форму і розташована в нижній частині зливка. Ця область є конгломератом зрощених кристалів, частка яких зростала вгору під впливом охолоджуючої дії піддону, частка опускалася вниз в результаті обламування кристалів другої та третьої зон, а також осідання кристалів при кристалізації осьової частки зливка. Перетин кристалів другої зони, зростаючих в горизонтальному, і кристалів п'ятої зони, зростаючих у вертикальному направленнях, дає на розрізі зливка рисунок конуса без чітко позначеної вершини. Донна частка зливка (п'ята зона) в більшості випадків характеризується негативною сегрегацією таких домішок, як вуглець, фосфор, сірка; проте в разі введення в метал сильних розкислювачів і десульфураторів, утворюючих тугоплавкі оксиди і сульфіди, здатних служити центрами кристалізації, в зоні конуса осадження виявляється підвищений вміст таких тугоплавких включень як Al₂O, CeO, CeS.

Зона усадкової раковини. Усадка сталевого зливка супроводиться окрім підвищення щільності металу протіканням процесу газовиділення при переході з рідкого в твердий стан. Одночасно в процесі усадки змінюються розміри і форма зливка. Процес твердіння рідкої сталі, що заповнює виливницю, можна схемно, умовно розділити на ряд невеликих періодів, протягом кожного з яких твердне відповідний шар металу, а рівень рідкої частки зливка, що залишилася, декілька знижується внаслідок спільної усадки. Інтенсивність тепло відводу вниз (до піддону) і в сторони (до стінок виливниці) істотно вище, ніж вгору, в навколишнє повітря. В результаті у момент повного твердіння зливка його верхня частина є поглибленням, лункою. Це поглиблення називають усадковою раковиною. Форма і розташування усадкової раковини залежать від форми зливка і умов його твердіння. Для зручності витягання зливків виливниці виконують не з вертикальними (рис. 2.6а) стінками, а зі стінками, що розширюються вгору або вниз (рис. 2.6б, в).

Рис. 2.6. Вплив форми виливниці на розташування усадкової раковини в зливку.

У виливницях першого типа усадкова раковина виведена вгору; у виливницях другого типа останні порції металу тверднуть не у верхній, а в осьовій частині зливка і усадкова раковина поширена на значну глибину.

Запропонована схема умовна. На практиці процес усадки супроводжується| деяким охолоджуванням металу також і у верхній частині зливка. В результаті цього над усадковою раковиною утворюється застиглий шар металу, який називають мостом, а сама усадкова раковина складається з великої порожнини у верхній частині зливка і серії розташованих нижче невеликих порожнеч, які називають усадковою пористістю або усадковою рихлістю.

Причиною утворення усадкової рихлості та пористості є|з'являється| відсутність |рідкого металу для заповнення| порожнеч|пустот|, що утворюються при усадці зливка|зливка| в останню мить його твердіння. У тих випадках, коли металевий міст відокремлює|відділяє| усадоч­ну| раковину від атмосфери, вона за­повнена| газами, що виділяються при кристалізації. Головною|чільною| складовою| цих газів є|з'являється| водень. У верхній і осьовій частках|частинах| зливка|зливка| нахо­дяться| підвищені концентрації лікватів|; ці ліквати| внаслідок|внаслідок| доброї| змочуваності ними газових пу­хирців| концентруються на поверхні| усадкової раковини і пухирців|пузирів|, що представляють|уявляють| усадкову рихлість. При подальшому|наступному| плющенні або куванні ці пухирці|пузирі| не заварюються або зава­рюються| недостатньо повно. Осо­бливо погано заварюються газові пу­хирці| в сталі з|із| підвищеним вмістом| вуглецю, а при >0,5% | взагалі не заварюються. Внаслідок цього частка|частина| прокатаного|прокочувати| зливка|зливка|, яка відповідає розташуванню зони усадкової раковини, доводиться після| плющення відрізувати і повертати на переплавку. Ця частка|частина| складає 10…15 % від маси зливка|зливка|.

Такі значні коливання ве­личини| обрізі| визначаються складом сталі, вимогами до її якості, тех­нологією| розливання і використанням різних прийомів для зменшення обрізі|. Ці прийоми засновані на прагненні збільшити тривалості| перебування металу в рідкому стані поляганні|стані| у верхній частині зливка|зливка|, з|із| тим щоб|аби| рідкий метал заповнював (живив|почував|) пустоти, що утворюються при усадці|. З цією метою, оскільки в останню| чергу твердне верхня, головна частина|частина| зливка|зливка|, використовують різні| прийоми, наприклад, її “утеплення|”. Найчастіше застосовують два способи|, що розглянемо|розглядали| нижче.

1. Зменшення втрат тепла в результаті використання так званої прибуткової надставки, яка може бути металевим корпусом (рис. 2.7), футерованим зсередини малотеплопровідним вогнетривким матеріалом; прибуткова надставка може бути виготовлена з вогнетривкого матеріалу без металевого корпусу або бути просто керамічним, теплоізоляційним, виконаним за формою виливниці вкладишем (рис. 2.8), який вкладається зверху у виливницю та утеплює верхню частину зливка (цей спосіб утеплення головної частині зливка в даний час найбільш поширений).

Рис. 2.7. Прибуткові надставки і способи їх установки: а - стаціонарна; б – плаваюча.

Рис 2.8. Виливниця з|із| теплоізоляційним вкладишем

2. Підведення додаткового тепла до головної частки зливка. Для здійснення цього способу використовують наступні прийоми:

- доливка порції гарячого металу в мить, коли рівень знаходиться у виливниці сталі, почав унаслідок усадки знижуватися;

- обігрів верхньої частки зливка газом або електричною дугою (спосіб Н. Р. Славянова);

- засипка на верх зливка сумішей, що одночасно ізолюють поверхню та виділяють тепло, наприклад, засипка деревного вугілля, азбесту, сажі або деревної тирси;

- вживання розігріваючих порошків (термітних або люнкерітних сумішей).

До складу порошків, що засипаються на поверхню зливка, входять горюча складова (алюміній, феросиліцій, деревне вугілля), окислювач (окалина, марганцева руда, інколи селітра) та інертні наповнювачі (шамот, боксит). Склад використовуваних сумішей коливається в дуже широких межах. Певну позитивну роль в утепленні верху зливка і зменшенні глибини усадкової раковини грають шлакоутворюючі суміші, що вводяться у виливницю для поліпшення поверхні зливка. Рідкий шлак, що утворюється в процесі наповнення виливниці, виконує декілька функцій:

- значно знижує втрати тепла випромінюванням з відкритої поверхні металу;

- захищає її від окислення;

- абсорбує спливаючі включення;

- утворює між виливницею і поверхнею зливка прошарок (гарнісаж), що знижує температурний градієнт і напруги в скориночці зливка;

- затікаючи в нерівності на стінках виливниці, грає роль мастила і покращує поверхню зливка.

У таблиці 2.2 представлено 13 варіантів складів шлакоутворюючих сумішей, використовуваних на різних заводах.

Таблиця 2.2 –

Склад шлакоутворюючих сумішей 1...13 %

Матеріал	Високо- термічні суміші				Суміші зниженої термічності				Нетермічні суміші
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
Алюмі­ній	17	-	13	10	8	-	5	4	-	-	-	-	-
Силікокальцій	-	15	-	-	-	8	2	3	-	-	-	-	-
Окалина	-	-	20	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Марган­цева руда	20	17	-	16	14	12	11	12	-	-	-	-	-
Плавиковий шпат	15	-	-	20	-	-	-	18	-	-	-	15	-
Шамот	-	-	-	-	-	-	5	-	-	20	13	-	-
Силікат­на глиба|брила|	25	-	12	30	12	10	20	10	20	20	20	25	25
Боксит	-	-	-	-	6	-	10	-	10	10	-	-	-
Ставролітовий концен­трат	-	10	-	-	-	35	-	-	-	-	7	30	40
Вапно	-	35	30	-	30	35	17	-	30	-	15	-	-
Вап­няк	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Датоліт	-	-	-	-	-	-	-	-	30	-	20	-	-
Цемент	-	-	-	-	-	-	-	20	-	-	-	-	-
Домен­ний шлак	23	23	25	24	30	-	30	33	10	50	25	30	35

Критерій спрямованості твердіння

З приведеного вище виходить, що для поширених в даний час способів масового отримання зливків характерне переважне таке твердіння, при якому центральна частина зливка, що кристалізується в останню чергу, неминуче виявляється пористою, менш щільною, із збільшеною концентрацією газів і ліквіруючих домішок. Цей недолік важко (практично неможливо) усунути ні підвищенням інтенсивності охолоджування, ні поліпшенням роботи прибуткової надставки. Практично дуже важко забезпечити таку роботу прибули, при якій центральна частина і зона центральної пористості живилися б рідким металом до моменту повного твердіння. Твердіння від стінок виливниці називають бічним або горизонтальним, твердіння від дна виливниці (або піддону) - подовжнім або вертикальним. На рис. 2.9 показані схеми виливниць трьох типів. Відношення кількості тепла, що відводиться від зливка, який кристалізується у вертикальному направленні, Q_в до кількості тепла, що відводиться в горизонтальному направленні, Q_г називають критерієм спрямованості твердіння:

k_н.з.= Q_в/Q_г. (2.5)

Для зливка циліндрової (діаметром D) форми:

k_н.з.=D/4H. (2.6)

Для зливка конічної форми:

k_н.з.= tga + d/4H + H/d tg² , (2.7)

де - кут конічного зливка; d - діаметр нижньої підстави зливка.

Чим більше кут α, тим вище якість зливка. Якщо коефіцієнти теплообміну у вертикальному і горизонтальному направленнях позначити а_в і а_г, то для зливка циліндрової форми:

k_н.з.=(a_в/а_г)/(D/4H). (2.8)

а - звичайного; б - підвищеною конусності; в - направленого твердіння

Рис. 2.9. Схеми твердіння зливка.

При твердінні зливка у виливниці k_н.з 1, що визначає неможливість істотного підвищення однорідності будови зливка в звичайних умовах. Для набуття значення k_н.з > 1 необхідно проводити відливання зливків у форму з тепловою ізоляцією збоку і зверху та із застосуванням кристалізатора в донній його частині (рис. 2.9в). При відливанні в таку форму зливок буде щільним по всій висоті з витягнутими паралельно осі стовбчастими кристалами, що визначає однорідність його будови. Такий зливок можна назвати зливком однонаправленого твердіння. На жаль, конструювання виливниці для отримання такого зливка - непросте завдання.

Для зливків або заготовок малої товщини можливо і інше рішення - це розливання зливків малої висоти, наприклад, розливаючи метал тонким шаром на рухому водноохолоджувану стрічку. В цьому випадку H/D 1 і має місце одно направлене твердіння від низу до верху ( k_н.з →).