Технологические процессы производства стали

Рис. 3.3. Литейно-прокатный  агрегат с совмещенной винтовой и продольной прокаткой конструкции  ВНИИМЕТМАШ:  
1 - МНЛЗ; 2 - индукционный подогреватель; 3 - загрузочная решетка; 4 - толкатель; 5 - клеть винтовой прокатки; 6 - черновая группа клетей продольной прокатки; 7 - аварийные летучие ножницы; 8 - чистовая группа клетей; 9 - термоупрочняющее устройство; 10 - летучие ножницы; 11 - холодильник.

Создание литейно-прокатных комплексов позволит сократить производственные площади, удельные капитальные и эксплуатационные расходы, существенно снизить расход металла, энергии, топлива, повысить производительность труда и качество продукции, обрабатывать малопластичные и труднодеформируемые стали и сплавы.

Использование агрегата с высокими обжатиями в  составе ЛПК позволяет совместить процессы непрерывного литья и прокатки с точки зрения согласования не только их производительности, но и улучшения  качества профилей за счет интенсивной проработки крупных непрерывнолитых заготовок по всему сечению и получения однородной мелкозернистой структуры металла, максимально использовать тепло литого металла, снизить металлоемкость оборудования.

Двухвалковый  способ непрерывного литья является весьма перспективным из способов совмещения агрегатов разливки и деформации. Еще в 1856 году сэр Генри Бессемер запатентовал простую машину для получения тонких стальных полос непосредственно из жидкой стали (рис. 3.4). С тех пор металлурги во всем мире стремились реализовать этот процесс.

Однако довести  идею литья полосы до промышленного  внедрения удалось только благодаря  современным разработкам – применению компьютерных технологий, современной  техники измерений, управления и  регулирования, а также созданию необходимых охлаждаемых роликов, специальных видов керамики, систем заливки и защиты металла. Только после этого начались серьезные эксперименты по реализации идеи непрерывной разливки тонких стальных полос.

Преимущество  способа литья заготовок, близких по размерам к готовой продукции, заключается в возможности контролирования затвердевания обеих поверхностей полосы.

Конструктивный  принцип литья полосы в двухвалковом кристаллизаторе заключается в  том, что два ролика с водоохлаждаемыми медными рубашками расположены горизонтально на некотором расстоянии один от другого (зазор между ними определяет толщину отливаемой полосы), и между ними, благодаря торцевым уплотнениям с обеих сторон, размещается ванна жидкого металла, пополняемая через погружной сталеразливочный стакан. При вращении роликов навстречу друг другу жидкий металл втягивается в зазор между ними и кристаллизуется на медной водоохлаждаемой поверхности, как в обычном кристаллизаторе МНЛЗ, образуя полосу, которая вытягивается вниз и быстро затвердевает (рис.3.5).

В декабре 1999 года на заводе г. Крефельд была разлита  первая промышленная плавка коррозионностойкой стали аустенитного класса массой 36 т, и получен лист шириной 1100 мм и  толщиной 3 мм. С марта 2000 года устойчиво  разливается полный ковш вместимостью 90 т. Жидкая сталь поступает через промежуточный ковш на разливочную машину. Лист с помощью вытягивающих роликов передается на моталку. По окончании разливки рулон разматывается и разделяется на рулоны меньшей массы. Поверхность листа не имеет дефектов. В продольном направлении лист по форме соответствует требованиям к горячекатаному листу, а в поперечном направлении к холоднокатаному. Кромки характеризуются очень высоким качеством.

Рис 3.4. Эскиз, сделанный  сэром Генри Бессемером (а), и установка, запатентованная им в 1865 г.

Листы обжимали до толщины 0,8 мм на стане холодной прокатки, отжигали и оценивали по действующим  стандартам. Поверхностные дефекты  отсутствовали. Благодаря быстрой  кристаллизации чистота была выше, чем обычно. В результате возросла коррозионная стойкость. Механические свойства соответствовали свойствам обычного листа, однако относительное удлинение находилось на нижнем пределе. В 2003 году производство коррозионно-стойкой тонкополосовой стали на заводе в г. Крефельд достигло 400 000 т.

Рис. 3.5. Принцип  литья полосы в двухвалковом кристаллизаторе

Одним из существенных преимуществ нового процесса для  всего металлургического производства высококачественной полосы являются менее  жесткие требования к качеству стального лома, применяющегося при выплавке сталей в электропечах.

Степень чистоты  в отношении величины и количества неметаллических включений выше у полос, полученных на двухвалковых литейно-прокатных агрегатах.

Средняя цена 1 т горячекатаной полосы эквивалентных размеров, полученной по традиционной технологии, составляет в США 250-300 долл., в Европе 280-290 долл. 1 т полосы из нержавеющей стали, полученной на двухвалковом литейно-прокатном агрегате, будет на 50-150 долл. дешевле тонны полосы, полученной по технологии отливки тонкого сляба. При производстве полосы из низкоуглеродистой стали экономия составит 20-35 долл.т.

Вопросы цены горячекатаной  полосы самым тесным образом связаны  с качеством получаемого металла.

 

 

Структура и качество литой стали

 

После заполнения жидкой сталью изложницы или кристаллизатора МНЛЗ происходит охлаждение расплава, а затем наступает момент его кристаллизации, т. е. происходит переход металла из жидкого в твердое состояние. Затвердевание металла и формирование слитка представляет собой сложный процесс, при котором протекает ряд различных физических, физико-химических и теплофизических явлений.

В зависимости  от степени раскисления выплавляют стали:

а) спокойные,

б) кипящие,

в) полуспокойные.

Спокойная сталь  получается при полном раскислении в печи и ковше.

Кипящая сталь  раскисленна в печи неполностью. Ее раскисление продолжается в изложнице  при затвердевании слитка, благодаря  взаимодействию оксида железа и углерода: ,

Образующийся  оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, частично – в изложнице, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

К числу физических явлений относится усадка, т. е. уменьшение удельного объема металла при  переходе его из жидкого в твердое состояние. Удельный объем стали уменьшается примерно на 2,0-5,0 % (в зависимости от содержания в ней углерода), что вызывает появление в слитке усадочной раковины и осевой пористости (рыхлости) в верхней и центральной частях слитка. Этот дефект характерен для слитков спокойной стали (рис. 4.1, в). В слитке кипящей и полуспокойной стали усадка компенсируется наличием газовых пузырей (рис. 4.1, а, б).

К физико-химическим явлениям относится ликвация и уменьшение растворимости газов (водорода и азота) в твердом металле.

Ликвацией называют перераспределение примесей между затвердевающим металлом и расплавом. Процесс затвердевания происходит в течение некоторого промежутка времени и в значительном температурном интервале. Вначале при медленном охлаждении из расплава выпадают сравнительно чистые кристаллы твердого металла. Остающийся незакристаллизованный жидкий металл обогащается примесями и оттесняется к центральной, верхней части слитка. При последующем затвердевании выпадают кристаллы, в значительной мере загрязненные примесями. Это приводит к появлению химической неоднородности слитка как по его высоте, так и поперечному сечению. Наиболее ликвирующими являются такие вредные примеси, как сера и фосфор, поэтому в слитке существуют зоны, обогащенные этими примесями: 1) примыкающая к усадочной раковине; 2) так называемых усов (/\-образной ликвации); 3) V-образной ликвации {рис. 10,в). Такой характер распределения примесей характерен для слитка спокойной стали. Наиболее чистый металл находится в наружной поверхностной зоне, которая кристаллизуется в первую очередь и с достаточно большой скоростью. Кроме того, в слитке спокойной стали кристаллы чистого металла сосредотачиваются в его нижней части, в так называемой зоне отрицательной ликвации.

К физико-химическим явлениям, влияющим на строение слитка, относится также газовыделение как из жидкого, так и затвердевающего металла и сопутствующее ему перемешивание жидкой стали. При формировании слитка кипящей или полуспокойной стали происходит кипение металла в изложнице в результате образования и всплывания пузырей СО. При формировании слитка спокойной стали возможно образование газовых пузырей и пористости в результате выделения водорода.

К теплофизическим  явлениям, влияющим на структуру стального  слитка, относится теплоотвод через стенки изложницы и образование конвективиых потоков жидкого металла в изложнице. В момент соприкосновения жидкого металла с холодной изложницей происходит быстрое охлаждение металла и его кристаллизация, что приводит к образованию тонкой корочки с мелкими беспорядочно ориентированными кристаллами. В дальнейшем теплоотвод происходит с гораздо меньшей скоростью и имеет направленный характер (перпендикулярно стенке и дну изложницы). Это приводит к формированию зоны довольно крупных столбчатых кристаллов. В центральной части слитка, в которой металл в течение продолжительного времени остается жидким (вследствие малой скорости теплоотвода) образуются беспорядочно ориентированные кристаллы.

 

Строение  слитка кипящей стали 

 

Эффект кипения  металла при затвердевании вызван выделением пузырей СО, образующихся при взаимодействии растворенных. в жидкой стали углерода и кислорода. Это явление предопределяет строение слитка кипящей стали (рис. 4.1,а). В затвердевшем слитке имеются следующие зоны:

1. Плотная наружная корочка (толщиной 8-10 мм), образующаяся в момент соприкосновения жидкого металла с холодными стенками изложницы. Корочка состоит из мелких, беспорядочно ориентированных кристаллов.

2. Сотовые пузыри  вытянуты перпендикулярно к стенке  изложницы. Такое расположение пузырей связано с направлением теплоотвода и ростом столбчатых кристаллов. Сотовые пузыри завариваются при прокатке слитков.

3. Плотный и  чистый металл. В этой зоне  газовыделения не происходит.

4. Вторичные  пузыри (ширина зоны 30-110 мм). В момент их образования верх слитка успевает затвердеть, поэтому газовые пузыри не успевают выделиться из металла. Вторичные пузыри также завариваются при прокатке.

5. Средняя часть  слитка, кристаллизующаяся в последнюю  очередь и состоящая из беспорядочно ориентированных кристаллов, обогащенных ликвирующими примесями. В этой зоне также имеются (пузыри, особенно в верхней части, причем эти пузыри усадочного происхождения. Верхняя часть этой зоны особенно сильно обогащена ликватами, поэтому ее отрезают. Обрезь составляет 5-10 % от массы слитка, она примерно вдвое меньше, чем у слитка спокойной стали.

Рис. 3.6. Строение слитков  кипящей (а), полуспокойной (б) и спокойной (в) стали:

1 – плотная корочка; 2 – сотовые пузыри; 3 – промежуточная плотная зона; 4 – вторичные пузыри; 5 – плотная центральная часть слитка; 6 – усадочная раковина; 7 – зона V-образной ликвации; 8 – зона /\-образной ликвации; 9 – зона отрицательной ликвации

Строение  слитка полуспокойной стали. При затвердевании полуспокойной стали выделяется значительно меньше пузырей СО, т.е. она кипит менее интенсивно, чем кипящая. Остающиеся пузыри в слитке в верхней его части компенсируют усадочную раковину (рис. 4.1, б). Вследствие малой продолжительности кипения уменьшается химическая неоднородность. В слитке полуспокойной стали также имеется плотная корочка с мелкими беспорядочно ориентированными кристаллами. Зона сотовых пузырей значительно меньше, и они расположены в верхней части слитка. Вторичные пузыри в слитке отсутствуют. Пузыри концентрируются в головной части слитка. Таким образом, большая часть слитка представляет собой достаточно плотный металл без дефектов. В связи с этим головная обрезь у слитка полуспокойной стали составляет < 6 %, т. е. меньше, чем у кипящей и тем более чем у спокойной стали.

Строение  слитка спокойной стали. В слитке спокойной стали (см. рис. 4.1, в) различают следующие структурные зоны: 1) тонкую наружную корку, состоящую из мелких, беспорядочно ориентированных кристаллов; 2) вытянутые столбчатые кристаллы; 3) крупные различно ориентированные кристаллы (центральная зона); 4) беспорядочно ориентированные кристаллы (осевая зона). В этой зоне обычно имеется осевая рыхлость и V-образная ликвация; 5) конус осаждения. Эта зона представляет собой конгломерат сросшихся кристаллов, наименее всего загрязненных примесями. В верхней части слитка имеется усадочная раковина, пустоты и рыхлость. Для слитка спокойной стали характерна незначительная химическая неоднородность, усиливающаяся с увеличением массы слитка.

Дефекты стальных слитков. Основными дефектами стальных слитков спокойной стали являются усадочная раковина, осевая рыхлость и химическая неоднородность, т.е. значительное различие по химическому составу структурных зон слитка. Прибыльную часть слитка, в которой сосредоточена усадочная раковина, отрезают при прокатке и обрезь отправляют на переплав.

Заворот корки (дефект поверхности) образуется при прорыве затвердевшей корочки на поверхности поднимающегося металла в изложнице. Возможно прилипание корочки к стенке изложницы, заворот и заливка ее поднимающимся кидким металлом. В месте заворота корочки скапливаются оксиды, которые препятствуют ее завариванию при прокатке, поэтому в этом месте образуются рванины. Для уменьшения возможности появления заворота корочки применяют различные методы защиты поверхности поднимающегося в изложнице жидкого металла от окисления (разливка в защитной атмосфере, под слоем шлака и др.).