Разливка стали в крупные слитки
Разливка в вакууме и защитной атмосфере
Получение крупных изделий высокого качества из высоколегированных сталей представляет собой серьезную проблему для металлургов, поскольку в условиях разливки таких сталей в крупные слитки при атмосферном давлении металл оказывается недостаточно пластичным, слитки плохо куются. При ультразвуковом контроле деталей из таких слитков обнаруживаются местные скопления неметаллических включений и несплошности структуры, что, видимо, следует объяснять вторичным окислением стали, происходящим в процессе перелива металла из ковша в изложницу.
В связи с этим слитки из высококачественных сталей разливаются либо в вакуумной камере, либо в специальной защитной атмосфере. Отливка крупных слитков в вакууме (рис.5.6) дает возможность существенно повысить качество металла поковок и значительно упростить технологию ковки и термической обработки.
Рисунок 5.6 – Схема разливки стали в вакууме: 1-ковш; 2-промковш; 3-изложница; 4-надставка; 5-поддон; 6-вакуумная камера; 7-кран для снятия вакуума; 8-металлокерамическая втулка; 9-крышка; 10-резиновые уплотнители; 11-окно наблюдения
Разливка стали в вакууме преследует две цели:
а) предохранить сталь от вторичного окисления, которое происходит при обычной разливке на воздухе;
б) обеспечить дополнительную дегазацию стали непосредственно в процессе разливки.
При разливке стали в вакууме изложницу помещают в специальную герметичную камеру (кессон). На эту камеру, перекрытую листом алюминия, герметически плотно устанавливают промежуточный ковш. Размер отливаемых слитков определяется только размерами вакуумных камер и ковшей. Нижняя часть корпуса вакуумной камеры – водоохлаждаемая. Разрежение в системе создается четырех ступенчатым пароэжекторным насосом, обеспечивающим давление в камере к началу разливки 0,17-0,34 кПа. Установка снабжена телевизионными камерами, позволяющими наблюдать за процессом разливки.
Разливка на вакуумной установке производится следующим образом. Разливочный ковш устанавливают над промежуточным ковшом и начинают заполнять его жидким металлом. После того как в промежуточном ковше накопится необходимое количество металла для осуществления непрерывной заливки слитка, открывают стопор промежуточного ковша и струя металла, прожигая алюминевую пластину, попадает в вакуумную камеру.
Давление в камере резко повышается при попадании первых порций жидкого металла. После этого оно вновь понижается и поддерживается почти постоянным до заполнения всей изложницы. После достижения металлом уровня низа прибыльной надставки разливка прерывается. Заливку прибыли производят несколькими порциями жидкого металла.
Процесс разливки в вакууме имеет свои особенности. Попадая в вакуум, струя дегазируемой стали распадается на мелкие капли. Пузырьки газов, выделяющиеся из стали, как бы взрывают струю жидкого металла, и этим способствуют достижению высокой степени дегазации. Иногда для лучшего дробления струи в нее вдувают инертный газ. При падении в изложницу струя становится конусообразной. Угол раскрытия струи достигает 90-120О и брызги попадают на стенки изложницы. Разбрызгивание металла на стенки изложницы ведет к образованию настыли на поверхности слитка, отслаивающейся при ковке в виде чешуи, а иногда образующей сетку мелких трещин, затрудняющих ковку.
С целью ограничения чрезмерного раскрытия струи в вакууме используют направляющую трубу, которая состоит из сварного металлического кожуха толщиной 10 мм и двух огнеупорных колец, вставляемых в кожух. Труба имеет длину 600 мм и диаметр 280-300 мм.
При разливке в вакууме изложницы не смазывают. Наблюдаемое на поверхности стали кипение, происходящее вследствие выделения газов в вакууме, и особенно интенсивное у стенок несмазанной изложницы, способствует отталкиванию плавающих на поверхности включений так же, как и при разливке стали на воздухе в смазанную изложницу.
Существенное преимущество разливки слитков в вакууме – это полное отсутствие в них флокенов, что объясняется низким содержанием водорода в слитках. По разным данным при разливке в вакууме удаляется 60-70% водорода по сравнению с содержанием его в металле промежуточного ковша. Кислород и азот удаляются в гораздо меньшей степени, чем водород. При отливке в вакууме слитков массой 60 - 150 т из электростали содержание азота, например, снижается в среднем на 10-15% от исходного содержания, а кислорода - на 25-30%.
Содержание неметаллических включений в крупных слитках, разлитых в вакуумных камерах, уменьшается, как правило, в 2,5-5,5 раза и более и составляет 0,003- 0,0035%.
В целом же разливка стальных слитков в вакууме требует существенных дополнительных затрат. Помимо больших капитальных затрат на установку и специальное оборудование для разливки слитков в вакууме, возникают и другие расходы, связанные с этим процессом. Поэтому разливку в вакууме целесообразно применять в случае получения крупных слитков, предназначенных для изделий ответственного назначения, например, для деталей, испытывающих в работе большие циклические нагрузки. Этим способом следует разливать стали, склонные к флокено-образованию и к пониженной пластичности вследствие водородной хрупкости.
При традиционном способе разливки большое значение для улучшения качества металла имеет защита жидкой стали от вторичного окисления, поскольку значительная площадь поверхности струи контактирует с воздухом. Легкоокисляющиеся примеси жидкой стали в этих условиях образуют оксидные пленки, загрязняющие сталь неметаллическими включениями. Последние способствуют образованию характерных макродефектов (волосовины, расслоения, корки). Эти же оксидные пленки являются одной из главных причин ухудшения качества поверхности слитков. Кроме того, за счет взаимодействия жидкой стали с влагой воздуха может происходить поглощение водорода, особенно при повышенной влажности воздуха.
Суммарное количество попадающего в разливаемый металл воздуха в значительной мере зависит от применяемого способа разливки.
При разливке сверху длина свободного участка струи вначале превышает высоту изложницы с прибыльной надставкой, а затем уменьшается. Процесс вовлечения воздуха в жидкую сталь наиболее интенсивно протекает в начальной стадии заполнения изложницы, поскольку в этот момент струя, имеющая максимальную длину свободного участка, входит в толщу металла с большой скоростью, что способствует бурлению и захвату пузырей воздуха.
Несколько иначе протекает этот процесс во время сифонной разливки, для которой характерна сравнительно небольшая длина свободного участка струи (200-300 мм). Однако, при входе струи металла в центровую создаются такие же условия, как при работе струйного насоса, в результате чего большое количество воздуха уносится в канал центровой, а затем по сифонной проводке попадает в изложницы.
На практике для снижения эффекта вторичного окисления стали используют технологию разливки в среде инертного или нейтрального газа. Разливка в среде защитных газов наиболее целесообразна для стали, предварительно подвергнутой вакуумной дегазации в ковше. При этом перед разливкой стали изложницу заполняют инертным газом, а в процессе разливки в окружающее струю пространство и в изложницу непрерывно подают инертный газ через специальную цилиндрическую насадку, расположенную в месте выхода струи из ковша. Насадку с соответствующим уплотнением устанавливают на тяжелой плите, которая перекрывает изложницу. При сифонной разливке насадку устанавливают на центровую.
Рассмотренные приспособления затрудняют наблюдение за поведением струи металла, а также требуют выполнения дополнительных операций с ковшом в случае возникновения необходимости удаления настылей, образующихся вблизи выходного отверстия разливочного канала.
Указанные недостатки практически полностью устраняются при газодинамической защите струи, которая заключается в создании вокруг струи металла на её открытом участке газовой завесы, препятствующей контакту разливаемой стали с воздухом атмосферы. Основным элементом применяемых для этой цели устройств является специальная газораспределительная камера, выполненная в металлическом корпусе стакана-коллектора или закрепленная на нем и снабженная кольцевым щелевым соплом, обеспечивающим истечение защитного газа с высокой скоростью. Эффективность применения газодинамической защиты определяется конструкцией устройства.
Результаты исследования поглощения и выделения газов струей металла при отливке крупных слитков показали, что при разливке на воздухе количество кислорода в стали в среднем удваивается, а при отливке в защитной атмосфере – уменьшается на 10%.