Разливка металла по слиткам

Разливка металла является важным этапом металлургического (сталеплавильного) производства. Технология и организация разливки в значительной степени определяют качество готового металла и количество отходов при дальнейшем переделе стальных непрерывнолитых заготовок и слитков. Неправильно организованной разливкой можно испортить качественно вып­лавленную сталь. Даже незначительная небрежность в подго­товке разливочного оборудования часто ведет к большим потерям металла при разливке.

Существует два основных способа разливки стали:

1) разливка в изложницы;

2) непрерывную разливку.

В настоящее время более 90 % всей стали в мире разливают непрерывным литьем.

Разливку в изложницы подразделяют на разливку сверху и сифоном.

Оба способа разливки обладают рядом преимуществ и недостатков. Сифонная разливка имеет следующие преимущества перед разливкой сверху:

1) одновременная отливка нескольких слитков сокращает длительность разливки плавки и позволяют разливать в мелкие слитки плавки большой массы;

2) вследствие сокращения общей длительности разливки скорость подъема металла в изложнице может быть значительно меньшей, чем при разливке сверху;

3) поверхность слитка получается чистой, так как металл в изложницах поднимается спокойно без разбрызгивания;

4) повышается стойкость футеровки ковша и улучшаются условия работы стопора и шиберного затвора вследствие меньшей длительности разливки и уменьшения числа открываний и закрываний стопора или затвора;

5) во время разливки можно следить за поведением поднимающегося металла в изложнице и в соответствии с этим регулировать скорость разливки.

Недостатки сифонной разливки:

1) сложность и повышенная стоимость разливки, обусловленные расходом сифонного кирпича, установкой дополнительного оборудования и значительными затратами труда на сборку поддонов и центровых;

2) дополнительные потери металла в виде литников (0, 7 – 2, 5 % от массы разливаемой стали) и возможность потерь при прорывах металла через сифонные кирпичи;

3) необходимость нагрева металла в печи до более высокой температуры, чем при разливке сверху, так как он дополнительно охлаждается в каналах сифонного кирпича.

Преимуществами разливки сверху являются:

1) более простая подготовка оборудования к разливке и меньшая стоимость разливки;

2) отсутствие расхода металла на литники;

3) температура металла перед разливкой может быть ниже, чем при сифонной разливке.

Разливке сверху присущи следующие недостатки:

1) образование плен на поверхности нижней части слитков, что является следствием разбрызгивания металла при ударе струи о дно изложницы. Застывшие на стенках изложницы и окисленные с поверхности брызги металла не растворяются в поднимающейся жидкой стали, образуя дефект поверхности – плены, которые не свариваются с металлом при прокатке, благодаря чему поверхность прокатанных заготовок не является качественной.

Форма первичных кристаллов и строение слитка.

Первичные кристаллы технических сплавов это кристаллы твердого раствора. Они имеют дендритную (древовидную) форму, обусловленную анизотропией скорости их роста. Зародившийся кристаллик начинает растягиваться в направлениях с наибольшей плотностью упаковки атомов. В итоге вырастают ветки первого порядка, от которых ответвляются ветки второго порядка. Крайние кристаллы тоже разветвляются, давая ветки третьего и более высоких порядков. Ветки дендритных кристаллов с кубической структурой размещаются перпендикулярно друг другу. Дендриты растут до того времени, пока не соприкоснутся вместе, либо пока жидкая фаза не достигнет эвтектического состава. Потом оставшаяся в междуветвиях жидкость также в виде твердого раствора затвердевает, достраивая разветвленный дендрит до полиэдрического кристаллита (зерна) либо междендритная жидкость кристаллизуется в виде эвтектики.

Обычная зеренная структура слитка состоит из

3-х главных зон: 1- зона мелких затвердевших кристаллов появляется из-за мощного моментального переохлаждения залитого в изложницу сплава и множественного зарождения центров кристаллизации; Дальше формируется 2 зона столбчатых кристаллов, вытянутых в направлении теплоотвода, т.е. крупная ось зерен ориентирована практически нормально к поверхности изложницы (формы), кристаллы растут к центру, либо к тепловому узлу. Центральную часть слитка занимает 3 зона больших равноосных кристаллов, которые растут в критериях ненаправленного теплоотвода и при малом переохлаждении. Охлаждаясь, сплав дает усадку, т.е. сокращается в объёме, поэтому в зоне слитка, затвердевающей в последнюю очередь, появляется усадочная раковина Усадочная полость быть может сосредоточенной либо появляется усадочная пористость (усадочная рыхлота). Некоторые сплавы, к примеру высокомарганцевая сталь, склонна к повышению зоны столбчатых кристаллов вплоть до стыковки их в центре при полном вытеснении зоны 3. Такая структура слитка именуется транскристаллитной. Транскристаллитная структура характеризуется высочайшей плотностью сплава, но в зоне стыка встречных кристаллов собираются нерастворимые примеси, развивается усадочная рыхлота. Отливки (слитки) с транскристаллитной структурой могут растрескиваться в процессе последующей ковки либо прокатки.

Формированием кристаллической структуры слитка можно управлять, подавляя развитие зоны столбчатых кристаллов, к примеру, снижая температуру разливки сплава, продувкой инертными газами, вибрационной обработкой, модифицированием. В принципе можно достигнуть получения слитка со структурой, состоящей из равноосных кристаллов. Чтобы уменьшить поражение сплава усадочными дефектами применяют направленное затвердевание: в верхней части слитка устанавливают прибыль, которая питает отливку жидким сплавом. Прибыль затвердевает в последнюю очередь и в ней концентрируется усадочная раковина. Прибыльную часть слитка отрезают и пускают на переплав, а остальную плотную часть слитка применяют по назначению.

Более конструктивной мерой предотвращения усадочных дефектов слитков является непрерывная разливка. При такой технологии жидкий сплав из печи беспрерывно поступает в особое устройство – водоохлаждаемый кристаллизатор. Затвердевший сплав непрерывно затвердевает с противоположного конца кристаллизатора и отрезается мерными кусками. Затвердевший сплав имеет плотную мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами.

5 стадия – охлаждение твердого сплава до комнатной температуры. Строение слитка представлено на рис.3.

^ Рисунок 3 - Строение слитка.

а - схема дендрита по Д.К.Чернову: 1, 2, 3 – оси первого, второго и третьего порядков соответственно; б – зонная структура слитка

Типичная структура слитка состоит из трех основных зон: 1) зоны мелких равноосных кристаллов, образующихся при быстром переохлаждении металла, соприкасающегося со стенкой формы; 2) зоны столбчатых кристаллов, ориентированных вдоль направления теплоотвода; 3) зоны равноосных кристаллов больших размеров, причем форма зерна в центре слитка обусловлена слабым влиянием теплоотвода. Усадочная раковина 4 формируется в верхней части слитка. В ней металл, затвердевающий в последнюю очередь, является рыхлым, поскольку пронизан газовыми порами и примесями. Эта дефектная область слитка подлежит отрезке.

^ Законы усадки (уменьшения объема)

Усадка – свойство сплавов уменьшать объем и линейные размеры при затвердевании и охлаждении.

Различают линейную ε лин и объемную ε v усадки (в %):

ε лин = [(lф-lотл)/ lотл]*100%,

ε v =[ (Vф –Vотл)/ Vотл ]*100%,

где lф, lотл, Vф, Vотл – размеры и объемы формы и отливки соответственно.

Линейная усадка – уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды.

Объемная усадка – уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки.

Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблений.

Ликвация

Ликвация – это неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Развитие химической неоднородности может происходить как в микрообъемах сплава (внутри отдельных дендритов слитка) – внутрикристаллическая (дендритная) ликвация, так и по отдельным его зонам (макрообъемам) – зональная ликвация.

^ Вывод по 1 вопросу: изучили, что такое отливка. Все сплавы, используемые для литья, должны обладать специальными литейными свойствами. 5 стадий формирования кристаллической структуры сплавов отливок.