Робота 3. Моделювання кристалізації злику спокійної сталі.
Мета роботи:
Вивчити на моделі процес кристалізації і формування структурних зон стального зливка.
Дослідити вплив різних факторів (форми виливниці, швидкості охолодження, розмірів зливка і інш.) на кристалічну структуру зливка.
Визначити вихід придатного матеріалу, що використовується у виробництві.
1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ.
Завершальний етап виробництва сталі - розливання. Готову сталь із сталеплавильного агрегату випускають (скачують) в розливні ковші (рис.1), які транспортують до місця розливання. Існує три способи розливання сталі: зверху (рис. 2,а), знизу (сифонна) (рис.2,б) і неперервний (рис. 3).
При розливанні зверху сталь з ковша через стопорний отвір виливають у виливницю (рис. 4) – чавунні форми, що мають зверху прибуткову надставку 1, футеровану вогнетривкою масою 2, для переведення усадочної раковини у прибуткову частину. Виливниці у поздовжньому січенні бувають розширеними доверху і розширеними донизу, а в поперечному січенні – багатогранні, прямокутні і круглі. Зливки багатогранного січення використовують для кування на молотах і пресах, прямокутного – для прокатування на сортових станах, круглого - для прокатування безшовних труб.
Усадкові раковини утворюються внаслідок неодинакової густини рідкої і твердої сталі. На рис.5 показана схема утворення усадочної раковини. Спочатку біля Стінок виливниці кристалізується контурна кірка 1 зливка (рис. 5,а). Оскільки об’єм кірки меньший за об’єм рідкої сталі затрачений на її утворення, то рівень металу у незатвердівшій сталі зливка знижиться до горизонталі а. Через де-який час на кірці 1 закристалізується кірка 2, і рівень металу знизиться до горизонталі б. В міру кристалізації чергових об’ємів рівень металу знизиться до горизонталей в, г,д. В результаті описаного процесу утворюється усадкова раковина конічної форми (рис. 5,б).
При розливанні знизу (сифонний розлив) сталь заливають в центральний ливник, з якого по ливникових каналах сталь одночасно заповнює декілька виливниць знизу.
При неперервному розливанні сталі у кристалізатор 3 (рис. 3), охолоджуваний водою, спочатку вводиться стальна заготовка (затравка), що утворює дно, а потім через проміжний пристрій 2 безперервним струменем з ковша 1 заливається метал. У кристалізаторі починається твердіння металу, яке посилюється при проходженні його крізь зону вторинного охолодження 4. Після часткового затверднення металу затравка опускається вниз, і за допомогою роликів 5 зливок витягується з кристалізатора, який безперервно зверху поповнюється рідким металом. Унизу безперервний зливок розрізається газовим різаком 7 на мірні куски, які конвеєром подаються до прокатного цеху.
Рис.2.Схема розливання сталі: а)–розливання зверху; б)–розливання знизу(сифонне)
1-ківш;2-рідка сталь;3-центральний ливник;4-вогнетривкі трубки;5-виливниця;6-піддон;7-вогнетривка порожниста цегла;8-прибуткова надставка;9-вогнетривка маса.
Рис.3 Схема установки для неперервного розливання сталі: 1-ківш; 2-проміжний розливальний пристрій; 3-кристалізатор;
4-затвердіваючий зливок;5-тягнучі вал-
ки;6-форсунки вторинного охолодження;
7-газовий різак; 8-зливок.
Рис.4. Виливниці: а) розширена донизу; б) розширена доверху.


За способом розкислення розрізняють сталь спокійну і киплячу. Спокійною називають сталь, повністю розкислену до розливання, у виливниці вона не виділяє газів (не кипить). Будова зливка такої сталі показана на рис.6. Зливок складається із зовнішньої дрібнозернистої зони 1, що утворилася внаслідок великого переохолодження (холодна виливниця - 80 (С, горяча сталь - 1600 (С), в результаті чого утворюється велика кількість центрів кристалізації. Оскільки цих центрів багато, то рости їм немає куди і тому утворюється багато дрібних кристалів.
Після утворення кірки товщина стінки виливниці і кірки зливка перешкоджає швидкому відвeденню теплоти від об’єму рідкої сталі що залишилася. Отже, центрів кристалізації менше, кристали ростуть повільніше у напрямі, протилежному відведенню теплоти, перпендикулярно до стінок виливниці. Ця зона 2 зливка називається зоною стовбчастих кристалів
Зона зливка 3 - зона рівноважних кристалів - формується в умовах рівномірного охолодження рідкого металу. Тут центри кристалізації зароджуються вільно і ростуть без певного напрямку.
У тому місці, де сталь твердіє останньою, її недостатньо і тому утворюється усадкова раковина 4 (рис.6). Щоб зменшити усадкову раковину, застосовують виливниці з прибутковою надставкою 1 (рис.4), яка має малотеплопровідну вогнетривку футеровку 2. Завдяки цьому сталь у надставці тривалий час залишається рідкою і живить зливок, що твердіє, зменшуючи в ньому усадкову раковину. Прибуткова частина (20 % від об’єму зливка) відрізається при обробці і направляється у вигляді відходу (скрапу) на переплавлення.
Дефектною зоною зливка також являється донна (нижня) частина 5. У ній збираються неметалічні включення, і, саме головне, утворюється конус осаджування. Тому при обробці зливка донну частину (як і прибуткову) відрізають (3 - 5% від об’єму зливка) і направляють на переплавлення.
Таким чином, не вся виплавлена сталь, розлита у вигляді спокійної сталі, використовується у виробництві, а тільки її частина, яка у металургії характеризується поняттям виходу гідного:

де ( - вихід гідного металу, %; Vзл, Vпр, Vдн - відповідно об’єм зливка, прибуткової частини і доної частини, см3.



Рис.5. Схема утворення усадочної раковини
Рис.6. Схема будови стального зливка сталі: а)-спокійної; б)-киплячої


Більш економічним є розливання киплячої сталі, при якому практично вихід гідного складає 92...98 %. Киплячою називається сталь, що не повністю розкислена. У ній знаходиться оксид заліза, який, реагуючи з вуглецем, утворює оксид вуглецю
FeO + C = Fe + CO .
Проходячи крізь товщину рідкої сталі, оксид вуглецю викликає бурління останньої, що в металургії прийнято називати ”кипінням”. Газ що утворився під час хімічної реакції намагаються не випускати з виливка, накриваючи виливницю зверху стальним диском, внаслідок чого майже увесь газ що виділився залишається у виливку у вигляді розсіяних газових раковин, які компенсують усадку, через що в зливку немає зосередженої усадочної раковини. Газові раковини (бульбашки збурення) зварюються при прокатуванні, і майже весь зливок використовується повністю. Вміст вуглецю в киплячій сталі становить не більше як 0,3 %; більший вміст його спричинює надмірне виділення газів і збільшення браку сталі. Кипіння у виливниці з вілиним виходом газів (до утворення кірки) сприяє повнішому видаленню із виливка неметалічних включень, через що пластичність киплячої сталі вища, ніж спокійної. Кипляча сталь добре штампується, тому її застосовують для деталей глибокої витяжки, а також зварних труб та інших виробів. Вона дешевша, ніж спокійна сталь, але зливки неоднорідні за складом (внаслідок ліквації внутрішні шари зливка містять більше, ніж зовнішні, вуглецю та домішок); це обмежує її застосування. Тому якісні сталі розливають спокійними.
2. ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ.
Установка складається з шести плоских моделей виливниць (рис. 7) прямокутного січення. Вузькі стінки і днища двох виливниць виготовлені із сталі (водоохолоджуючі), чотири інших - з міді. Широкі стінки в усіх виливницях виготовлені з прозорого органічного скла. Інтенсивний тепловідвід від водоохолоджуваних і мідних стінок і незначний - від стінок з органічного скла приводить до того, що ріст кристалів іде в основному від бокових і нижнього направлень і це дає можливість спостерігати процес кристалізації через прозорі широкі стінки (передню і задню).

Рис.7. Схема установки:
1- виливниця; 2 – прибуткова надставка
З метою вивчення впливу форми виливниці на процес кристалізації кожна установка складається з двох виливниць, рівних за об’ємом, але різних за формою: одна з них розширена догори, а друга - донизу.
Для вивчення впливу об’єму виливниці на процес кристалізації дві з шести виливниць мають об’єм в 1,5 разів менший.
3. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ.
Процес формування зливка вивчається на моделі. В якості моделюючої рідини використовується нагрітий до температури плавлення (56 (С) гіпосульфіт (Na2S2O3 ( 5H2O).
При розплавленні гіпосульфіт перемішують скляною паличкою, щоб температура була постійною в усьому об’ємі. Нагрів проводиться у “водяній бані”. Виливниці заповнюють розплавленим гіпосульфітом з одинаковою швидкістю протягом 50...60 с. З моменту заповнення виливниці включають стрілку хронометра і проводять хронометраж формування зливка. Дані спостереження через 1...2 хв записують в таблицю.
Роботу виконують в наступній послідовності:
1. Вимірюють лінійкою на трьох рівнях (верх - основи дерев’яних вставок - середина і низ) товщину фази що закристалізувалася (кірки). Вимірювання проводять через певні проміжки часу до повної кристалізації зливка. (Дані вимірювань двох бригад для однотипних виливниць, що розширюються догори і донизу, записують в одну таблицю).
2. Визначають коефіцієнт швидкості кристалізації для кожного спостереження за формулою

де ( - середня товщина фази що закристалізувалася (кірки), мм, за проміжок часу ( , хв; ( - час кристалізації, хв; K - коефіцієнт швидкості кристалізації, що предсталяє собою товщину кірки що утворилася за одиницю часу.
3. Визначають середній коефіцієнт швидкості кристалізації зливка:


Примітка: Дані із знаком штрих (() відносяться до виливниць, які розширені до верху; дані із знаком два штрихи (() відносяться до виливниць, що розширені до низу.
4. Визначають об’єм зливка:




5. Визначають об’єм усадочної раковини:




6. Визначають відношення об’єму усадочної раковини до об’єму зливка, %:

;
;
7. Визначають глибину розповсюдження усадочної раковини зливка, %:

;
;
8. Визначають вихід гідного. Як правило для цього встановлюють процент обрізування. При розрахунках необхідно прийняти висоту донної частини hдн для виливниць висотою 180 мм - 10 мм, для виливниць висотою 100 мм - 5мм. Процент обрізування дорівнює:
для зливка, розширеного до верху

;
для зливка, розширеного до низу

;
9. Будують графік залежності збільшення товщини кірки від часу кристалізації (рис.8).

Рис.8. Графік залежності збільшення товщини кірки від часу кристалізації.
10. Замальовують схему кристалічної структури затверділих зливків з указанням всіх зон кристалізації і особливостей їх будови.
11. Аналізують результати роботи.
12. Роблять висновки.
Протягом всього процесу кристалізації зливку вести спостереження за кристалізацією і фіксувати в таблиці спостережень (в графі “Результати спостережень за кристалізацією зливку”) характерні явища.
Особливу увагу необхідно звернути:
а) на форму, величину, орієнтацію кристалів які ростуть;
б) на місце зародження кристалів;
в) на роль стінок і меніксу розплаву;
г) на ріст і переміщення відокремлених кристалів;
д) на перехід від однієї структурної зони до іншої;
е) на утворення усадочної раковини, пухкості, мостів;
є) на утворення конусу осаджування.
ВИМОГИ ДО ЗВІТУ
Звіт повинен містити: мету роботи і її короткий зміст; схему дослідної установки; таблицю замірів і результатів спостережень кристалізації зливків; необхідні розрахункові дані; графік залежності збільшення кірки зливку від часу кристалізації; схему структур затверділих зливків з зазначенням кристалічних зон; аналіз результатів роботи; висновки.
КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ
Що розуміють під кристалізацією зливку?
З яких кристалічних зон складається структура зливку?
Які умови утворення окремих кристалічних зон зливку?
Назвіть основні дефекти зливку і причини їх виникнення.
В чому полягає анізотропність зливку?
Чим пояснюється утворення усадкової раковини в зливку?
Що собою являє усадкова пухкість і яка тенденція її розповсюдження?
Що розуміють під “виходом бездефектного металу”?
Якими способами забезпечується утворення усадочної раковини в головній частині зливку?
Форми виливниць і їх застосування.
Що розуміють під кристалічною неоднорідністю зливка?
Які фактори впливають на процес кристалізації зливку?
Способи розливання сталі.
Будова і робота лабораторної установки для моделювання кристалізації зливку.
Таблиця
Результати вимірювань, розрахунків і спостережень кристалізації зливку спокійної сталі
№
п/п
Час,
хв.
Товщина кірки, що утворилася (, мм, і коефіциєнт швидкості кристалізації К зливку у виливниці


загальний
спостережень
Виливниця розширена до верху
Виливниця розширена до низу




верх
середина
низ
середнє значення

К’
Результати спостережень за кристалізацією зливку
верх
середина
низ
середнє значення
К”
Результати спостережень за кристалізацією зливку