Файл: Пауков А.В. Радиоактивные изотопы - помощники металлургов об опыте применения радиоактивных изотопов в металлургии.pdf

в печь, способствовавшие сокращению общей продолжи­ тельности плавки.

Так, на заводе «Азовсталь» продолжительность плав­ ки сократили на 8—10 мин. Производительность марте­ новского цеха повысилась на 0,8%. Увеличение объема производства привело к снижению себестоимости допол­ нительно выплавленной стали на 5,7%, что сократило текущие расходы на 236 тыс. руб.

Там же исследовали качество стали в зависимости от количества шлака в период чистого кипения. Исследо­ вания показали, что если в этот период количество шла­ ка в печи не меньше, чем 15—20 т, то качество металла повышается.

Только за счет разницы цен на рельсы первого и вто­ рого сортов за один год завод получил прибыль при реа­ лизации продукции в 90 тыс. руб.

ФОРМИРОВАНИЕ И КАЧЕСТВО СЛИТКОВ СТАЛИ

Рост выплавки металла в нашей стране связан, как правило, с требованиями повышения пропускной способ­ ности разливочных пролетов сталеплавильных цехов. В существующих цехах этот вопрос нередко решается за счет увеличения массы отливаемых слитков. Переход к получению слитков повышенной массы неизменно требу­ ет решения ряда вопросов по улучшению их конфигура­ ции, внутреннего строения и качества. С помощью мето­ да радиоактивных индикаторов изучаются многие вопро­ сы формирования слитка — скорость кристаллизации металла, движение расплава в жидкой сердцевине за­ твердевающего слитка, распределение неметаллических включений, превращение поверхностных дефектов слит­ ка в дефекты проката и т. д.

38

Скорость кристаллизации металла

До появления метода радиоактивных индикаторов скорость кристаллизации слитка изучали разными мето­ дами, например, выливанием металла из жидкой сердце­ вины, с помощью термопар, установленных в различных точках слитка. Эти методы трудоемки и не всегда дают точные результаты.

Метод радиоактивных индикаторов для изучения кри­ сталлизации слитка впервые применен в Советском Со­ юзе. Методика исследования заключается в следующем. Через некоторое время после заполнения изложницы сталью в нее вводят на стальном прутке ампулы с радио­ активным изотопом. Радиоизотоп сравнительно быстро распространяется в объеме жидкого металла, но наруж­ ная корка слитка затвердевает без изотопа. Через 5—15 мин после ввода первой ампулы в слиток вводят вторую ампулу с индикатором и т. д. В результате в слитке образуется несколько зон с различной концентра­ цией изотопа. Из слитка вырезают плиты, которые поме­ щают на рентгеновскую пленку для радиографии. По толщине корки металла на радиограмме, затвердевшей за время от начала кристаллизации до момента ввода очередной дозы изотопа в слиток, можно определить за­ кономерности затвердевания слитка. Наиболее часто скорость кристаллизации стали в изложнице описывают формулой ' _

x = kV¿,

где X — толщина затвердевшего слоя; /г — эмпирический коэффициент; t — время от начала разливки.

Значения коэффициента k определяли для слитков массой от 0,5 до 23,0 т. По данным исследований, прово­ дившихся работниками разных заводов и институтов, ве­ личина /г растет с увеличением массы слитка от 2,24 до 3,03 см-мин-0'5. Найдены закономерности уменьшения

39

коэффициента k от донной к головной части слитков ки­ пящей стали.

Методом радиоиндикаторов решен ряд практических вопросов, связанных с затвердеванием металла в излож­ ницах.

На Макеевском металлургическом заводе (В. А. Мачковский и др.) при изучении скорости кристаллизации 7-т слитков спокойной стали с различной футеровкой прибыли (легковесный и обычный шамотный кирпич) на­ шли, что способ футеровки не сказывается на времени затвердевания тела слитка, он влияет лишь на формиро­

изложницы металлом ввели ампулы с изотопом желе- за-59. Состав с изложницами выдали из цеха спустя 69 мин от конца разливки, т. е. раньше окончания за­ твердевания всего металла в изложнице. Радиография показала, что в момент движения изложницы часть при­ месей из осевой зоны слитка (фосфор, сера) перемести­ лась снова к фронту кристаллизации. Это явление приво­ дило к снижению качества слитка (образование ликвационного квадрата). После проведенного опыта излож­ ницы с залитым металлом стали выдерживать в разли­ вочном пролете цеха до полного его затвердевания.

На заводе им. Ильича определение оптимальной вы­ держки слитков спокойной стали в изложницах позво­ лило снизить время выдержки в среднем на 1—2 ч про­ тив ранее установленного.

Авторадиографические исследования кристаллиза­ ции слитка, проведенные на Донецком металлургическом заводе, позволили разработать новый тип изложницы, которая на 200 кг была легче старой и позволила сокра­ тить головную обрезь на 1 %.

Общая годовая экономия от внедрения новой кон­ струкции изложницы превысила 100 тыс. руб.

40

На заводе «Азовсталь» в результате аналогичного ис­ следования изложница Р-8 весом 13 т была заменена облегченной изложницей Р-10 весом 10 т. Завод получил экономию 150 тыс. руб.

В последнее время широкое распространение полу­ чил метод разливки стали (марки спокойные углероди­ стые и низколегированные) в сквозные (без надставок) изложницы, расширяющиеся книзу, с применением для теплоизоляции прибыли плит, состоящих из 85% песка, 5% огнеупорной глины и 10% волокнистой бумаги. При­ менение теплоизоляционных плит улучшает питание те­ ла слитка жидким металлом из прибыли, позволяет снизить головную обрезь до 4—6%. Однако на слитках, отлитых по новой технологий, появляются вторичные усадочные раковины, расположенные примерно на поло­ вине высоты его тела; Поэтому работники ДонНИИчермета изучали особенности формирования слитков при отливке их по новой технологии с помощью радиоинди­

каторов.

Была исследована скорость затвердевания опытных слитков с теплоизоляционными плитами и слитков, от­ литых в глуходонные изложницы с прибыльными над­ ставками. Масса слитков — 8,4 т.

Три порции изотопа фосфора-32 вводили в жидкую сердцевину спустя 10, 30 и 80 мин после окончания на­ полнения изложниц металлом. Было найдено, что в пер­ вые 10 мин металл в прибыли сравнительных слитков затвердевал со'значением /е=0,635 см/мин0’5; в слитке с плитами Л~0,т. е. металл не кристаллизовался. В после­ дующие моменты времени.коэффициент k вплоть до окон­ чания затвердевания металла в прибыли оставался мень­ ше у опытного слитка, чем у обычного.

Внедрение результатов работы дало существенный экономический эффект: только за два года (1970 и 1971) получена экономия по Енакиевскому заводу 210 тыс. руб.,, по Криворожскому — 244 тыс. руб.

41

Для определения способности заваривания при про­ катке вторичных усадочных дефектов на Донецком ме­ таллургическом заводе (Л. И. Крупман, Л. Г. Гольд­ штейн, И. И. Воробьев) использовали изотоп кобаль­ та-60. Опыты были проведены на слитках массой 3,4 т. Сначала с помощью ультразвукового дефектоскопа УЗДС-18 находили зону слитка, пораженную усадочны­ ми дефектами, затем на расстоянии 50-^100 мм выше и ниже уровня расположения дефектов сверлили два отвер­ стия диаметром 15—48 мм на глубину до оси слитка. В отверстия заделывали источники кобальта-60 актив­ ностью по 0,5 милликюри. Металл с изотопами прокатали на квадрат со стороной 135 мм и с помощью радиомет­ рического прибора обнаружили зону готового проката, в которой должны ’быть расположены дефекты слитка. По вырезанным темплетам установили, что в процессе прокатки усадочные дефекты полностью завариваются. Подобное исследование без применения изотопной метки было бы невозможным.

Движение металла в жидкой сердцевине затверде­ вающего слитка

Перемещения металла в слитке определяют форми­ рование его структуры, распределение в нем неметалли­ ческих включений, ликвирующих примесей (сера, фосфор, углерод и др.), растворенных газов, образование усадоч­ ной пористости и другие факторы. В последнее время предпринимаются многочисленные попытки определить расчетом (с использованием вычислительных машин) интенсивность потоков расплава в сердцевине слитка и связать их с процессами его формирования. Поэтому уточнение схемы движения расплава в слитке с помощью радиоактивных изотопов имеет большое практическое и теоретическое значение.

В затвердевающем слитке спокойной стали потоки охлажденного металла у фронта кристаллизации опу-

42

скаются вниз, остальная масса расплава по центру жидкого ядра поднимается вверх. Такая схема движения расплава не вызывает ни у кого сомнений. Остается невыясненным, какая часть расплава по площади сече­ ния слитка опускается вниз, а какая поднимается вверх.

С помощью радиоактивных изотопов интенсивность перемешивания расплава в ядре слитка определяют по нескольким методикам. Если ввести изотоп в жидкое ядро, то он сравнительно быстро распределяется во всем объеме слитка; по результатам такого опыта качественно судят о большой мощности перемешивания расплава. Во

43

самом деле в опытах на слитках массой 8—19 т время между последующими максимумами в 1,5—2 раза боль­ ше или примерно в 1,5 раза меньше времени между двумя предыдущими максимумами активности. Изменение'ве­ личин максимумов активности тоже не согласуется с циркуляционной схемой движения расплава в кристал­ лизующемся слитке. Так, в слитке массой 17 т актив­ ность третьего максимума на 15—17% больше второго; в одном из 19-т слитков все четыре максимума почти одинаковы.

Таким образом, периодичность максимумов на кри­ вых активности, представленная схематично на рис. 9, не является доказательством схемы движения расплава, по­ казанной на рис. 8.(из работы Ю. П. Беляева). Исполь­ зование схемы рис. 8 в расчетах процессов формирова­ ния слитка (это иногда имеет место в литературе) ие может дать полезных, необходимых практике резуль­ татов.

Поэтому приходится обращаться к схеме движения расплава в слитке, предложенной Г. П. Иванцовым и недавно подтвержденной А. В. Вишняковым с соавтора-

44