Выплавить сталь или другой сплав — это лишь начало. Надо еще разлить металл, т. е. получить слитки, которые потом будут обрабатываться в прокатных и кузнечных цехах. Масса слитков обычно составляет 1—20 т, а иногда—100 т и более. Традиционно сталь разливают в изложницы (формы) либо непосредственно из ковша сверху, либо сифонным способом, т. е. изложницы заполняются как сообщающиеся сосуды. Затвердевание (кристаллизация) стали в изложнице не может проходить одновременно и равномерно во всем объеме слитка. Обычно оно начинается с холодных стенок и дна. Из-за неравномерности распределения примеси по объему слитка почти одна треть слитка отрезается и поступает вновь на переплав. При затвердевании металл уменьшается в объеме — образуется усадочная раковина. Улучшить качество металла благодаря его большой плотности и уменьшению неоднородности можно, повысив давление расплава (обычно увеличением давления воздуха до 400 кПа) . К достоинствам этого метода следует отнести и низкий параметр шерохонатости поверхности, настолько низкий, что отпадает необходимость в трудоемких операциях зачистки поверхности слитка. Наиболее значительным событием в совершенствовании разливки стали следует считать широкое распространение непрерывной разливки стали (НРС). НРС позволяет существенно сократить потери металла, улучшить качество слитка, максимально приближенного по форме и размерам к заготовкам, которые требуются машиностроению. Ожидают, что в будущем не менее трети всего выплавляемого в мире металла будет разливаться на машинах и установках НРС. В последние годы появились не только вертикальные установки для НРС, но и установки с изгибом слитка. Наиболее популярна в мире сейчас установка радиальной непрерывной разливки, которая может быть размещена непосредственно в сталеплавильном цехе. Установки НРС не только обеспечивают высококачественный слиток и уменьшают потери металла, но и значительно облегчают условия работы, резко повышают производительность труда как при разливке стали, так и при дальнейшей обработке слитков. Одноручьевые установки НРС позволяют получить 20—150 т слитков (в зависимости от их сечения и формы). Однако слитки НРС имеют следующий дефект — продольные и поперечные наружные трещины, которые устраняются улучшением условий кристаллизации, магнитным перемешиванием, ультразвуковым облучением, а также последующими специальными видами прокатки и пластического деформирования (в частности, частым сдвигом, проталкиванием через угловой канал матрицы). В чем же состоит главная задача металлообработки? Очевидно, в том, чтобы придать материалу намеченную конструктором форму, превратить его в детали определенной конфигурации. Разнообразны современные способы металлообработки. Но будь то прокатка, ковка, ультразвук, резание, литье или сварка — все они сводятся к одному из четырех издавна известных людям технологических способов. Это или обработка твердого куска металла, когда от него отрезают, с него состругивают или стачивают все лишнее; или литьё, когда окончательная форма определяется стенками сосуда, в который наливают расплав; или «лепка», когда желаемая конфигурация изделия получается заполнением формообразующей полости (ручья) штампа под давлением пресса или ударом молота; наконец, может быть применено «слепливание» — соединение отдельных кусков сваркой, клепкой, склеиванием, свинчиванием и т. д. На первый взгляд кажется, что невозможно придумать какой-либо новый способ обработки, не укладывающийся в эту как будто бы всеобъемлющую классификацию. И все же подобные способы существуют, в том числе в разливке стали. Дело в том, что под действием поверхностного натяжения, высокочастотных электромагнитных полей, центробежных сил и т. д. расплав способен принимать всевозможные формы, отнюдь не определяемые стенками сосуда, в который его наливают. Дайте расплаву затвердеть, подобрав подходящие условия охлаждения, и вы получите деталь без всякой литейной формы. Заставьте струю жидкого расплава падать с большой высоты. Она разобьется на мелкие брызги. Под действием сил поверхностного натяжения брызги примут форму шариков, а шарики будут застывать на лету. Если подставить под этот металлический град сосуд с водой, чтобы шарики не деформировались от удара, то мы получим нужную нам дробь. Подобный метод производства свинцовой дроби используется уже давно. Итак, при разливке можно заставить работать силы земного притяжения (гравитационные) и поверхностного натяжения (например, вытягиванием из расплава). Суть этой технологии чрезвычайно проста. Опустите в расплав твердый стержень и начинайте его осторожно вытягивать из расплава. За стержнем потянется жидкий столбик, который вскоре оборвется. Но если вы остановите стержень над поверхностью расплава, то столбик будет вполне устойчив. Его верхняя часть, непосредственно прилегающая к стержню, будет постепенно охлаждаться и затвердевать. Если теперь стержень медленно поднимать так, чтобы граница между затвердевшей и жидкой частью столбика оставалась все время на одном уровне, то стержень по мере затвердевания новых порций жидкости будет все удлиняться. Процесс можно продолжать неограниченно долго, получая таким образом металлический пруток (и даже трубу) без литейной формы, прокатного стана. Конечно, это упрощенная схема процесса, но промышленная технология ненамного сложнее. А первые эксперименты были проведены в Ленинграде в лаборатории проф. А. В. Степанова по вытягиванию алюминиевой проволоки из расплава. Результаты были столь успешны, что во время Великой Отечественной войны заклепочную проволоку получали именно таким способом. Сварку тогда применяли ограниченно; на боевых самолетах можно было видеть сотни тысяч заклепок. Немаловажным достоинством этого способа является универсальность по отношению к материалам. Теоретически детали можно вытягивать из любых веществ — сплавов, солей, минералов, пластмасс. Единственное, что требуется,— это способность вещества плавиться и затвердевать при определенной температуре, а это свойство присуще почти всем веществам. Уже вытягивались изделия из цинка, висмута, меди, латуни, бронзы, фтористого лития, селитры и др. Если вам показалось, что все проблемы разливки металла решены легко и просто,— это не так. Хотите убедиться? Попробуем ответить на некоторые вопросы. Почему при обычной разливке в слитке образуется усадочная раковина? Какие физические процессы при этом происходят? Металл кристаллизуется в слиток весь, однако очень неравномерно во времени. Стенки изложницы забирают тепло; на поверхности изложницы металл начинает затвердевать, тогда как середина еще остается жидкой. Образуется изложница в изложнице, причем образующая полость как бы увеличивается, так как объем металла при кристаллизации уменьшается. Казалось бы, объяснение получено, однако для управления процессом непрерывной разливки стали, для расчетов формы и размеров кристаллизатора необходимо точное математическое описание процесса затвердевания металла. Почему же усадочная раковина не образуется при НРС? Дело в том, что скорости вытягивания слитка, его охлаждения и затвердения подобраны так, чтобы избежать раковины. Без математических моделей здесь не обойтись. Или другой факт, оставленный нами без внимания. При приложении внешнего давления к расплаву меняются условия и скорость затвердевания. Казалось бы, почему? Вы знаете, что воздух плохой проводник тепла (вспомним, почему на окнах в домах делают двойные рамы). Он оказывается между стенками изложницы и образовывающейся корочкой слитка. А при повышении давления расплав более плотно прилегает к стенкам изложницы — увеличивается скорость теплопередачи, ускоряется кристаллизация. А теперь совершим непродолжительное путешествие в космос. Интересно, как будет выглядеть разливка металла там (вы, конечно, слышали о космической металлургии)? Во-первых, в космосе вакуум, который определит условия для извлечения газов из расплава. Во-вторых, в космосе нет гравитационных сил, что, с одной стороны, усложнит собственно процесс разливки: явно без приложения дополнительного давления не обойтись, с другой стороны, если уж удалось заполнить расплавом литейную форму, то равномерность распределения по слитку разных веществ (например, примесей) будет больше, чем в земных условиях. В земных и космических условиях можно попробовать придать слитку, отливке форму с помощью электромагнитных полей. Заметим только, что при сравнительно невысоких температурах (точка Кюри) металлы перестают быть магнитными. Значит, реально осуществленная идея удержания расплава в «сосуде» из электромагнитных полей потребовала получения новых знаний, использования их в инженерном проектировании действующих промышленных и лабораторных установок. А силы поверхностного натяжения, о которых мы говорили применительно к получению изделий вытягиванием из расплава? Конечно, мы много раз видели листочек на поверхности воды в пруду, удавалось наливать воду в стакан «с горкой», но ведь этого, наверное, мало для создания технологических процессов разливки металла. Значит, помимо наблюдения фактов, необходимо их научное объяснение — физическое или математическое описание с такой степенью достоверности, чтобы можно было рассчитать параметры технологического процесса, иметь основания для проектирования дорогостоящих установок. Более того, знания и расчеты должны быть столь точными, чтобы можно было предсказывать возможные дефекты слитков, качество получаемого металла. С литейными дефектами, конечно, надо бороться (как при разливке, так и после нее), но результативность этой борьбы зависит от знания механизмов их образования. Без прочных физических, химических и математических представлений повысить качество литых слитков практически невозможно.
