Лекция №4. Химическая неоднородность слитков

Жидкая сталь представляет собой однородный раствор углерода, кремния, марганца, фосфора, серы, кислорода и газов в жидком же­лезе, но содержание этих примесей в различных точках стального слитка неодинаково. Химическая неоднородность, или ликвация, возникает при затвердевании слитка.

Причиной возникновения ликвации является то, что раствори­мость ряда примесей в твердом железе ниже, чем в жидком. Вслед­ствие этого растущие при затвердевании оси кристаллов содержат меньшее количество примесей, чем исходная сталь (так называемый процесс «избирательной кристаллизации»), а остающийся жидкий металл обогащается примесями.

Склонность к ликвации различных элементов, содержащихся в стали, неодинакова. Степень ликвации обычно характеризуют следующим выражением:

где С  — максимальное, минимальное и среднее содержание эле­мента  в той  или  иной части  слитка.

Различают ликвацию двух видов: дендритную и зональную.

При формировании кристаллов - дендритов часть жидкости, обогащенной ликватами, останется между растущими ветвями и затвердеет в меж­дендритных участках. Таким образом, содержание примеси в осях дендритов будет ниже, чем в межосных объемах. Возникнет так назы­ваемая дендритная ликвация.

Кроме этого, обогащенная примесями жидкость будет переме­щаться в направлении от фронта затвердевания. При этом могут возникать объемы с повышенной концентрацией примеси, которые, затвердевая в последнюю очередь, образуют зональную ликвацию.

Дендритная ликвация — это неоднородность стали в пределах од­ного кристалла (дендрита); она возникает в результате избирательной кристаллизации. Наибольшей склонностью к дендритной ликвации обладают сера, фосфор и углерод. Вместе с тем дендритной ликвации подвержены также кремний, марганец, вольфрам, хром, молибден и ряд других элементов. Величина дендритной ликвации, т. е. разли­чие между содержанием отдельных элементов в осях и межосных про­странствах дендритов достигает существенных значений, так сте­пень дендритной ликвации в 3-т слитке составляет, %: серы около 200, фосфора 150, углерода 60, кремния 20, марганца 15.

Рекомендуемые материалы

Отрицательное влияние дендритной ликвации проявляется в том, что она вызывает появление в готовой стали полосчатой структуры: при прокатке оси дендритов и межосные участки вытягиваются, об­разуя волокна или полосы, обладающие неодинаковым составом и свойствами. Структурная же полосчатость, а также вытягивающиеся вдоль волокон неметаллические включения вызывают анизотропию механических свойств металла в продольном и поперечном относительно оси прокатки направлениях: пластические свойства стали в по­перечном направлении оказываются более низкими, чем в продоль­ном.

Зональная ликвация — это неоднородность состава стали в раз­личных частях слитка. Она достигает больших значений, чем денд­ритная ликвация и представляет существенно большую опасность. К образованию зональной ликвации склонны сера, фосфор, углерод и кислород. Зональной же ликвации марганца, кремния, хрома, никеля, вольфрама, ванадия и титана практически не наблюдается. Наибольшей склонностью к зональной ликвации обладает сера, несколько меньшей фосфор и еще меньшей — углерод.

Зональная ликвация вызывает неоднородность свойств в различных частях стальных изделий и может вызывать отбраковку металла вследствие отклонения  состава металла от заданного.

В возникновении зональной неоднородности наряду с избиратель­ ной  кристаллизацией важную роль играют  процессы,   приводящие к перемещению ликвирующих элементов из одной части слитка в другую. Такими процессами являются: диффузия примесей из двухфазной области  в объем оставшегося  жидкого металла;  конвектнвные потоки металла в изложнице, приводящие к выносу ликватов в верхнюю и среднюю части слитка; всплывание объемов загрязненного примесями металла вследствие того, что их плотность меньше плотности остального металла. По этим причинам верхняя и осевая части слитка, кристаллизующиеся   в   последнюю   очередь,   обычно   обогащаются примесями.

Проявление зональной ликвации зависит кроме всего прочего от степени раскисленности металла.

Зональная ликвация в слитке спокойной стали. В наружной корковой зоне слитка ликвация отсутствует и состав металла здесь не отличается от состава жидкой стали, поскольку из-за быстрой кристаллизации  поверхностных слоев слитка ликвационные процессы здесь не успевают развиться.

В остальном объеме слитка ликвация серы, фосфора и углерода подчиняется  следующей  закономерности:   в   верхней   части  слитка содержание элементов возрастает в направлении к оси; в средней по высоте части слитка ликвация незначительна; в нижней части наблюдается обратная ликвация — содержание серы, фосфора и углерода убывает в направлении к оси слитка. Отрицательную ликвацию в нижней части слитка объясняют всплыванием и перемещением примесей  в верхнюю часть слитка.

Схема  ликвации  в  слитке  спокойной   стали: 1 — Λ -образная      ликвация;

2 — V-образная      ликвация; плюс — зоны   положительной   ликвации;   минус – зона  от­рицательной ликвации

Наряду с отмеченной общей закономерностью распределения ликвирующих примесей в слитке спокойной стали наблюдаются (рис.) специфические виды ликвации: V-образная ликвация под усадоч­ной раковиной и скопление примесей в виде нитей или полос — Λ -­образная ликвация или «зона усов».

Образование V-образной ликвации объясняют опусканием в усадочные пустоты осевой части слитка за­грязненного примесями металла из прибыли. В процессе кристаллизации последние объемы металла, находя­щегося в двухфазном состоянии, опускаются вследствие усадки по осевой части слитка. При перемещении увлекается и загрязненная  ликватами жидкость из примыкающей двухфазной области, которая заполняет возникающие при усадке разрывы, располагаясь в форме воронки. Повышенная вязкость металла в конце кристаллизации слитка и наличие мостов препятствуют всплыванию ликватов, и в этой зоне сохраняется повышенное содержание серы, фосфора и углерода.

Причина образования Λ -образной ликвации окончательно не выяснена. Одни металлурги считают «усы» следами выделявшихся при кристаллизации пузырь­ков водорода, которые увлекали за собой примеси; другие видят при­чину образования «усов» в опускании загрязненного примесями ме­талла в усадочные полости низа слитка по узким каналам между осями дендритов.

Наибольшее количество ликвирующих элементов обнаруживается в подприбыльной осевой части слитка, где металл затвердевает в последнюю очередь, а также в районе «усов». В слитках легирован­ной стали массой 2,5—4,5 т степень ликвации под усадочной рако­виной составляет, %: серы 170—300, фосфора 150—260, углерода 150—200. Обычно эта часть слитка отрезается при прокатке.

Развитие в слитке зональной ликвации того или иного вида зависит от ряда факторов. Зональная ликвация развивается тем сильнее, чем больше масса и поперечное сечение слитка и чем больше длительность его затвер­девания. В связи с этим высококачественные и легированные стали, используемые для изготовления деталей ответственного назначения разливают в слитки небольшой массы (<6,5 т).

При увеличении содержания легирующих элементов (Ni, Cr, V) в стали ликвация несколько умень­шается. Существенно снижает ликвацию серы, фосфора и углерода никель; при со­держании никеля в стали более 4 % ликва­ция этих элементов в слитке незначительна.

Все мероприятия, направленные на борьбу с развитием усадочных дефектов, будут способствовать также и уменьшению V-образной ликвации. В свою очередь факторы, вызы­вающие повышение скорости охлаждения и кристаллизации слитка, будут уменьшать развитие Л-образной ликвации. Уменьшению развития зональной ликвации обоих видов будет способствовать меньшая газонасыщенность стали, так как выделение газов при кри­сталлизации приводит к развитию перераспределения примесей. Низкое содержание ликвирующих примесей (S и Р) в металле не только снижает абсолютное количество этих примесей в местах скопления ликватов, но также повышает температуру плавления металла, уменьшает интервал кристаллизации и повышает скорость кристаллизации. Все это ослабляет процесс перераспределения примесей.

Зональная ликвация в слитке кипящей стали. В механически закупоренном слитке наружный слой здоровой корки вследствие очень быстрого затвердевания по составу не отличается от жидкой стали. В остальном объеме до вторичных пузырей наблюдается отрицательная ликвация серы, фосфора и углерода. Это объясняется тем, что при ак­тивном кипении ликваты выносятся в верх­нюю часть слитка.

Центральная часть слитка (внутри вто­ричных пузырей), затвердевающая после за­купоривания, загрязнена ликватами. При этом содержание серы, фосфора и углерода возрастает в направлении от поверхности к оси и от низа к верху слитка. Максимальное скопление примесей — «ликвационный центр» — находится в середине верхней части слитка на расстоянии 10—20 % высоты от его верха.

Зональная ликвация в слитках кипящей стали в связи с интенсив­ной циркуляцией металла выражена значительно сильнее, чем в слит­ках спокойной стали. В центре скопления примесей крупных механи­чески закупоренных слитков степень ликвации серы может дости­гать 800 %, фосфора 500 %, углерода 300 %. В связи с этим при производстве качественных кипящих сталей для удаления скопления вредных примесей головную обрезь приходится увеличивать до 10— 13 % от массы слитка (вместо 5—9 % для рядовой стали).

В связи с сильным развитием ликвации при механическом заку­поривании его в последние годы заменяют химическим. В этом слу­чае зональная неоднородность выражена значительно слабее из-за раннего прекращения кипения, поскольку химическое закупорива­ние производят через 1—1,5 мин поле окончания наполнения излож­ницы, а механическое — через 7—15 мин.

В химически закупоренном слитке быстро затвердевающая корко­вая зона и зона слабо развитых сотовых пузырей не имеют заметной ликвации. В остальном объеме слитка отмечается слабо заметное повышение содержания примесей в направлении от низа к верху и от поверхности к оси слитка. Имеется слабо выраженные Λ-образ­ная ликвация и V-образная, располагающаяся под зоной пустот и пузырей. На оси слитка па расстоянии 25—35 % высоты от верха сходится ликвационный центр — локальное скопление примесей.

В слитке полуспокойной стали характер ликвации примерно такой же, как в химически закупоренном слитке кипящей стали.

Температура и скорость разливки

Сталь, выпускаемая из печи, должна быть нагрета на 100—150 °G выше температуры плавления, которая зависит от состава стали и, обычно снижается при увеличении содержания углерода и легиру­ющих элементов.

Перегрев необходим для обеспечения нужной температуры стали при разливке, а также для компенсации потерь тепла за время вы­пуска, выдержки стали в ковше до начала разливки и за время разливки, длительность которой для ковшей большой емкости может достигать 1—1,5 ч. Наиболее сильно сталь охлаждается при выпуске и в первые минуты выдержки в ковше, когда тепло расходуется на нагрев футеровки ковша; обычно за это время температура металла понижается па 30—60 °С.

Нормальной температурой начала разливки считают темпера­туру, превышающую температуру плавления стали на 90—120 °С при сифонной разливке и на 70—110 °С при разливке сверху.

Информация в лекции "3 Использование фитотоксикантов и сдяв в военных целях" поможет Вам.

Чрезмерно высокая температура стали при разливке ведет к ухуд­шению качества слитка. Перегретая сталь дольше затвердевает в изложнице, поэтому в слитке сильнее развивается химическая неоднородность. Быстрая разливка горячего металла ведет к уве­личению пораженности поверхности слитков продольными трещи­нами. С увеличением температуры возрастает - также количество растворенных в стали вредных газов, что ухудшает свойства гото­вого металла.

Разливка стали при слишком низкой температуре также неже­лательна. Холодный металл более вязок, что затрудняет всплывание НМВ в кристаллизирующемся слитке и приводит к повышенному загрязнению стали неметаллическими включениями. При затвердевании вязкого металла ухудшается пи­тание кристаллизующихся объемов слитка из прибыли, поэтому слитки получаются с повышенной осевой пористостью и рыхлостью. При сифонной разливке холодного металла на его поверхности в изложнице образуется корочка, завороты которой являются серьезным дефектом слитка.

Скорость разливки, так же как и температура разливаемого ме­талла, оказывает существенное влияние на качество слитка. Чрез­мерно высокая скорость разливки ведет к увеличению количества продольных трещин на поверхности слитка, а при разливке кипящей стали вызывает уменьшение толщины здоровой наружной корочки в слитке. Разливка с недостаточной скоростью ведет к усиленному образованию и заворотам корочки, особенно при разливке стали сифоном.

По этим причинам скорость разливки обычно увязывают с темпе­ратурой металла. Горячий металл следует разливать более медленно, холодный быстрее. Оптимальные температуры и скорости разливки подбирают опытным путем с учетом способа разливки, массы слитка, состава и свойств стали (ее вязкости, склонности к образованию трещин, склонности к образованию окисленной корочки и др.).

Скорость разливки чаще всего характеризуют скоростью подъема стали в изложнице, которая находится в пределах 0,15—5 м/мин. Ее регулируют изменением диаметра разливочного стакана, а также частичным перекрытием вытекающей из стакана струи с помощью стопора или шиберного затвора.

Скорость разливки сверху обычно выше, чем сифонной. Это объясняется необходимостью сократить общую длительность раз­ливки плавки. При сифонной разливке благодаря одновременному наполнению нескольких изложниц длительность разливки плавки оказывается небольшой даже при относительно малой скорости подъема металла изложнице; меньшая же скорость разливки уменьшает вероятность образования ряда дефектов в слитках.