Особенности строения слитка кипящей стали

В отличие от полностью раскисленной спокойной стали кипящая сталь при кристаллизации «кипит». Эффект ки­пения вызывается реакцией между ра­створенными в металле углеродом и кислородом [С] + [О] = СО_Г. Даже в слитке полностью раскисленной спокойной стали в момент кристаллиза­ции имеет место выделение некоторо­го количества газов. В слитке кипящей стали обильное газовыделение не только накладывает определенный от­печаток на строение слитка, но и в значительной мере определяет его ка­чество. В кристаллизующемся слитке кипящей стали формируются следую­щие основные зоны (рис. 24.10).

24.3.1. Зона плотного наружного слоя («корочка») — образуется в мо­мент соприкосновения жидкой стали с холодными стенками изложницы. Металл этой зоны состоит из мелких, беспорядочно ориентированных крис­таллов, по химическому составу бли­зок к составу жидкого металла в ков­ше. Толщина зоны (толщина корочки) зависит от ряда факторов, и прежде всего от скорости разливки (скорости наполнения изложницы). При быст­ром наполнении изложницы толщина корочки меньше, при медленной раз­ливке толщина корочки больше.

24.3.2. Зона сотовых пузырей. Так же, как и в случае кристаллизации слитка спокойной стали, при кристал­лизации кипящей стали начинается рост столбчатых кристаллов. Оси рас­тущих кристаллов совпадают с на­правлением отвода тепла. Поскольку кристаллизация происходит избира­тельно, оси кристаллов чище маточно­го раствора, между осями растущих кристаллов находится обогащенный ликватами маточный раствор. Ликва-

Рис. 24.10. Стро­ение слитка ки­пящей стали:

/ — плотная наруж­ная корочка; 2 — зона сотовых пузы­рей; 3 — промежу­точная плотная зона; -/—зона вто­ричных пузырей; 5—срединная часть слитка

ты содержат углерод и кислород; по­вышение их концентрации и благо­приятные условия образования новой фазы (наличие твердых поверхностей) приводят к интенсивному протеканию реакции [О] + [О] = СО_Г.

Одна часть образующегося газа удаляется вверх, а другая «захватыва­ется» растущими кристаллами и оста­ется в виде удлиненных пузырей в пространстве между ними. По форме эти пузыри напоминают соты в пчели­ных ульях, поэтому их обычно называ­ют сотовыми, а всю зону — зоной сото­вых пузырей. Вначале каждый такой пузырь заполнен в основном СО. В процессе кристаллизации и охлажде­ния слитка в него диффундируют дру­гие газы, и прежде всего водород. На размер и протяженность зоны сотовых пузырей влияют: состав и окислен-ность стали, способ и скорость раз­ливки, масса слитка и др. Ферростатическое давление столба металла над образующимся пузырем препятствует его развитию, поэтому при очень быс­трой разливке образовавшиеся в пер­вый момент пузыри фиксируются ме­таллом на малом расстоянии от повер­хности слитка и толщина первой зоны (толщина корочки слитка) оказывает­ся малой. Наоборот, при медленной разливке металл «свободно откипает» и пузыри захватываются и фиксиру­ются затвердевающим металлом на большем расстоянии от поверхности слитка.

Таким образом, регулируя скорость разливки, можно регулировать толщи­ну зоны плотного наружного слоя и начало образования зоны сотовых пу­зырей. Влияние давления столба ме­талла сказывается и в том, что в самой верхней части слитка сотовых пузырей нет (они всплыли). На процесс обра­зования сотовых пузырей влияет так­же уровень окисленности металла. При повышенном содержании кисло­рода условия образования пузырей СО более благоприятны, интенсивное га­зовыделение обеспечивает условия для удаления части образующихся га­зов, получается развитая зона удли­ненных сотовых пузырей при доста­точной толщине корочки.

При чрезмерно высокой окислен­ности металла газовыделение происходит настолько интенсивно, что уровень вскипающего металла быстро достига­ет верха изложницы, и разливку пре­кращают. После непродолжительного кипения уровень металла снижается и изложница оказывается заполненной не полностью (такой дефект называют часто голенищем). В случае разливки металла с малой окисленностью обра­зующиеся в первый момент пузыри фиксируются растущими кристаллами и почти не удаляются вверх (металл слабо кипит). Толщина корочки ока­зывается небольшой, а слиток — рых­лым и пузыристым из-за наличия боль­шого числа пузырей, не успевших уда­литься из металла в процессе кипения. Часто уровень такого слитка после за­вершения разливки продолжает повы­шаться (рослый слиток); иногда металл уже не вмещается в изложнице и «вы­лезает» из нее, образуя дефект, называ­емый у технологов капустой.

Таким образом, для получения нормального слитка кипящей стали необходимо иметь металл определен­ной окисленности. Окисленность ста­ли определяется прежде всего содер­жанием в ней углерода (в качестве до­полнительного регулятора окисленно­сти металла обычно используют марганец). Чем выше содержание уг­лерода, тем меньше окисленность ме­талла. Как известно из практики, по­лучение хорошего слитка кипящей стали из металла, содержащего >0,25 % С, затруднительно.

При образовании сотовых пузырей ликвирующие в пространство между растущими лендритами углерод и кис­лород расходуются на образование СО, сотовый пузырь заполнен в ос­новном Н и СО (оба газа — восстано­вители). В результате получаются пу­зыри с чистой неокисленной внутрен­ней поверхностью. При последующей прокатке такие пузыри полностью за­вариваются, и если разрезать заготов­ку, прокатанную из слитка кипящей стали, то никаких следов зоны сото­вых пузырей не обнаруживается. Од­нако возможны случаи, когда при на­греве перед прокаткой слитков кипя­щей стали в нагревательных колодцах в результате воздействия окислитель­ной атмосферы этих колодцев корочка слитка (первая зона) окислится («прогорит») и окислительные газы, попав в полость сотовых пузырей, окислят их внутреннюю поверхность. Такие пу­зыри с окисленной внутренней поверх­ностью при прокатке не завариваются, и слиток бракуется. Технология вып­лавки и разливки кипящей стали дол­жна обеспечивать получение корочки необходимой толщины. Толщину (или ширину) первой зоны часто называют толщиной (или шириной) здоровой ко­рочки.

24.3.3. Зона относительно плотного и чистого металла. При затвердевании металла в этой зоне ликвационные процессы продолжаются, однако кон­центрации ликватов еще недостаточно для газовыделения (значительная часть растворенных в металле газов, прежде всего водорода, уже выделилась при образовании сотовых пузырей).

24.3.4. Зона вторичных пузырей. В момент, когда концентрация ликватов становится достаточной для начала га­зовыделения, в слитке образуются пу­зыри, которые принято называть вто­ричными. Скорость роста кристаллов в этот момент уже невелика и пузыри имеют округлую форму. К моменту образования вторичных пузырей на­полнение изложницы закончено и на поверхности формирующегося слитка образуется корка застывшего металла, т. е. условия удаления пузырей ^тано-вятся неблагоприятными и большая часть вторичных пузырей остается в слитке в виде столба округлых пузы­рей, зафиксированных в металле на некотором расстоянии от сотовых пу­зырей. Вторичные пузыри также зава­риваются при прокатке.

24.3.5. Осевая зона слитка. Эта зона кристаллизуется в последнюю очередь и подобно осевой зоне слитка спокой­ной стали состоит из беспорядочно ориентированных кристаллов, затвер­девающих в маточном растворе, обо­гащенном ликватами. В этой зоне так­же имеются пузыри, особенно в голов­ной части слитка, затвердевающей в последнюю очередь, однако это пузы­ри усадочного происхождения. Вокруг них концентрируются ликваты. Эти пузыри плохо свариваются при про­катке, а крупные пузыри в головной части слитка со скоплениями ликва­тов (в частности, серы и фосфора) на внутренней поверхности вообще не свариваются. Головную часть слитка кипящей стали (5—10 % — примерно вдвое меньше, чем у слитка спокой­ной стали) также отрезают и отправля­ют в переплав.

Объем слитка кипящей стали в процессе его усадки при затвердева­нии не уменьшается вследствие обра­зования в теле слитка многочислен­ных пузырей (иногда, в случае получе­ния так называемых рослых слитков, объем слитка даже увеличивается). Поскольку слиток кипящей стали не имеет четко выраженной области уса­дочной раковины, для разливки кипя­щей стали используют обычно сквоз­ные изложницы, расширяющиеся книзу.

Помимо трудностей, связанных с задачей получения здоровой корочки необходимой толщины, слиток кипя­щей стали имеет существенный недо­статок — высокую степень неравно­мерности состава металла в различных зонах слитка. Как только начинаются кристаллизация и сопровождающее ее газовыделение, образующиеся и под­нимающиеся пузыри газа интенсивно перемешивают металл, улучшая усло­вия перемещения ликватов в глубь слитка. В результате оказывается, что верх и осевая части слитка имеют го­раздо более высокое (степень ликва­ции иногда достигает десятикратных значений) содержание таких сильно ликвирующих примесей, как сера, фосфор, углерод, кислород. Исполь­зовать такой металл для изделий от­ветственного назначения нельзя. Вме­сте с тем производство кипящей стали имеет ряд достоинств: 1) уменьшается головная обрезь и соответственно уве­личивается выход металла¹; 2) упро­щается оборудование (не требуется использования прибыльных надста­вок); 3) отпадает необходимость рас­кисления металла (уменьшаются про­должительность плавки и расход рас-кислителей).

¹ При переходе на непрерывную разливку выход металла возрастает до 95 % и более; следовательно, это достоинство теряет силу.

Легирующие примеси влияют на диаграмму состояния сплава и соответ­ственно на зональную ликвацию углерода, серы, фосфора. Особенно отчет­ливо проявляется влияние никеля: при 3—4 % Ni полностью исключается по­явление зональной химической неодно­родности слитка. Поскольку основной недостаток кипящей стали вызван пе­ремешиванием металла в изложнице, а перемешивание связано с активным га­зовыделением, искусственное прекра­щение или замедление газовыделения приводит к прекращению перемеши­вания и уменьшению степени неодно­родности слитка кипящей стали. Для этой цели на практике используют два технологических приема.

1. Искусственное «замораживание» головной части слитка, для чего на­крывают слиток массивной металли­ческой плитой (крышкой). Обычно к этой операции прибегают в момент окончания образования третьей зоны кристаллизации. Теплоотдача от верха слитка к массивной крышке приводит к быстрому затвердеванию верхней корки слитка, слиток как бы закупо­ривается, давление в слитке резко воз­растает, и реакция [С] + [О] = СО_Г прекращается, так как образующиеся при этой реакции пузыри СО не в со­стоянии преодолеть внешнее давление в «закупоренном» слитке. Поскольку прекращается газовыделение, прекра­щается и интенсивное перемешивание жидкого металла и степень неодно­родности в слитке уменьшается. Та­кой технологический прием называют механическим закупориванием.

2. Раскисление головной части слитка путем введения (обычно в мо­мент окончания образования третьей зоны кристаллизации) сильных раскис-лителей, например алюминия. Введе­ние сильного раскислителя сопровож­дается резким уменьшением окислен-ности металла; соответственно прекра­щаются протекание реакции [С] + [О] = СО_Г, интенсивное перемешивание жидкого металла, и снижается степень неоднородности слитка. Такой техно­логический прием называют химичес­ким закупориванием.

Чем больше масса слитка, тем дольше он затвердевает, тем значи­тельнее степень неоднородности хи­мического состава металла по сечению и высоте слитка. Для повышения про­изводительности обжимных прокатных станов желательно получать круп­ные слитки, однако получение круп­ных однородных слитков кипящей стали является сложной задачей. Вме­сте с тем решение этой проблемы яв­ляется резервом экономии, так как кипящая сталь имеет более низкую стоимость, чем спокойная. В какой-то мере эта проблема решается при про­изводстве группы марок сталей, объе­диняемых общим названием полуспо­койные стали.