Химическая неоднородность и дефекты стальных слитков. Виды брака при разливке.

Химический состав стального слитка в различных его частях (объемах) неоднороден. Неоднородность (ликвация) возникает при затвердевании слитка. Содержание примесей (серы, фосфора, кислорода и др) и основных элементов (углерод, хром) может различаться в отдельных объемах слитка в несколько раз. Если, в среднем, в печи получают сталь, удовлетворяющую по своему химическому составу требования стандартов, то отдельные части слитка, а следовательно, и изделий, которые будут получены из слитка, при последующей переработке, могут иметь содержания указанных выше химических элементов, в несколько раз отличающиеся, в ту или иную стороны от требований стандартов. Практически, в разных частях слитка (головной, центральной и донной) имеются различные, хотя и достаточно близкие, марки стали. Ликвация углерода или легирующих компонентов не гарантирует уровень требуемого потребителями комплекса физико – механических свойств стали, что не может обеспечить эксплуатационную надежность изготовленного из нее оборудования.

Ликвация химических элементов может быть дендритной и зональной. Дендритная ликвация возникает в пределах одного кристалла. Сначала кристаллизуется более чистый металл (у него наибольшая температура плавления среди компонентов сплава), главные оси дендритов становятся более чистыми от примесей, а затем затвердевает более загрязненный примесями основной металл.

Во вторичных осях и кристаллографических осях дальнейших порядков содержание примесей может быть значительно выше: серы – в два раза, фосфора – в 1,2 раза, углерода - в 0,6 раза и т.п.

Большую опасность, с точки зрения обеспечения эксплуатационных характеристик стали, вызывает зональная ликвация,которая упоминаласьв начале данного раздела учебника. Причинами появления (возникновения) зональной ликвации являются:

- избирательная кристаллизация, т.е. первоочередное затвердевание чистого металла, имеющего наибольшую температуру плавления (кристаллизации);

-диффузионные перемещения примесей железа по объему слитка;

-всплывание загрязненного металла меньшей плотности, чем чистый металл, в головную часть слитка.

В слитках спокойной стали более загрязнен металл прибыльной и подприбыльной частей слитка.

Содержание серы, фосфора и углерода возрастает в головной части слитка и от поверхности к центральным зонам слитка. Наоборот, содержание этих примесей от донной части слитка по направлению к его центральной части снижается.

Развитию зональной ликвации способствует уменьшение массы слитка, повышение температуры разливки стали, повышение содержания растворенного в стали водорода и «встряхивание» слитка при его кристаллизации (например, при железнодорожных перевозках не полностью закристаллизовавшегося слитка).

В слитках кипящей стали зональная ликвация выражена значительно сильнее, чем в слитках спокойной стали, вследствие более интенсивного движения металл в объеме слитка (процесс «кипения» стали). В головной части слитков кипящей стали содержание серы может быть в восемь, фосфора в пять, а углерода в три раза выше среднего содержания в слитке.

Скопление примесей в слитке кипящей стали возрастает от поверхности к середине и к верхней части слитка. Максимальное загрязнение имеет место в осевой части слитка на расстоянии (5 … 15)% от верха слитка (рис. 11.5).

Кроме рассмотренных выше дефектов в форме усадочной раковины и ликвации, у стальных слитков имеются и другие дефекты (пороки; так называемый дефект или брак первого, т.е. сталеплавильного металлургического передела):

1. Осевая рыхлость (скопление мелких усадочных пустот). Она не всегда заваривается при прокатке и обнаруживается на темплетах при контроле макроструктуры. Причина образования рыхлости – срастающиеся кристаллы затвердевающего металла затрудняют выход газов в объем образующейся раковины.

У слитков с большой конусностью степень образования осевой рыхлости снижается, т.к. увеличивается общее время кристаллизации слитка.

На практике, условия захвата металла валками прокатного стана и прокатки металла, ограничивают конусность слитка величиною (2…4)%. Обогрев верхней части слитка уменьшает развитие рыхлости слитка.

2. Заворот «корки» характерен для скоростной поднимающийся вверх металл заливает окисленную «корку» стального слитка; при прокатке эти участки слитка разрываются, образуя дефекты поверхности, которые необходимо удалять зачистными средствами; при разливке необходимо использовать технологические приемы, обеспечивающие защиту от окисления поверхности жидкой стали в изложнице.

3. Поперечные горячие трещины образуются из-за местных зависаний слитка в изложнице в процессе кристаллизации жидкой стали. Основные причины зависания (подвисания) слитка – неровности внутренней поверхности изложницы любого типа и конструкции. Твердая наружная «корочка» слитка механически разрывается под действием растягивающих напряжений, создаваемых массой кристаллизующегося слитка. Изложницы с дефектами на поверхности внутренних стенок должны выбраковываться (выводиться из эксплуатации для ремонта или для переплавки).

4. Продольные горячие трещины – результат тонкой твердой наружной «корочки» застывающего металла при его термической усадке. Длина трещин достигает 1м, а глубина – (1…3)мм. Трещины, главным образом, возникают в углах слитка (на ребрах пересечения плоскостей, образующих пирамидальную поверхность слитка). Тонкая «корочка», ориентированная по вертикальной оси изложницы, может быть размыта (растворена) струей стали.

Появлению и развитию дефекта способствует высокая температура и высокие скорости разливки стали, а также неблагоприятное (низкое) отношение площади наружной поверхности слитка к его массе. Наименьшей склонностью к образованию продольных трещин обладают слитки, отливаемые в листовые изложницы с криволинейными или волнистыми внутренними поверхностями (рис. 11.3). И как следствие из этого, круглые (трубные) слитки, обладающие наименьшей величиной поверхности наиболее склонны к образованию горячих трещин.

5. Продольные холодные трещины образуются на гранях его поверхности в процессе охлаждения затвердевающего слитка при температуре ниже 600⁰С. Необходимо снижать скорость охлаждения слитков высокоуглеродистых и легированных марок стали, чтобы они не разрывались внутренними термическими напряжениями (с учетом полиморфных, фазовых превращений в стали). Для борьбы с этим видом дефекта, в практике, широко используется горячий посад слитков в нагревательные устройства прокатных станов или их замедленное охлаждение.

Склонность стали к образованию холодных трещин возрастает при ее легировании хромом, марганцем, кремнием, а также при содержании в стали более 0,4% углерода.

6.Подкорковые газовые пузыри образуются в поверхностных слоях слитка спокойной стали (попадание в жидкую сталь обильной защитной смазки внутренней поверхности изложницы, испарение влаги из смазки; разливка недораскисленной стали, в которой в процессе кристаллизации образуются пузырьки [CO]; разбрызгивание стали при разливке).

При прокате слитков эти дефекты превращаются в волосовины – мелкие тонкие трещины, подлежащие удалению зачисткой перед прокаткой.

7. «Рослость» слитка и внутренние газовые пузыри характерны для слитков спокойной стали (повышенное содержания водорода, растворенного в жидкой стали). Дефект наиболее часто поражает слитки кремнистой стали (рессорно – пружинные и электротехнические марки стали).

Внутренние дефекты слитка более опасны, т.к. они не обнаруживаются визуальным осмотром, а зачастую, выявляются в готовом прокате.

В прокатных цехах широко применяются приборы неразрушающего контроля качества стали и проката (в исходной заготовке, полупродукте и готовом прокате), работа которых основана на использовании различных физических принципов контроля качества.