Строение слитка
Из учебника А.П.Гуляева "Металловедение"
Ранее было отмечено, что реальный процесс кристаллизации осложняется влиянием побочных факторов. Сочетание влияния этих привнесенных факторов (часто не поддающихся точному учету) с общими законами кристаллизации и определяет особенности строения стального слитка. Описание строения стального слитка впервые дано в 1878 г. Д.К. Черновым. Остальные характерные черты в строении литого металла были отмечены тогда Д.К. Черновым, хотя многочисленные последующие исследования вскрыли много новых деталей.
Слиток или чушка — брусок металла. Слитки могут обладать разной массой, формой и категорией.
На большинстве металлургических предприятий жидкую сталь разливают в изложницы — высокие чугунные формы. После того как металл застывает, слитки «раздевают», то есть с них снимают изложницы. Масса слитков может быть различной — от нескольких килограммов до десятков тонн.
Ход затвердевания расплавленной стали и процесс образования кристаллов впервые исследовал и подробно описал в 1878 г. русский ученый Д. К. Чернов.
Остывая, металл кристаллизуется, но процесс кристаллизации протекает неравномерно (у самой стенки изложницы кристаллы небольшие, в глубине — крупные).
Структура литого слитка состоит из трех основных зон (рис. 1).
Первая зона - наружная мелкозернистая корка 1, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов - дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение.
Рис. 1 - Схема строения стального слитка
1 - мелкозернистая корка, 2 - зона столбчатых кристаллов, 3 - зона равноосных кристаллов.
Вторая зона слитка - зона столбчатых кристаллов 2. После образования самой корки условия теплоотвода меняются (из-за теплового сопротивления, из-за повышения температуры стенки изложницы и других причин), градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки (т.е. в направлении отвода тепла) столбчатые кристаллы.
Третья зона слитка - зона равноосных кристаллов 3. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла. «Температура застывающего металла успевает почти совершенно уравниваться в различных точках и жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние, вследствие образования в различных ее точках зачатков кристаллов. Далее зачатки разрастаются осями - ветвями по различным направлениям, встречаясь друг с другом» (Чернов Д.К.) В результате этого процесса образуется равноосная структура. Зародышами кристалла здесь являются обычно различные мельчайшие включения, присутствующие в жидкой стали, или случайно в нее попавшие, или не растворившиеся в жидком металле.
В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содержит меньше раковин и газовых пузырей. Однако места стыка столбчатых кристаллов обладают малой прочностью.
Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, носит название транскристаллизации.
Степень развития столбчатых кристаллов будет варьироваться главным образом в зависимости от химического состава металла, степени его перегрева, от размера слитка, скорости разливки, формы изложницы и толщины, а также температуры ее стенок. Эти факторы будут влиять на скорость теплоотвода и образование больших или меньших градиентов температур внутри объема кристаллизующейся стали и т.д. Повышение степени перегрева и увеличение скорости охлаждения слитка способствует увеличению доли столбчатых кристаллов и может повести к полной транскристаллизации; при несколько замедленном охлаждении в центре слитка образуется зона равноосных кристаллов (рис. 2).
Рисунок 2 – Строение слитка спокойной стали
1 — мост металла над раковиной; 2— усадочная раковина;
3 — усадочные пустоты; 4 — осевая усадочная рыхлость; 5 — зона беспорядочно ориентированных равноосных кристаллов; 6 — мелкие равноосные кристаллы; 7, 8 — зоны столбчатых кристаллов; 9 — столбчатые кристаллы, направленные к тепловому центру;
10 — конус осаждения
Рис. 3. Расположение усадочной раковины и пустот в слитках спокойной (а) и кипящей (б) сталей
Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами; усадочные раковины могут быть сконцентрированы в одном месте, либо рассеяны по всему объему слитка или по его части. Они могут быть заполнены газами, растворимыми в жидком металле, но выделяющимися при кристаллизации. В хорошо раскисленной так называемой спокойной стали, отлитой в изложницу с утепленной надставкой, усадочная раковина образуется в верхней части слитка, и в объеме всего слитка содержится малое количество газовых пузырей и раковин (рис. 3,а). Недостаточно раскисленная, так называемая кипящая сталь, содержит раковины и пузыри во всем объеме (рис. 3, б). Спокойный металл поэтому более плотный, чем кипящий.
Форма первичных кристаллов (дендритов) после горячей механической обработки давлением (ковка, прессовка, прокатка и т.д.) видоизменяется. Дендриты вытягиваются вдоль направления течения металла и превращаются в волокна. В результате возникает различие в свойствах вдоль проката (вдоль волокна) и поперек. (Анизотропия свойств деформированных изделий в сильной степени зависит от наличия неметаллических включений, располагающихся при деформации в строчки, идущие вдоль волокон.)
Дефекты стальных слитков
Дефекты стальных слитков разделяют на естественные или неизбежные, которые возникают при затвердевании и охлаждении слитка, и технологические, которые возникают из-за несовершенства технологии разливки, а также выплавки стали.
К числу первых относятся усадочная раковина, осевая рыхлость, химическая и структурная неоднородность, сотовые пузыри, эндогенные неметаллические включения; к числу вторых — трещины, плены, завороты корки, подкорковые пузыри в слитках спокойной стали, «голенища» и рослость слитков кипящей стали, малая толщина в них здоровой корочки и некоторые другие. Часть дефектов рассмотрены при описании строения слитков, наиболее важные из остальных рассматриваются ниже.
Переход металла из жидкого состояния в твердое связан с формированием кристаллической структуры, при которой упаковка атомов более плотная, что приводит к уменьшению удельного объема металла и неизбежной усадке его от 2,0 до 5,3%.
Усадочная раковина. Формирование усадочной раковины в спокойном металле видно из приведенной схемы (рис. 4). Усадка проявляется в виде воронкообразной пустоты как результат кристаллизации последовательных слоев металла в каждом случае из жидкости пониженного уровня. Эта усадка приводит к образованию сосредоточенной усадочной раковины в верхней центральной части слитка. Неизбежная усадка металла при кристаллизации создает осевую рыхлость (пористость) и рассеянную пористость по всему сечению слитка. В большинстве случаев осевая рыхлость располагается под усадочной раковиной на расстоянии 250—350 мм от нее и распространяется вниз на значительную глубину второй и третьей четверти высоты слитка.
Осевая рыхлость. В верхней осевой части слитков спокойной стали обнаруживаются скопления мелких усадочных пустот, называемые осевой рыхлостью или пористостью. При кристаллизации слитка осевая зона незатвердевшего металла все время сужается и в отдельных местах происходит срастание кристаллов, растущих с противоположных боков этой зоны. Под сросшимися кристаллами затвердевание идет без доступа жидкого металла сверху из прибыльной части слитка и поэтому в этих местах образуются мелкие усадочные пустоты. Увеличению осевой рыхлости способствуют понижение температуры разливаемого металла, увеличение массы слитка, наличие в стали элементов, повышающих усадку при затвердевании (в особенности углерода), наличие элементов (хрома, титана), увеличивающих вязкость жидкой стали, улучшение обогрева верхней части слитка приводит к уменьшению осевой пористости.
Заворот корки. Это дефект поверхности слитков, образующийся преимущественно при сифонной разливке вследствие окисления и охлаждения поверхности жидкой стали в изложнице. Обычно поверхность поднимающегося в изложнице металла покрывается пленкой окислов, образующихся в результате окисления составляющих стали кислородом воздуха. Затвердевающий под пленкой металл образует вместе с ней корку, которая поглощает также всплывающие из жидкой стали неметаллические и шлаковые включения. Если корка пристает к стенкам изложницы, то поднимающийся снизу металл прорывает ее, заворачивает к стенке изложницы и заливает. В месте заворота корки в слитке обнаруживаются скопления неметаллических включений и газовые пузыри, образующиеся в результате взаимодействия окислов корки с содержащимся в стали углеродом. В процессе прокатки в месте заворота корки возникают рванины, поэтому требуется зачистка поверхности проката или поверхности слитков перед прокаткой, что усложняет производство и вызывает дополнительные потери металла.
Интенсивность роста корки и пораженностъ слитка заворотами увеличиваются при низких температуре разливаемой стали и скорости разливки и, в особенности, при наличии в стали легкоокисляющихся элементов (хрома, алюминия, титана). Для снижения пораженности слитка заворотами прибегают к специальным мерам защиты поверхности металла в изложнице от окисления.
Рис.5 – Заворот корки
Поперечные горячие трещины. Образование наружных поперечных трещин — результат препятствия свободной усадке затвердевающего слитка. Наиболее часто трещины возникают вследствие местного зависания слитка в изложнице.
Для предупреждения образования этого порока необходимо обеспечивать плотное прилегание прибыльной надставки к изложнице и отбраковывать изложницы с дефектными стенками.
Рис. 6 – Вид поперечной поверхностной трещины (нижний слиток) и поперечного раскола (верхний слиток)
Продольные наружные горячие трещины. Они возникают при разливке перегретой стали и при повышенных скоростях разливки. Их ширина составляет 1—3 мм, длина достигает 1 м и более. Трещины образуются следующим образом. В результате усадки корки затвердевающего слитка и теплового расширения изложницы между ними образуется зазор. Жидкий металл оказывается как бы в сосуде, стенками которого служит корка затвердевшего металла. Тонкая корка может не выдержать ферростатического давления жидкой стали; ее разрыв в продольном направлении представляет собой продольную трещину. Вероятность разрыва тем выше, чем выше температура стали и скорость разливки, так как в этих случаях из-за избытка тепла медленнее нарастает толщина корки затвердевшего металла. Обычно продольные трещины образуются по углам слитка.
Мерами борьбы с образованием продольных горячих трещин обычно служат: предотвращение перегрева стали, уменьшение скорости разливки, применение изложниц с вогнутыми и волнистыми стенками.
Рис. 7 - Продольные наружные горячие трещины
Продольные холодные наружные трещины. Они образуются в процессе охлаждения затвердевшего слитка на его гранях при температуре ниже 600 °С. Они возникают при слишком быстром охлаждении слитков в результате термических и фазовых напряжений. Для предотвращения их образования следует медленнее проводить охлаждение слитков. Наиболее действенное средство против образования термических трещин — посадка слитков в нагревательные колодцы в горячем состоянии.
Плены. Они обычно образуются при разливке сверху и преимущественно в нижней части слитка. В результате удара струи металла о дно изложницы сталь разбрызгивается. Брызги и заплески застывают на стенках изложницы, причем поверхность их окисляется и поэтому они не растворяются в поднимающейся жидкой стали и не свариваются с основной массой слитка, образуя дефект поверхности слитка — плены. Плены не свариваются с металлом и при прокатке, вследствие чего поверхность прокатанных заготовок приходится подвергать зачистке. Для уменьшения разбрызгивания заполнение изложниц начинают медленно при не полностью открытом стопоре или затворе. С целью уменьшения пленообразования применяют также разливку через промежуточные ковши и воронки.
Рисунок 8 – Плены на поверхности многогранного (а) и круглого (б) слитков
Подкорковые пузыри. В слитках спокойной стали иногда обнаруживаются газовые пузыри, расположенные у поверхности слитка. Причин возникновения этих подкорковых пузырей несколько. Одна из них — излишне толстый слой смазки изложницы. В этом случае смазка не успевает выгореть до подхода жидкого металла и залитая металлом возгоняется. Возгоны задерживаются между кристаллами затвердевающего металла, образуя пузыри. Пузыри образуются и при слишком высоком (>0,5 %) содержании влаги в смазке в результате ее испарения, а также при разливке недостаточно раскисленной стали вследствие образования при ее кристаллизации пузырьков СО. Образуются подкорковые пузыри и в результате разбрызгивания стали при разливке сверху. Приставшие к стенкам капли металла (брызги) окисляются с поверхности. Попав затем в жидкую сталь окислы капель реагируют с углеродом стали, образуя пузырьки СО. При прокатке слитков в местах расположения пузырей возникают волосовины — мелкие тонкие трещины.
Рисунок 9 – Подкорковые пузыри у поверхности листового слитка массой 27 т (поперечный разрез слитка)
Рослость слитка спокойной стали и внутренние газовые пузыри. Причиной этого дефекта слитков спокойной стали является повышенное содержание в стали водорода. Во время кристаллизации избыточный водород выделяется из раствора и остается между кристаллами в виде пузырей, вызывая увеличение высоты («рост») слитка. Этот дефект характерен для сталей с повышенным содержанием кремния.
Рис. 10 - Внутренние газовые пузыри
Голенище. При чрезмерной окисленности кипящей стали кипение в процессе заполнения изложницы идет очень бурно, пузырьки СО сильно вспенивают металл. После окончания интенсивного кипения (при химическом закупоривании после ввода алюминия) сталь оседает, оставляя на стенках изложницы застывшую корку (голенище).
Рослость слитков кипящей стали. При недостаточной окисленности металла и вялом кипении в слитке остается много пузырей, в результате чего возрастает высота слитка, уменьшается плотность головной части и увеличивается головная обрезь при прокатке.
Контрольные вопросы:
1. Слиток – определение?
2. Из каких зон состоит структура литого слитка?
3. Виды дефектов стальных слитков
4. Подвиды дефектов.
Литература:
1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Слиток
2. https://www.termist.com/bibliot/stud/gul_met/02_5.htm
3. https://metallurgiya.net/metallurgiyastali/176-defekty-stalnyx-slitkov.html