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.