Классификация стали по степени раскисленности

Сталь в зависимости от технологии выплавки и, главным образом, от степени раскисленности подразделяют на спокойную, кипящую и полуспокойную. Спокойную сталь обычно раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Активность кислорода при этом понижается настолько, что полностью прекращается реакция окисления углерода. Разливка и кристаллизация спокойной стали идут без заметного газовыделения. Кипящую сталь лишь частично раскисляют марган­цем и в процессе ее разливки и затвердевания в изложнице активно идет процесс окисления углерода по реакции [О] + [С] = {СО}. Обильное выделение пузырьков СО и сопутствующих им водорода и азота создает впечатление кипения стали. Полуспокойная сталь по степени раскисленности и, соответственно, по интенсивности газовыде­ления в процессе кристаллизации занимает промежуточное положе­ние между спокойной и кипящей.

Особенности поведения стали в изложнице обусловливают разли­чие в технологии разливки и строении слитка той или иной стали.

 

Слиток спокойной стали

Строение слитка спокойной стали представлено на рисунке 58.

		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   Рисунок 58 – Строение слитка спокойной стали

 

 

Наружная зона образуется в момент соприкосновения жидкой стали с холодными стенками изложницы. Резкое переохлаждение металла вызывает образование очень большого числа зародышей и их быстрый рост, в связи с чем кристал­лы не успевают вырасти до значительных размеров и принять определенную ориен­тацию. Толщина корковой мелкокристал­лической зоны 6—15 мм, по­скольку охлаждение жидкого металла с большой скоростью длится очень недолго.

В дальнейшем скорость теплоотвода и охлаждения существенно падают, так как от­вод тепла замедляют корка затвердевшего металла, нагрев стенок изложницы и воз­душный зазор, образующийся между стен­ками изложницы и слитком вследствие его усадки. Вследствие замедления теплоотвода уменьшается переохлаждение и новых кристаллов почти не образуется. Продолжается рост кристаллов корковой зоны, причем растут главные оси кристаллов, на­правленные перпендикулярно стенке изложницы (поверхности ох­лаждения). Таким образом, формируется зона столб­чатых кристаллов, вытянутых параллельно направлению теплоот­вода. В крупных слитках с большим поперечным сечением наблюда­ется отклонение кристаллов к головной части слитка (к тепловому центру слитка).

Протяженность столбчатых кристаллов возрастает при увеличе­нии перегрева жидкой стали, при росте скорости отвода тепла от затвердевшей части слитка и увеличении поперечного сечения слетка; она зависит также от состава стали (ее теплопроводности).

В центральной части слитка направленный теплоотвод почти не ощущается, поскольку здесь мала скорость отвода тепла и, кроме того, затвердевающий здесь металл удален от всех стенок изложницы на одинаковое расстояние. Поэтому образующиеся кри­сталлы не имеют определенной ориентировки и получаются равно­осными. Вследствие замедленного теплоотвода и отсутствия замет­ного переохлаждения количество вновь образующихся кристаллов невелико, поэтому структура металла крупнозернистая.

Образование «конуса осаждения» в нижней части слитка обычно объясняют опусканием на дно изложницы кристаллов, зародившихся в объеме жидкого металла у фронта кристаллизации, а также обло­мившихся под воздействием потоков жидкого металла непрочных ветвей столбчатых кристаллов. Это опускание кристаллов происходит в силу разности плотностей затвердевшего и жидкого металла.

Важной особенностью затвердевания слитка является наличие двухфазной зоны между жидким и полностью затвердевшим метал­лом. Это зона, где сосуществуют оси растущих кристаллов и не­затвердевший металл в межосных пространствах. При увеличении протяженности двухфазной зоны возрастает время пребывания металла в двухфаз­ном состоянии и сильнее развивается химическая неоднородность.

Необходимо отметить наличие в затвердевающем слитке конвективных потоков жидкого металла. У фронта кристаллизации поток направлен вниз, в осевой части слитка — вверх. Движение вниз возникает потому, что у фронта кристаллизации жидкий металл пере­охлажден и имеет большую плотность, чем остальная его масса. Ско­рость потоков достигает 0,35 м/с; она тем больше, чем выше перегрев жидкой стали, поскольку при этом возрастает разность в температуре и плотности металла в объеме слитка и у фронта кристаллизации, По мере затвердевания слитка величина перегрева жидкого металла, а с ней и интенсивность потоков снижаются. Наличие конвективных потоков ведет к усилению химической неоднородности слитка.

Усадочная раковина в слитке спокойной стали

В верхней части слитка находится полость — так называемая усадочная раковина (см. рисунок 58). Причиной ее образования явля­ется усадка стали в процессе затвердевания, т. е. увеличение плот­ности при переходе из жидкого в твердое состояние. Величина усад­ки в зависимости от состава стали изменяется в пределах 2,0—5,3 %. Усадочная пустота в слитке всегда образуется в месте затвердевания последних порций металла. Раковина бывает закрытой, если в при­быльной надставке из-за недостаточной теплоизоляции затвердевает верхний слой металла; при применении экзотермических засыпок и обогреве верха слитка усадочная раковина получается открытой.

Ту часть слитка, в которой расположена усадочная раковина, от­резают при прокатке и отправляют в переплав. Величину усадки, определяемую природой стали, уменьшить нельзя. Поэтому, чтобы свести обрезь металла к минимуму, усадочную раковину концентри­руют в верхней части слитка и стремятся уменьшить глубину ее про­никновения в слиток. Для этого в обычной практике прибегают к следующим мерам, обеспечивающим более позднее затвердевание верхней части слитка:

1) спокойную сталь, как правило, разливают в изложницы, уширяющиеся кверху. Большая масса жидкого металла в верхней части слитка способствует замедленному его охлаждению;

2) теплоизолируют боковые поверхности верха слитка. Обычно для этого на изложницу устанавливают прибыльную надставку, кото­рую при разливке как и изложницу заполняют жидким металлом. Боковые стенки надставки футерованы огнеупорами или снабжены теплоизоляционными вставками, благодаря чему охлаждение ме­талла здесь замедляется;

3) после наполнения слитка поверхность жидкого металла в при­быльной надставке засыпают теплоизолирующими или разогреваю­щими смесями. В качестве теплоизолирующих засыпок используют асбест, обожженный вермикулит, коксо-шлаковую смесь и др. Более эффективно применение разогревающих смесей — люнкеритов, ко­торые представляют собой порошкообразную смесь горючих и нейтральных компонентов. В качестве первых используют алюминий (14—28 %), ферросилиций (0—15 %), коксик или древесный уголь (0—50 %), в качестве вторых — шамот, боксит, вермикулит. Расход люнкернта составляет 0,5—2,0 кг/т стали.

При применении перечисленных мер величина головной обрези слитков спокойной углеродистой стали составляет 12—16 %, а для мелких слитков и легированных сталей достигает 20 % (дон­ная обрезь слитков спокойной стали равна 1—4 %).

 

Слиток кипящей стали

В процессе разливки кипящей стали и после ее окончания сталь в изложнице «кипит», т. е. происходит окисление углерода по реакции [С] + [О] = СО с выделением пу­зырьков окиси углерода.

Окисление углерода и образование пузырьков СО происходит на поверхности формирующихся при затвердевании стали кристаллов. Значительная часть пузырей СО, выделяющихся при кипении остается в слитке. В дальнейшем они завариваются при прокатке.

Для уменьшения неоднородности состава готовой стали кипение вскоре после наполнения изложницы прекращают, накрывая слиток массивной металлической крышкой (механическое закупоривание) или раскисляя металл в верхней части изложницы алюминием (хими­ческое закупоривание).

В слитках кипящей стали не образуется концентрированной усадочной раковины. Усадка здесь рассредоточена по многочисленным газовым полостям. Форма слитка кипящей стали отличается от формы слитка спокойной стали. Поскольку в слитке отсутствует усадочная раковина нет необходимости применять изложницы, расширяющиеся кверху. Кипящую сталь разливают в сквозные изложницы, расши­ряющейся книзу. Это упрощает процесс раздевания слитков — из­ложницу просто снимают с затвердевшего слитка.

Механически закупоренный слиток кипящей стали характеризу­ется расположением газовых пу­зырей в определенном порядке. Структура механически закупоренного слитка кипящей стали, приведена на рисунке 59, а.

		а— механически закупорены слиток; б— хими­чески закупоренный слиток; 1 — плотная наруж­ная корочка; 2 — зона сотовых пузырей; 3 — промежуточная плотная зона; 4 — зона вторичных пузырей; 5 — скопление пузырей СО; 6 — cкопление пузырей и усадочных пустот; 7 — мост плотного металла   Рисунок 59 – Строение слитка кипящей стали

 

:

 

Толщина наружной корки без пузырей может изменяться от 2—3 до 40 мм и зависит от того удаляются или нет из металла образующи­еся при ее затвердевании пузырьки СО. В начале затвердевания корковой зоны высота вышележащего слоя металла и создаваемое им ферростатическое давление малы, благодаря чему при достаточной окисленности стали образуется большое число пузырьков СО. Их всплывание создает поток, интенсивность которого до­статочна для отрыва пузырьков, застревающих между осями расту­щих кристаллов, что обеспечивает формирование беспузыристого слоя металла.

Если же окисленность металла мала, а ферростатическое давление вследствие большой скорости разливки быстро нарастает, то заро­ждение пузырей затруднено, их образуется мало и не создается сильного потока всплывающих пузырей. В этих условиях пузыри, образующиеся в межосных пространствах кристаллов, остаются в металле, т, е. начинается рост сотовых пузырей.

Таким образом, чем ниже окисленностъ стали и чем выше скорость наполнения изложницы, тем ниже будет интенсивность кипения и меньше толщина беспузыристой корки.

Из оставшихся в металле пузырей по мере дальнейшего выделения окиси углерода формируются вытянутые сотовые пузыри, что свя­зано с образованием в это время зоны вытянутых столбчатых кри­сталлов. Идет сравнительно быстрый рост главных осей столбчатых кристаллов, между которыми скапливается выделяющаяся окись углерода. Длина сотовых пузырей составляет от 35 до 70—100 мм.

В верхней части слитка сотовых пузырей нет, так как они вымы­ваются потоком газа, поднимающегося снизу. Высота зоны сотовых пузырей обычно равна 1/2—2/3 высоты слитка; она возрастает при повышении скорости наполнения изложницы, снижении интенсив­ности кипения и уменьшения окисленности металла.

Прекращение роста сотовых пузырей связано с тем, что после сформирования малотеплопроводной пузыристой зоны скорость от­вода тепла заметно снижается и замедляется скорость роста главных осей столбчатых кристаллов, между которыми задерживались пу­зырьки СО. Образующиеся газы вымываются с более ровного фронта кристаллизации и формируется плотная промежуточная зона, кото­рая состоит из неориентированных кристаллов небольших размеров.

После накрывания слитка крышкой (замораживания его верха) кипение прекращается, поскольку пузырьки СО не могут образовы­ваться из-за повышения давления внутри закупоренного слитка. Вследствие прекращения циркуляции формировавшиеся в момент закупоривания пу­зыри фиксируются на границе затвердевания, образуя цепочку вторичных пузырей, равноудаленных от стенок изложницы (если крышку накрывают рано, в период роста сотовых пузырей, то после закупоривания прекращается их рост; вторичные пузыри образуются рядом с сотовыми, а зона плотного металла между сотовыми и вто­ричными пузырями в слитке отсутствует).

Затвердевание центральной части слитка идет без заметного газовыделения и циркуляции металла. Лишь в результате усадки кри­сталлизующейся стали давление внутри слитка немного снижается и создаются условия для образования отдельных пузырей. Скопле­ние их в верхней части слитка обусловлено повышением содержания здесь кислорода и углерода, вследствие ликвации, а также всплыванием пузырей снизу. Это скопление пузырей образует головную рыхлость, которая в осевой части слитка может распространяться на глубину до 25 % его высоты.

Верх слитка с пузырями и скоплением серы и фосфора вследствие их ликвации отрезают при прокатке; величина головной обрези составляет 5—9 % от массы слитка для рядовой стали и достигает 10—13 % для качественной стали.

 

Химически закупоренный слиток (см. рисунок 59, б) имеет в нижней части зону коротких сотовых пузырей и в верхней — скопление усадочных пустот и пузырей, над которыми, как правило, располо­жен мост плотного металла. До начала закупоривания и во время разливки сталь в изложнице кипит, формируется наружная бес­пузыристая корка и начинается рост сотовых пузырей так же, как в слитке при механическом закупоривании. Толщина здоровой корки такая же, как в механически закупоренном слитке 2-40мм и определяется уровнем окисленности стали и скоростью подъема металла в излож­нице.

В течение 1—1,5мин после окончания наполнения из­ложницы производят закупоривание слитка алюминием (иногда фер­росилицием). Вводимый алюминий связывает растворенный в стали кислород, поэтому прекращается кипение и рост сотовых пузырей. Длина сотовых пузырей зависит от времени химического закупоривания: их длина тем меньше, чем раньше был введен алюминий.

Расход алюминия на закупоривание выбирают таким, чтобы при дальнейшем затвердевании наблюдалось незначительное газовыделе­ние, которое должно компенсировать усадку стали и предотвращать образование концентрированной усадочной раковины. Пузыри СО образуются в верхней части слитка, поскольку здесь вследствие лик­вации повышается концентрация кислорода и углерода. Глубина сужающейся книзу зоны скопления пузырей и усадочных пустот может достигать 30—45 % высоты слитка.

При оптимальной раскисленности (оптимальном расходе алюми­ния на закупоривание) над областью усадочной рыхлости образуется «мост» плотного металла толщиной около 10 % высоты слитка. Он изолирует пустоты от атмосферы, благодаря чему последние завариваются при прокатке. Головная обрезь слитка при этом составляет 3,5—6 %. Показателем оптимальной степени раскисленности явля­ется формирование выпуклой гладкой поверхности слитка.

При недостаточной раскисленности металла наблюдаются прорывы поверхности слитка пузырями СО. Сплошность верхнего «моста» плотного металла нарушается и возрастает величина головной обрези, так как часть полостей в головной части слитка не заваривается при прокатке из-за окисления их внутренней поверхности. Если металл перераскислен, то образуется недостаточно изолированная сверху глубокая усадочная раковина со скоплением ликватов и неметалли­ческих включений. Головная обрезь при этом сильно возрастает, так как в прокате образуются несплошности в местах скопления ликватов и включений, а также в результате окисления внутренней по­верхности раковины.

Толщина здоровой корки — важный критерий качества слитков кипящей стали. Эта толщина может достигать 40 мм и не должна быть менее 8 мм. Более тонкая корка может окисляться при нагреве слитков перед прокаткой. Сотовые пузыри при этом обнажаются, их поверхность окисляется и поэтому они не завариваются при прокатке. В результате на поверхности проката образуются рва­нины.

Здоровая корка формируется во время наполнения изложницы металлом и ее толщина определяется интенсивностью кипения стали в этот период. Интенсивность кипения и толщина здоровой корки будут тем больше, чем выше окисленность жидкой стали и чем ниже скорость наполнения изложницы металлом.

Толщина здоровой корки зависит и от состава стали. Поскольку углерод и марганец снижают количество растворенного в стали кислорода (ее окисленность), получение достаточно толстой здоровой корки в сталях с повышенным содержанием этих элементов затруднено. Поэтому кипящие стали обычно содержат не более 0,27 % С и 0,60 % Мn.

Как показал опыт, окисленность жидкой стали, получаемая при существующих методах выплавки, позволяет разливать кипящую сталь со скоростью, не превышающей 1,0 м/мин; при большей ско­рости наполнения изложницы толщина здоровой корки получается менее допустимой (8—10 мм).

Если необходимо разливать сталь с большей скоростью, то при­бегают к использованию так называемых интенсификатеров кипения. В изложницу во время разливки вводят порошкообразные смеси, содержащие оксиды железа. Поступающий из интенсификатора в сталь кислород обеспечивает повышение интенсивности кипения и позволяет получать слиток с достаточной толщиной здоровой корки при скоростях разливки до 2,0—2,5 м/мин.

Для ускорения разливки применяют сочетание скоростной разливки с хи­мическим закупориванием: разливку ведут со скоростью 3—5 м/мин; при этом образование пузырей начинается у поверхности слитка, т. е. здоровая корка не образуется. Благодаря раннему химическому закупориванию размеры пузырей малы и при нагреве под прокатку наружный слой слитка с пузырями окисляется, вследствие чего на поверхности проката рванин не образуется.

 

Слиток полуспокойной стали

Полуспокойная сталь по степени раскисленности занимает про­межуточное положение между спокойной и кипящей сталью. Ее раскисляют как правило в ковше, вводя силикомарганец, ферромар­ганец и ферросилиций в количестве, обеспечивающем получение заданного содержания в стали марганца и введение 0,06—0,13 % Si.

Полуспокойную сталь разливают в сквозные расширяющиеся книзу или в бутылочные изложницы. При затвердевании в излож­нице наблюдается «искрение» — образование и выделение небольшого количества монооксида углерода. Длительность искрения служит показателем опти­мальной степени раскисленности стали и должна составлять 10—40 с.

В верхней части слитка полуспокойной стали (см. рисунок 60, б,в) имеются сотовые или округ­лые пузыри (они могут отсутствовать), кон­центрированная усадочная раковина и под ней усадочная рыхлость, доходящая до 35— 45 % высоты слитка. Пузыри расположены у поверхности слитка, так как окисленность металла и интенсивность кипения недостаточ­ны для формирования беспузыристой корки заметной толщины. В ниженй части слитка, где велико ферростатическое давление, пузыри из-за недостаточной окисленности металла не образуются.

		Рисунок 60 – Схема строения слитков полуспокойной стали при раз­личной степени ее раскисленности: а — недораскисленная; б, в — нормально раскисленная; г — перераскисленная

 

 

Расположение усадочных пустот в слитке зависит от степени рас­кисленности стали. При нормальной раскисленности, когда интенсив­ность газовыдсления достаточна, над усадочной раковиной формиру­ется «мост» пузыристого металла толщиной 200—270 мм, надежно изолирующий раковину от атмосферы, благодаря чему она завари­вается при прокатке. Величина головной обрези при этом составляет 2,5—5 % от массы слитка. В случае перераскисления (длительность «искрения» металла в изложнице менее 10 с) слитки получаются с меньшей толщиной «моста» и недостаточно изолированной уса­дочной раковиной, что ведет к росту величины головной об­рези.

Длина сотовых пузырей и высота зоны их расположения в слитке будут тем больше, чем лучше условия газовыделения, определяемые степенью раскисленностн стали и скоростью разливки.

В зависимости от степени раскисленности строение слитка полу­спокойной стали приближается к структуре кипящего или спокой­ного слитка. При недо­статочной раскисленности (длительность «искрения» более 40 с) в результате чрезмерного газовыделения возможно образование сотовых пузырей по всей высоте слитка (см. рисунок 60, а). Наличие сотовых пузырей нежелательно; они ведут к появлению рванин на поверхности про­ката, так как из-за отсутствия «здоровой корки» поверхность пузы­рей окисляется при нагреве под прокатку и пузыри при прокатке не завариваются.

Излишне полное раскисление (см. рисунок 60, г), наоборот, приводит к образованию раз­витой, несваривающейся усадочной раковины, а так как полу­спокойная сталь разливается в уширяющиеся книзу изложницы без применения утепления головной части слитка, усадочная рако­вина будет распространяться на большую глубину, что потребует большой обрези

Скорость разливки полуспокойной стали изменяется в пределах от 0,3 до 5,0 м/мин. При малых скоростях условия газовыделения облегчаются, увеличивается высота зоны сотовых пузырей, а их длина достигает 30—40 мм, что существенно усиливает пораженность проката рванинами. При высоких скоростях разливки пузыри либо отсутствуют, либо образуются мелкие округлые подкорковые пу­зыри, причем при нагреве под прокатку слой металла, в котором они расположены, переходит в окалину и поверхность проката получа­ется чистой. Поэтому полуспокойную сталь рекомендуется разли­вать сверху с повышенной скоростью.

При производстве полуспокойной стали трудно обеспечить опти­мальную раскисленность металла, т. е. определить оптимальный рас­ход раскислителей, который должен точно соответствовать содержа­нию в металле растворенного кислорода. Поэтому окисленнось полуспокойной стали в процессе разливки регулируют: после заполнения первой изложницы фиксируют длительность искрения металла и если она велика (>40 с), в последующие изложницы добавляют небольшие количества алюминия, который снижает окисленность металла.