Химическая неоднородность слитков

Жидкая сталь представляет собой однородный раствор угле­рода, кремния, марганца, фосфора, серы, кислорода и газов в жидком железе, но содержание этих примесей в различных точках стального слитка неодинаково. Химическая неодно­родность (ликвация) возникает при затвердевании слитка.

Причиной возникновения ликвации является то, что раст­воримость ряда примесей в твердом железе ниже, чем в жид­ком. Вследствие этого растущие при затвердевании оси кристаллов содержат меньшее количество примесей, чем исходная сталь (так называемый процесс "избирательной кристаллизации"), а остающийся жидкий металл обогащается примесями.

Склонность к ликвации различных элементов, содержащих­ся в стали, неодинакова. Степень ликвации обычно характе­ризуют следующим выражением:

^Стах - ^Cmin -юо%,

где С и С — максимальное и минимальное содержание
max mm

элемента в той или иной части слитка; С_ж- содержание

элемента в жидкой стали.

Различают ликвацию двух видов: дендритную и зональную.

Дендритная ликвация — это неоднородность стали в пре­делах одного кристалла (дендрита); она возникает в ре­зультате избирательной кристаллизации. Наибольшей склон­ностью к дендритной ликвации обладают сера, фосфор и углерод. Вместе с тем дендритной ликвации подвержены так­же кремний, марганец, вольфрам, хром, молибден и ряд дру­гих элементов. Величина дендритной ликвации, т.е. разли­чие между содержанием отдельных элементов в осях и меж-осных пространствах дендритов достигает существенных зна­чений, так степень дендритной ликвации в 3-т слитке сос­тавляет, %: серы около 200, фосфора 150, углерода 60, кремния 20, марганца 15.

Отрицательное влияние дендритной ликвации проявляется в том, что она вызывает появление в готовой стали полос­чатой структуры: при прокатке оси дендритов и межосные участки вытягиваются, образуя волокна или полосы, обла­дающие неодинаковым составом и свойствами. Структурная же полосчатость, а также вытягивающиеся вдоль волокон не­металлические включения вызывают анизотропию механических свойств металла в продольном и поперечном относительно оси прокатки направлениях: пластические свойства стали в поперечном направлении оказываются более низкими, чем в продольном.

Зональная ликвация— это неоднородность состава стали в различных частях слитка. Она достигает бблыних значе­ний, чем дендритная ликвация, и представляет существенно ббльшую опасность. К образованию зональной ликвации склонны сера, фосфор, углерод и кислород. Зональной же ликвации марганца, кремния, хрома, никеля, вольфрама, ва­надия и титана практически не наблюдается. Наибольшей склонностью к зональной ликвации обладает сера, несколько меньшей фосфор и еще меньшей— углерод.

Зональная ликвация вызывает неоднородность свойств в различных частях стальных изделий и может вызывать отбра­ковку металла вследствие отклонения состава металла от заданного.

В возникновении зональной неоднородности наряду с избирательной кристаллизацией важную роль играют процес­сы, приводящие к перемещению ликвирующих элементов из одной части слитка в другую. Такими процессами являются: диффузия примесей из двухфазной области в объем оставше­гося жидкого металла; конвективные токи металл в изложни­це, приводящие к выносу ликватов в верхнюю и среднюю час­ти слитка; всплывание объемов загрязненного примесями ме­талла вследствие того, что их плотность меньше плотности остального металла. По этим причинам верхняя и осевая части слитка, кристаллизующиеся в последнюю очередь, обычно обогащаются примесями.

Зональная ликвация в слитке спокойной стали. В наруж­ной корковой зоне слитка ликвация отсутствует и состав металла здесь не отличается от состава жидкой стали, по­скольку из-за быстрой кристаллизации поверхностных слоев слитка ликвационные процессы здесь не успевают развиться.

В остальном объеме слитка ликвация серы, фосфора и углерода подчиняется следующей закономерности: в верхней части слитка содержание элементов возрастает в направле­нии к оси; в средней по высоте части слитка ликвация не­значительна; в нижней части наблюдается обратная ликва­ция — содержание серы, фосфора и углерода убывает в направлении к оси слитка. Отрицательную ликвацию в нижней части слитка объясняют всплыванием и перемещением при­месей в верхнюю часть слитка.

Наряду с отмеченной общей закономерностью распределе­ния ликвирующих примесей в слитке спокойной стали наблю-

 

Рис. 155. Схема ликвации в слитке спокойной стали:

/ — А-образная ликвация; 2 — V-образная ли­квация; плюс — зоны положительной ликвации; минус — зона отрицательной ликвации

даются (рис. 155) специфические виды ликвации: V-образная ликвация под усадочной раковиной и скопление при­месей в виде нитей или полос — Л-образная ликвация или "усы". Обра­зование V-образной ликвации объясня­ют опусканием в усадочные пустоты осевой части слитка загрязненного примесями металла из прибыли. Причи­на образования Л-образной ликвации не выяснена. Одни металлурги считают "усы" следами выделявшихся при крис­таллизации пузырьков водорода, кото­рые увлекали за собой примеси; дру­гие видят причину в опускании за­грязненного примесями металла в уса­дочные полости низа слитка по узким каналам между осями дендритов.

Наибольшее количество ликвирующих элементов обнаружи­вается в подприбыльной осевой части слитка, где металл затвердевает в последнюю очередь, а также в районе "усов". В слитках легированной стали массой 2,5—4,5 т степень ликвации под усадочной раковиной составляет, %: серы 170-300, фосфора 150-260, углерода 150-200. Обычно эта часть слитка отрезается при прокатке.

Зональная ликвация развивается тем сильнее, чем больше масса и поперечное сечение слитка и чем больше длитель­ность его затвердевания. В связи с этим высококачествен­ные и легированные стали, используемые для изготовления деталей ответственного назначения, разливают в слитки небольшой массы («6,5 т).

При увеличении содержания легирующих элементов в стали ликвация несколько уменьшается. Существенно снижает лик-нацию серы, фосфора и углерода никель; при содержании ни­келя в стали более 4% ликвация этих элементов в слитке незначительна.

 

Рис. 156. Общий вид двух-стопорного сталеразливочно-го ковша

Зональная ликвация в слитке кипящей стали. В механи­чески закупоренном слитке наружный слой здоровой корки вследствие очень быстрого затвердевания по составу не отличается от жидкой стали. В остальном объеме до вторич­ных пузырей наблюдается отрицательная ликвация серы, фос­фора и углерода. Это объясняется тем, что при активном кипении ликваты выносятся в верхнюю часть слитка.

Центральная часть слитка внутри вторичных пузырей, затвердевающая после закупоривания, загрязнена ликватами. При этом содержание серы, фосфора и углерода возрастает в направлении от поверхности к оси и от низа к верху слит­ка. Максимальное скопление примесей — "ликвационный центр"— находится в середине верхней части слитка на расстоянии 5—15 % высоты от его верха.

Зональная ликвация в слитках кипящей стали в связи с интенсивной циркуляцией металла выражена значительно сильнее, чем в слитках спокойной стали. В центре скопле­ния примесей крупных механически закупоренных слитков степень ликвации серы может достигать 800 %, фосфора 500%, углерода 300%. В связи с этим при производстве качественных кипящих сталей для удаления скопления вред­ных примесей головную обрезь приходится увеличивать до 10—13 % от массы слитка (вместо 5—9 % для рядовой стали).

В связи с сильным развитием ликвации при механическом закупоривании его в последние годы заменяют химическим. В этом случае зональная неоднородность выражена значительно слабее из-за раннего прекращения кипения, т.к. химическое закупоривание производят через 1—1,5 мин после окончания наполнения изложницы, а механическое — через 7—15 мин.

В химически закупоренном слитке быстро затвердевающая корковая зона и зона слабо развитых сотовых пузырей не имеют заметной ликвации. В остальном объеме слитка отме­чается слабо заметное повышение содержания примесей в направлении от низа к верху и от поверхности к оси слит­ка. Имеется слабо выраженные А-образная ликвация и V-образная, располагающаяся под зоной пустот и пузырей. На оси слитка на расстоянии 25—35% высоты от верха нахо­дится ликвационный центр — локальное скопление примесей.

В слитке полуспокойной стали характер ликвации пример­но такой, как в химически закупоренном слитке кипящей стали.