КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И СТРОЕНИЕ СТАЛЬНЫХ СЛИТКОВ

1. Кристаллизация стали

Сталь в изложницах кристаллизуется или затвердевает в ви­де кристаллов древовидной формы - дендритов (рис. 151). Процесс кристаллизации складывается из двух стадий — зарождения кристаллов и последующего их роста. Различают гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов. Под гомогенным подразумевают образование зародышей кристалла в объеме жидкой фазы, под гетерогенным — на уже имеющейся межфазной поверхности (на поверхности находящихся в расп­лаве твердых частиц — например, неметаллических включе­ний, стенок изложниц и кристаллизаторов).

Гомогенное зарождение происходит следующим образом. В жидком металле вблизи точки кристаллизации вследствие флуктуации энергии, состава и плотности непрерывно обра­зуются группировки атомов с упорядоченной структурой — комплексы или зародыши твердой фазы. Одновременно и не­прерывно происходит разрушение большей части из них. С тем, чтобы зародыш стал термодинамически устойчивым, т.е. способным к дальнейшему росту, необходимы определенные условия.

Условия гомогенного зарождения. Из термодинамики из­вестно, что переход жидкости в твердое состояние и наобо­рот возможны, если свободная энергия (энергия Гиббса, G) системы при этом уменьшается. Затвердевание или расплав­ление в процессе изменения температуры объясняются тем, что при температурах, превышающих точку кристаллизации, меньшей удельной свободной энергией обладает жидкая фаза, а при более низких температурах — твердая.

В процессе образования зародыша свободная энергия сис­темы, с одной стороны, возрастает в результате затраты энергии на образование поверхности раздела расплав — за­родыш и, с другой стороны, уменьшается в результате пере­хода части жидкости в твердую фазу, у которой уровень свободной энергии ниже. При температуре кристаллизации свободная энергия жидкой и твердой фаз равны и образова­ние зародыша невозможно, так как нет источника для ком­пенсации затрат энергии на образование поверхности разде­ла фаз. Поэтому для образования зародыша необходимо неко-

торое переохлаждение расплава; чем больше переохлаждение, тем больше будет выигрыш свободной энергии при переходе из жидкого состояния в твердое.

Из теории кристаллизации известно, что при данной ве­личине переохлаждения термодинамически устойчивыми, т.е. способными к дальнейшему росту, оказываются те зародыши, размер которых превысит так называемый "критический". Критический размер это такой, начиная с которого дальней­ший рост сопровождается снижением суммарной свободной энергии образования зародыша. Величину критического ра­диуса зародыша определяют из соотношения:

г_кр = (2(У_ж__твТ_Кр)/б_крД7\

где сг_ж__тв — межфазное натяжение на границе жидкой и твер­дой фаз; Г_кр — температура начала кристаллизации; ДГ — величина переохлаждения; Q_KP — скрытая теплота кристалли­зации.

Из приведенного выражения следует, что при увеличении степени переохлаждения критический радиус зародыша умень­шается, т.е. термодинамически устойчивыми становятся бо­лее мелкие зародыши. Это значит, что становятся устойчи­выми и начинают расти многие из тех мелких частиц новой фазы, которые при более высоких температурах разрушались сразу после образования. Иначе говоря, чем выше степень переохлаждения, тем выше будет интенсивность образования устойчивых зародышей.

Необходимо подчеркнуть, что при гетерогенном зарожде­нии кристаллов (на имеющейся поверхности раздела) затраты энергии и требуемая степень переохлаждения будут заметно меньше, чем при гомогенном. Так, экспериментально уста­новлено, что кристаллизация чистого, не содержащего взве­шенных примесей железа начинается при переохлаждении око­ло 300 °С, а в реальных условиях сталь начинает кристал­лизоваться при переохлаждении в несколько градусов. Сле­довательно, в реальных условиях происходит преимуществен­но гетерогенно зарождение кристаллов.

Рост кристаллов. Зарождающийся кристалл имеет правиль­но ограненную или близкую к ней форму, определяемую типом кристаллической решетки твердого металла, причем гранями кристалла являются плоскости с наибольшей плотностью упа­ковки атомов (для сплавов на основе железа с гране- или

объемноцентрированной кубической решеткой такой формой кристалла будет октаэдр). Однако вскоре после зарождения правильный рост возшикшего кристалла прекращается и начи­нается преимущественный рост его вершин, т.е. ветвей дендрита. Объясняется это следующим: количество тепла и примесей сплава, выделяющихся при кристаллизации, будет минимальным у вершин и максимальным у центра граней крис­талла, что препятствует дальнейшей кристаллизации у гра­ней. От вершин кристалла (в нашем случае октаэдра, см. рис. 151, а) вырастают оси А первого порядка (стволы дендрита), на них перпендикулярно направленные оси m вто­рого порядка (ветви), на которых аналогичным образом раз­виваются оси п третьего порядка и т.д. Появление все но­вых осей и их постепенное утолщение приводят к формирова­нию сплошного кристалла (дендрита). Установлено, что в сплавах на основе железа ветви дендритов растут в трех взаимно перпендикулярных направлениях, каждое из которых является осью пирамиды с гранями, представляющими собой наиболее плотноупакованные плоскости в кристаллической

решетке.

При отсутствии направленного теплоотвода оси во всех направлениях развиваются примерно одинаково и кристалл получается равноосным (см. рис. 151, с). При направленном теплоотводе кристаллы имеют вытянутую форму. На рис. 151, 6 показана схема дендрита, растущего от плоской поверх­ности охлаждения. Вначале вдоль направления теплоотвода возрастает основная ось А, затем оси или ветви m второго порядка, на них оси п третьего порядка и т.д.

Рис. 151. Схема (плоская) роста равноосного дендрита (а) и схема дендрита, вы­росшего в условиях направ­ленного теплоотвода (fi)

Скорость роста кристаллов определяется в первую оче­редь интенсивностью теплоотвода; чем больше скорость теп-лоотвода и чем больше переохлаждение жидкого металла, тем больше будет скорость роста.

Следует отметить, что рост кристаллов протекает одина­ково как в случае гомогенного, так и в случае гетероген­ного их зарождения.

Интервал кристаллизации. Следует подчеркнуть следующую важную особенность кристаллизации стали. Если чистые ме­таллы кристаллизуются при постоянной температуре, то сталь как многокомпонентный раствор — в определенном интервале температур путем так называемой "избирательной кристаллизации". При температуре, соответствующей началу интервала кристаллизации, образуются и начинают расти оси кристаллов, обедненные углеродом и другими составляющими стали, а в остающемся жидком металле их содержание воз­растает. Поэтому понижается температура затвердевания жидкой фазы и последующие оси кристалла формируются при все более низкой температуре, а содержание примесей в них возрастает.

Величина интервала кристаллизации определяется соста­вом стали и условиями затвердевания слитка, возрастая при увеличении содержания в стали углерода и легирующих эле­ментов. В высокоуглеродистой стали У13А величина интерва­ла кристаллизации достигает 325 °С. При увеличении интер­вала кристаллизации возрастает степень химической не­однородности затвердевшего слитка, что нежелательно.

Скорость затвердевания слитка. При затвердевании стали в изложнице тепло отводится через ее стенки, поэтому за­рождение и рост кристаллов начинаются у стенок изложницы, а толщина затвердевшего слоя непрерывно возрастает в на­правлении к центру слитка.

Толщину затвердевшего слоя металла в изложнице приближенно можно определить по формуле

где D- толщина закристаллизовавшегося металла, см; f₃ -продолжительность затвердевания, мин; к - коэффициент затвердевания, который для спокойной стали в зависимости от ее состава и условий затвердевания изменяется в преде­лах 2,2-2,9 см/мин^1/2.

Для определеня времени затвердевания слитка в чугунной изложнице пользуются формулой t_n3 = 0.112Л², где t_{n 3} — продолжительность полного затвердевания, мин; R - радиус окружности, вписанной в поперечное сечение слитка, см.

2. Слиток спокойной стали

Структура слитка спокойной стали, выявляемая травлением его продольного осевого разреза, представлена на рис. 152. Слиток имеет следующие структурные зоны, отли­чающиеся формой кристаллов и их размерами: тонкая наруж­ная корка из мелких равноосных кристалликов; зона вытяну­тых крупных столбчатых кристаллов; центральная зона круп­ных неориентированных кристаллов и зона мелких неориенти­рованных кристаллов внизу слитка, имеющая конусообразную форму ("конус осаждения").

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 невелика (6-15 мм), поскольку охлаждение жид­кого металла с большой скоростью длится очень недолго.

В дальнейшем условия теплоотвода изменяются и формиру­ется новая кристаллическая зона. Существенно уменьшается скорость охлаждения, так как отвод тепла замедляют корка затвердевшего металла, нагрев стенок изложницы и воздуш­ный зазор, образующийся между стенками изложницы и слит­ком вследствие его усадки. Вместе с тем теплоотвод оста­ется строго направленным, поскольку тепло отводится крат­чайшим путем, т.е. перпендикулярно стенкам изложницы.

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). Главные оси с иным направлением "выклиниваются", т.е. прекращают свой рост после встречи с опережающими их осями, перпендикулярными стенке изложницы (подобное опережение объясняется тем, что путь роста кристалла по нормали всегда короче, чем у

наклонно направленного). Поэтому продолжают расти лишь кристаллы, главные оси которых направлены перпендикулярно поверхности изложницы и, 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). По мере утолщения слоя затвердевшего металла и прогрева стенок изложницы отвод тепла замедляется, и скорость роста столбчатых кристаллов постепенно снижается; они перестают расти пос­ле встречи с неориентированными кристаллами в средней части слитка.

Образование крупных неориентированных кристаллов в осевой части слитка объясняется условиями теплоотвода здесь, отличными от тех, что были при затвердевании столбчатых кристаллов. Из-за большой толщины слоя затвер­девшей стали и нагрева стенок изложницы отвод тепла от жидкого металла осевой части слитка идет очень медленно; поэтому нет заметного перепада температур между затвер­девшей и жидкой фазой и переохлаждения жидкой фазы, от­сутствует и направленный теплоотвод, так как металл здесь удален от всех стенок изложницы примерно на одинаковое расстояние. В таких условиях вся масса жидкого металла медленно остывает до температуры кристаллизации и после ее достижения во всем объеме жидкой фазы зарождаются кристаллы. Поскольку нет существенного переохлаждения, количество вновь образующихся кристаллов невелико, и по­этому они вырастают до значительных размеров. Из-за от­сутствия направленного теплоотвода кристаллы не имеют оп­ределенной ориентировки и получаются равноосными.

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.

Структурная неоднородность слитков затрудняет получе­ние стальных изделий с одинаковыми механическими свойст­вами в различных частях. В слитке наименее прочной явля­ется зона параллельных, относительно слабо связанных меж-

ду собой, столбчатых кристаллов. Протяженность столбчатых кристаллов возрастает при увеличении перегрева жидкой стали, при росте скорости отвода тепла от затвердевшей части слитка и увеличении поперечного сечения слитка; она зависит также от состава стали. В частности, протяженные столбчатые кристаллы наблюдаются в слитках никелевой и хромоникелевой сталей.

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. Протяженность двухфазной зоны тем больше, чем больше интервал кристаллизации стали, определяемый ее составом. 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 бблыпую 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. рис. 152). 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, как и в любой другой кристаллизующейся отливке, всегда образуется в месте затвердевания последних порций металла. Раковина бывает закрытой (см. рис. 152), если в прибыльной надставке из-за недостаточной теплоизоляции

затвердевает верхний слои 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 ножницы, 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 i 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 примесей — 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. В прибыльной надстав­ке горючие компоненты медленно окисляются с выделением тепла, обогревающего жидкий металл, а нейтральные состав­ляющие и продукты окисления образуют теплоизоляционный слой, замедляющий отвод тепла от верха слитка. Расход люнкерита составляет 0,5—2,0 кг/т стали.

При применении перечисленных мер величина головной об-рези слитков спокойной углеродистой стали составляет 12— 16%, а для мелких слитков и легированных сталей достига­ет 20 % (донная обрезь слитков спокойной стали равна 1—4 %). Иногда применяют специальные методы обогрева вер­ха слитка (см. п. 3, § 6).

3. Слиток кипящей стали

Кипящая сталь раскислена одним марганцем, т.е. непол­ностью, и содержит некоторое количество растворенного кислорода. Поэтому во время разливки и после ее окончания сталь в изложнице "кипит", т.е. происходит окисление уг­лерода по реакции [С] + [О] = СО с выделением пузырей СО.

Окисление углерода и образование пузырей СО происходит на поверхности формирующихся при затвердевании стали кристаллов (на поверхности раздела твердой и жидкой фаз). 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, расширяющиеся книзу. Это упрощает процесс раздевания слитков — изложни­цу просто тянут вверх, стягивая со слитка.

Механически закупоренный слиток кипящей стали, так же как и слиток спокойной стали, имеет снаружи корку из мел­ких равноосных кристаллов, далее зону столбчатых кристал­лов и в середине крупные неориентированные кристаллы. На­ряду с этим слиток характеризуется расположением газовых пузырей (пузырей СО) в определенном порядке. На продоль­ном темплете слитка можно отметить следующие зоны (рис. 153, а): наружную корку 1 без пузырей; зону 2 продолгова­тых сотовых пузырей; промежуточную плотную зону 3; зону 4 вторичных округлых пузырей; плотную среднюю зону 5 со скоплением пузырей в ее верхней части.

Наружная мелкокристаллическая корка толщиной в разных

слитках от 2—8 до 25—40 мм получается плот­ной потому, что при ее затвердевании создаются благоприятные условия для всплывания пузырей СО из

Рис. 153. Строение, слитка кипящей стали:

а — механически закупоренного; б — химически закупоренного; 1 — плотная наружная корочка; 2 — зо­на сотовых пузырей; 3 — промежу­точная плотная зона; 4 — зона вторичных пузырей; 5 — скопление пузырей СО; 6 — скопление пузырей и усадочных пустот; 7 — мост плотного металла

металла. В этот момент высота вышележащего слоя поднима­ющегося в изложнице металла и создаваемое им ферростати-ческое давление малы, поэтому при достаточной окислен-ности стали легко и в большом количестве образуются пузы­ри СО. Всплывание даже части из них создает поток, увле­кающий те пузыри, которые застревают между осями растущих кристаллов; отрыву и всплыванию пузырей способствует то, что благодаря малым размерам кристаллов поверхность фрон­та кристаллизации является сравнительно гладкой. Таким образом формируется слой металла, не содержащий пузырей.

Затем вместе с ростом столбчатых кристаллов образуется зона вытянутых сотовых пузырей. Начало их формирования (более раннее или позднее) зависит от интенсивности кипе­ния и определяющих ее факторов — окисленности жидкой ста­ли и скорости разливки. Чем меньше в металле растворенно­го кислорода и чем быстрее из-за высокой скорости разлив­ки нарастает ферростатическое давление вышележащих слоев металла, тем хуже условия зарождения пузырей СО и тем меньше их образуется. При значительном уменьшении числа выделяющихся пузырей (уменьшении интенсивности кипения) не будет мощного потока всплывания СО, увлекающего все пузыри, и часть их будет оставаться в месте зарождения между кристаллами, причем тем раньше, чем меньше интенси­вность кипения; беспузыристая корка при этом будет все тоньше. Каждый из оставшихся пузырей по мере дальнейшего выделения СО увеличивается лишь в продольном направлении, поскольку росту в поперечном направлении препятствуют на­чинающие расти столбчатые кристаллы — идет быстрый рост (врастание в жидкий металл) их главных, параллельно рас­положенных осей. Поэтому пузыри приобретают вытянутую форму, их длина достигает 70-100 мм. Прекращение роста сотовых пузырей и образование зоны 3 плотного металла объясняют следующим образом. После сформирования зоны со­товых пузырей, теплопроводность которой из-за большого количества газовых полостей очень мала, скорость теплоот-вода сильно снижается и поэтому прекращается быстрый, опережающий рост главных осей столбчатых кристаллов, и фронт кристаллизации выравнивается. Поэтому образующиеся газы вымываются с более ровного фронта кристаллизации и формируется плотная промежуточная зона, состоящая из неориентированных кристаллов небольших размеров.

Появление цепочки вторичных округлых пузырей связано с накрыванием слитка крышкой. После опускания в изложницу крышки (замораживания его верха) кипение прекращается, поскольку пузырьки СО не могут образовываться, так как при выделении им приходилось бы преодолевать громадное давление 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.

Следует отметить, что 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 уменьшении окисленности металла.

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 (рис. 153, 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 механи-

ческом закупоривании. Толщина здоровой корки такая же, как в механически закупоренном слитке и определяется уровнем окисленности стали и скоростью подъема металла в изложнице.

Сразу же или через 1-1,5 мин после окончания наполне­ния изложницы проводят закупоривание слитка алюминием (иногда ферросилицием). Вводимый алюминий связывает раст­воренный в стали кислород, поэтому прекращается кипение и рост сотовых пузырей. Сотовые пузыри в слитке получаются недоразвитыми (см. рис.153, б), 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 (см. рис.153, б) 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 образование 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.

33-3810 513

Толщина здоровой корки — важный критерий качества слитков кипящей стали. Эта толщина может достигать 40 мм и не должна быть менее 8 мм. Более тонкай 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. Как было показано ранее, интенсивность кипения и толщина здоровой корки будут тем больше, чем выше окис-ленность жидкой стали и чем ниже скорость наполнения из­ложницы металлом. Толщина здоровой корки зависит и от со­става стали. Поскольку, как известно, 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% Мп.

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

Если необходимо разливать сталь с большей скоростью, то прибегают к использованию так называемых интенсифика-торов 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.

В последние годы начинают применять следующий метод решения "проблемы здоровой корки" — 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.

4. 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 (по расчету). Различные марки полуспо­койной стали содержат 0,05-0,5 % С; 0,35-1,6 % Мп и менее

0,12% Si.

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

В верхней части слитка этой стали (рис. 154) имеются сотовые или округлые пузыри (они могут отстутствовать), 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 нижней части (литка, где велико ферростатическое давление, пузыри из-ia недостаточной окисленности металла не образуются.

Расположение усадочных пустот в слитке зависит от сте­пени раскисленности стали. При нормальной раскисленности, когда интенсивность газовыделения 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.

Рис. 154. Слиток полуспокойной стали

Длина сотовых пузырей и высота зоны их расположения в слитке будут тем больше, чем лучше условия газовыделения, определяемые степенью раскисленности стали и скоростью разливки. При недостаточной раскисленности (длительность "искрения" более 40 с) в результате чрезмерного газовыде­ления возможно образование сотовых пузырей по всей высоте слитка. 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.

Скорость разливки полуспокойной стали изменяется в пределах от 0,3 до 5,0м/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 раскис-ленность металла: определить оптимальный расход раскисли-телей, который должен точно соответствовать содержанию в металле растворенного кислорода. Это содержание сильно колеблется от плавки к плавке и пока не поддается надеж­ному контролю. В связи с этим разработан и применяется следующий метод регулирования раскисленности металла в процессе разливки. После заполнения первой изложницы фик­сируют длительность искрения металла и если она велика (>40с), в последующие изложницы добавляют небольшие ко­личества алюминия, который снижает окисленность металла.