Файл: Заверюха, Н. В. Разливщик стали учеб. пособие.pdf

Физическую и химическую неоднородность состава сплава, воз­ никающую при кристаллизации в слитках и отливках, называют ликвацией или сегрегацией. Первые закристаллизовавшиеся порции стали в изложнице бывают более чистыми, чем расплавленная сталь. Это явление называется отрицательной ликвацией и означает, что затвердевшая часть слитка содержит меньше углерода, марганца фосфора, серы и других элементов, чем расплавленная сталь. Отри­

и сильно развивается в широких листовых слитках, а также в слит­ ках кипящей стали.

Осевая ликвация (макроликвация) характеризуется повышенным содержанием примесей в основной или центральной части слитка, где затвердевают последние порции жидкой стали, наиболее обога­ щенные ликватами; к ней же относится отрицательная ликвация— конус осаждения. В слитках кипящей стали часто встречается также газовая ликвация, представляющая собой скопление ликвационных примесей около газовых пузырей. При изучении ликвации поль­ зуются понятием степени ликвации каждого элемента. Степень ликвации представляется в виде процентного отношения концентра­ ции элемента в жидком металле к содержанию элемента в полностью затвердевшем металле. Чем выше масса слитка, тем больше времени уходит на затвердевание, тем больше зона беспорядочно ориенти­ рованных кристаллов и тем выше степень ликвации. Развитию лик­

155

вации способствует всякое движение жидкой стали по отношению к затвердевающей поверхности. Слитки спокойной стали имеют меньшую ликвацию, чем полуспокойные; самая большая ликвация

чалось различными методами: опрокидыванием слитка в период затвердевания, удалением жидкого металла через донную часть слитка и введением радиоактивных изотопов в изложницу в различ­ ные периоды кристаллизации.

В практических условиях продолжительность полного затверде­ вания слитков определяют при помощи кривых, приведенных на рис. 106. Как видно из рис. 106, с увеличением толщины слитка продолжительность полного затвердевания резко увеличивается.

Слиток легированной стали

Выплавляемые стали по количеству вводимых в них легирующих добавок делятся на низко-, средне- и высоколегированные.

Средне- и высоколегированные стали по структуре в исходном (нормализованном — охлажденном на воздухе) состоянии и по содержанию легирующих эл ементов разделяют на классы: перлитный, мартенситный, карбидный, ферритный и аустенитный.

Внешне и по кристаллической структуре легированные слитки почти не отличаются от слитков спокойной стали и отливают их как сверху, так и сифонным способом.

Затвердевание слитка, образование зон кристаллизации и сте­ пень их развития связаны главным образом с изменением условий отвода тепла при продвижении фронта кристаллизации от поверх­ ности слитка к его середине. Между зонами кристаллизации нет

156

резких границ, протяженность каждой определяется условиями разливки стали. Макроструктура слитков легированной стали за­ висит от размера слитка и степени легирования стали; чем больше размер слитка и выше степень легирования, тем больше неоднород­ ность металла.

В слитках ферритных и аустенитных нержавеющих сталей в ре­ зультате легирования их хромом и никелем^большое развитие^получает зона столбчатых дендритных кристаллов и чаще наблюдается только одна дендритная структура —• транскристаллическая (рис. 107). Дендритная структура крупнозернистая, и наличие ликватов на границе между кристаллами

специальных технологических режимов.

Для повышения качества легированные стали часто обрабатывают в вакууме или разливают в среде нейтрального газа — аргона. Иногда тот и другой способы совмещают. В слитках, отлитых в ва­ кууме, содержится минимальное количество газов, особенно водо­ рода, полностью устраняется флокеночувствительность, снижается количество неметаллических включений и несколько уменьшается размер зоны столбчатых кристаллов.

Для устранения пагубного влияния транскристаллизации в нер­ жавеющих сталях ферритного и аустенитного класса в жидкую сталь вводят порошок стали той же марки, не содержащий окислов и примесей, т. е. создают искусственные центры кристаллизации. Это сокращает толщину зоны столбчатых кристаллов, уменьшает размер кристаллов, улучшает внутреннюю структуру слитка, повы­ шает пластичность металла.

Слитки из вакуумированной спокойной и легированной стали

При сниженном содержании водорода, азота, кислорода и неме­ таллических включений сталь становится более жидкоподвижной. Так, например, низкоуглеродистая сталь хорошо разливается по изложницам с температурой 1520—1540° С. Слитки, отливаемые из вакуумированной стали, кристаллизуются быстрее, чем слитки такой же массы из невакуумированной стали.

157

По данным исследований, в макроструктуре спокойных углеро­ дистых и низколегированных слитков дендритная структура оказы­ вается чрезвычайно мелкой, зона столбчатых кристаллов углубляется и несколько уменьшаются размеры равноосных кристаллов в осевой части слитка. Имеются сообщения о влиянии вакуумирования на характер сернистых от­ печатков и в то же время указывается о по­ чти полном исчезновении д-образной и ос­

гированных сталей, идущих на поковки.

Слитки из вакуумированной стали после освобождения из излож­ ницы не нуждаются в замедленном охлаждении для предотвращения появления внутренних трещин. Прокат из вакуумированных слит­ ков можно охлаждать на воздухе, не боясь образования трещин.

Слитки спокойной и легированной стали, отлитые сифонным способом под шлаком и сверху через слой шлака

С применением экзотермических смесей процесс отливки слитков сифонным способом происходит под слоем шлака, а при отливке слитков сверху — через слой шлака. Это создает неодинаковые условия кристаллизации, поэтому качественные характеристики отливаемых слитков различны.

При разливке стали как сифонным способом, так и сверху с при­ менением экзотермической смеси, происходит образование шлако­ вой корки на стенках изложницы, а зеркало металла в течение всего времени наполнения изложницы закрыто слоем шлака. Однако образующийся корковый слой шлака в нижнем и верхнем участках

158

Изложницы оказывает различное влияние на процесс кристаллиза­ ции слитка. На рис. 101 приведены схемы отливки слитка в усло­ виях последовательного образования двух участков шлакового слоя

с боков и закрывается сверху жидким шлаком, как бы изолируется от внешней атмосферы, утепляется и вторично не подвергается окислению. На рис. 101, 102 можно видеть, как сначала на стенках изложницы образуется корка шлака, а между ней и сторонами слитка находится жидкий слой шлака (на этом участке идет процесс кри­ сталлизации поверхностного слоя слитка), что в процессе налива изложницы жидкая сталь некоторое время контактируется с жидким восстановительным шлаком, затем слой шлака на стенках изложницы охлаждается (затвердевает) и сталь достигает температуры ликви­

«тепловым барьером», устраняющим резкое охлаждение непрочной тонкой стенки слитка от соприкосновения с холодными стенками изложниц.

Теплоизолирующее действие шлака обеспечивает более длитель­ ное сохранение температуры перегрева стали. В единицу времени меньшее количество стали переходит в твердое состояние, т. е. достигается макроструктура с меньшим количеством неметалли­ ческих включений, что видно на рис. 109. Слитки, отлитые сифонным способом и сверху, сохраняют зональность макроструктуры, физи­ ческая и химическая неоднородность и ликвация изменяются незна­ чительно. В верхней части слитка минимальная V-образная ликвация меньше глубины усадочной раковины и подусадочной рыхлости по сравнению со слитком, отлитым обычным сифонным способом.

Следует отметить, что при разливке стали со шлаками, где в ка­ честве окислителя используют марганцевую руду, наблюдается повышение содержания марганца в слитках и заготовках против ковшовой пробы сО,03 до 0,09% и кремния с 0,03 до 0,06%, а при разливке хромистых, титановых и алюминиевых сталей наблюдается снижение указанных элементов на 5—15% по сравнению со слитками, отлитыми без шлака.

Шлак, окутывающий стенки слитка, находится в двухфазном состоянии: у стенки изложницы в твердом, а у стенки слитка — в жидком. Пленка шлака служит амортизатором непрочным стенкам слитка, а при температуре 1350—1450° С, когда происходит усадка

159