Строение стального слитка

Стальные слитки, используемые для проката или ковки бывают весом от 200 кг до 500т. Слитки получают в изложницах в результате кристаллизации жидкой стали. Изложница представляет собой чугунную (реже стальную) толстостенную форму, рис.12. На рисунке цифрами обозначены: 1 – изложница, 2 – утепленная прибыльная надставка, 3 – канал подвода расплава. Поперечное сечение изложницы выбирают в зависимости от вида обработки давлением полученного слитка: · Квадратное – для сортовой прокатки;

1

2

Рис.12. Схема изложницы

· Прямоугольное – для листовой прокатки;

· Многогранное (от 6-ти до 12) или круглого сечения – для ковки.

Строение стального слитка в продольном разрезе, рис.13, отражает последовательность процесса затвердевания стали после заливки ее в изложницу. Форма и размер зерен, образующихся при кристаллизации зависят от условий их роста, связанных со скоростью и направлением отвода теплоты и температуры жидкого металла, а также от содержания примесей.

Типичная структура слитка состоит из трех зон, рис.13. Жидкий металл переохлаждается, прежде всего, в местах соприкосновения с холодными стенками из­ложницы. Большая степень переохлаждения способствует образованию на поверхности слитка зоны 1 мелких равноосных кристал­лов. Отсутствие направленного роста кристаллов этой зоны объясняется ее малой толщиной и случайной ориентацией кристаллов, которая является причиной их столкновения и прекращения роста. Мелкозернистое строение кристаллов обусловлено возникновением большого числа центров кристаллизации вследствие большой степени переохлаждения зоны 1.

Рис.13. Строение стального слитка

Объем твердого металла меньше жидкого, по­этому между стенкой изложницы и застывшим метал­лом зоны 1 образуется воздушная прослойка, кроме того, и сама стенка нагревается от соприкосновения с метал­лом. В результате скорость охлаждения металла уменьшается. Рост кристаллов приобретает направленный характер - они растут от стенки изложницы к центру по направлению, противоположному отводу тепла. Так образуется зона столбчатых кристаллов 2. Образующаяся зона еще более замедляет отдачу тепла наружу, скорость охлаж­дения все более и более уменьшается. Степень переохлаждения жидкого металла снижается, Число возникающих центров кристаллизации уменьшается, поэтому образуется зона крупных неориен­тированных кристаллов 3.

В жидком металле всегда содержится какое-­то количество растворен­ных газов, поэтому в объ­еме слитка при его охлаждении будут обра­зовываться газовые пузы­ры и раковины. Если сталь недостаточно рас­кислена (так называемая кипящая сталь), то газо­вые пузыри 5, рис.14. б, будут образовываться по всему объему слитка. Если же сталь хорошо раскислена (так называемая спокойная сталь), то ее отливают в изложницы с утепленной прибыльной надставкой. В этом месте бу­дут кристаллизоваться последние порции жидкого металла. Здесь будут собираться газы. При этом образует­ся большая пустота, рис.14. а, называемая усадоч­ной раковиной 4. Около усадочной раковины металл будет менee плотным, рыхлым. Поэтому при прокатке слит­ков спокойной стали верхнюю (прибыльную) часть слит­ка (около 15-20% от длины слитка) отрезают.

Рис.14. Строение слитка: а) спокойная сталь; б) кипящая сталь

Кроме неоднородности кристаллического строения для слитков характерна и неравномерность химического состава. При затвердевании стали в изложнице происходит так называемая избирательная кристаллизация, когда более тугоплавкие компоненты кристаллизуются раньше, чем компоненты, имеющие меньшую температуру плавления.

Химическая неоднородность слитка, обусловленная избирательной кристаллизацией, носит название ликвации. Различают зональную ликвацию и дендритную ликвацию.

· Зональная ликвация – неравномерное распределение примесей по объему слитка. Образуется в прибыльной и центральной части слитка в виде зон, обогащенных серой, фосфором и углеродом. Она отрицательно влияет на механические свойства стали.

· Дендритная ликвация – оттеснение примесей от осей дендритов к их периферии Поэтому примеси сосредотачиваются на границе столбчатых и равноосных кристаллов. Например, при кристаллизации стали содержание серы на границах зерен по сравнению с содержанием ее в их центре увеличивается в 2 раза, фосфора - в 1,2 раза, а углерода уменьшается почти наполовину.

Дефекты слитков

К числу наиболее часто встречающихся дефектов слитков, связанных с процессами разливки, остывания и затвердевания стали в изложницах, могут быть отнесены: сильно выраженная зональная или дендритная ликвация, повышенное содержание неметаллических включений, и глубокое расположение усадочной раковины. Кроме этого различают:

· Раковины на поверхности слитка. Получаются главным образом от образовавшихся у поверхности раздела жидкого металла и стенки изложницы газовых пузырей, а также за счет выкрошившихся посторонних включений;

· Подкорковые пузыри – это газовые пузыри, расположенные в непосредственной близости от поверхности. Вследствие сообщения с атмосферой через мельчайшие поры и трещины, поверхность пузырей окисляется. Поэтому подкорковые пузыри при последующей обработке давлением не завариваются.

· Сотовые пузыри – это группа газовых пузырей, расположенных в виде сот и расположенных вблизи поверхности слитка. Сотовые пузыри, как правило, не завариваются при обработке слитка давлением, однако, при отсутствии их контакта с атмосферой сотовые пузыри завариваются.

· Плены. Могут образовываться на поверхности нижней части слитка в самом начале разлива, когда струя металла ударяется в поддон изложницы. Плены не свариваются с основным металлом при ковке.

· Заворот – это отогнувшаяся во внутрь изложницы при разливке корка закристаллизовавшегося металла. Заворот наблюдается в виде борозды на поверхности слитка. При ковке приводит к образованию поверхностных трещин.

· Пояс. Образуется вследствие непредвиденного разрыва струи при разливке относительно холодного металла. Окисная пленка, образующаяся в момент разрыва струи, разъединяет слиток на две части, которые при ковке не свариваются.

· Заливины. Получаются, главным образом, в момент, когда образовавшаяся в нижней части слитка его поверхностная корка успевает в результате усадки в процессе охлаждения отойти от стенки изложницы и дать возможность жидкой стали проникнуть в образовавшийся зазор;

· Неметаллические включения – это частички огнеупорного материала, попавшие в слиток с жидким металлом, а также шлак, не успевший отделиться от жидкого металла. Они понижают пластичность металла при ковке.

· Трещины – это различного вида разрывы металла. По направлению относительно слитка они могут быть поперечными и продольными, а по расположению наружными и внутренними. Наружные поперечные трещины возникают чаще всего при охлаждении слитков, когда , вследствие дефектов изложницы ее стенки мешают свободной усадке слитка по длине. Наружные продольные трещины возникают, как правило, у слитков квадратного сечения и располагаются, по его граням. Причиной их появления являются слабые силовые связи между столбчатыми кристаллами у слитков квадратного сечения;

· Флокены – это участки металла, содержащие большое число мелких, извилистых и переплетенных трещин. Флокены обнаруживаются на поверхности излома деталей в виде светлых пятен с характерным матово-серым блеском. Склонность стали к образованию флокенов зависит от содержания водорода в ней. Возникают флокены вследствие внутренних температурно-объемных изменений на этапах кристаллизации слитка и при его охлаждении после прокатки или ковки.