92.Оценка качества и характеристика основных дефектов непрерывнолитой заготовки

Основные дефекты непрерывнолитых заготовок

Практика непрерывной разливки стали и непрерывное повышение требований, предъявляемых к качеству заготовки, способствуют стимулированию развития общих представлений о природе и механизмах развития тех или иных групп дефектов. Особенностями непрерывнолитого слитка, по сравнению со слитками, отлитыми в изложницы, являются более высокая однородность химического состава, меньшее количество поверхностных дефектов, лучшая структура и т.п. Тем не менее, полностью исключить поверхностные и внутренние дефекты непрерывнолитой заготовки достаточно сложно.

Отправной точкой для получения качественной непрерывнолитой заготовки является рациональная подготовка жидкой стали, в первую очередь, контроль за раскислением, усреднением металла по химическому составу и температуре, обеспечение требуемой температуры металла, минимизация содержания вредных примесей в стали.

Дефектом непрерывнолитой заготовки принято считать отклонение от предусмотренного техническими условиями показателя качества заготовки или металлопродукции, которое частично или полностью нарушает совокупность технологических или эксплуатационных свойств изделия (сплошность, химический состав, структура и т.п.).

На рисунке 4.6 представлена схема расположения основных видов дефектов непрерывнолитой заготовки, которые встречаются в практике разливки.

Отдельные дефекты непрерывнолитой заготовки могут быть идентифицированы уже непосредственно при их визуальном осмотре, а для определения остальных необходимо отбирать от заготовок специальные образцы. Порядок отбора проб и классификация дефектов регламентируются техническими условиями, которые могут изменяться в зависимости от сечения заготовки, ее назначения, марки стали и т.п. Технические условия для непрерывнолитой заготовки, которая является полупродуктом, могут отличаться в различных странах и компаниях. В случае если непрерывнолитая заготовка выступает в качестве товарной продукции, то показатели ее качества регламентируются покупателем.

Между тем большое количество непрерывнолитых заготовок, которое получается в процессе разливки, практически исключает возможность тщательного осмотра всех заготовок в силу целого ряда технических трудностей. Поэтому в металлургической практике большое применение получили способы выборочного контроля непрерывнолитой заготовки, методика которых базируется на большом практическом опыте и законах статистики.

Все дефекты, встречающиеся в непрерывнолитых заготовках, можно условно разделить на следующие группы:

дефекты геометрической формы (профиля) заготовки;

поверхностные и подповерхностные дефекты;

внутренние дефекты, которые располагаются внутри тела заготовки.

К числу основных дефектов непрерывнолитых заготовок следует отнести: дефекты геометрической формы, поверхностные продольные, поперечные и паукообразные трещины, внутренние трещины, дефекты в сердцевине слитка, поры и участки шлаковых включений и т.п.Дефекты профиля непрерывнолитой заготовки – это дефекты, при которых поперечное или продольное сечение заготовки деформировано относительно заданной геометрической конфигурации. Такие дефекты могут быть связаны с повышенной скоростью или температурой разливки стали, с недостаточным, повышенным или неоднородным охлаждением слитка.

Главной причиной, вызывающей развитие нарушения конфигурации заготовки, является неравномерное наращивание корки слитка в кристаллизаторе.

Разнотолщинная корочка слитка на выходе из кристаллизатора при дальнейшем интенсивном охлаждении слитка будет способствовать развитию высокой ромбичности заготовки (рисунок 4.7).

Образование неоднородной корки слитка в кристаллизаторе может быть связано с неточной центровкой струи металла из промежуточного ковша, износом или деформацией профиля гильзы, неравномерным охлаждением слитка ввиду переменного зазора между обечайкой и гильзой кристаллизатора.

Высокаяромбичностьнепрерывнолитой заготовки может вызвать проблемы при формировании профиля в валках клетей прокатного стана. Кроме того, высокаяромбичность заготовки может обусловливать возникновение других видов дефектов (например, поверхностных и внутренних продольных трещин).

Рисунок 4.7 – Поперечное сечение сортовой заготовки с повышенной ромбичностью и внутренними трещинами

Для ограничения развития этого вида дефекта, под кристаллизатором иногда устанавливают, так называемые, поддерживающие ролики. Поддерживающие ролики оказывают положительное воздействие на уровень ромбичности заготовки, однако они существенно усложняют обслуживание МНЛЗ.

Так, в случае прорыва металла под кристаллизатором подготовка ручья значительно затягивается, поскольку требуется дополнительное время на очистку роликов, порезку и уборку «захоложенного» слитка. Кроме того, после прорыва слиток может застрять в кристаллизаторе из-за сцепления вылившегося металла с роликами, что не позволит осуществить перезапуск ручья МНЛЗ во время разливки серии плавок.

Ромбичность заготовок, как показывает промышленная практика, наиболее заметно проявляется при производстве марок стали с содержанием углерода более 0,15-0,20%. Повышенное содержание примесей серы, фосфора, меди, олова и некоторых других элементов также оказывает негативное влияние на прочность корочки слитка и ослабляет ее сопротивление деформации.

При развитии ромбичности заготовки выше допустимых значений необходимо проведение следующих мероприятий:

проверка износа и деформации гильз кристаллизаторов, а при необходимости – замена кристаллизатора;

проверка соосности выставки кристаллизатора относительно технологической оси ручья МНЛЗ;

проверка (при необходимости регулировка) поддерживающих роликов под кристаллизатором;

ревизия выставки зон вторичного охлаждения и работоспособности форсунок ЗВО;

оптимизация химического состава стали (в случае, если это возможно).

Ужимины на поверхности непрерывнолитой заготовки. Затвердевшая корочка твердого металла в кристаллизаторе является достаточно тонкой, что приводит к потере ею устойчивости при наличии внутренних напряжений. При формировании ужимины на поверхности заготовки образуется вогнутый продольный желоб. Формирование ужимины может привести к образованию продольной трещины.

Основная причина образования ужимин – деформация геометрии профиля кристаллизатора или неравномерный отвод тепла по его периметру или в верхних зонах ЗВО.

Отклонения от заданных размеров сечения заготовки. Обычно, причиной отклонений размеров сечения слитка является повышенное его обжатие в клетях тянуще-правильной машины при превышении допустимого усилия давления на валки. Данные отклонения часто сопровождаются повышенным выпучиванием боковых граней заготовок.

Выпучивание граней заготовки. Данный дефект образуется при деформации корочки слитка за счет ферростатического давления жидкого металла при чрезмерной скорости разливки, недостаточном вторичном охлаждении слитка, высоком перегреве металла или вследствие повышенного обжатия заготовок в ТПМ.

Вогнутость граней заготовки может возникать при неравномерном вторичном охлаждении по граням слитка.

Повышенная кривизна заготовки. Причиной отклонений профиля заготовок могут явиться неравномерное вторичное охлаждение заготовки по технологической оси ручья МНЛЗ (при неточной выставке коллекторов или засорении форсунок ЗВО), неточная выставка центрирующих и поддерживающих роликов в ЗВО, механические деформации, неверно выбранный режим вторичного охлаждения заготовок.Основными дефектами поверхности непрерывнолитой заготовки являются: продольные трещины (по углам и граням); поперечные трещины; пояса; завороты корки; заливины; шлаковые включения; газовые пузыри.

Продольные поверхностные трещины представляют собой нарушения сплошности в виде разрывов металла. Образование трещин в непрерывнолитом слитке связано с внутренними напряжениями, возникающими в процессе его формирования, и обусловлено пониженной прочностью и пластичностью в различных температурных интервалах.

Поверхностные продольные трещины, связанные с искажением профиля слитка, являются результатом повышенной ромбичности заготовок, ужимин на поверхности или выпучивания граней НЛЗ. Трещины данного вида распространяются изнутри заготовки вдоль диагонали между тупыми углами (рисунок 4.7). Обычно такая трещина сворачивает в сторону от диагонали непосредственно перед углом и появляется на поверхности около угла, где корка слитка наиболее тонкая.

Этот дефект заготовки при его грубом развитии может привести к прорыву металла при нахождении слитка в ЗВО.

Продольные трещины, не связанные с искажением профиля непрерывнолитой заготовки, могут иметь вид от коротких нитевидных (иногда не видимых без зачистки поверхности) до грубых со значительной шириной раскрытия. Такие трещины могут располагаться непосредственно по углам, а также на некотором смещении от углов или по граням заготовок (рисунок 4.8).

На образование продольных трещин определенное влияние оказывает величина углового радиуса (сопряжения) гильз кристаллизаторов. Считается, что при угловом радиусе гильз выше оптимального на заготовках могут появляться трещины по вершинам углов, при пониженном угловом радиусе – околоугловые трещины.

Рисунок 4.8 – Продольные поверхностные трещины: околоугловая (а) и посередине широкой грани сляба (б)

Поперечные поверхностные трещины располагаются по углам или граням непрерывнолитой заготовки в поперечном направлении, то есть, перпендикулярно направлению разливки металла (рисунок 4.9). Поперечные трещины могут располагаться посередине граней, а также в углах заготовки.

Рисунок 4.9 – Поперечные поверхностные трещины на грани сортовой заготовки (а, б) и сляба (в, г), а также на угловых участках (д, е)

Основными причинами возникновения поперечных трещин являются избыточная конусность или деформация рабочей поверхности кристаллизатора, недостаточное количество смазки или ШОС в кристаллизаторе, отклонения в центровке кристаллизатора относительно технологической оси ручья, отклонения при возвратно-поступательном движении кристаллизатора от рабочей траектории и т.п. Все это вызывает увеличение сил трения между слитком и рабочей поверхностью кристаллизатора.

Одним из основных факторов, определяющих возможность образования поперечных трещин на поверхности заготовок, является настройка режима качания кристаллизатора.

Отклонения в работе механизма качания (люфты, биения), могут привести к изменению параметров, влияющих на формирование твердой корочки, стать причиной ее подвисания в кристаллизаторе или разрыва сплошности оболочки. При образовании поперечных трещин в кристаллизаторе возможно образование наплывов металла, что значительно ухудшает качество поверхности непрерывнолитой заготовки и требует ее зачистки.

Еще одной причиной образования поперечных трещин может явиться операция разгиба заготовки в случае, если она переохлаждена ниже области горячей пластической деформации.

Пояс является грубым технологическим дефектом, который легко идентифицируется на поверхности заготовки. Он охватывает практически весь периметр слитка (рисунок 4.10).

Пояса, как правило, образуются из-за перерыва в подаче металла в кристаллизатор, либо при чрезмерно резком понижении скорости разливки, особенно при низкой температуре стали. При этом верхний край затвердевшей корки по всему периметру кристаллизатора окисляется и при возобновлении разливки в этом месте образуется пояс. Пояс является слабым местом в слитке, так как одновременно с окислением по контуру затвердевшей корки слитка происходит и окисление мениска. Грубые пояса, как правило, не поддаются зачистке и их вырезают из слитка, что обусловливает дополнительные потери металла.

Рисунок 4.10 – Пояс на поверхности заготовки

Завороты корки. Завороты корки образуются в тех случаях, когда окисленная корка металла увлекается с мениска на поверхность слитка. Чаще всего данный дефект, например, возникает при разливке «холодного» металла, что обусловливает появление кусочков твердой фазы на мениске. Значительное развитие этот дефект получает при разливке сталей с пониженной жидкотекучестью или содержащих легко окисляющиеся элементы.

Заливины образуются в результате попадания жидкого металла в зазор между корочкой слитка и стенкой кристаллизатора, образующийся вследствие искривления мениска в области их соприкосновения (рисунок 4.11).

Рисунок 4.11 – Продольное сечение образца заготовки в месте расположения заливины (а) и ее фото на поверхности заготовок (б, в)

Образование заливин наиболее вероятно при перерывах в подаче металла в кристаллизатор, недостаточной или неравномерной смазке стенок кристаллизатора, значительных колебаниях уровня металла в нем, разливке металла с пониженной скоростью и температурой и т.п. Заливины образуются также в случае прорыва оболочки слитка.

В целом для предупреждения таких дефектов как пояса, завороты корочки слитка, заливины необходимо предотвращать затягивание дозирующих узлов промежуточных ковшей, минимизировать амплитуду колебаний уровня металла в кристаллизаторе, оптимизировать режимы работы смазки его рабочей поверхности, обеспечивать стабильность скорости разливки и пр.

Шлаковые включения. Шлаковые включения, встречающиеся на поверхности НЛЗ и проникающие внутрь металла, являются многофазными, преимущественно силикатного характера. В сортовых заготовках крупные шлаковые включения чаще встречаются в районе ребер.

Шлаковые включения на поверхности непрерывнолитых заготовок появляются вследствие размыва огнеупоров ковшей, затягивания шлака из промежуточного ковша и с зеркала кристаллизатора, всплытия в кристаллизаторе продуктов раскисления стали, колебаний уровня металла и т.п.

Для углеродистых сталей, раскисленных преимущественно кремнием и марганцем, существенную роль играет величина отношения марганца к кремнию. При низком отношении Mn/Si, образующийся шлак располагается на зеркале металла в кристаллизаторе и загрязняет поверхность заготовки. При повышенном отношении Mn/Si в стали вынос шлака на поверхность металла в кристаллизаторе затруднен, и шлак может быть обнаружен в качестве макроскопических оксидных включений внутри слитка. На практике рекомендуется поддерживать отношение марганца к кремнию в стали на уровне 3,0-3,5.

Значительное количество шлаковых включений на мениске металла в кристаллизаторе может привести к массовым прорывам твердой оболочки заготовки в зоне вторичного охлаждения под кристаллизатором.

Основные меры, позволяющие снизить загрязненность непрерывнолитого слитка шлаковыми включениями заключаются в следующем: соблюдение заданных режимов раскисления стали; соблюдение температурных режимов; применение эрозионно стойких огнеупорных материалов; поддержание постоянного уровня металла в промковше и кристаллизаторе; правильный подбор ШОС и равномерная подача ее в кристаллизатор.

Поверхностные пузыри представляют собой весьма характерный дефект в виде единичных или групповых пор, пустот округлой или вытянутой формы (рисунок 4.12).

Рисунок 4.12 – Пузыри и поры на поверхности непрерывнолитой сортовой заготовки (а) и сляба (б)

Пузыри на поверхности непрерывнолитой заготовки могут быть результатом газовыделения при затвердевании слитка, при сгорании смазки в кристаллизаторе, при использовании огнеупоров и шлакообразующих смесей с повышенной влажностью и т.п.

Наибольшее влияние на пораженность заготовки этим дефектом оказывает уровень «свободного» кислорода в стали. Ввиду высокой скорости охлаждения слитка, присущей процессу непрерывной разливки, в металле присутствует «свободный» кислород для образования окиси углерода. Чтобы избежать образования газовых пор, уровень «свободного» кислорода в стали должен быть снижен до минимального уровня (особенно при разливке низкоуглеродистых марок стали), поэтому очень важно в технологическом плане эффективное проведение операции раскисления стали.

Избыточное количество смазки в кристаллизаторе, повышенное содержание влаги в масле или ШОС могут привести к образованию поверхностных газовых пузырей.

Расход смазки (масла) при подаче стали в кристаллизатор открытой струей должен быть установлен на минимальном уровне, достаточном для исключения подвисаний слитка на его стенках. На практике рекомендуется ограничивать содержание влаги в смазке (масле).

Паукообразные (звездообразные) трещины (рис. 4.13) характерны, прежде всего, для перитектического класса сталей (содержание углерода 0,12-0,18%).

Рисунок 4.13 – Паукообразные трещины (а), сетчатые и поперечные трещины на следах качания кристаллизатора (б)

Они представляют собой тонкие трещины длиной несколько миллиметров в виде расходящихся лучей «звезд» и т.п. Они образуются под поверхностью непрерывнолитой заготовки, что затрудняет их визуальное обнаружение непосредственно после охлаждения. Однако при последующей прокатке они раскатываются в трещины или разрывы, что приводит к дефектам металлопродукции. На практике для сталей, подверженных появлению паукообразных трещин, осуществляется дополнительный контроль заготовок посредством механической зачистки поверхности (например, «змейкой»), глубиной 1-2 мм.

Поскольку формирование паукообразных трещин происходит в кристаллизаторе, то наиболее эффективным средством их подавления является применение ШОС, которые несколько снижают отвод тепла от твердой корочки.