31.Усадочные явления при затвердевании жидкой стали и их влияние на характеристики качества стального слитка.

Усадочные явления в процессе затвердевания и охлаждения слитка

В процессе затвердевания и охлаждения слитка протекают процессы усадки металла. Сущность усадки состоит в объемных изменениях жидкой и твердой фаз при понижении температуры и объемных изменениях, происходящих при фазовых превращениях. Эти процессы проявляются в слитке характерными изменениями, в результате которых уменьшаются его общие размеры, а внутри слитка образуются усадочные пустоты (усадочные раковины, усадочная пористость), усадочные деформации (линейная усадка, коробление), трещины, остаточные внутренние напряжения и т.п.

При фазовых превращениях в твердом состоянии, когда происходит изменение типа и параметров кристаллической решетки, наблюдаются скачкообразные изменения размеров тела, проявляющиеся либо в сжатии, либо в расширении определенных объемов.

Численные характеристики изменений размеров тел при охлаждении называют коэффициентами усадки, которые могут выражаться в объемных или линейных величинах, в долях единицы или в процентах.

Усадка при затвердевании, как и при охлаждении жидкости, проявляется в снижении уровня зеркала металла в прибыли. На величину усадки существенное влияние оказывает содержание углерода. С одной стороны, усадка при затвердевании взрастает с увеличением его содержания в связи с ростом интервала кристаллизации стали, а с другой – она уменьшается в твердом состоянии вследствие сужения перепада температур солидуса и перехода гамма-фазы в альфа-фазу (доперлитная усадка).

На величину усадки также оказывают влияние степень раскисленности стали. При повышении концентрации растворенного алюминия в стали до 0,06% уменьшается размер зерна , увеличиваются количество ферритной составляющей и расширение при превращении гамма-фазы в альфа-фазу. При дальнейшем повышении содержания алюминия количество феррита и величина расширения умеьшаются.

В целом же объемная усадка в жидком состоянии зависит от химического состава стали и температуры ее перегрева выше температуры ликвидуса. Величина объемной усадки стали при затвердевании обусловливается величиной интервала кристаллизации, которой, в частности, определяется содержанием углерода и других элементов.

Зависимость изменения размеров металлов и сплавов от температуры хотя и приближается к линейной, но строго линейной не является. Поэтому коэффициенты усадки определяют как средние для определенного интервала температур для каждой марки стали. Вместе с тем, можно считать, что для интервала затвердевания происходит последовательное равномерное уменьшение объема металла, вызванное усадкой как жидкой, так и образующейся твердой фазы. Следствием этих процессов является уменьшение объема металла внутри слитка, которое обусловливает появление усадочных раковин и пористости (рис.3.5).

Рисунок 3.7 - Фотография верхней части продольного темплета слитка массой 18 т

В табл.3.1 в качестве иллюстрации приведены некоторые численные значения усадки углеродистой стали при охлаждении и затвердевании.

Таблица 3.1 - Усадка углеродистой стали при охлаждении и затвердевании, %

По целому ряду соображений наиболее целесообразным представляется локализация усадочных полостей в пределах головной части слитка (прибыли). При правильно выбранных параметрах и конструкции прибыльной надставки уменьшается количество отходов от слитка.

С учётом объёма пустот в виде усадочной рыхлости в теле слитка объём усадочной раковины в прибыли составляет 3-4%. На практике на прибыльную часть слитка, которая служит для восполнения усадки стали при затвердевании, расходуется, как правило, 14-20% массы слитка, а с увеличением конусности слитка эта величина еще более возрастает. То есть, если для компенсации усадки из прибыли в тело слитка требуется около 3-4% жидкого металла, то остальные 10-60% металла, остающиеся в прибыли к моменту затвердевания слитка, обеспечивают поддержание этого количества стали в жидком состоянии до момента затвердевания тела слитка под прибылью.

Теплота в прибыли слитка расходуется в двух направлениях: боковом и вертикальном. Формирование усадочной раковины в прибыли зависит от соотношения тепловых потоков в боковом и вертикальном направлениях.

Идеальным вариантом формирования слитка является создание прибыльной надставки, не выделяющей теплоту в слиток, но предотвращающей выделение теплоты из слитка. Это связано с тем, что крайне важно не вводить дополнительную теплоту в тело слитка. Эта теплота переносится конвекцией в нижнюю часть слитка, где вследствие этого происходит задержка процесса затвердевания и развитие сегрегации.

В случае, когда тепловой поток в боковом направлении значительно больше, чем в вертикальном, то общая результирующая теплового потока приближается к горизонтальному направлению, что предопределяет и глубокую усадочную раковину в прибыли, а следовательно, и невысокий выход годного. Если же действие боковой изоляции эффективно и тепловой поток через боковую сторону утепленной прибыльной надставки минимален, то получается более ровное очертание (чашеобразное) прибыли и выход годного увеличивается.

Если тепловой поток ограничен в боковом и вертикальном направлении, то формируется более плавное очертание контура усадочной раковины, которая получается неглубокой, что и предопределяет высокий выход годного такого слитка.

Для получения достаточно широкой и неглубокой усадочной раковины требуется, чтобы скорость затвердевания металла в прибыли была значительно меньше, чем скорость затвердевания тела слитка. Тепловой баланс прибыли включает ряд статей расходной (q ) и приходной (Q ) частей:

q =Q ,

или

где q₁ - потери теплоты через зеркало металла; q₂ - количество теплоты, идущее на нагрев футеровки и каркаса надставки, и потери теплоты от поверхности каркаса в окружающую среду; q₃ - теплота, переданная в тело слитка; q_пр - прочие потери теплоты; Q₁ - теплота перегрева жидкой стали; Q₂ - теплота, выделяющаяся при затвердевании металла в прибыли; Q₃ - теплота, выделяющаяся при охлаждении первоначально затвердевших объемов металла; Q_вн - теплота, внесенная извне.

Доля тепловых потерь, приходящихся на каждую из статей, может изменяться в зависимости от условий футеровки надставки, теплоизоляции зеркала металла, конфигурации и размеров надставки и количества металла в прибыли. Установлено, что больше всего тепла теряется через футеровку надставки (75-85%). Тепловые потери через зеркало металла составляют около 15-25%.

Таким образом, затвердевание металла в прибыли, будучи явлением нежелательным, обусловлено тем, что предотвратить потери тепла металлом прибыли, а, следовательно, и снижения его температуры, полностью невозможно. Однако, эти потери можно свести к минимуму путём сокращения потерь тепла в окружающее пространство, то есть путём улучшения тепловой работы прибыли, что позволило бы довести в пределе объём прибыли до указанных выше значений.

Объем усадочной раковины в головной части слитка зависит, главным образом, от состава металла и температуры разливки. В то же время геометрическая форма и протяженность по высоте усадочной раковины определяются конфигурацией прибыли, конструкцией прибыльной надставки, условиями теплоотвода через футеровку надставки, утеплением зеркала металла и другими факторами.