Слиток спокойной стали

Слиток спокойной, полностью раскисленной стали характеризуется рядом структурных зон (рис.10.4):

• 1 - конус осаждения в нижней части слитка, представленный сросшимися кристаллами, образованными частично вертикально ориентированными кристаллами и обломками кристаллов зон 2 и 3, опускания кристаллов зоны 4;

• 2 - корковая зона - это мелкие различно ориентированные кристаллы, состав которых близок к составу жидкой стали (тонкий слой, прилежащий к стенкам изложницы);

Рис.10.4.

• 3 - столбчатых кристаллов, с разной протяженностью, зависящей от ряда факторов;

• 4 - внутренняя зона крупных равноосных, произвольно ориентированных кристаллов (явления усадки вызывают осевую рыхлость и V-образную ликвацию);

• 5- "мост" плотного металла;

• 6 - усадочная раковина в головной части слитка.

В верхней и осевой частях слитка концентрируются ликваты, поэтому при пластической деформации пузыри и пустоты усадочной рыхлости не завариваются, в связи с этим до 15% металла идет в обрезь и на повторный переплав.

Уменьшение доли обрези головной части слитка осуществляют различными методами.

Слиток кипящей стали

Слегка раскисленная кипящая сталь при затвердевании в изложнице кипит, что обусловлено образованием пузырей СО. Процесс кипения стали влияет на строение и качество слитка, который формируется из следующих зон (рис.10.5):

1 - наружной плотной зоны, мелкие произвольно ориентированные кристаллы, близкие по составу расплаву;

2 - зоны сотовых пузырей, образованных в пространстве между столбчатыми кристаллами выделяющимися газами, которые при прокатке завариваются;

3 - зоны плотного металла;

4 - зоны вторичных пузырей, шаровой формы, которые при прокатке завариваются;

5

В верхней части слитка могут быть пузыри усадочного характера, которые при прокатке не завариваются, поэтому верхняя часть слитка (до 10%) подлежит удалению.

Недостаток: более высокое содержание серы, фосфора, углерода и кислорода в металле верха осевой части слитка вследствие высокой степени ликвации.

- зоны осевой части слитка, состоящей из произвольно ориентированных кристаллов.

Рис.10.5.

Достоинства:

1. меньшая доля головной обрези и более высокий выход годного металла;

2. простата оборудования для получения слитков;

Слиток полуспокойной стали занимает промежуточное положение между слитками кипящей и спокойной стали.

10.2. Основы теории кристаллизации стального слитка

Выплавленную в сталеплавильных агрегатах металлургических предприятий сталь выпускают в сталеразливочные ковши. Основное количество стали разливают с целью получения стальных слитков.

Рассмотрим процесс кристаллизации:

В процессе охлаждения различного металла в какой-то момент времени его температура становится равной температуре кристаллизации Т_Е (величина которая зависит от состава) и начинается кристаллизация, которая начинается с образования зародыша новой фазы. Характер изменения потенциала Гиббса G от температуры для расплава и твердого металла различен (рис.10.6). При температуре Т_Е эти линии пересекаются и дальнейшее понижение температуры приводит к термодинамической устойчивости твердой фазы. И следовательно, при Т₁ Т_Е - затвердевание; при Т₂ Т_Е - плавление.

G

Т₂

Т_Е

Т₁

Т

1

Рис.10.6.

1-твердый металл; 2-жидкий.

2

При кристаллизации, т.е. образовании зародыша новой фазы наблюдается две тенденции: появление зародыша новой фазы уменьшает свободную энергию системы или потенциал Гиббса -G_V, но в то же время появление зародыша кристалла, а соответственно новой поверхности, увеличивает её -G_S.

Таким образом, в конечном итоге увеличение размера зарождающегося кристалла вначале сопровождается возрастанием G на его образование, а затем снижением (рис.10.7). Радиус кристалла, для которого G_max, называют критическим (r_кр). Зародыши, для которых r  r_кр будут расти, если r  r_кр, могут только исчезать, т.к. условий для их роста нет. Как уже отмечалось, готовые поверхности раздела фаз в системе существенно облегчают зарождение твердой фазы, поэтому преимущественное появление частиц твердой фазы происходит на неметаллических включениях или на поверхностях раздела между расплавом и стенкой изложницы.

Рис.10.7. Изменение свободной энергии системы при образовании зародыша

G_S-при образовании новой поверхности; G_V -при уменьшении объема; G_Х- суммарное изменение св.энергии при образовании зародыша.

+G

G_S

r_кр

G_X

G_V

-G

Как уже отмечалось, готовые поверхности раздела фаз в системе существенно облегчают зарождение твердой фазы, поэтому преимущественное появление частиц твердой фазы происходит на неметаллических включениях или на поверхностях раздела между расплавом и стенкой изложницы.

Вблизи поверхности слитка появляется зона столбчатых кристаллов, которые сориентированы перпендикулярно теплоотводу. Их росту способствуют высокие степени перегрева расплава и малая интенсивность теплоотвода; рост их ограничивает перемешивание расплава и присутствие поверхностно активных веществ.

Кристаллы, растущие противоположно теплообмену, приобретают форму разветвленных дендритов. Скорость их роста в поперечном направлении в 100 раз ниже скорости роста в длину.

В общем случае на скорость кристаллизации слитка влияют:

• размер его поперечного сечения;

• скорость отвода тепла;

• различные температуры металла и изложницы.

Зависимость толщины затвердевающего слоя  от времени () выглядит следующим образом:

  К , (10.1)

где К - коэффициент затвердевания.

Для кристаллизующихся слитков характерно проявление ликвации примесей, которое связано с тем, что сталь кристаллизуется в интервале температур (между температурами ликвидус и солидус). Ликвация заключается в том, что состав кристаллов, образующихся в начале появления твердой фазы, отличается от состава в конце процесса затвердевания.

Явление дендритной ликвации проявляется в том, что дендритные оси, кристаллизующиеся в первую очередь, оказываются чище по содержанию вредных примесей, чем затвердевший к концу кристаллизации раствор, заполняющий пространство между осями.

При росте столбчатых кристаллов появляется различие в составе металла в определенно чистой зоне растущих кристаллов и в более загрязненной примесями центральной зоной слитка.

Э

Форма полос может быть:

1 - 1 -осевая V-образная ликвация, расположена вблизи осевой части слитка;

2 - внецентренная -образная (ближе к периферии);

3 - отрицательная ликвация в конусе осаждения.

Кристаллизация стали также сопровождается явлением усадки, обусловленной повышени-

то явление называетсязональной ликвацией или сегрегацией. Процесс ликвации примесей проходит с газовыделением. Образующиеся пузыри газов перемешивают металл и способствуют движению ликватов к поверхности расплава. След этого движения в виде полос виден в продольном разрезе (рис.10.8).

Рис.10.8.

1

2

3

ем плотности твердой фазы по сравнению с жидкой и уменьшением линейных размеров твердого тела при понижении температуры. Объемная усадка слитка зависит от состава металла и достигает более 3%. Объем затвердевшего и охлажденного слитка V^к_т меньше начального объема жидкого металла в изложнице V^н_ж на сумму величин снижения объема при охлаждении расплава V^охл_ж, усадки при кристаллизации V_ж-т и уменьшения объема при охлаждении твердого металла V^охл_т,

V^н_ж - V^к_т = V^охл_ж + V_ж-т + V^охл_т . (10.2)

Это явление вызывает температурные и усадочные напряжения, а также трещинообразование.