Крупный слиток
СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 3.5

Формирование крупного стального слитка

Ликвационные явления в стальном слитке

Ликвацией обычно называют химическую неоднородность, возникающую при кристаллизации слитка под влиянием физико-химических процессов и особенностей, сопровождающих охлаждение стали в изложнице. В литературе также широко используется термин сегрегация (от английского слова segregation).

Ликвация проявляется в виде повышенной концентрации некоторых химических элементов в определенных локализованных зонах слитков на макро- и микроуровнях. Наиболее подвержены ликвационным явлениям такие химические элементы как сера, углерод, фосфор, кремний, марганец, молибден, хром и пр.

На практике различают дендритную ликвацию в пределах одного дендрита (микроуровень) и зональную ликвацию в пределах слитка (макроуровень). Внутри дендрита наблюдают различный химический состав сплава в осях, в межосных пространствах и по его границам.

Процесс ликвации обусловливается диффузионными явлениями, которые проявляются в зоне перехода жикого металла в твердый. Жидкий металл, находящийся в непосредственном контакте с растущими кристаллами, обогащается ликвирующими примесями. Перемещение металла из области затвердевания, в которой сосуществует твердая и жидкая фазы, в жидкую область слитка определяется, во-первых, механическим захватом жидкости осями растущих дендритов (зона столбчатых кристаллов) и ее вытеснением, во-вторых, диффузией (молекулярной и конвективной), осуществляющей перенос загрязненной жидкости. Оба эти фактора действуют независимо от природы ликвирующих примесей.

Дендритная и зональная ликвация тесно взаимосвязаны: чем больше в данном сплаве дендритная ликвация, тем меньше зональная ликвация, и наоборот. В данном случае проявляется влияние ширины двухфазной зоны. Чем эта зона уже, тем меньше дендритная ликвация.

Характерное расположение основных ликвационных зон приведено на рис.3.8.

Схематическое расположение основных видов дефектов в крупном слитке

Рисyнок 3.8 - Схематическое расположение основных видов дефектов в крупном слитке 1 - усадочная раковина; 2- полосчатость; 3 - подусадочная ликвация (ликвационное пятно); 4 - внецентренная (А-образная) ликвация; 5 - осевая (V-образная) ликвация; 6 - конус осаждения

Для выявления зональной ликвации используются следующие методы:

Химический – взятие проб из различных точек слитка в продольном и поперечных сечениях и их химический анализ.

Металлографический – химическое травление макроструктуры. Зоны скопления примесей при этом травятся интенсивнее, чем более чистые, и приобретают более темный цвет. Этот метод дает качественную, но охватывающую все сечение слитка, оценку.

Макроликвацию серы в затвердевших слитках изучают также по серным отпечаткам от плит, вырезанных из слитка в продольном и поперечном направлениях. На серном отпечатке выявляются следы сульфидных включений (в виде затемнений), что дает общую картину распределения серы в литом металле.

Следует отметить, что V – образная осевая неоднородность и А-образная форма внеосевой неоднородности, выявляемые на серном отпечатке, сочетают в себе усадочные пустоты и скопления примесей, определяемые при исследовании макроструктуры, например, глубоким травлением в растворах кислот.

Согласно современным научным данным, в основе происхождения большинства видов дефектов лежит массоперенос в объеме затвердевающего слитка, который вызывает ликвацию, термическую усадку и термогравитационную конвекцию. В зависимости от структуры, формирующейся в ходе затвердевания, характер конвективных потоков может быть различным. В конечном счете, конвекция в объеме расплава вызывает взаимодействие потоков и образование зон, обогащенных примесями.

Если конвекция достаточно глубоко проникает в двухфазную область, то могут исчезнуть изменения состава растворенного вещества между осями дендритов, а сегрегация происходит по пути следования конвективного потока. Такое удаление растворенного вещества из междендритных областей может приводить к полосчатости, что иногда наблюдается в периферийных слоях слитков. Полосы могут также возникать из-за термических пульсаций при образовании газового зазора между слитком и изложницей, которые влияют на положение изотерм в двухфазной зоне и, как следствие, – на ликвацию.

Основной причиной образования ликвационного пятна под усадочной раковиной является всплытие примесей из нижней и средней части слитка. Определение изменения состава металла снизу вверх по оси крупных стальных слитков показывает, что в поверхностном слое он соответствует исходному. Далее содержание примесей снижается, ближе к верхней части возрастает до исходного и в пределах ликвационного пятна резко увеличивается. В первую очередь всплывают крупные частицы примесей, обособившиеся в выделения самостоятельных фаз. Повышение содержания ликвирующих примесей в стали всегда снижает ее плотность. Второй, не менее значительной причиной образования ликвационного пятна, может служить увлечение ликвата из верхних слоев металла при усадочном опускании. Установлено, что слой металла, расположенный над усадочной раковиной, содержит примесей меньше, чем их было в исходном металле.

Внецентренная ликвация характеризуется макропористостью и повышенной концентрацией ликвирующих элементов. Проявление внецентренной ликвации происходит в виде шнуров (на серном отпечатке), имеющих протяженность от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров. В поперечном сечении шнуры внецентренной ликвации представляют собой круг диаметром 5-8 мм. Прямые анализы металла в стальных слитках показывают, что в загрязненных зонах внецентренной ликвации, называемых достаточно часто «шнурами», массовая доля примесей увеличивается в следующих масштабах: углерод 10-30%, фосфор — 20-40%, сера — 30-50% по сравнению с исходным средним составом.

Наиболее вероятной причиной внеосевой А-образной ликвации (ее называют также шнуровой ликвацией) является всплытие ликватов, поступающих из междендритных промежутков вдоль границы затвердевания и частично через образовавшийся дендритный каркас. Согласно М.Флемингсу, шнуровая ликвация формируется в том случае, когда скорость потока ликватов в междендритном пространстве (в направлении роста твердой фазы) превышает скорость движения изотерм. В противном случае ликваты локализуются между осями дендритов. Траектория движения ликватов определяется, с одной стороны, перемещением границ затвердевания, подчиняющимся закону квадратного корня, с другой стороны, всплытием снизу вверх. Этим определяется квазипараболическая форма их траекторий. Внецентренная ликвация проявляется только на достаточно большом расстоянии от оси слитка, при котором усадочные перемещения жидкого металла сверху вниз еще не получают развития.

Область расположения шнуров внецентренной химической неоднородности определяется интенсивностью конвективных потоков жидкой слали в различных местах затвердевающего слитка. Чем сильнее интенсивность конвективных потоков, тем больше их смывающее действие на ликвационные выделения. В нижней, более охлаждаемой части слитка, где формируется зона осадочной кристаллизации, конвективное движение затухает раньше, что способствует накоплению ликватов и более раннему появлению ликвационных шнуров.

Для получения слитков без А – образной ликвации рекомендуется выбирать химический состав стали, руководствуясь следующим эмпирическим соотношением:

I = –1,022 [Si] – 0,049 [Mn] + 0,208 [Mo], (3.14)

где I – интегральный параметр, значение которого должно стремиться к нулю для обеспечения производства слитков с минимальной ликвацией; Si, Mn, Mo – содержание соответствующего элемента в массовых процентах.

Рекомендуемое соотношение было экспериментально проверено на слитках массой от 13 до 400 т при вакуум-углеродном раскислении или раскислении кремнием. Наибольший уровень ликвации углерода отмечен в слитках массой 210 и 430 т (соответственно, 38% и 41%). Несмотря на сравнительно большой уровень ликвации углерода во всех опытных слитках А-образная ликвация отсутствовала.

Непосредственной причиной формирования осевой V-образной ликвации в осевой части слитков являются усадочные перемещения жидкой и твердой фазы. Процесс образования V-образной неоднородности реализуется на границе твердой и жидкой частей слитка в условиях, когда уровень жидкости в средней части непрерывно опускается. По мере сближения фронтов горизонтального затвердевания у оси слитка скорость усадочного перемещения возрастает. Поток движущегося жидкого металла увлекает за собой скопления ликватов, экстрагируя их из межосных пространств дендритов. Скопления ликвата описывают траектории, определяемые, с одной стороны, движением границ затвердевания, а с другой — усадочными перемещениями жидкого металла. Известно, что при содержании в двухфазной жидко-твердой области около 20% твердой фазы вязкость ее возрастает до потери жидкотекучести и питание усадки жидким металлом из прибыли затрудняется. Именно поэтому осевая неоднородность характери-зуется пористостью, проявляющейся в виде трещин, и сопровождается положительной ликвацией в направлении к прибыли. Чем ближе к нижней части слитка, тем слабее проявляется осевая ликвация и тем больше угол раскрытия между ветвями ее выделений.

Ликвация в осевой зоне слитка крайне опасна. Так как эффективность прокатки или ковки (проработка металла) уменьшается по мере приближения к центру слитка, подобные пороки устраняются с трудом. Особую опасность осевая пористость представляет для массивных деталей, испытывающих при работе большие радиальные усилия, например, роторов турбин и двигателей переменного тока.

Образование конуса осаждения характеризуется отрицательной ликвацией углерода и других примесей в этой зоне, что связано с накоплением кристаллов первичной кристаллизации, опускающихся в донную часть слитка. На нижних горизонтах слитка, куда опускаются кристаллы, вследствие мощного охлаждающего действия поддона, образуется зона вязкого металла, которая в конвективном и гравитационном перемещении металла не участвует. В зоне оседания кристаллов резко ускоряется кристаллизация, так как в этих участках наблюдается меньшее выделение скрытой теплоты кристаллизации. Тот факт, что в осях дендритов конуса осаждения встречаются силикатные включения, свидетельствует о том, что равноосные кристаллы в жидко-твердой зоне вначале преимущественно образуются на зародышах из неметаллических включений, а затем опускаются на нижние горизонты слитка.

В целом ликвация компонентов в процессе формирования крупных стальных слитков является результатом комплекса очень сложных явлений затвердевания, включая такие факторы, как макроликвация, образование дендритов, перемещение потоков обогащенного примесями остаточного расплава, в частности в переходной зоне затвердевания, конвекция в незатвердевшей части слитка, перенос и оседание кристаллов, крупномасштабные и локальные тепловые потоки и т.п.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 3.5

СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ