Основные дефекты крупных стальных слитков

Поверхностные дефекты

Качество крупного стального слитка определяется чистотой стали, его физической и химической неоднородностью, а также наличием поверхностных и внутренних дефектов. В крупных слитках линейные размеры дефектов могут составлять как несколько метров (ликвационные дефекты и трещины), так и несколько десятков микрометров (скопления неметаллических включений). Ряд дефектов достаточно трудно идентифицировать непосредственно в слитке (методами неразрушающего контроля). Это собственно приводит к тому, что проявление этих дефектов происходит либо в поковке, либо в готовом изделии. На практике для получения качественных слитков стремятся оптимизировать систему параметров выплавки, ковшевой обработки и разливки стали с учетом конкретных требований к продукции.

Поверхность слитка в значительной степени характеризует его качество, так как образующиеся на ней дефекты остаются и при последующем переделе заготовки. Поверхностные дефекты слитков проникают вглубь тела на несколько миллиметров (5-20 мм) и проявляются в процессе их последующей ковки и механической обработки в виде разрывов поверхности получаемых заготовок и изделий. Устранение этих дефектов (вырубкой, огневой или холодной зачисткой) является одной из наиболее трудоемких операций обработки заготовок (рис.6.1). При этом далеко не всегда удается устранить выявленные дефекты в полной мере.

Рисунок 6.1. - Общий вид кузнечных слитков с поверхностными деффектами

Образование поверхностных дефектов происходит в ходе заполнения изложницы и в период затвердевания наружных слоев слитка. Основными поверхностными дефектами принято считать: плены, горячие трещины, пояса, подкорковые пузыри, отпечатки от сетки разгара изложницы и пр.

Плены являются одним из наиболее часто встречающихся и довольно трудным для устранения видом поверхностных дефектов слитка. Они представляют собой участки поверхности слитка, на которых явно выделяется корка, образовавшаяся в результате разливки (рис.6.2). Основной причиной возникновения этого вида дефектов является интенсивное брызгообразование во время заполнения изложницы металлом. Попавшие на ее стенки брызги металла быстро затвердевают и окисляются. В процессе разливки сверху процесс брызгообразования особенно интенсивно протекает в момент удара струи жидкой стали о поддон или днище изложницы. Значительного снижения разбрызгивания струи можно добиться за счет выбора рациональной формы донной части слитка.

Рисунок 6.2 – Плены на поверхности многогранного (а) и круглого (б) слитков

Образованию плен способствует небрежная сборка канавы: смещение оси промежуточного ковша относительно оси изложницы, косая установка разливочного стакана и т.п.

Считают, что увеличение скорости разливки приводит к снижению количества плен, так как в этом случае стальная корка на поверхности изложницы приваривается к телу слитка без образования дефекта. Склонность плен к завариванию зависит от интенсивности двух одновременно протекающих процессов – скорости затвердевания и скорости окисления плены. Плена сваривается со слитком, если уровень жидкого металла успел подняться и войти с нею в контакт до полного затвердевания плены.

Радикальное решение проблемы улучшения чистоты поверхности слитка обеспечивается переходом на сифонную разливку стали. Однако, в процессе сифонной разливки плены могут образоваться при фонтанировании металла, входящего с большой скоростью в изложницу. Плены также возникают в том случае, когда происходит разбрасывание металла к стенкам изложницы на выходе из концевого сифонного кирпича. На практике в качестве технологических мер борьбы с пленами при сифонной разливке применяют повышение температуры разливки стали, увеличение выходного отверстия концевого сифонного кирпича, а также разливку под теплоизолирующими смесями. Отливка слитков под вакуумом во многом устраняет образование плен, т.к. истекающая в вакууме струя раздробляется на множество мелких капель и струек и разбрызгивание от удара о поддон прекращается. Отсутствие окислительной атмосферы также благоприятно сказывается на качестве поверхности слитка. Однако, при разливке в вакуумной камере необходимо следить за центровкой струи по оси изложницы и принимать меры к предотвращению ее чрезмерного раскрытия.

Горячие трещины (продольные, угловые, поперечные и др.) возникают при температуре, близкой к температуре кристаллизации (то есть тогда, когда твердая корочка формирующегося слитка не имеет достаточной прочности) и относятся к поверхностным дефектам. Трещины этого вида появляются как в процессе наполнения изложницы, так и сразу после его завершения. Они проникают на глубину до 50-60 мм, а их длина может достигать одного метра и более. В отдельных случаях продольные трещины распространяются по всей длине слитка и проникают на значительную глубину. Особенно склонны к горячим трещинам марки стали с низким содержанием углерода. На рис.6.3 показан общий вид продольной трещины в листовом слитке массой 30 т.

Существенно увеличивают чувствительность стали к образованию горячих трещин такие элементы как фосфор, сера и кислород. Для достижения требуемых механических свойств крупных поковок многими исследователями рекомендуется, чтобы суммарное содержание этих элементов было менее 0,010%.

Присутствие марганца ослабляет вредное влияние серы вследствие того, что железомарганцевые сульфиды более тугоплавки и присутствуют в стали в твердом виде при более высоких температурах, чем сульфиды железа. Склонность стали к образованию горячих трещин уменьшается с повышением величины отношения Мn/S. По данным многих исследователей для предотвращения образования горячих трещин необходимо иметь отношение Мn/S > или = 20-30.

Рисунок 6.3 – Общий вид продольной трещины на поверхности листового слитка массой 30 т

Причины нарушения сплошности затвердевающего металла в виде поверхностных трещин заключаются в следующем. При попадании жидкой стали в изложницу происходит ее быстрое охлаждение до температуры ликвидуса за счет интенсивного отвода тепла холодными стенками, после чего начинается процесс быстрого наращивания твердой корочки. В результате резкого снижения температуры поверхностные слои слитка сжимаются, однако этому препятствуют более горячие внутренние слои, имеющие меньшую усадку, а также силы трения между поверхностью слитка и стенками изложницы. Это приводит к возникновению высокого уровня термических и усадочных напряжений в его твердом каркасе. По мере образования зазора между стенками изложницы и слитком, в его корочке появляются напряжения, вызываемые ферростатическим давлением. Максимального значения эти напряжения достигают в момент полного отхода корочки от внутренней поверхности изложницы.

С образованием газового зазора между слитком и изложницей теплопередача к изложнице резко снижается и охлаждение наружных слоев слитка существенно замедляется. Более же глубокие слои с температурой выше, чем у наружных слоев, отдают им теплоту перегрева и скрытую теплоту кристаллизации, охлаждаясь при этом с более высокими скоростями, чем наружные.

Таким образом, основной причиной образования горячих продольных трещин следует считать высокий уровень усадочных напряжений, возникающих при торможении усадки слитков в изложнице и при неравномерной усадке по высоте и периметру слитка. Образование таких трещин связывают с температурой разливки, а ее повышение увеличивает вероятность образования трещин. Горячие трещины также часто появляются при наличии на внутренней поверхности изложниц различных дефектов, увеличивающих трение между ее стенками и слитком и тормозящими усадку.

Существенное влияние на появление трещин оказывает конструкция внутренней полости изложницы - форма поперечного сечения, угловые радиусы, конусность. Установлено, что трещины образуются, как правило, в местах с затрудненным теплоотводом от слитка. Необходимо иметь в виду, что хорошему теплоотводу препятствует образующийся газовый зазор между слитком и изложницей. Он образуется сначала в верхней части слитка, где ферростатическое давление на корочку невелико, а затем последовательно перемещается к середине слитка и в последнюю очередь – к нижней.

Многими исследователями отмечается, что концентрация напряжений происходит на определенных участках поверхностного слоя слитка. Такими участками у слитка являются углы, где газовый зазор из-за интенсивного двумерного теплоотвода образуется раньше, чем на гранях. Известно, что чем больше радиус закругления углов слитка, тем менее прочной оказывается твердая корочка и тем больше продольных и угловых трещин получается при усадке слитка.

В определенной степени регулировать величину возникающих в корочке напряжений можно изменением внутреннего профиля стенок изложницы. Склонность к трещинам можно уменьшить увеличением периметра сечения изложницы при постоянной ее площади. Так, придание грани слитка некоторой выпуклости способствует снижению растягивающих напряжений, возникающих под действием ферростатической нагрузки. Из металлургической практики также известно, что слитки с вогнутыми гранями также менее склонны к образованию продольных трещин.

Резкое охлаждение слитков до температуры ниже 500-600°С приводит к образованию продольных холодных трещин из-за неравномерного сжатия различных слоев металла.

Поперечные трещины возникают в случае так называемого «подвисания» слитков при образовании заливин (рис.6.4), пригара футеровки прибыльной надставки к головной части слитка, а также при наличии в изложнице выступов, углублений и шероховатостей, препятствующих естественной усадке слитка. Вследствие препятствия свободной усадке в этом случае возникают значительные растягивающие напряжения, прочность корочки становится недостаточной и на поверхности слитка образуются поперечные трещины (рис.6.5).

Рисунок 6.4 – Заливина, образовавшаяся на крупном листовом слитке в результате затекания металла под прибыльную надставку

Рисунок 6.5 – Общий вид поперечной трещины, образовавшейся при зависании слитка в изложнице

В случае временного прекращения истечения стали в процессе наполнения изложницы на слитке по периметру образуется так называемый «пояс» (рис.6.6). При разливке холодного металла с малой скоростью вблизи поверхности слитка могут скапливаться пузыри и неметаллические включения, которые также являются причиной возникновения поясов. Для предотвращения образования этого дефекта скорость разливки должна строго соответствовать температуре разливаемой стали.

Рисунок 6.6 – «Пояса» на поверхности нижней части блюмингового слитка

Подкорковые пузыри (рис.6.7) располагаются между равноосными мелкодендритными кристаллами поверхностной зоны и зоной столбчатых кристаллов на глубине до 15мм. Газовые пузыри в подкорковой зоне слитка вызывают, как правило, возникновение рванин при осадке заготовок под прессом.

Рисунок 6.7 – Подкорковые пузыри у поверхности листового слитка массой 27 т (поперечный разрез слитка)

Появление газовых пузырей в закристаллизовавшемся металле обычно связывают с выделением оксида углерода в начальный период затвердевания слитка. Крупным вытянутым пузырям сопутствует большое количество неметаллических включений типа сульфидов и стеклообразных силикатов. Установлено, что процесс образования подкорковых пузырей в слитках спокойной стали проходит особо интенсивно при недостаточном ее раскислении и повышенном содержании в ней водорода, а также в случае неправильной покраски или попадания влаги в поры внутренней поверхности изложницы.

При сифонной разливке стали с применением шлако-образующих смесей поверхность слитка бывает поражена шлаковыми включениями или остатками нерасплавившейся смеси. Наличие такого рода включений также является одной из причин появления подкорковых пузырей.

Основными способами предотвращения подкорковых пузырей является правильное раскисление стали и ее дегазация перед разливкой посредством вакуумирования, а также чистка изложниц, применение оптимальных составов покрытий внутренней поверхности изложницы (они должны обеспечивать хорошее смачивание жидким металлом стенок изложниц), хорошо налаженный контроль состояния изложниц и своевременная их отбраковка в случае обнаружения существенных дефектов.

Если подкорковые пузыри, находящиеся в глубинных слоях металла, не имеют сообщения с поверхностью слитка, не загрязнены ликватами и неметаллическими включениями, то они обычно завариваются при ковке или прокатке.

Пораженность поверхности слитков дефектом типа «газовый пузырь» увеличивается при разливке холодного металла. Однако, как ранее отмечалось, высокая температура разливаемой стали приводит к пораженности поверхности слитка горячими трещинами.

Уменьшение температуры разливки стали ниже оптимальной, равно как и скорости разливки, приводит к появлению дефекта «заворот корки». Попадание окисленной корочки внутрь слитка приводит к образованию пузырей и загрязнению стали неметаллическими включениями. При ковке и прокатке завороты корки способствуют образованию трещин.

Особенно грубые завороты получаются при наполнении изложницы металлом с перерывами струи.

Отпечаток сетки разгара (рис.6.8) является следствием частичного разрушения внутренней поверхности изложницы. Такое разрушение изложницы приводит к изменению ее внутренней конфигурации в поперечном сечении и соответственно приводит к нарушениям геометрической формы слитка. Возможными последствиями этого являются технологические затруднения в извлечении слитка из изложницы, а также его «подвисание» в процессе охлаждения. На практике в случае обнаружения такого дефекта внутренняя поверхность изложницы подвергается ремонту или изложница заменяется на новую.

Рисунок 6.8 – Сетка разгара на внутренней поверхности изложницы (а) и вызываемые ею дефекты поверхности слитка (б)