Внутренние дефекты крупных стальных слитков
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Основные дефекты крупных стальных слитков

Внутренние дефекты

Внутренние дефекты стальных слитков связанны с кристаллическим строением, химической неоднородностью, нарушением сплошности металла из-за наличия усадочных дефектов, трещин, неметаллических включений.

Размер зерна литой стали зависит от ее химического состава. Некоторые марки стали, особенно никелевые и хромоникелевые, склонны давать крупное зерно. Увеличение содержания углерода и фосфора способствует увеличению размеров кристаллов. Крупнозернистая структура металла обусловливает невысокие механические свойства заготовок и готовых изделий и способствует получению грубых рванин при ковке и прокатке слитков.

Для получения мелкозернистой структуры слитка необходимо понижать температуру жидкой стали и скорость разливки. Весьма эффективным средством является применение внешних воздействий на кристаллизующийся металл, например, вибрации. Возможно применение отжига слитков (при этом достигается также снижение химической неоднородности), однако эта операция является трудоемкой и энергозатратной.

Как уже отмечалось в главе 3 (см. рис. 3.6), осевая зона слитка, затвердевая последней, имеет наиболее неблагоприятные условия для формирования твердой однородной структуры. В результате последовательной кристаллизации металла от стенок изложницы к центру в осевой зоне слитка образуется протяженный канал с жидким металлом. В интервалах между циклами оседания свободных дендритов из расплава в сформированном к этому времени кристаллическом каркасе продолжаются процессы затвердевания, сопровождающиеся ликвацией примесей.

Объемная усадка затвердевающего металла при этом обусловливает формирование в твердом каркасе внутренних напряжений, которые при низкой прочности стали в области температур затвердевания могут деформировать слоистую структуру, способствуя более четкому проявлению V-образного строения осевой зоны слитка. При последующем затвердевании изолированных осевых объемов внутри каждого из них происходит перемещение расплава на подпитку более низко расположенных горизонтов слитка, затвердевающих раньше. При этом расплав, компенсирующий усадку, поступает из вышележащих участков, которые, затвердевая последними, имеют максимальную пористость и рыхлость, что обусловливает пониженное значение их плотности и твердости. На заключительном этапе затвердевания прекращается восполнение усадки прибылью, а недостаток питающего расплава служит причиной образования усадочных пор и рыхлости в осевой зоне слитка.

Кроме того, в осевой зоне крупного слитка могут наблюдаться внутренние горячие трещины, которые обусловливаются высоким уровнем внутренних усадочных напряжений, возникающих в затвердевающем слитке, и развитием осевой химической неоднородности, существенно снижающей прочностные характеристики горячего металла. Как правило, эти трещины имеют V-образную форму и совпадают с расположением V-образной ликвации.

К образованию внутренних трещин особенно склонны слитки малотеплопроводных легированных марок стали. Внутренние трещины возникают при большой разности температур наружных (остывших) и внутренних (горячих) слоев слитка. Сжатию внутренних слоев слитка препятствуют уже остывшие наружные слои. Для предотвращения внутренних трещин нельзя допускать резкого охлаждения слитков. При ковке слитков с внутренними трещинами возникают так называемые «скворечники» (открытые полости на поверхности заготовок).

Наиболее склонной к поражению дефектами усадочного и ликвационного характера является область, расположенная непосредственно под прибылью слитка. Это, прежде всего, связано с тем, что она затвердевает едва ли не в последнюю очередь. Это обусловливает развитие высокой степени химической неоднородности в осевой зоне под прибылью. В крупных слитках степень ликвации углерода и серы в области, расположенной под прибылью, может составлять от 100 до 150% и более. Следовательно, в этом случае вполне вероятной представляется ситуация, когда металл головной и донной частей слитка будет соответствовать разным маркам стали. Это, в свою очередь, создает дополнительные затруднения при термообработке изделий.

На развитие ликвации влияет масса и геометрическая форма слитка, температура заливаемого металла, способ и скорость разливки, химический состав стали, скорость охлаждения слитка и пр. С увеличением диаметра слитка повышается продолжительность его затвердевания, в результате чего увеличивается сегрегация примесей в стали, а также интенсивность образования ликватов.

Следует отметить, что сталь в зонах, обогащенных ликватами, имеет пониженные механические свойства и быстрее подвергается коррозии.

В процессе затвердевания слитка образуется усадочная раковина, которая может проникать в тело слитка. Как правило, это происходит при неудачной форме слитка, недостаточном объеме прибыли или плохом ее утеплении, а также вследствие высокой температуры разливаемой стали.

Достаточно часто в подприбыльной области слитка образуется дополнительная усадочная полость, которая разделяется с усадочной раковиной, расположенной в прибыли, так называемым «мостом» (рис.6.9). Вероятность возникновения такого вида дефекта для крупных и сверхкрупных слитков представляется весьма высокой, а его устранение оказывается практически невозможным. Обычно этот дефект объясняют неправильной тепловой работой прибыли. В первую очередь, это относится к преждевременному охлаждению металла в прибыли, что благоприятствует образованию «моста». Идентификация такого дефекта методами визуального контроля оказывается практически невозможной, поэтому для его контроля в подприбыльной области высверливают специальную пробу (керн), позволяющую судить о качестве металла в этой области.

Образование вторичной усадочной раковины и «моста» в прибыли слитка массой 27 т

Рисунок 6.9 – Образование вторичной усадочной раковины и «моста» в прибыли слитка массой 27 т.

Осевые усадочные дефекты в крупных слитках удается в некоторой степени уменьшить путем улучшения питания тела слитка жидким металлом прибыли. Для этого уменьшают величину отношения H/D слитка до уровня 0,8–1,2 и увеличивают конусность его стенок до 16о. Прибыльная часть слитка в этом случае может достигать 25-28% из-за большого диаметра верхней части. Тем не менее, такой прием не всегда оказывается достаточно действенным.

Тепловая работа прибыли, как отмечалось в главе 5, может быть существенно улучшена применением экзотермических вставок и смесей.

Одним из эффективных технологических приемов, позволяющих предотвратить образование «моста», является доливка прибыли крупного слитка по ходу затвердевания металлом, который выплавлен в небольшой печи с коррекцией химического состава по содержанию углерода и легирующих элементов. Такой технологический вариант является достаточно сложным в операционном плане и требует дополнительных затрат, которые, однако, могут быть компенсированы стоимостью конечной поковки.

При изготовлении поковок из крупных слитков особую опасность с точки зрения возникновения продольных внутренних трещин имеют шнуры внецентренной ликвации, которые представляют собой округлые нити диаметром от 2 до 10 мм и длиной 0,5-2 м и более, расположенные вертикально под углом к оси слитка в его теле на расстоянии 0,3-0,8 внешнего радиуса слитка. Шнуры внецентренной ликвации обычно располагаются от нижней части прибыли до конуса осаждения и представляют собой заполненные металлом вытянутые округлые полости, обогащенные ликвирующими примесями и почти не имеющими дендритной структуры. Шнуры в наибольшей степени обогащены серой (степень ликвации свыше 200%) и значительно в меньшей степени - углеродом и фосфором. Вследствие этого температура плавления некоторых участков шнуровой ликвации существенно снижается. Отсутствие дендритной структуры в шнуре приводит к резкому провалу показателей механических свойств поперечных образцов небольшого сечения при попадании шнура в зону разрушения.

При изготовлении поковок особую опасность несут шнуры, расположенные вблизи их наружной поверхности. На практике даже известны случаи самопроизвольного разрушения (растрескивания) готовых изделий из-за наличия зон с большим количеством ликвационных шнуров. С увеличением массы слитков шнуры увеличиваются в диаметре и в протяженности.

При исследовании, например, продольных разрезов 142 т кузнечного слитка установлено, что шнуры внецентренной ликвации начинают появляться на расстоянии 350–400 мм от поверхности слитка и периодически распространяются на глубину около 800–1000 мм по среднему радиусу темплета. Угол наклона шнуров к вертикальной оси меняется по высоте слитка: внизу шнуры практически параллельны поверхности слитка, а вверху наклон достигает 60о.

Характерной особенностью строения шнуров внецентренной ликвации (рис.6.10) является то, что со стороны изложницы они имеют четко выраженную границу, а с противоположной – размытую. Такое строение шнуров, вероятно, свидетельствует о том, что они являются следами всплывания легкоплавких ликватов после их периодического накопления на границах твердо-жидкой и размытой жидко-твердой зоны затвердевающей стали. Движущиеся ликваты при этом растворяют часть ветвей дендритов и по пути перемещения вверх образуют каналы шнуровой ликвации.

Фрагмент макроструктуры разреза кузнечного слитка в районе «шнуров» внецентренной ликвации

Рисунок 6.10 – Фрагмент макроструктуры разреза кузнечного слитка в районе «шнуров» внецентренной ликвации

На заготовках «шнуры» проявляются в виде так называемой пятнистой ликвации. Этот дефект обнаруживают на поперечных разрезах заготовок (темплетах) в виде отдельных участков металла с повышенным содержанием серы.

В целом подавление шнуров внецентренной ликвации в крупных слитках является крайне сложной технологической задачей. Наиболее эффективным средством является уменьшение содержания кремния в стали (см. главу 3) и разливка слитков в вакуумкамерах. Определенного эффекта в ряде случаев удается достигнуть за счет изменения отношения высоты слитка к его диаметру, что обеспечивает смещение шнуров внецентренной ликвации из дефектоопасных зон изделия.

Помимо зональной ликвации на снижение механических свойств сталей оказывает влияние дендритная ликвация. Наличие на границах зерен значительного количества серы, фосфора, оксидов или карбидов приводит к появлению микротрещин, которые выявляются на шлифах при металлографических исследованиях.

Весьма опасным внутренним дефектом в крупных слитках являются флокены, представляющие собой внутренние разрывы металла в форме тонких волосных трещин. В изломе они проявляются в виде пятен (хлопьев) серебристо-белого цвета. Флокены обычно образуются в поковках крупных сечений при резком охлаждении заготовок и связанны с достаточно высоким содержанием водорода в металле.

Содержание примесей и легирующих элементов существенно влияет на чувствительность стали к образованию внутренних дефектов. С увеличением ширины эффективного интервала затвердевания, горячеломкость стали увеличивается.

Известно отрицательное влияние примесей цветных металлов на служебные и технологические свойства стали. В процессе кристаллизации слитков имеет место значительная ликвация олова, свинца, висмута и сурьмы. Так, через 2,5-4,0 ч после наполнения изложницы содержание их в центральных зонах слитка может превосходить исходные значения в 1,3-2,7 раза.

Уровень содержания удаляющихся при вакуумировании примесей (Pb, Bi) в жидкой части кристаллизующегося слитка существенно ниже, чем в слитке, отлитом на воздухе. В то же время ликвация в первом случае увеличивается в связи с понижением вязкости металла, повышением интенсивности и длительности перемешивания жидкой части кристаллизующегося слитка.

Принято считать, что молибден, также как и никель, почти не ликвирует. Однако, при содержании молибдена в стали 0,6-1,0% ликвация его значительна. Так в слитке массой 37,5 т разница между содержанием молибдена вверху и внизу слитка составляет 0,1% при плавочном содержании его 0,67%. В поковках из слитка массой 65 т разница в содержании молибдена между верхней и нижней частью поковки достигает 0,19% при содержании молибдена 0,9-1,0%. Коэффициент ликвации молибдена в этом случае составляет 20%.

Таким образом, высокая физическая и химическая однородность крупных слитков обеспечивается путем низкого содержания примесей, прежде всего, серы и фосфора, а также кремния (менее 0,05%). При этом технологическая система производства крупных слитков должна предполагать глубокое раскисление стали и доливку прибыли слитков в ходе их затвердевания.