Дефекты поверхности непрерывнолитых заготовок

Основными дефектами поверхности непрерывнолитой заготовки являются: продольные трещины (по углам и граням); поперечные трещины; пояса; завороты корки; заливины; шлаковые включения; газовые пузыри.

Продольные поверхностные трещины представляют собой нарушения сплошности в виде разрывов металла. Образование трещин в непрерывнолитом слитке связано с внутренними напряжениями, возникающими в процессе его формирования, и обусловлено пониженной прочностью и пластичностью в различных температурных интервалах.

Поверхностные продольные трещины, связанные с искажением профиля слитка, являются результатом повышенной ромбичности заготовок, ужимин на поверхности или выпучивания граней НЛЗ. Трещины данного вида распространяются изнутри заготовки вдоль диагонали между тупыми углами (рисунок 4.7). Обычно такая трещина сворачивает в сторону от диагонали непосредственно перед углом и появляется на поверхности около угла, где корка слитка наиболее тонкая.

Этот дефект заготовки при его грубом развитии может привести к прорыву металла при нахождении слитка в ЗВО.

Продольные трещины, не связанные с искажением профиля непрерывнолитой заготовки, могут иметь вид от коротких нитевидных (иногда не видимых без зачистки поверхности) до грубых со значительной шириной раскрытия. Такие трещины могут располагаться непосредственно по углам, а также на некотором смещении от углов или по граням заготовок (рисунок 4.8).

На образование продольных трещин определенное влияние оказывает величина углового радиуса (сопряжения) гильз кристаллизаторов. Считается, что при угловом радиусе гильз выше оптимального на заготовках могут появляться трещины по вершинам углов, при пониженном угловом радиусе – околоугловые трещины.

Рисунок 4.8 – Продольные поверхностные трещины: околоугловая (а) и посередине широкой грани сляба (б)

Поперечные поверхностные трещины располагаются по углам или граням непрерывнолитой заготовки в поперечном направлении, то есть, перпендикулярно направлению разливки металла (рисунок 4.9). Поперечные трещины могут располагаться посередине граней, а также в углах заготовки.

Рисунок 4.9 – Поперечные поверхностные трещины на грани сортовой заготовки (а, б) и сляба (в, г), а также на угловых участках (д, е)

Основными причинами возникновения поперечных трещин являются избыточная конусность или деформация рабочей поверхности кристаллизатора, недостаточное количество смазки или ШОС в кристаллизаторе, отклонения в центровке кристаллизатора относительно технологической оси ручья, отклонения при возвратно-поступательном движении кристаллизатора от рабочей траектории и т.п. Все это вызывает увеличение сил трения между слитком и рабочей поверхностью кристаллизатора.

Одним из основных факторов, определяющих возможность образования поперечных трещин на поверхности заготовок, является настройка режима качания кристаллизатора.

Отклонения в работе механизма качания (люфты, биения), могут привести к изменению параметров, влияющих на формирование твердой корочки, стать причиной ее подвисания в кристаллизаторе или разрыва сплошности оболочки. При образовании поперечных трещин в кристаллизаторе возможно образование наплывов металла, что значительно ухудшает качество поверхности непрерывнолитой заготовки и требует ее зачистки.

Еще одной причиной образования поперечных трещин может явиться операция разгиба заготовки в случае, если она переохлаждена ниже области горячей пластической деформации.

Пояс является грубым технологическим дефектом, который легко идентифицируется на поверхности заготовки. Он охватывает практически весь периметр слитка (рисунок 4.10).

Пояса, как правило, образуются из-за перерыва в подаче металла в кристаллизатор, либо при чрезмерно резком понижении скорости разливки, особенно при низкой температуре стали. При этом верхний край затвердевшей корки по всему периметру кристаллизатора окисляется и при возобновлении разливки в этом месте образуется пояс. Пояс является слабым местом в слитке, так как одновременно с окислением по контуру затвердевшей корки слитка происходит и окисление мениска. Грубые пояса, как правило, не поддаются зачистке и их вырезают из слитка, что обусловливает дополнительные потери металла.

Рисунок 4.10 – Пояс на поверхности заготовки

Завороты корки. Завороты корки образуются в тех случаях, когда окисленная корка металла увлекается с мениска на поверхность слитка. Чаще всего данный дефект, например, возникает при разливке «холодного» металла, что обусловливает появление кусочков твердой фазы на мениске. Значительное развитие этот дефект получает при разливке сталей с пониженной жидкотекучестью или содержащих легко окисляющиеся элементы.

Заливины образуются в результате попадания жидкого металла в зазор между корочкой слитка и стенкой кристаллизатора, образующийся вследствие искривления мениска в области их соприкосновения (рисунок 4.11).

Рисунок 4.11 – Продольное сечение образца заготовки в месте расположения заливины (а) и ее фото на поверхности заготовок (б, в)

Образование заливин наиболее вероятно при перерывах в подаче металла в кристаллизатор, недостаточной или неравномерной смазке стенок кристаллизатора, значительных колебаниях уровня металла в нем, разливке металла с пониженной скоростью и температурой и т.п. Заливины образуются также в случае прорыва оболочки слитка.

В целом для предупреждения таких дефектов как пояса, завороты корочки слитка, заливины необходимо предотвращать затягивание дозирующих узлов промежуточных ковшей, минимизировать амплитуду колебаний уровня металла в кристаллизаторе, оптимизировать режимы работы смазки его рабочей поверхности, обеспечивать стабильность скорости разливки и пр.

Шлаковые включения. Шлаковые включения, встречающиеся на поверхности НЛЗ и проникающие внутрь металла, являются многофазными, преимущественно силикатного характера. В сортовых заготовках крупные шлаковые включения чаще встречаются в районе ребер.

Шлаковые включения на поверхности непрерывнолитых заготовок появляются вследствие размыва огнеупоров ковшей, затягивания шлака из промежуточного ковша и с зеркала кристаллизатора, всплытия в кристаллизаторе продуктов раскисления стали, колебаний уровня металла и т.п.

Для углеродистых сталей, раскисленных преимущественно кремнием и марганцем, существенную роль играет величина отношения марганца к кремнию. При низком отношении Mn/Si, образующийся шлак располагается на зеркале металла в кристаллизаторе и загрязняет поверхность заготовки. При повышенном отношении Mn/Si в стали вынос шлака на поверхность металла в кристаллизаторе затруднен, и шлак может быть обнаружен в качестве макроскопических оксидных включений внутри слитка. На практике рекомендуется поддерживать отношение марганца к кремнию в стали на уровне 3,0-3,5.

Значительное количество шлаковых включений на мениске металла в кристаллизаторе может привести к массовым прорывам твердой оболочки заготовки в зоне вторичного охлаждения под кристаллизатором.

Основные меры, позволяющие снизить загрязненность непрерывнолитого слитка шлаковыми включениями заключаются в следующем: соблюдение заданных режимов раскисления стали; соблюдение температурных режимов; применение эрозионно стойких огнеупорных материалов; поддержание постоянного уровня металла в промковше и кристаллизаторе; правильный подбор ШОС и равномерная подача ее в кристаллизатор.

Поверхностные пузыри представляют собой весьма характерный дефект в виде единичных или групповых пор, пустот округлой или вытянутой формы (рисунок 4.12).

Рисунок 4.12 – Пузыри и поры на поверхности непрерывнолитой сортовой заготовки (а) и сляба (б)

Пузыри на поверхности непрерывнолитой заготовки могут быть результатом газовыделения при затвердевании слитка, при сгорании смазки в кристаллизаторе, при использовании огнеупоров и шлакообразующих смесей с повышенной влажностью и т.п.

Наибольшее влияние на пораженность заготовки этим дефектом оказывает уровень «свободного» кислорода в стали. Ввиду высокой скорости охлаждения слитка, присущей процессу непрерывной разливки, в металле присутствует «свободный» кислород для образования окиси углерода. Чтобы избежать образования газовых пор, уровень «свободного» кислорода в стали должен быть снижен до минимального уровня (особенно при разливке низкоуглеродистых марок стали), поэтому очень важно в технологическом плане эффективное проведение операции раскисления стали.

Избыточное количество смазки в кристаллизаторе, повышенное содержание влаги в масле или ШОС могут привести к образованию поверхностных газовых пузырей.

Расход смазки (масла) при подаче стали в кристаллизатор открытой струей должен быть установлен на минимальном уровне, достаточном для исключения подвисаний слитка на его стенках. На практике рекомендуется ограничивать содержание влаги в смазке (масле).

Паукообразные (звездообразные) трещины (рис. 4.13) характерны, прежде всего, для перитектического класса сталей (содержание углерода 0,12-0,18%).

Рисунок 4.13 – Паукообразные трещины (а), сетчатые и поперечные трещины на следах качания кристаллизатора (б)

Они представляют собой тонкие трещины длиной несколько миллиметров в виде расходящихся лучей «звезд» и т.п. Они образуются под поверхностью непрерывнолитой заготовки, что затрудняет их визуальное обнаружение непосредственно после охлаждения. Однако при последующей прокатке они раскатываются в трещины или разрывы, что приводит к дефектам металлопродукции. На практике для сталей, подверженных появлению паукообразных трещин, осуществляется дополнительный контроль заготовок посредством механической зачистки поверхности (например, «змейкой»), глубиной 1-2 мм.

Поскольку формирование паукообразных трещин происходит в кристаллизаторе, то наиболее эффективным средством их подавления является применение ШОС, которые несколько снижают отвод тепла от твердой корочки.