Машиностроение и механика

Строение стальных слитков

Классификация стали по степени раскисленности

Сталь в зависимости от технологии выплавки и, главным образом, от степени раскисленности подразделяют на спокойную, кипящую и полуспокойную. Спокойную сталь обычно раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Активность кислорода при этом понижается настолько, что полностью прекращается реакция окисления углерода. Разливка и кристаллизация спокойной стали идут без заметного газовыделения. Кипящую сталь лишь частично раскисляют марган­цем и в процессе ее разливки и затвердевания в изложнице активно идет процесс окисления углерода по реакции [О] + [С] = {СО}. Обильное выделение пузырьков СО и сопутствующих им водорода и азота создает впечатление кипения стали. Полуспокойная сталь по степени раскисленности и, соответственно, по интенсивности газовыде­ления в процессе кристаллизации занимает промежуточное положе­ние между спокойной и кипящей.

Особенности поведения стали в изложнице обусловливают разли­чие в технологии разливки и строении слитка той или иной стали.

Слиток спокойной стали

Строение слитка спокойной стали представлено на рисунке 21.

		1 — мост металла над раковиной; 2— усадочная ра­ковина; 3 — усадочные пустоты; 4 — осевая усадочная рыхлость; 5 — зона беспорядочно ориентированных равноосных кристаллов; 6 — мелкие равноосные кристал­лы; 7, 8 — зоны столбчатых кристаллов; 9 — столбчатые кристаллы, направленные к тепловому центру; 10 — конус осаждения Рисунок 21 – Строение слитка спокойной стали

Наружная зона образуется в момент соприкосновения жидкой стали с холодными стенками изложницы. Резкое переохлаждение металла вызывает образование очень большого числа зародышей и их быстрый рост, в связи с чем кристал­лы не успевают вырасти до значительных размеров и принять определенную ориен­тацию. Толщина корковой мелкокристал­лической зоны 6—15 мм, по­скольку охлаждение жидкого металла с большой скоростью длится очень недолго.

В дальнейшем скорость теплоотвода и охлаждения существенно падают, так как от­вод тепла замедляют корка затвердевшего металла, нагрев стенок изложницы и воз­душный зазор, образующийся между стен­ками изложницы и слитком вследствие его усадки. Вследствие замедления теплоотвода уменьшается переохлаждение и новых кристаллов почти не образуется. Продолжается рост кристаллов корковой зоны, причем растут главные оси кристаллов, на­правленные перпендикулярно стенке изложницы (поверхности ох­лаждения). Таким образом, формируется зона столб­чатых кристаллов, вытянутых параллельно направлению теплоот­вода. В крупных слитках с большим поперечным сечением наблюда­ется отклонение кристаллов к головной части слитка (к тепловому центру слитка).

Протяженность столбчатых кристаллов возрастает при увеличе­нии перегрева жидкой стали, при росте скорости отвода тепла от затвердевшей части слитка и увеличении поперечного сечения слетка; она зависит также от состава стали (ее теплопроводности).

В центральной части слитка направленный теплоотвод почти не ощущается, поскольку здесь мала скорость отвода тепла и, кроме того, затвердевающий здесь металл удален от всех стенок изложницы на одинаковое расстояние. Поэтому образующиеся кри­сталлы не имеют определенной ориентировки и получаются равно­осными. Вследствие замедленного теплоотвода и отсутствия замет­ного переохлаждения количество вновь образующихся кристаллов невелико, поэтому структура металла крупнозернистая.

Образование «конуса осаждения» в нижней части слитка обычно объясняют опусканием на дно изложницы кристаллов, зародившихся в объеме жидкого металла у фронта кристаллизации, а также обло­мившихся под воздействием потоков жидкого металла непрочных ветвей столбчатых кристаллов. Это опускание кристаллов происходит в силу разности плотностей затвердевшего и жидкого металла.

Важной особенностью затвердевания слитка является наличие двухфазной зоны между жидким и полностью затвердевшим метал­лом. Это зона, где сосуществуют оси растущих кристаллов и не­затвердевший металл в межосных пространствах. При увеличении протяженности двухфазной зоны возрастает время пребывания металла в двухфаз­ном состоянии и сильнее развивается химическая неоднородность.

Необходимо отметить наличие в затвердевающем слитке конвективных потоков жидкого металла. У фронта кристаллизации поток направлен вниз, в осевой части слитка — вверх. Движение вниз возникает потому, что у фронта кристаллизации жидкий металл пере­охлажден и имеет большую плотность, чем остальная его масса. Ско­рость потоков достигает 0,35 м/с; она тем больше, чем выше перегрев жидкой стали, поскольку при этом возрастает разность в температуре и плотности металла в объеме слитка и у фронта кристаллизации, По мере затвердевания слитка величина перегрева жидкого металла, а с ней и интенсивность потоков снижаются. Наличие конвективных потоков ведет к усилению химической неоднородности слитка.