Дефекты слитков легированных сталей и выбор оптимальных условий разливки

Строение и механизм образования окисной плены и корочки на поверхности жидкого металла в изложнице

В процессе разливки на поверхности жидкого ме­талла в изложнице или уже непосредственно в прибы­ли возникает плена окислов, снизу у которой нараста­ет слой металла и образуется более или менее грубая корочка, достигающая толщины 5—25 мм.

Детальное исследование процесса пленообразова ния на открытой поверхности жидкой стали было вы­полнена В. Г. Грузиным [19]. Он отмечает, что образо­вание плен определяется главным образом химическим составом стали, температурой разливаемого металла и составом газовой фазы над его поверхностью. При вы­соких температурах, когда давление диссоциации окис­лов компонентов жидкого сплава превышает парциаль­ное давление кислорода в газовой фазе, окисная плена на поверхности сплава не образуется. При понижении температуры металла, когда достигается равенство парциального давления кислорода и давления диссо­циации окислов, возникают условия существования окисной плены.

Путем непосредственных наблюдений, выполнен­ных с помощью специально сконструированного пле- носкопа, В. Г. Грузиным было установлено, что у большинства легированных сталей и сплавов при до­стижении температуры пленообразования окисная плена на поверхности жидкого металла возникает практически мгновенно, а у малоуглеродистой стали ее образование происходит во времени в некотором интервале температур.

Весьма большое влияние на пленообразование оказывают содержащиеся в стали химические элемен­ты, обладающие большим сродством к кислороду: алюминий, титан, хром и кремний. Например, при по­вышении содержания хрома в малоуглеродистой ста­ли от 0 до 15% температура начала пленообразования увеличивается от 1620 до 1750°С. Сталь, легированная алюминием, даже при очень высокой температуре имеет на поверхности плотную непрерывную плену.· Одновременное присутствие в стали хрома и титана резко увеличивает ее склонность к пленообразованию.

Температура начала пленообразования на углеро­дистой стали около 1530°С, причем плена возникает очень тонкая и жидкоподвижная. Никель, кобальт и молибден почти не окисляются и понижают склон­ность стали к пленообразованию. В табл. 13 приведе­ны результаты спектрального, химического, рентгено­структурного и петрографического анализов пленок, снятых с открытой поверхности жидкой стали мар­ки 15Л и сплава 10Х15Н15КЗТЛ (0,1% С; 15% Cr; 15% Ni; 3% Co; 2% Mo; 1% W). Из таблицы видно, что пленки состоят в основном из окислов хрома, кремния, титана, железа и марганца.

Таким образом, уменьшить пленообразование на сталях, легированных легко окисляющимися элемен­тами, можно, лишь создав восстановительную или ней­тральную атмосферу.

По мере остывания металла коэффициент черноты пленки возрастает почти в два раза (до величины, близкой к единице), и суммарное излучение поверхно­сти металла резко увеличивается. В результате этого охлаждение поверхности металла происходит уско­ренно по отношению ко всей массе жидкого металла, и под пленой начинает быстро нарастать слой кристал­лов, т. е. образуется корочка той или иной толщины.

При обычной разливке спокойной стали корочка часто образуется еще в процессе наполнения изложни­цы, а при разливке по режиму с «чистым зеркалом» она возникает, как правило, уже непосредственно б прибыли, когда значительно снижается скорость раз­ливки, циркуляция металла и увеличивается конвек­тивный отвод тепла с открытой поверхности.

Исследованию корочек, образующихся при разлив­ке стали марок 1Х18Н9Т, 60ХНМ, 13Х14НВФРА, ШХ15 и 18Х2Н4ВА, был посвящен ряд работ. [20—23]. Однако эти исследования не были достаточно полны­ми и охватывали весьма ограниченный круг марок стали.

Позже, с целью уточнения механизма образования ряда дефектов поверхности и макроструктуры слит­ков, связанных с разливкой стали, было проведено си­стематизированное исследование около 50 корочек, об­разовавшихся на поверхности жидкого металла при сифонной разливке в слитки 2,7—4,6 Ma (т) стали широкого марочного сортамента.

Корочки извлекались из прибыльной части слитка перед засыпкой люнкеритом. Химический состав ме­талла определяли из верхней и нижней частей короч­ки и сравнивали с маркировочным анализом. Результа­ты анализа показали, что содержание, марганца, хрома, никеля, молибдена, вольфрама, серы и фосфо­ра в корочках близко к марочному анализу и какой- либо закономерности в отдельных отклонениях не на­блюдается. Содержание углерода, титана и азота в корочках некоторых сталей значительно отличается от марочного анализа (табл. 14). Так, в корочке стали 1Х18Н10Т содержание углерода повышено по сравне­нию с металлом слитка, а у высокоуглеродистых ста­лей ШХ15 и У8А более низкое. Такая особенность свя­зана, по-видимому, с наличием большого количества карбонитридов титана в корочке стали 1Х18Н10Т. По­нижение содержания углерода у высокоуглеродистых сталей может быть объяснено процессами окисления углерода, происходящими в корочке в большей степе­ни, чем в малоуглеродистом или легированном ме­талле.

Содержание титана в корочках сталей, легирован­ных титаном (1Х18Н10Т, Х25Т, 1Х21Н5Т, ЗОХГТ), в два-три раза, а азота в пять-десять раз выше, чем в ос­новном металле. Наиболее высокое содержание тита­на и азота, наблюдавшееся в нижней части корочки, подтверждает данные, полученные ранее [20].

На механизм попадания азота (нитридов) в окисные плены и корочки имеются различные взгляды.

Так, Ю. А. Шульте [23] считает, что стали, содер­жащие нитридообразующие элементы, при контакте с воздухом в значительной степени загрязняются ни­тридными включениями. Ассоциации нитридных и оксидных включений с еще большей скоростью, чем одни оксиды, образуют грубые поверхностные плены.