Стальной слиток. Том 1. Управление кристаллической структурой
Самойлович Ю.А. и др.
Мн.: Беларуская навука, 2000 г.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КУЗНЕЧНОМУ СЛИТКУ
Технологические требования к слитку, поступающему на обработку давлением, могут быть сформулированы следующим образом:
размеры и соотношения объемов годной (корпуса слитка), прибыльной и донной частей слитка должны соответствовать чертежным;
поверхностная зона должна быть достаточно прочной и однородной, без грубой глубокой сетки от разгара изложницы, плен и складок в виде заворотов, поверхностных открытых пузырей в виде оспы, продольных и поперечных трещин;
внутреннее строение слитка должно быть предельно однородным, с минимальным развитием осевой и зональной ликвации, без трещин и пустот; недопустимы подкорковые пузыри и окисленные корки металла; структура металла должна характеризоваться однородностью по зернистости, отсутствием усадочных дефектов, неметаллических макровключений при допустимом количестве микровключений;
химический состав слитка при удовлетворении указанным требованиям должен обеспечивать высокие механические и другие свойства при минимальном содержании вредных примесей.
Я. Μ. Охрименко [2] указывает, что при ковке слитков возможно решить следующие четыре задачи: придать заготовке заданные форму и размеры; полностью или частично устранить дефекты литой структуры (пустоты, ликвации, сегрегации, поверхностные трещины и т. п.); преобразовать литую (дендритную) макроструктуру металла для улучшения механических свойств; получить оптимальную микроструктуру металла при минимальных остаточных напряжениях.
Преимущество ковки Я. М. Охрименко видит в возможности не только придавать заготовке заданную форму и улучшать структуру и механические свойства обрабатываемого металла, но и исправлять (целиком или в большей мере) дефекты литою металла. Это особенно важно для крупных слитков, которые отличаются большим количеством пузырей, плен и других несплошностей, а также повышенной зональной ликвацией.
По мнению П. В. Камнева [1], технология выплавки и разливки стали еще недостаточно обеспечивает получение крупных кузнечных слитков, свободных от неметаллических включений, усадочной рыхлости, усов и других дефектов, причем чем больше масса слитка, тем больше в нем дефектов.
При рассмотрении требований, предъявляемых к литому металлу, можно подметить следующую особенность. Помимо показателей слитка, обеспечивающих решение основной задачи (придание заготовке данной формы и размеров), детально перечисляются дефекты слитка, затрудняющие процесс обработки давлением. Иначе говоря, требования к качеству литого металла в значительной мере формируются по принципу «чего не должно быть в структуре слитка». Подобный, негативный характер требований к качеству слитка обусловлен тем, что традиционный способ разливки стали по изложницам не может обеспечить однородность литого металла — однородность дендритного строения, распределения легирующих элементов и неизбежных примесных включений.
Указанное противоречие между современными требованиями к качеству литой стали и качеству слитка, получаемого традиционным способом разливки по изложницам, особенно рельефно проявляется при изготовлении крупных и сверхкрупных слитков, необходимых современному машиностроению.
Сооружение гигантских океанских судов и крупных атомных реакторов нуждается в широкоформатных листовых слитках массой до 150 т (в наши дни выплавляют листовые слитки массой до 60...70 т). Для создания опорных валков для листовых прокатных станов 5000 требуются поковки массой 250 т. При обычной выплавке по изложницам для изготовления такой поковки требуется слиток массой 400...500 т. Примеры необходимости получения крупнотоннажных слитков высокого качества можно пополнить.
Используя терминологию системного подхода, можно утверждать, что налицо явное несоответствие между необходимым и фактическим положением дел: необходимо иметь однородную структуру слитка большой массы, однако традиционный способ разливки стали по изложницам указанной однородности структуры слитка обеспечить не может. Почему указанное несоответствие усиливается с увеличением массы слитка? Можно указать по меньшей мере три причины увеличения степени неоднородности слитка с ростом его массы: усиление разнообразия условий кристаллизации расплава на различных участках слитка; возникновение элементов грубодисперсной структуры (массивных дендритных ветвей, сгустков ликватов) вследствие увеличения длительности пребывания металла в двухфазном состоянии; интенсификация гидродинамических явлений (движения расплава) в незатвердевшей части слитка.
Остановимся на этих трех причинах несколько подробнее.
Расплавленная сталь представляет собой сложнейшую физико-химическую систему. Охлаждение и затвердевание стали сопровождаются протеканием весьма разнообразных и связанных между собой явлений: зарождением и ростом кристаллов в расплаве; изменением растворимости примесей, газов и легирующих компонентов в связи с охлаждением расплава и протеканием фазового перехода; перераспределением примесей, газов и легирующих компонентов между фазами; различными химическими реакциями (раскисления, диссоциации и др.); усадкой металла, обусловленной его охлаждением и протеканием фазового перехода.
Очевидно, что интенсивность и полнота указанных явлений зависят от локальных условий (скорости охлаждения, ферростатического давления, подвижности расплава и др.) на различных участках слитка — у охлаждаемой поверхности и на оси слитка, в донной части слитка и под его прибылью. Чем больше масса слитка, тем разнообразнее локальные условия процесса кристаллизации на различных его участках и тем выше степень неоднородности структуры слитка.
Процессы роста (утолщения) дендритных ветвей и укрупнения (коагуляции) неметаллических включений протекают во времени. Чем больше времени пребывает металл в переохлажденном двухфазном состоянии, тем более грубодисперсными элементами характеризуется кристаллическое строение слитка, тем выше степень неоднородности структуры слитка. Здесь следует указать на сравнительно низкую теплопроводность стали
в твердом состоянии (λ = 30 Вт/(м · К) при Т= 1300 К). В связи с этим после образования у поверхности слитка твердой корки столбчатых кристаллитов толщиной 0,1...0,2 м интенсивность отвода тепла от жидкой сердцевины слитка резко замедляется, что приводит к увеличению длительности пребывания металла в двухфазном состоянии и, как следствие, к возникновению грубодисперсных элементов кристаллической структуры слитков большой массы.
Формирование структуры слитка в значительной мере зависит от гидродинамических явлений (движения расплава) в его незатвердевшей части. Ограничимся рассмотрением двух видов движения расплава: термогравитационной конвекцией в металлической ванне (жидком ядре) слитка под влиянием неравномерного поля температуры; движением расплава в пределах двухфазной зоны под влиянием пузырькового газовыделения и усадочных процессов.
Интенсивность обоих видов движения расплава возрастает с увеличением массы слитка. В частности, как показывает анализ, скорость восходящих и нисходящих потоков расплава в вертикальном цилиндрическом канале круглого сечения прямо пропорциональна квадрату радиуса канала, т. е. квадрату радиуса слитка. С другой стороны, увеличение скорости конвективного течения в жидком ядре слитка должно приводить к более интенсивному переносу примесей и легирующих компонентов с фронта кристаллизации в район осевой и прибыльной части слитка.
Таким образом, увеличение массы слитка должно сопровождаться усилением зональной ликвации, что и подтверждается непосредственными наблюдениями. Далее перемещение расплава среди дендритных ветвей двухфазной зоны происходит в режиме фильтрации и в соответствии с законом Дарси зависит от перепада давлений на фильтрующем участке двухфазной зоны, зависящем от ее ширины и режима давлений жидкого металла в незатвердевшей части слитка. Отметим, что возникновение специфического дефекта крупных и сверхкрупных слитков — внецентренной (шнуровой) ликвации — непосредственно связано с движением расплава в пределах двухфазной зоны [3]. Чем больше масса слитка, тем интенсивнее движение расплава в его незатвердевшей части, тем в большей степени развивается химическая неоднородность слитка — и осевая (зональная), и внецентренная.
Исходя из рассмотренного, можно сделать заключение, что традиционный способ разливки стали по изложницам не может обеспечить получение слитка, обладающего необходимой степенью структурной однородности, и чем больше масса слитка, тем в большей мере проявляется указанное несоответствие между необходимым и фактическим состоянием дел. Это квалифицируется как проблема в терминах системного подхода.