Стальной слиток. Том 1. Управление кристаллической структурой

Самойлович Ю.А. и др.
Мн.: Беларуская навука, 2000 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
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.