Усадочные раковины в стальных слитках и заготовках
Дюдкин Д.А. и др.
Металлургия, 1983 г.
5. ХАРАКТЕРИСТИКА КАЧЕСТВА ПРОКАТА, ОБУСЛОВЛЕННОГО УСАДОЧНЫМИ ЯВЛЕНИЯМИ
5.1. ВТОРИЧНАЯ УСАДОЧНАЯ РАКОВИНА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО МЕТАЛЛА
В современных цехах технология разливки стали в уширенные книзу изложницы с теплоизолирующими вкладышами обеспечивает ряд технологических и экономических преимуществ. Вместе с тем особенности затвердевания спокойной стали в таких изложницах приводят к появлению в структуре слитков вторичных усадочных раковин и рыхлости. Исследования, выполненные различными авторами, показали, что для ряда углеродистых и низколегированных сталей наличие вторичных усадочных дефектов не сопровождается ощутимым ухудшением качественных показателей готового проката. Однако, что касается металла широкого сортамента,, то наличие этих дефектов потребовало углубленного изучения их влияния на качество металла и исследования механизма формирований вторичной усадочной раковины и факторов, оказывающих влияние на ее размеры и расположение.
Формирование вторичной усадочной раковины и рыхлости
На расположение усадочных дефектов стального слитка существенное влияние оказывает направленность затвердевания. Теплоотвод должен быть организован таким образом, чтобы металл затвердевал последовательно от донной к прибыльной части слитка. При этом должны сохраняться условия для беспрепятственного питания всех затвердевающих участков слитка. Критерием направленного затвердевания служит соотношение скоростей вертикальной и горизонтальной кристаллизации слитка. Если смыкание фронтов кристаллизации в горизонтальном направлении в верхней части изложницы происходит раньше, чем на нижних горизонтах слитка, то создается область, трудно доступная для питания жидким металлом. После окончательного затвердевания слитка здесь образуется вторичная усадочная раковина, отделенная от первичной так называемым "мостом" металла.
Такая схема затвердевания характерна для слитков спокойной стали с обратной конусностью, в том числе отлитых в уширенные книзу изложницы с теплоизоляционными вкладышами. Многочисленные исследования продольных осевых темплетов от таких слитков свидетельствуют о том, что во всех случаях ( с различным утеттлениеж зеркала металла ) образуется открытая усадочная раковина. Форма раковины и ее глубина зависят от способа утепления зеркала металла и состава теплоизоляционных вкладышей. Под усадочной раковиной наблюдается зона, обогащенная примесями, и внеосевая неоднородность. Ниже, в осевой части слитка располагаются вторичные усадочные дефекты, отделенные от первичной усадочной раковины плотным "мостом".
В качестве примера рассмотрим структуру уширенного книзу слитка массой 8,9 τ из стали СтЗсп. В слитке толщина моста плотного металла в подприбыльной части составила 200—250 мм, ниже которого по оси слитка на расстоянии 400 мм ( от 25 до 40 % от верха слитка } располагался металл с усадочной рыхлостью. На горизонтах от 40 до 53 % имелись вторичные усадочные пустоты, размеры которых ( после травления темплета в горячей соляной кислоте ) составили до 30 мм длиной и 6—12 мм шириной. Для детального исследования структуры из дефектных зон вырезали планки. Металлографические исследования показали, что внутренние полости этих дефектов не окислены и не загрязнены неметаллическими включениями. На серных отпечатках в районе вторичных дефектов обнаружена ликвация серы и фосфора, но она находилась в тех же пределах, что и в районе зональной λ-образной сегрегации в обычном слитке.
На планках из опытного слитка изучали ликвацию элементов непосредственно из мест с вторичными усадочными дефектами путем отбора стружки сверлом диаметром 10 мм. Результаты исследования показали, что максимальная степень ликвации по углероду ( 42 % ) и сере ( 50 % ) обнаруживается вблизи от усадочной пористости и пустот. На горизонтах 25—40 % от верха слитка ( район расположения усадочной рыхлости ) степень ликвации несколько выше, чем на горизонтах 37— 55 %, где расположены вторичные усадочные пустоты.
Таким образом, наличие в слитке вторичных усадочных дефектов, а также расположенных в этой зоне участков с повышенной степенью ликвации может оказать отрицательное влияние на качество готового проката.
Факторы, влияющие на вторичную усадку
Факторы, влияющие на размеры и расположение вторичной усадочной раковины и рыхлости, изучали путем модельных исследований и на продольных разрезах промышленных слитков. Представляло интерес оценить влияние утепления прибыльной части слитка на вторичные усадочные дефекты.
Отличительной особенностью формирования опытных слитков А и Б является отсутствие затвердевания металла в прибыли в течение первых 10 мин ( момент введения, первой порции изотопа ), в то время как при контакте с шамотной футеровкой (слиток В ) за это время кристаллизуется слой металла толщиной 25 мм. В дальнейшем скорость затвердевания металла в контакте с теплоизоляционными вкладышами ( слиток А ) заметно ниже, чем в контакте с утеплителем из быстротвердеющей смеси ( слиток Б ) и шамотной футеровкой ( слиток А).
Результаты сопоставления значений коэффициентов затвердевания металла в подприбыльной части слитков показывают, что на верхних горизонтах слитка А скорость затвердевания меньше на 17—30 %, а слитка Б — всего на 3—10 % по сравнению со сравниваемым слитком В. Эти соотношения свидетельствуют, что на формирование структуры, верхних горизонтов слитков оказывает влияние тепло, подводимое из прибыли. На среднем горизонте слитков коэффициенты затвердевания практически одинаковы, следовательно, здесь влияние подвода тепла из прибыли при улучшении ее теплоизоляции практически не проявляется.