Химическая неоднородность в слитке обычно определяется терминами-синонимами: ликвация и сегрегация (Лат. liquatio – плавление, разжижение; segregare – отделять). Впервые на химическую неоднородность стальных слитков обратили внимание А. С. Лавров и Н. В. Калакуцкий в 60-х годах XIX в.
Сталь является многокомпонентной жидкостью. Затвердевание подобной жидкости происходит в некотором температурном интервале. При этом первые образующиеся кристаллы содержат, как правило, меньше примесей, чем последние.
Наибольшую склонность к ликвации из обычных примесей имеют сера, кислород, углерод и в меньшей степени марганец и кремний. На распределение примесей между жидкой и твердой фазами при затвердевании реальных слитков влияют конвективное движение металла, поверхностные свойства примесей, взаимное влияние примесей на распределение и т. д. Так, в присутствии никеля и хрома ликвация примесей значительно снижается. Однако количественно оценить взаимное влияние примесей на развитие химической неоднородности в стальном слитке пока невозможно.
В стальном слитке различают дендритную химическую неоднородность (микросегрегацию) и зональную химическую неоднородность (макросегрегацию). Качественно дендритная сегрегация серы и фосфора может быть хорошо выявлена по сернистым отпечаткам с отшлифованного темплета слитка (рис. 86). Участки с повышенным содержанием примесей на рис. 86 более темные. Количественно химическая неоднородность характеризуется отношением
где N и Nср — соответственно содержание элемента в данной точке и среднее ее содержание в слитке или в ковшовой пробе.
В теле слитка спокойной стали обычно имеются две зоны положительной сегрегации и одна зона отрицательной сегрегации (рис. 87). Зона отрицательной сегрегации совпадает с конусом осаждения. Зона положительной
сегрегации представляет собой V-образную осевую и Λ-образную внеосевую ликвацию («усы»).
Последняя зона располагается между зоной столбчатых кристаллов и центральной зоной равноосных кристаллов. В прибыльной части под усадочной раковиной, где сосредоточиваются последние порции загрязненного металла, обнаруживается максимальное содержание примесей.
Образование усов чаще всего связывают с выделением газов в виде микроскопических пузырьков в процессе затвердевания слитка.
При этом ус рассматривается как след, оставленный примесями, оторвавшимися от пузырька во время прохождения его в жидком объеме металла. В связи с малыми размерами пузырьков скорость их подъема также мала, и они отклоняются продвигающимся фронтом кристаллов к центру, что обеспечивает наклон каждого уса.
Большинство металлургов связывает образование осевой V-образной неоднородности с усадкой металла. С. С. Штейнберг полагал, что образование рыхлости и скопление примесей в осевой зоне является продолжением усадочной раковины. В. М. Тагеев высказал предположение, что скопление примесей в рассматриваемой зоне связано с местным перераспределением их при усадочных перемещениях жидкого металла в условиях затрудненного питания более нагретым металлом.
Зона отрицательной сегрегации связана с образованием конуса осаждения, когда вниз сползают кристаллы, образующиеся после прекращения роста столбчатых дендритов в конце кристаллизации. Медленный рост этих кристаллов в условиях развития конвективных потоков обеспечивает низкое содержание в них ликвирующих примесей. Данные, полученные в производственных условиях и в результате исследований, определяют способы уменьшения химической неоднородности стального слитка. Факторы, обеспечивающие более длительное пребывание металла в изложнице в жидком состоянии, будут способствовать развитию зональной неоднородности слитка. Такими факторами являются увеличение массы слитка, повышение температуры и ускорение разливки стали.
Развитие осевой V-образной сегрегации можно уменьшить увеличением конусности и поперечного сечения слитка, поскольку подпитывание затвердевающего металла улучшается. Для уменьшения Λ-образной внеосевой сегрегации желательно, чтобы поперечное сечение слитка было меньше, а конструкция изложницы обеспечивала достаточно быструю последовательную кристаллизацию от низа до верха слитка.
Введение в изложницы искусственных центров кристаллизации интенсифицирует затвердевание слитка и уменьшает развитие химической неоднородности.
