Особенности строения слитка кипящей стали

В отличие от полностью раскисленной спокойной стали кипя­щая сталь при кристаллизации «кипит». Эффект кипения вызы­вается реакцией между растворенными в металле углеродом и кислородом [С] + [О] = СО_г. Даже в слитке полностью рас­кисленной спокойной стали в момент кристаллизации имеет место выделение некоторого количества газов. В слитке кипящей стали обильное газовыделение не только накладывает определенный отпечаток на строение слитка, но и в значительной мере опреде­ляет его качество. Основные зоны (рисунок 1) кристаллизующе­гося слитка кипящей стали следующие:

1. Зона плотного наружного слоя («корочки»), образующегося в момент соприкосновения жидкой стали с холодными стенками изложницы. Металл этой зоны состоит из мелких, беспорядочно ориентированных кристаллов; по химическому составу близок к составу жидкого металла в ковше. Толщина зоны (толщина корочки) зависит от ряда факторов и прежде всего от скорости разливки (скорости наполне­ния изложницы): при быстром наполнении изложницы толщина корочки меньше, при медленной разливке толщина корочки
больше.

2. Зона сотовых пузырей. Так же, как и в случае кристаллизации слитка спокой­ной стали, при кристаллизации кипящей стали начинается рост столбчатых кри­сталлов. Оси растущих кристаллов сов­падают с направлением отвода тепла. Поскольку кристаллизация происходит избирательно, оси кристаллов чище ма­точного раствора, между осями растущих кристаллов находится обогащенный ликватами маточный раствор. Ликваты содержат углерод и кислород, повы­шение их концентрации и благоприят­ные условия образования новой фазы (наличие твердых поверхностей) приво­дят к интенсивному протеканию реакции [С] + [О] = СО_г. Часть образующегося газа удаляется вверх, а часть «захватывается» растущими кристаллами и остается в виде удли­ненных пузырей в пространстве между ними. По форме эти пу­зыри напоминают соты в пчелиных ульях, поэтому их обычно на­зывают сотовыми, а вся зона — зоной сотовых пузырей. Вначале каждый такой пузырь заполнен в основном монооксидом угле­рода, в процессе кристаллизации и охлаждении слитка в него диффундируют другие газы и прежде всего водород. На размер и протяженность зоны сотовых пузырей влияет ряд факторов: состав и окисленность стали, способ и скорость разливки, масса слитка и др. Ферростатическое давление столба металла над об­разующимся пузырем препятствует его развитию, поэтому при очень быстрой разливке образовавшиеся в первый момент пузыри фиксируются на малом расстоянии от поверхности слитка и тол­щина первой зоны (толщина корочки слитка) оказывается малой. Наоборот, при медленной разливке металл свободно «откипает» и пузыри захватываются и фиксируются затвердевающим метал­ лом на большем расстоянии от поверхности слитка.

Таким образом, регулируя скорость разливки, можно регули­ровать толщину зоны плотного наружного слоя и начало образо­вания зоны сотовых пузырей. Влияние давления столба металла сказывается и в том, что в самой верхней части слитка сотовых пузырей нет (они всплыли). На процесс образования сотовых пу­зырей влияет также уровень окисленности металла. При повышен­ных содержаниях кислорода условия образования пузырей СО более благоприятны, интенсивное газовыделение обеспечивает условия для удаления части образующихся газов, получается раз­витая зона удлиненных сотовых пузырей при достаточной тол­щине корочки. При чрезмерно высокой окисленности металла газовыделение происходит настолько интенсивно, что уровень вскипающего металла быстро достигает верха изложницы, раз­ливку прекращают. После непродолжительного кипения уровень металла снижается и изложница оказывается заполненной не полностью (такой дефект называют часто голенищем). В случае разливки металла с малой окисленностью образующиеся в пер­вый момент пузыри фиксируются растущими кристаллами и почти удаляются вверх (металл слабо кипит). Толщина корочки оказы­вается небольшой, а слиток — рыхлым и пузыристым из-за на­личия большого числа пузырей, не успевших удалиться из металла в процессе кипения. Часто уровень такого слитка после заверше­ния разливки продолжает повышаться (рослый слиток), а иногда металл уже не уменьшается в изложнице и «вылезает» из нее, образуя дефект, называемый «капустой».

Таким образом, для получения нормального слитка кипящей стали необходимо иметь металл определенной окисленности. Окисленность стали определяется прежде всего содержанием в ней углерода (в качестве дополнительного регулятора окислен­ности металла обычно используют марганец). Чем выше содержа­ние углерода, тем меньше окисленность металла. Как известно из практики, получение хорошего слитка кипящей стали из ме­талла, содержащего >0,25% С, затруднительно. При образовании сотовых пузырей ликвирующие в простран­ство между растущими дендритами углерод и кислород расхо­дуются на образование СО, сотовый пузырь заполнен в основном водородом и монооксидом углерода (оба газа — восстановители).

В результате получаются пузыри с чистой неокисленностью вну­тренней поверхностью. Такие пузыри при последующей прокатке полностью завариваются, и если разрезать заготовку, прокатан­ную из слитка кипящей стали, то никаких следов зоны сотовых пузырей мы не обнаружим. Возможны случаи, когда при нагреве перед прокаткой слитков кипящей стали в нагревательных ко­лодцах в результате воздействия окислительной атмосферы этих колодцев корочка слитка (первая зона) окислится («прогорит») и окислительные газы, зайдя в полость сотовых пузырей, окислят их внутреннюю поверхность. Такие пузыри с окисленной внутрен­ней поверхностью при прокатке не завариваются и слиток бра­куется. Технология выплавки и разливки кипящей стали должна обеспечивать получение корочки необходимой толщины, а тол­щину (или ширину) первой зоны часто называют толщиной (или шириной) здоровой корочки.

3. Зона относительно плотного и чистого металла. При за­твердевании металла в этой зоне ликвационные процессы продол­жаются, однако концентрации ликватов еще недостаточны для газовыделения (значительная часть растворенных в металле га­зов, прежде всего водорода, уже выделилась при образовании сотовых пузырей).

4. Зона вторичных пузырей. В момент, когда концентрация ликватов становится достаточной для организации газовыделе­ния, в кристаллизующемся слитке образуются пузыри, которые принято называть вторичными. Скорость роста кристаллов в этот момент уже невелика и пузыри имеют округлую форму. К моменту образования вторичных пузырей наполнение изложницы закон­чено и на поверхности формирующегося слитка начинает образовы­ваться корка застывшего металла, условия удаления пузырей становятся неблагоприятными и большая часть вторичных пузы­рей остается в слитке в виде столба округлых пузырей, располо­женных на некотором расстоянии от сотовых пузырей. Вторичные, пузыри также завариваются при прокатке.

5. Осевая зона слитка. Эта зона кристаллизуется в послед­нюю очередь и, подобно осевой зоне слитка спокойной стали, со­стоит из беспорядочно ориентированных кристаллов, затвердеваю­щих в маточном растворе, обогащенном ликватами. В этой зоне также имеются пузыри, особенно в головной части слитка, затвер­девающей в последнюю очередь, однако это — пузыри усадочного происхождения. Вокруг этих пузырей концентрируются ликваты, эти пузыри плохо свариваются при прокатке, а крупные пузыри в головной части слитка со скоплениями ликватов (в частности, серы и фосфора) на внутренней поверхности вообще не свариваются. Головную часть слитка кипящей стали (5—10 % — примерно вдвое меньше, чем у слитка спокойной стали) также отрезают и отправляют в переплав.

Объем слитка кипящей стали в процессе его усадки при за­твердевании не понижается вследствие образования в теле слитка многочисленных пузырей (иногда, в случае получения так назы­ваемых рослых слитков, объем слитка даже увеличивается). Поскольку слиток кипящей стали не имеет четко выраженной об­ласти усадочной раковины, для разливки кипящей стали исполь­зуют обычно сквозные изложницы, расширяющиеся книзу.

Помимо трудностей, связанных с необходимостью получения здоровой корочки необходимой толщины, слиток кипящей стали имеет существенный недостаток: высокую степень неравномер­ности состава металла в различных зонах слитка. Как только на­чинается кристаллизация и сопровождающее ее газовыделение, образующиеся и поднимающиеся пузыри газа интенсивно пере­мешивают металл, улучшая условия перемещения ликватов в глубь слитка. В результате оказывается, что верх осевой части слитка имеет гораздо более высокое (степень ликвации иногда достигает десятикратных значений) содержание таких сильно ликвирующих примесей, как сера, фосфор, углерод, кислород. Использовать такой металл для изделий ответственного назначе­ния нельзя. Вместе с тем производство кипящей стали имеет ряд достоинств:

1. уменьшается головная обрезь и соответственно уве­личивается выход металла;
2. упрощается оборудование (не тре­буется использования прибыльных надставок);
3. отпадает необ­ходимость раскисления металла (уменьшаются продолжительность плавки и расход раскислителей).

Легирующие примеси влияют на диаграмму состояния сплава и соответственно на зональную ликвацию углерода, серы, фосфора. Особенно отчетливо проявляется влияние никеля: при 3—4 % Ni полностью исключается появление зональной химической неод­нородности слитка. Поскольку основной недостаток кипящей стали вызван перемешиванием металла в изложнице, а перемеши­вание связано с активным газовыделением, то искусственное прекращение или замедление газовыделения приводит к прекра­щению перемешивания и уменьшению степени неоднородности слитка кипящей стали. Для этой цели на практике используют два технологических приема.

1. Искусственное «замораживание» головной части слитка путем накрывания слитка массивными металлическими плитами (крышками). Обычно накрывание слитка крышками производится в момент окончания образования третьей зоны кристаллизации. Теплоотдача от верха слитка к массивной крышке приводит к бы­строму затвердеванию верхней корки слитка, слиток как бы за­купоривается, давление в слитке резко возрастает и реакция [С] + [О] = СО_г прекращается, так как образующиеся при этой реакции пузыри монооксида углерода не в состоянии преодолеть внешнего давления в «закупоренном» слитке. Поскольку прекра­щается газовыделение, прекращается и интенсивное перемешива­ние жидкого металла и степень неоднородности в слитке умень­шается. Такой технологический прием называют механическим закупориванием.
2. Раскисление головной части слитка путем введения (обычно в момент окончания образования третьей зоны кристаллизации) сильных раскислителей, например алюминия. Введение сильного раскислителя сопровождается резким уменьшением окисленности металла, соответственно прекращается протекание реакции  [С] + [О] = СО_г, прекращается интенсивное перемешивание жидкого металла и соответственно снижается степень неоднородности слитка. Такой технологический прием называют химическим заку­пориванием.

Чем больше масса слитка, тем дольше он затвердевает, тем значительнее степень неоднородности химического состава ме­талла по сечению и высоте слитка. Для повышения производитель­ности обжимных прокатных станов желательно получать крупные слитки, однако получение крупных однородных слитков кипящей стали является сложной задачей. Вместе с тем решение этой проблемы является ре­зервом экономии, так как кипящая сталь имеет более низкую стоимость, чем спокойная. В какой-то мере эта проблема ре­шается при производстве группы марок сталей, объединяемых общим названием полуспокойных сталей.