книги из ГПНТБ / Непрерывная разливка стали на радиальных установках
..pdfвания частиц. Поскольку, как было показано вы-- ше, реальным условиям соответствует кривая 4, смеще ние неметаллических включений в результате их всплы вания в сторону грани меньшего радиуса не превышает' 6—7 мм. Таким образом, теоретически можно ожидатьвсе же некоторого преобладания неметаллических вклю чений по стороне меньшего радиуса, но, учитывая изло женные в предыдущем параграфе соображения о напра влениях термоконвективных потоков жидкого металла, можно сказать, что это явление вообще не получает раз вития.
5.ГАЗЫ
ВНЕПРЕРЫВНОМ КРИВОЛИНЕЙНОМ СЛИТКЕ
Накоплен огромный теоретический и фактический ма териал о происхождении газов в стали, поведении их во время выплавки, выпуска, выдержки в ковше, разливки в изложницы, а также в процессе кристаллизации обыч ного слитка. Глубокий анализ этого материала сделан в трудах К- Г. Трубина, В. И. Явойского (164], А. Н. Мо розова [172]. Однако еще мало накоплено эксперимен тальных данных о выделении газов из непрерывных слит ков спокойной стали в процессе их кристаллизации, . а также закономерностях распределения газов в непрерыв ных слитках и возможности возникновения пороков,
Что же касается этой проблемы применительно к кри волинейным непрерывным слиткам, то здесь почти нет фактических данных. Однако достаточно глубоко разра ботанные в ряде исследований теоретические положения о газах в стали, прежде всего в указанных выше трудах, могут быть применены и для объяснения возможных осо бенностей поведения газов при кристаллизации непре- і
рывных СЛИТКОВ. |
;і |
Для непрерывной |
разливки стали на установках ра-^ |
диального типа весьма важно исследовать возможность >, Возникновения дефектов, связанных с выделением газов при кристаллизации криволинейного слитка. Имеются реские основания предполагать, что возможность возник новения пороков, связанных с выделением газов в виде особой фазы из раствора, в непрерывных слитках мень ше, чем в обычных. Однако в твердом металле остается«: довольно много родорода и азота, которые, неизбежно..
будут выделяться |
в той |
или |
иной |
мере в процес |
|
се охлаждения |
слитков |
и |
поэтому |
вполне |
воз |
можно образование флокенов и микротрещин в металле непрерывной разливки. В слитках, - кристаллизующихся в условиях, весьма близких- к условиям затвердевания слитков непрерывной разливки, ликвация водорода прак тически отсутствует. В. И. Явойский предполагает, что малые сечения и сравнительно непродолжительное время затвердевания слитков непрерывной разливки должны обеспечивать слабые проявления ликвации азота и, сле довательно, более равномерное его распределение.
В ряде случаев на серных отпечатках с темплетов вертикальных непрерывных слитков квадратного сечения наблюдали неоднородность в виде темных точек [5], в зоне которых обнаружены группы сернистых включений. Скопление ликватов вокруг мельчайших газовых пузы рей объясняют осаждением включений на поверхности раздела жидкости и газа, засасыванием ликватов в по лость газового пузыря. Среднее содержание азота в слит ках углеродистой стали Ст.З и Ст.5 составляет, по дан ным [5], 0,004—0,005%, а в слитках из инструментальной стали 0,0075%.
Содержание азота в поверхностной зоне мелких кри сталлов — минимальное, при переходе в дендритную зону оно повышается и уменьшается в зоне крупных равноос ных зерен. На серных отпечатках с поперечных темпле тов слитков сечением 200X800 и 200X1000 мм из угле родистой стали Ст.З, раскисленной силикокальцием и 300 г/т алюминия в ковше, обнаружена мелкая пори стость в поверхностных слоях [64], которую назвали то чечной ликвацией. Участки металла вблизи пор оказа лись обогащенными неметаллическими включениями, со стоящими в основном из сульфидов, а также силикатов. Возникновение газовых пор авторы связывают с режи мом раскисления. Авторы разработали шкалу баллов для оценки пораженности точечной ликвацией слябов, от ливаемых на вертикальных установках.
Т. Ота [37, с. 182], исследовав содержание водорода в слябах шириной 1000—1200 мм и квадратных заготов ках сечением 155X155 и 250X250 мм, отлитых на верти кальной установке завода«Хикари» (Япония),установил, что содержание водорода в стали прямо пропорциональ но парциальному давлению водяного пара в воздухе. Т.
231
Ота выявил четкую зависимость между содержанием водорода в слитках из нержавеющей стали и количест вом подкорковых пузырей в литом слябе. Автор считает, что в нержавеющих хромоникелевых сталях содержание водорода должно быть менее 0,0008—0,0012%, а в хроми стых — ниже 0,0006%.
Целесообразность уменьшения содержания водорода в металле, особенно при производстве качественных ста лей, подчеркивается многими исследователями. Высказы валось мнение, что аустенитную нержавеющую сталь нельзя разливать непрерывным способом, если содержа ние водорода в металле превышает 0,0007%. При повы шенном содержании водорода в стали в непрерывном слитке появляются подкорковые пузыри, которые явля ются источником образования плен. Вредное влияние водорода сказывается и в других направлениях: так, на пример, хорошо известна связь неметаллических включе ний с повышенным содержанием водорода. Д. Холл и Т. Макхью [37, с. 195] установили, что применение синтети ческого защитного шлака в кристаллизаторе вместо мас ла и пропана в процессе непрерывной разливки позволя ет снизить содержание водорода в металле. Авторы счи тают, что при содержании водорода на выпуске менее 4,5 см3/ 100 г плены отсутствуют.
Дж. М. Кей и др. [37, с. 306] в условиях непрерывной разливки трубной стали в слитки сечением 150X150 мм на вертикальной установке обнаружили рассеянную га зовую пористость в зоне столбчатых дендритов. По их мнению, выделение газов (окиси углерода, водорода и азота) при затвердевании непрерывных слитков является источником пористости, так как газ, выделившийся в ви де пузырьков, запутывается между растущими дендри тами.
Если рассматривать влияние одной только окиси уг лерода, то степень пористости по этой причине будет од нозначно определяться степенью раскисленное™ стали и развитием вторичного окисления жидкого металла. Авто ры установили, что при содержании кремния в стали не менее 0,2% пористость может быть устранена. Другим источником газовых пузырей, по мнению Дж. М. Кея, является водород.
Некоторые авторы приписывают образование газовой пористости разложению смазки в кристаллизаторе [173,
232
174]. В работе же [37, с. 306] тщательным исследовани ем установлено, что первостепенную роль играет кис лород. Полностью устранить газовые пузыри удалось при вводе алюминиевой проволоки в кристаллизатор по ходу разливки. При вводе в кристаллизатор 0,02% А1 при со держании в стали 0,25% С полностью подавляется обра зование пузырей, причем остаточного алюминия содер жится менее 0,01%. Авторы предполагают, что высокое содержание кислорода в жидкой стали одновременно с очень большой скоростью затвердевания и существенным падением растворимости кислорода при затвердевании приводят к зарождению пузырей и захвату их растущими дендритами. При введении сильного раскислителя, по-ви димому, подавляется этот процесс.
Установлено [175], что пораженность металла непре рывной разливки газовой пористостью связана с разви тием вторичных реакций, особенно интенсивно протека ющих при разливке низкоуглеродистой стали. Рекомен дуется строго регламентировать содержание закиси же леза в шлаке.
Показано [6], что в квадратных заготовках верти кальной непрерывной разливки содержание кислорода и водорода в периферийной и центральной зонах практиче ски одинаково. Содержание азота, минимальное в по верхностной зоне мелких равноосных кристаллов, повы шается при переходе в зону столбчатых кристаллов и уменьшается в осевой части слитка.
Исследованиями причин образования ситовидной пори стости в вертикальных непрерывных слитках экспери ментально доказано [240], что не имеется связи между типом, количеством, способом смазки кристаллизатора и газовой пористостью. Автор установил, что образование пор обусловлено растворенным в стали кислородом, а растворенный водород играет второстепенную роль. При добавках алюминия содержание кислорода уменьшилось до такой степени, что пористость в основном исчезла.
М. Ворд [177] исследовал газовую пористость в слит ках, отлитых в изложницу. Он установил, что газовые поры обычно имеют диаметр 1—2 мм, концентрируются в периферийной зоне слитка, хорошо видны на серных отпечатках в виде темных точек и хорошо выявляются травлением металла реактивом Обергоффера. Вокруг га зовых пор автор обнаружил сегрегацию сульфидных не
233
металлических включений, а микрохимическим и элект ронным анализами нашел сегрегацию легирующих эле ментов и примесей.
При обработке давлением газовая пористость образу ет дефекты заметной длины. В результате довольно тща тельного исследования условий образования пор привели автора к гипотезе, согласно которой в стали, не содержа щей избытка раскислителя, возможно окисление углерода кислородом с образованием окиси углерода. На образо вавшихся газовых пузырьках возможна сегрегация не металлических включений и примесей. Для борьбы с газовой пористостью М. Ворд считает необходимым обес печить хорошее раскисление жидкой стали.
Если обобщить результаты выполненных работ о рас пределении газов в непрерывных Вертикальных слитках и о влиянии газов на возможные пороки слитка, то мож но следующим образом представить состояние этой проб лемы. В непрерывных слитках газы распределены более равномерно, чем в слитках обычной разливки, и это обес печивает меньшую опасность возникновения каких-либо пороков, обусловленных присутствием газов в стали. Од ним из возможных дефектов непрерывного слитка, свя занных с газами, является внеосевая пористость, кото рую называют рассеянной газовой пористостью, ситовид ной пористостью, подкорковой сегрегацией, точечной лик вацией, точечной пористостью и т. д.
Предполагаемые причины образования этого дефекта можно разделить на две группы: экзогенные и эндоген ные газы. Первая теория основывается на предположе нии, что мелкие поры возникают вследствие инжекции в затвердевающий слиток газов, образующихся при раз ложении смазки в кристаллизаторе. По эндогенной тео рии, число сторонников которой более многочисленно, по ры создают газы, растворенные в жидкой стали и выде ляющиеся из нее во время затвердевания. Возникнове ние мелких пор приписывается действию окиси углерода, выделяющейся вследствие реакции между кислородом и углеродом, а также действию водорода. Для подавляю щего большинства марок стали возникновение мелких пор связывается с развитием реакции окисления углеро да в процессе кристаллизации при недостатке сильных раскислителей и при вторичном окислении металла в процессе разливки.
234
Б большинстве случаев считают, что водород сам по себе не вызывает образования пористости, но способству ет ее увеличению. Мелкая газовая пористос.ть может соп ровождаться сегрегацией неметаллических включении и примесей.
При непрерывной разливке стали на установках ра диального типа также обнаруживается мелкая газовая пористость, в распределении которой по сечению слитка имеются специфические особенности. Точечная порис тость выявляется на отпечатках по Бауману. После хо лодного травления азотной кислотой поры не видны. По сле травления по Обергофферу видны все поры, зафик сированные на серном отпечатке.
При затвердевании непрерывного слитка в криволиней ном положении внеосевая точечная пористость распреде лена обычно так, как это показано на рис. 94. Поры обыч но имеют диаметр 0,2—0,4 мм (рис. 95).
Распределение пор по поперечному сечению в нап равлении продвижения фронта затвердевания изучали методом подсчета количества пор на серных отпечатках, для чего поперечное сечение слитка разбивали на поло ски шириной 10 мм, параллельные широким граням. Рас пределение пор по поперечному сечению слитков при подводе металла в кристаллизатор вертикальной струей показано на рис. 96.
Во-первых, четко видно, что с увеличением площади поперечного сечения непрерывного слитка абсолютное
•'-V .< -. - V . ' J |
^ |
J |
Рис. 94. Распределение внеосевой газовой пористости по сечению радиального слитка 180X900 мм (сталь марки Ст. Зоп; серный от печаток; верх— сторона т, ни,з — сторона R)
235
Рис. 96. Газовая пора (Х200)
количество пор возрастает. Количество же пор на еди ницу площади поперечного сечения примерно одинаково для всех слитков. Отличительной особенностью распре деления точечной пористости в направлении фронта за твердевания является большее скопление ее по стороне г криволинейного слитка по сравнению со стороной R.
Это хорошо можно проиллюстрировать на примере слитка сечением 180X900 мм. С увеличением расстояния от поверхности по внутренней стороне точечная порис тость возрастает, достигает максимального значения в слое 30—40 мм и затем резко уменьшается. По стороне R точечная пористость убывает от поверхности в глубь слитка. Количество пор по противоположным криволи нейным сторонам в слоях слитка, близких к поверхности (до 16 мм), а также в более глубоких слоях, на расстоя нии 50 мм и более, почти одинаково. Указанная особен ность сохраняется для слитков всех исследованных сече ний. Важно то, что количество пор в одном и том же слое по всей ширине слитка одинаковое.
236
Количество по/о,шт.
Рис. 96. Распределение газовой пористости ів направлении продви жения фронта кристаллизации радиальных стальных слитков раз ных сечений (От. Зап):
/ — 180X900 мм; 2 — 150X600 мм; 3 — 75X500 мм; < — 145X130 мм
Исследования показали, что, при прочих равных ус ловиях, количество пор зависит от содержания углерода, кремния в металле, а также от количества алюминия, вводимого в ковш для раскисления. Как видно из данных, приведенных на рис. 97, с увеличением содержания угле рода от 0,15 до 0,24% количество пор на внутренней сто роне слитка уменьшается. При содержании углерода бо лее 0,18% количество пор не превышает 25 шт/100 см2. Как правило, при таком содержании углерода количест во пор становится одинаковым по противоположным кри волинейным сторонам слитка. Экспериментальные дан ные обнаруживают связь между точечной пористостью и содержанием кремния (рис. 98). При разливке плавок с низким содержанием кремния (0,16—0,18%) точечная
237
Рис. 97. Влияние содержания углерода в метал ле на внеосевую газовую пористость в непрерыв ных слитках (Ст. Зсп; сторона г; раскисление А1-225—325 г/т, SiCa - 3 ,5 кг/т):
1 — 180X900 мм; 2 — 150X600 мм; 3 — 75X500 мм; 4 — 145Х
Х130 мм
Рис. 98. Влияние содержания кремния в металле на внеосевую газовую пористость в непрерывном сдитке сечением 180X900 мм
(Ст. Зсп; 0,14—0,17% .С; раскисление AI—225—325 г/т, SiCa— 3,5 кг/т): “ ............. • ........... '••• . •
/ _ 0,16-0,18% S i; 2 - 0,25-0,27% SI; 3 - 0,28-0,30% Si
пористость получает интенсивное развитие. При увеличе
нии |
содержания кремния до 0,28—0,30% количество |
пор |
снижается в два раза по обеим криволинейным сто |
ронам слитка.
При непрерывной разливке углеродистой стали для раскисления в ковше обычно применяют уменьшенные количества алюминия, так как это позволяет предотвра тить затягивание канала стакана в промежуточном ков ше. Известно, что для предупреждения затягивания ста кана верхний предел расхода алюминия для малоуглеро дистой стали обычно ограничивается 300—350 г/т. На рис. 99 показано влияние количества алюминия на точеч ную пористость. С увеличением расхода алюминия до 325 г/т количество пор существенно уменьшается, дости гая минимальных значений при вводе 770 г/т А1.
После анализа-влияния технологических факторов на точечную пористость провели разливку опытных плавок
Р а с с т о я н и е о т п о в е р х н о с т и , с л и т к а , м м
Рис. 99. Влияние расхода ■алюминия для раскисления на внеосевую газовую пористость (180X900 мм; Ст. Зсп.; 0,14—
0,17% С; 3,5 кг/т SiCa):
1 _ 160—200 г/т А I ; 2 — 225—250 г/т А 1; 3 — 275—325 г/т А 1: 4 — 776 г/т ß 1
239