Что собой представляет процесс кристаллизации слитка? Перечислите возможные дефекты слитка

Слиток - металл, затвердевший при остывании в изложнице и предназначенный для дальнейшей деформационной обработки или переплава. Современные способы получения стали завершаются получением жидкого металла, который разливают в формы, называемые изложницами. При любом способе производства стали к концу процесса в ней содержится значительное количество кислорода в виде закиси железа FeO. Этот кислород необходимо удалить, иначе пластичность стали будет невысокой и сталь нельзя будет обрабатывать давлением.

Спокойную сталь раскисляют сначала ферромарганцем, потом ферросилицием и заканчивают раскисление обычно алюминием при выпуске стали из печи. Этим достигается высокая степень раскисления, вследствие чего в течение процесса кристаллизации слитка спокойной стали не происходит бурного выделения газов.

Кипящую сталь до разливки раскисляют только ферромарганцем, при этом в жидком металле остается некоторое количество закиси железа. После разливки стали в изложницы в еще не затвердевшем металле протекает реакция самораскисления: FeO + С = Fe + СО.

Выделяющаяся газообразная закись углерода перемешивает жидкий металл, он бурлит и выделяет искры. Создается впечатление, что сталь кипит — отсюда и название этой стали. По качеству, механическим свойствам, коррозионной стойкости кипящая сталь уступает спокойной.

Рассмотрим процесс кристаллизации слитка спокойной стали. Перед разливкой изложницы подогревают газовыми или мазутными горелками до 70—80° С. Жидкая сталь имеет температуру около 1600° С. Следовательно, разница температур жидкой стали и стенок изложницы весьма велика. Кристаллизация стали начинается при больших степенях переохлаждения. Сначала образуется тонкая корочка из мелких произвольно ориентированных кристаллов. На ней разрастается второй слой, кристаллы которого растут преимущественно в направлении максимального отвода тепла — перпендикулярно к стенке изложницы. Они имеют древовидную форму и называются дендритами. Перпендикулярно стенкам изложницы растут стволы дендритов — оси первого порядка. При нарастании все новых и новых атомных слоев ось первого порядка становится длиннее и толще. На ней образуются под определенными углами бугорки, разрастающиеся в поперечные ветви кристалла — оси второго порядка. На них в свою очередь вырастают оси третьего порядка и т. д. В средней части слитка отвод тепла происходит приблизительно равномерно во все стороны. Здесь образуются крупные кристаллы с произвольной ориентацией. Кристаллизация протекает при относительно небольших степенях переохлаждения.

Вскоре после начала кристаллизации на свободной поверхности жидкого металла образуется корочка. При переходе из жидкого состояния в твердое металл сокращается в объеме. Корочка на поверхности жидкого металла прогибается. Под ней образуется усадочная раковина, заполненная газами, выделяющимися из металла. Изложница в верхней части имеет большее поперечное сечение, чем внизу. В ее надставке имеется огнеупорная утепляющая прослойка. Поэтому в верхней части изложницы металл затвердевает в последнюю очередь. Жидкий металл поступает отсюда и компенсирует усадку в нижних частях слитка.

Химический состав отдельных зон слитка несколько отличается от среднего состава жидкой стали. Неоднородность слитка по химическому составу называется зональной ликвацией. Особенно сильно ликвируют сера и фосфор. Углерод подвержен ликвации в меньшей степени. Разница в содержании углерода между слоями редко превышает 1,7 раза. Марганец и кремний еще менее склонны к ликвации, чем углерод.

Наряду с макроскопической зональной ликвацией, охватывающей весь слиток, наблюдается неоднородность химического состава в пределах меньших объемов — микроскопическая ликвация. Она бывает двух видов: внутридендритная и междендритная. Внутридендритная ликвация проявляется в том, что средняя часть дендрита, которая образуется из жидкого металла раньше его периферийных областей, содержит меньше примесей. Междендритная ликвация — различие в химическом составе дендритов и прослоек между ними. Внутридендритная и междендритная ликвации могут быть ослаблены, а иногда и устранены полностью последующей прокаткой или ковкой и термической обработкой. Зональную ликвацию устранить нельзя.

Тугоплавкие мелкие неметаллические включения, такие как MnS, А1203, Si02 и т. д., если не успевают всплыть, оттесняются фронтом растущих дендритов в центральную часть слитка. При сильно развитой зоне дендритных кристаллов в местах встречи фронтов роста дендритов, кристаллизующихся от двух соседних стенок, происходит скопление тугоплавких неметаллических включений. Дендриты в этом месте не срастаются и не переплетаются. По линии встречи фронтов кристаллизации образуются плоскости слабины с пониженными механическими свойствами. В процессе последующей ковки или прокатки может произойти разрушение слитка по плоскостям слабины. Чтобы предупредить это явление, углы изложниц делают закругленными. Слитки, предназначенные для изготовления ответственных поковок, таких как роторы паровых турбин, льют шестигранными или восьмигранными. Фронты кристаллизации в таких слитках встречаются под меньшими углами. Сцепление между дендритами противоположных фронтов получается лучше. Тугоплавкие включения распределяются по большему количеству плоскостей встречи фронтов кристаллизации, и на каждую плоскость приходится меньшее их количество.

Верхнюю часть слитка спокойной стали после прокатки или ковки отрезают и отправляют на переплавку. В зависимости от состава стали и формы слитка отход составляет от 12 до 25% его массы. Отходы головной части слитка делают спокойную сталь дороже.

Производство кипящей стали дает меньше отходов. Вследствие бурления стали в изложнице усадочная раковина не образуется,в результате чего резко увеличивается выход годного. Поэтому значительная часть стали, применяемой для массовых неответственных изделий (листов общего назначения, проволоки, крепежа), выплавляется кипящей. Кипящей можно выплавлять только малоуглеродистую сталь (до 0,25% С).

Сталь, занимающая по степени раскисления промежуточное положение между спокойной и кипящей, называется полуспокойной. Ее можно выплавлять с содержанием углерода до 0,40— 0,45%.

Рассмотрим строение слитка кипящей стали. Наружные слои слитка, прилегающие к стенке изложницы, состоят из равноосных кристаллов и не содержат пузырей. Химический состав этой зоны примерно соответствует среднему составу плавки. За ней следует зона так называемых сотовых пузырей /, вытянутых по направлению к центру слитка и заполненных закисью углерода. Металл зоны сотовых пузырей содержит мало примесей. На небольшом расстоянии от сотовых пузырей находятся вторичные шаровидные пузыри, располагающиеся цепочкой, 2. В этой зоне наблюдается повышенное содержание примесей. Средняя часть слитка плотная. В головной его части располагаются крупные грушевидные пузыри 3. Здесь же находится область с максимальным содержанием примесей.

Усадочная раковина в слитке кипящей стали отсутствует. Ее объем распределен по многочисленным газовым пузырям. В процессе горячей обработки давлением (прокатки, ковки) газовые пузыри завариваются. Но места сварки краев пузырей уступают по прочности целому металлу. Поэтому применение кипящей стали для ответственных деталей и стальных конструкций ограничено.