книги из ГПНТБ / Непрерывная разливка стали на радиальных установках

Рис. 100. Совместное влияние содержания углерода, кремния и

.расхода алюминия .на внеосевую газовую пористость (Ст. Эол; 0,18-0,22% С; 300 г/т А1; 3,5 кг/т SiCa; 0,28—0,30% Si):

/ — 180X000 n ; 2 —1150X600 мм; 3 — 75X500 мм; 4 — 146X130 мм

малоуглеродистой стали Ст.З с содержанием углерода 0,18—0,22%, раскисленой силикокальцием в количестве 3,5 кг/т, алюминием 300 г/т и ферросилицием из расчета получения в готовом металле 0,28—0,30% Si. Распреде­ ление точечной пористости в слитках при указанных па­ раметрах приведено на рис. 100. В слитках опытных пла­ вок обнаружено незначительное количество пор и при­ мерно одинаковое по противоположным криволинейным сторонам. Таким образом, для устранения точечной по­ ристости необходимо, прежде всего, строго учитывать соотношения между содержанием углерода и кремния в металле и расходом алюминия для раскисления стали.

Содержание азота на разных расстояниях от поверх­ ности слитка по противоположным криволинейным сто­

ронам приведено в табл. 15.

Из данных табл. 15 видно, что азот распределяется равномерно по поперечному сечению слитков.

Таблица 15

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АЗОТА ПО ПОПЕРЕЧНОМУ СЕЧЕНИЮ

240

Расстояние от поверхности слитно, пн

Рис. 101. Распределение остаточного водорода по поперечіному сечению радиальных слитков 180X900 мм (Ст. Зсп):

/ — 5 —п л а т я

На рис. 101 и 102 показано распределение водорода по сечению слитка. Поскольку в нашем случае важно выяснить не абсолютные количества водорода, а тенден­ ции к неравномерному распределению этого газа, сочли возможным ограничиться данными о содержании оста­ точного водорода в слитках. Содержание водорода уве­ личивается от поверхности в глубь слитка, достигая мак-

Расстояние от поверхности слитно,нгі

Рис. 102. Распределение остаточного водорода по поперечному сечению радиальных слитков 75X500 мм (а) и 150x600 мм (б) для двух плавок

241

снмальной величины в осевой зоне. В поверхностных сло­ ях слитка, а также вблизи осевой зоны содержание водо­ рода примерно одинаково по противоположным криволи­ нейным сторонам. В промежуточных зонах отмечается несколько большее содержание водорода по стороне г.

Для оценки влияния точечной пористости на качество металла весьма важно знать: содержатся ли в порах не­ металлические включения. Металлографическими иссле­ дованиями установили, что подавляющее большинство пор не заполнено неметаллическими включениями. Ме­ таллографическая оценка чистоты газовых пор на мик­ рошлифах (микроскоп МИМ-7, X 100) приведена ниже:

Соотношение между количеством неметаллических включений, определенных методом электролитического растворения, и количеством пор на различных горизон­ тах поперечного сечения слитков сечением 180X900-мм приведено на рис. 103. Из рис. 103 видно, что как на расстоянии 10 мм, так и на расстоянии 30 мм от поверх­ ности отсутствует четкая связь между количеством оксид­ ных включений и количеством имеющихся в металле пор.

Учитывая, что определенную роль в распределении точечной пористости по сечению криволинейного слитка могут играть гидродинамические потоки в жидкой лунке, провели опыты по непрерывной разливке первой полови­ ны плавки через стакан вертикальной открытой струей,

?42

а второй половины через стакан с горизонтальными ка­ налами, погруженный в жидкий металл в кристаллиза­ торе. Результаты исследования точечной пористости в слитках при разных направлениях струи даны в табл. 16.

Непрерывная разливка через стакан, погруженный в жидкий металл, в сочетании с защитой мениска экзотер­ мической шлаковой смесью, приводит к снижению обще­

Если сравнить газовую пристость в различных районах по большой оси попереч­

ного сечения, то видно, что во-первых, резко уменьшает­ ся количество пор по стороне г и главным образом в рай­ оне входа струи в металл и, во-вторых, количество пор по стороне R уменьшается незначительно и по всем трем районам поперечного сечения в одинаковой степени.

В направлении продвижения фронта кристаллизации по стороне г уменьшается количество газовых пор на расстоянии 20—50 мм от поверхности, в то время как в поверхностных слоях на расстоянии до 20 мм количество пор не изменяется. То же самое происходит и по стороне R. Самым важным является то, что соотношение между количеством газовых пор по сторонам г и R не изменяет­ ся, неравномерность распределения по-прежнему сохра­

243

няется. Это свидетельствует о том, что изменение спосо­ ба подвода металла хотя и уменьшает количество газо­ вых пор в районе подвода струи и в более глубоких сло­ ях поперечного сечения, но не устраняет неравномерного распределения их, т. е. не устраняет преимущественного скопления по стороне меньшего радиуса слитка.

Анализируя экспериментальные данные по исследо­ ванию точечной пористости в криволинейных непрерыв­ ных слитках и современные теоретические представления о поведении газов в процессе кристаллизации, можно сформулировать некоторые положения о причинах ее возникновения и мерах борьбы с ней.

Прежде всего рассмотрим, может ли водород быть основной причиной газовой пористости. В процессе кри­ сталлизации растворимость водорода в железе и стали

изменяется и растворимость водорода в углеродистых и низколегированных сталях. Поэтому при кристаллиза­ ции некоторое количество водорода может выделиться из металла в виде пузырей. Однако расчеты и экспери­ ментальные данные показывают, что даже при отсутст­ вии ферростатического давления пузыри водорода могут образовываться при содержании водорода в жидком ме­ талле, превышающем предел его растворимости в твер­ дой стали при температуре кристаллизации, т. е. свыше 8 см3/ 100 г для обычных углеродистых и низколегиро­ ванных сталей и более 11 см3/100 г для сталей аустенит­ ного класса.

Конечно, следует учитывать, что в период кристалли­ зации слитка водород перераспределяется между твер­ дым и жидким металлом. Поэтому минимальная концен­ трация водорода в жидкой стали, при которой обнаружи­ ваются пузыри, будет зависеть от конкретных условий разливки и размеров слитка. Теоретически в процессе кристаллизации жидкая фаза лишь в центральной части слитка обогащается водородом. Отличительная особен­

с увеличением количества водорода в жидком металле и массы слитка. Учитывая малые размеры поперечного се­

244

чения непрерывных слитков, высокие скорости кристал­ лизации, а также низкие концентрации водорода в жид­ ком металле, нельзя сказать, что влияние водорода на образование газовых пор может быть решающим.

Кислород относится к числу сильно ликвирующих элементов, так как растворимость кислорода в твердом б- и у-железе значительно ниже, чем в жидком железе при температуре его затвердевания [178]. Перераспреде­ ление кислорода между затвердевшим и еще оставшим­ ся в жидком состоянии железом создает локальные на­ копления кислорода, благоприятствует окислительным процессам, происходящим в местах накопления кисло­ родных ионов. Ликвация углерода и кислорода может вызвать реакцию окисления углерода и обособление оки­ си углерода в виде отдельной фазы. Известно, что сни­ жение температуры стали приводит к образованию окиси углерода не только в результате смещения равновесия экзотермической реакции обезуглероживания, но и вслед­ ствие изменения активности углерода, растворенного в железе [179]. Причем резкое повышение активности это­ го элемента наблюдается при охлаждении между ликви­ дусом и солидусом.

Это оказывает существенное влияние на образование газовых пузырей при охлаждении стали от температуры раскисления до солидуса, если концентрация такого силь­ ного раскислителя, как алюминий, недостаточна. Разви­ тие описанного процесса способствует также повышению концентрации кислорода в раскисленной стали, что обус­ ловлено повторным окислением, так как при заполнении кристаллизатора открытой вертикальной струей в лунку металла попадает и значительное количество воздуха.

Когда затвердевает металл, содержащий в растворе газ, поверхность раздела оттесняет его точно так же, как всякую иную примесь с равновесным коэффициентом рас­ пределения /Со<1. Если расплав уже насыщен газом (т. е. в нем содержится предельное количество для дан­ ных температуры плавления и давления), то с началом образования у поверхности раздела обогащенного слоя расплав перенасыщается газом. Это означает, что содер­ жание газа в растворе превышает равновесную величи­ ну, благодаря чему возникает термодинамическая дви­ жущая сила, стремящаяся уменьшить содержание газа.

•Количество газа в растворе может уменьшиться или в

245

Жидкость

б Т т Твердая фаза 6 ТГ

Рис. 104. Схема іравнавеаного состояния газового пузыря

результате его выделения у свободной поверхности, или

разования зародышей, которое может быть гомогенным или гетерогенным. Образование зародыша в газовой фа­ зе аналогично образованию зародыша в твердой фазе, только в первом случае необходимо учитывать влияние давления газа на свободную энергию. Следовательно, об­ разование зародыша пузыря газа, растворенного в рас­ плаве, можно, хотя бы формально, считать подобным об­ разованию зародыша неметаллических включений, рас­ смотренному в предыдущем параграфе, однако интенсив­ ность зарождения пузырьков газа в гомогенном металле должна быть неизмеримо меньше интенсивности зарож­ дения кристалликов твердой фазы или капель жидкой.

В реальных условиях жидкая сталь не является опти­ чески прозрачной жидкостью, кроме того, при затвердева­ нии слитка жидкая сталь ограничена межфазной поверх­ ностью твердая фаза— жидкая фаза. Теоретически мож­ но показать, что поверхность раздела между твердой и жидкой фазами не должна быть эффективным стимуля­ тором образования зародыша пузыря. Рассмотрим в со­

246

Известно, что а т г много больше а т .ж и что сгт .г долж­ на быть, по всей вероятности, несколько больше о® Ь- По­ этому cos Ѳимеет отрицательную величину, т. е. при кон­ такте пузыря с поверхностью раздела между твердой и жидкой фазами его поверхностная энергия возрастает. Однако известно, что газовые пузыри образуются в слит­ ке на поверхности раздела твердая фаза — жидкая фаза. Это объясняется тем, что на поверхности раздела кон­ центрация газа достигает наибольшей величины. Кроме того, на поверхности раздела имеются углубления, кото­ рые существуют внутри дендритных кристаллов и между ними, где концентрация газа должна быть еще выше вследствие междендритной сегрегации. На этих участках концентрация газа значительно превышает Co/К, кото­ рой должна характеризоваться поверхность раздела и которая может оказаться недостаточной для образования зародышей газовых пузырей.

Газовые пузыри зарождаются на поверхности фронта кристаллизации, когда скорость диффузии газа от по­ верхности раздела меньше скорости его оттеснения этой поверхностью и когда скорость диффузии настоль­ ко низкая, что концентрация газа поддерживается выше того уровня, при котором начинается образование заро­ дышей.

Зародыш газового пузыря может оторваться от по­ верхности раздела или остаться на ней. Если зародыши образуются интенсивно и жидкий металл движется вдоль фронта кристаллизации быстро, то пузырек газа может уноситься из зоны его образования.

Далее, пузырь может удалиться из жидкой фазы или же застрять между ветвями дендритов, если для этого имеются условия. В последнем случае его можно срав­ нить с пузырьком, оставшимся в зоне его образования. Если пузырь захватывается по месту его образования, то он немедленно становится резервуаром, в который устремляется газ из соседнего пересыщенного раствора. Это создает концентрационный градиент, который заста­ вляет газ из окружающей пузырь жидкой фазы диффун­ дировать в этот пузырь, Поэтому этот пузырь растет, но поверхность раздела при этом продолжает перемещать­ ся. От соотношения скоростей роста пузыря и продви­ жения поверхности раздела зависит, будет ли диаметр

247

пузыря расти, сохраняться неизменным или же отстанет от роста твердой фазы.

Как известно, внешнее давление, препятствующее об­ разованию пузырей, слагается из атмосферного давления Рат, ферростатического давления Ну и давления поверх­ ностной пленки, которая окружает пузырек газа радиу­ сом г*:

речь, что обусловлено наличием готовой поверхности раз­ дела для зарождения пузырьков газа в кристаллизую­ щемся металле [172]. Пузыри газа будут образовывать­ ся в металле только в том случае, если парциальное да­ вление выделяющегося газа будет превышать внешнее давление раіь которое может изменяться в зависимости от давления Ну .

Следует отметить, что давление в той или иной точ­ ке затвердевающего расплава может быть ниже, чем это следует из чисто гидростатических соображений. Разви­ тие процесса кристаллизации, сопровождаемое уменьше­ нием объема, должно приводить к снижению давления. Падение давления надо ожидать и в тех случаях, когда затвердевающий расплав сообщается с основной массой жидкой фазы через узкие каналы, какие существуют, на­ пример, внутри дендритных кристаллов и между ними, где гидродинамическое сопротивление течению может создать существенный перепад давления. Однако учесть

изменение давления практически не представляется воз­ можным.

t — температура, °С.

248

Рис. 105. Схема действия сил на зародыш газового пузыря на фронте кристаллизации криволинейного слитка (А — фронт кри­ сталлизации)

Задаваясь максимально возможными значениями

S=28 мл/100 г и ^=1535°С, получаем рг=27,6 Н/см2 или

2,76 кгс/см2. Высота столба жидкого металла Я ѵ , на ко­ торой могут образоваться пузырьки газа, определенная подстановкой известных значений в формулу (192), рав­ на 2600 мм. Величину Я у определяют по уравнению

(рис. 105):

Расстояние от мениска до горизонтальной линии из центра кривизны рассчитывают по формуле (58):

249