2.3 Особливості будови зливка киплячої сталі

На відміну від спокійної сталі, що повністю розкислена, кипляча сталь при кристалізації “кипить”. Ефект кипіння викликається реакцією між розчиненими в металі вуглецем і киснем:

[С] + [О] = СО_г. (2.9)

Навіть у зливку спокійної сталі, що повністю розкислена, у момент кристалізації має місце виділення деякої кількості газів. У зливку киплячої сталі рясне газовиділення не лише накладає певний відбиток на будову зливка, але і значною мірою визначає його якість. У зливку киплячої сталі, що кристалізується, формуються наступні основні зони (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Будова зливка киплячої сталі:

1 - щільна зовнішня скориночка; 2 - зона стільникових міхурів; 3 - проміжна щільна зона; 4 - зона вторинних пухирців; 5 - серединна частка зливка.

Зона щільного зовнішнього шару (“скориночка”) утворюється у момент зіткнення рідкої сталі з холодними стінками виливниці. Метал цієї зони складається з дрібних, безладно орієнтованих кристалів, за хімічним складом близьким до складу рідкого металу в ковші. Товщина зони (товщина скориночки) залежить від ряду чинників, і перш за все від швидкості розливання (швидкості наповнення виливниці). При швидкому наповненні виливниці товщина скориночки менша, при повільному розливанні товщина скориночки більша.

Зона стільникових пухирців. Так само, як і в разі кристалізації зливка спокійної сталі, при кристалізації киплячої сталі зачинається зростання стовбчастих кристалів. Осі зростаючих кристалів збігаються з направленням відведення тепла. Оскільки кристалізація відбувається вибірково, осі кристалів чистіші за матковий розчин, між осями зростаючих кристалів знаходиться збагачений лікватами матковий розчин. Ліквати містять вуглець і кисень; підвищення їх концентрації та сприятливі умови утворення нової фази (наявність твердих поверхонь) приводять до інтенсивного протікання реакції:

[С] + [О] = СО_г.

Одна частка газу, що утворюється, віддаляється вгору, а інша “захоплюється” зростаючими кристалами і залишається у вигляді подовжених пухірець в просторі між ними. Формою ці пухирці нагадують стільники в бджолиних вуликах, тому їх зазвичай називають стільниковими, а всю зону - зоною стільникових пухирців. Спочатку кожен такий пухирець заповнений в основному СО. В процесі кристалізації і охолоджування зливка в нього дифундують інші гази, і перш за все водень. На розмір і протяжність зони стільникових пухирців впливають: склад і окисленість сталі, спосіб і швидкість розливання, маса зливка та ін. Феростатичний тиск стовпа металу над пухирцем, що утворюється, перешкоджає його розвитку, тому при дуже швидкому розливанні пухирці, що утворилися в перший момент, фіксуються металом на малій відстані від поверхні зливка і товщина першої зони (товщина скориночки зливка) виявляється малою. Навпаки, при повільному розливанні метал “вільно перекипів” і пухирці захоплюються та фіксуються металом, що твердіє, на більшій відстані від поверхні зливка.

Таким чином, регулюючи швидкість розливання, можна регулювати товщи­ну| зони щільного зовнішнього шару і початок утворення зони стільникових пу­хирців.| Вплив тиску|тиснення| стовпа ме­талу| позначається і в тому, що в самій верхній частині|частині| зливка|зливка| стільникових пухирців|пузирів| немає (вони спливли). На процес утворення| стільникових пухирців впливає тако­ж| рівень окисленості | металу. При підвищеному вмісті кисню| умови утворення пухирців СО|із| сприятливіші, інтенсивне газовиділення| забезпечує умови для видалення|віддалення| частки|частини| га­зів|, що утворюються, виходить розвинена зона подовжених| стільникових пухирців|пузирів| при достатній| товщині скориночки.

При надмірно високій окисленості металу газовиділення відбувається настільки інтенсивно, що рівень металу, який вскипає, швидко досягає верху виливниці, і розливання припиняють. Після нетривалого кипіння рівень металу знижується і виливниця виявляється заповненою не повністю (такий дефект часто називають халявою). У разі розливання металу з малою окисленості міхури, що утворюються в перший момент, фіксуються зростаючими кристалами і майже не віддаляються вгору (метал слабо кипить). Товщина скориночки виявляється невеликою, а зливок - рихлим і пузиристим із-за наявності великого числа пухирців, що не встигли віддалитися з металу в процесі кипіння. Часто рівень такого зливка після завершення розливання продовжує підвищуватися (рослий зливок); інколи метал вже не вміщається у виливниці і “вилазить” з неї, утворюючи дефект, який називають капустою.

Таким чином, для отримання|здобуття| нормального зливка|зливка| киплячої сталі необхідно мати метал визначеної| окислено|сті||. Як відомо з|із| практики, отримання | хорошого|доброго| зливка|зливка| киплячої сталі з|із| металу, що містить|утримує| >0,25 % С|із|, скрутно.

При утворенні стільникових міхурів ліквіруючі в простір між зростаючими дендритами вуглець і кисень витрачаються на утворення СО, стільниковий пухирець заповнений в основному Н₂ і N₂ (обидва гази - відновники). В результаті виходять пухирці з чистою внутрішньою поверхнею, що не окислена. При подальшому плющенні такі пухирці повністю заварюються, і якщо розрізати заготовку, прокатану із зливка киплячої сталі, то жодних слідів зони стільникових пухирців не виявляються. Проте можливі випадки, коли при нагріві перед плющенням зливків киплячої сталі в нагрівальних колодязях в результаті дії окислювальної атмосфери цих колодязів скориночка зливка (перша зона) окислюватиметься (“прогорить”) і окислювальні гази, потрапивши в порожнину стільникових пухирців, окислюватимуть їх внутрішню поверхню. Такі пухирці з внутрішньою поверхнею, що окислює, при плющенні не заварюються, і зливок бракується. Технологія виплавки і розливання киплячої сталі повинна забезпечувати отримання скориночки необхідної товщини. Товщину (або ширину) першої зони часто називають товщиною (або шириною) здорової скориночки.

Зона відносно щільного і чистого металу. При твердінні металу в цій зоні лікваційні процеси продовжуються, проте концентрації лікватів ще недостатньо для газовиділення (значна частка розчинених в металі газів, раніше всього водню, вже виділилася при утворенні стільникових пухирців).

Зона вторинних пухирців. В мить, коли концентрація лікватів стає достатньою для початку газовиділення, в зливку утворюються пухирці, які прийнято називати вторинними. Швидкість росту кристалів у цей момент вже невелика і пухирці мають округлу форму. До моменту утворення вторинних пухирців наповнення виливниці закінчене і на поверхні зливка, що формується, утворюється кірка застиглого металу, тобто умови видалення пухирців стають несприятливими і велика частка вторинних пухирців залишається в зливку у вигляді стовпа округлих пухирців, зафіксованих в металі на деякій відстані від стільникових пухирців. Вторинні пухирці також заварюються при плющенні.

Осьова зона зливка. Ця зона кристалізується в останню чергу і подібно до осьової зони зливка спокійної сталі складається з безладно орієнтованих кристалів, що твердіють в матковому розчині, збагаченому лікватами. У цій зоні також є пухирці, особливо в головній частині зливка, що твердіє в останню чергу, проте це пухирці усадкового походження. Довкола них концентруються ліквати. Ці пухирці погано зварюються при плющенні, а крупні пухирці в головній частині зливка з скупченнями лікватів (зокрема, сірки і фосфору) на внутрішній поверхні взагалі не зварюються. Головну частину зливка киплячої сталі (5…10 % - приблизно удвічі менше, ніж в зливка спокійної сталі) також відрізують і відправляють в переплавку.

Об'єм зливка киплячої сталі в процесі його усадки при твердінні не зменшується внаслідок утворення в тілі зливка багаточисельних пухирців (інколи, в разі отримання так званих рослих зливків, об'єм зливка навіть збільшується). Оскільки зливок киплячої сталі не має чітко вираженої області усадкової раковини, для розливання киплячої сталі використовують зазвичай крізні виливниці, що розширюються донизу.

Окрім труднощів, пов'язаних із завданням отримання здорової скориночки необхідної товщини, зливок киплячої сталі має істотний недолік - високий ступінь нерівномірності складу металу в різних зонах зливка. Як тільки зачинаються кристалізація і супроводжуюче її газовиділення, пухирці газу, що утворюються і піднімаються, інтенсивно перемішують метал, покращуючи умови переміщення лікватів в глиб зливка. В результаті виявляється, що верх і осьова частина зливка мають набагато вищий (ступінь ліквації інколи досягає десятиразових значень) вміст таких сильно ліквіруючих домішок, як сірка, фосфор, вуглець, кисень. Використовувати такий метал для виробів відповідального призначення не можна. В той же час виробництво киплячої сталі має ряд переваг:

- зменшується головна обрізь і відповідно збільшується вихід металу;

- спрощується устаткування (не вимагається використання прибуткових надставок);

- відпадає необхідність розкислювання металу (зменшуються тривалість плавки і витрата розкислювачів).

Легуючі домішки|нечистоти| впливають на діаграму стану|стану| сплаву і відповідно| на зональну ліквацію| вуглецю, сірки, фосфору. Особливо виразно виявляється вплив нікелю: при 3…4% Ni| повністю|цілком| виключається по­ява| зональною хімічною неодно­рідності| зливка|зливка|. Оскільки основний недолік|нестача| киплячої сталі викликаний|спричиняти| пе­ремішування| металу у виливниці, а перемішування пов'язане з активним газовиділенням|, штучне припинення| або уповільнення газовиділення приводить|наводить| до припинення перемішу­вання| та зменшенню ступеня|міри| неоднорідності| зливка|зливка| киплячої сталі. Для цієї мети|цілі| на практиці використовують два технологічні прийоми:

1. Штучне “заморожування” головної частини зливка, для чого накривають зливок масивною металевою плитою (кришкою). Зазвичай до цієї операції прибігають у момент закінчення утворення третьої зони кристалізації. Тепловіддача від верху зливка до масивної кришки приводить до швидкого твердіння верхньої кірки зливка, зливок як би закупорюється, тиск в ньому різко зростає, і реакція [С] + [О] = СО_г припиняється, оскільки пухирці СО, що утворюються при цій реакції, не в змозі здолати зовнішній тиск в “закупореному” зливку. Оскільки припиняється газовиділення, то припиняється і інтенсивне перемішування рідкого металу та ступінь неоднорідності в зливку зменшується. Такий технологічний прийом називають механічним закупорюванням.

2. Розкислювання головної частини зливка шляхом введення (зазвичай у момент закінчення утворення третьої зони кристалізації) сильних розкисників, наприклад, алюмінію. Введення сильного розкислювача супроводжується різким зменшенням окисленості металу; відповідно припиняються протікання реакції [С] + [О] = СО_г, інтенсивне перемішування рідкого металу, і знижується ступінь неоднорідності зливка. Такий технологічний прийом називають хімічним закупорюванням.

Чим більше маса зливка, тим довше він твердне, тим значніше ступінь неоднорідності хімічного складу металу по перетину і висоті зливка. Для підвищення продуктивності обтискаючих прокатних станів бажано отримувати крупні зливки, проте отримання крупних однорідних зливків киплячої сталі є складним завданням. В той же час вирішення цієї проблеми є резервом економії, оскільки кипляча сталь має нижчу вартість, ніж спокійна. В якійсь мірі ця проблема вирішується при виробництві групи марок сталей, що об'єднуються спільною назвою напівспокійні сталі.