Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Химическая неоднородность примесей - ликвация

Химическую неоднородность в слитке обычно определяют терминами-синонимами — «ликвация» (лат. liguatio — плавление) и «сегрегация» (лат. segregare — отделять). Впервые на химическую неоднородность стальных слитков обратили внимание А. С. Лавров и Н. В. Калакуцкий в 60-х годах прошлого столетия.
Ликвация примесей при кристаллизации стали.

Теория ликвации примесей основывается на диаграммах состояния и исходит из факта разной растворимости примесей в жидкой и твердой стали. Если при этом допустить, что выравнивание состава твердой фазы протекает со значительно меньшей скоростью, чем сам процесс кристаллизации, то интервал между линиями солидуса и ликвидуса на диаграммах состояния может характеризовать степень развития ликвации в сплаве.

На использовании диаграмм состояния с указанным допущением предприняты попытки количественной оценки ликвации примесей. При затвердевании железо­углеродистого сплава, содержащего больше 0,075% С, в последней капле жидкого металла при температуре линии НВ концентрация углерода составляет 0,59%, а в твердой фазе 0,075% С (рисунок 1). Следовательно, коэффициент К распределения углерода между твердой и жидкой фазами, равный 0,075/0,59 = 0,13, будет количественно характеризовать склонность углерода к ликвации в железоуглеродистых сплавах с содержанием углерода в пределах 0,075—0,59% С.

Часть диаграммы состояния Fe-С
Рисунок 1. Часть диаграммы состояния Fe-С

Кроме коэффициента К, для характеристики тенденции примеси к ликвации пользуются коэффициентом (1 — К). С уменьшением значения коэффициента распределения К и увеличением коэффициента ликвации (1 — К) склонность к ликвации возрастает. В таблице приведены значения коэффициента распределения К и ликвации (1 — К) для некоторых элементов в твердой фазе железа, определенные по соответствующим диаграммам равновесия. Из приведенных данных следует, что наибольшую склонность к ликвации из обычных примесей в стали имеют сера, кислород, фосфор, углерод и в значительно меньшей степени марганец и кремний.

Однако распределение примесей между жидкой и твердой фазами при затвердевании реальных сплавов будет отличаться от вышеприведенного в связи с неравновесными условиями кристаллизации стали и влиянием на этот процесс конвективного движения его, поверхностных свойств примесей, взаимодействия и влияния примесей на распределение и других факторов.

Таблица 1. Значения коэффициента распределения К и ликвации 1 - К некоторых элементов

Значения коэффициента распределения К и ликвации 1 - К некоторых элементов

Остановимся несколько подробнее на некоторых из перечисленных выше факторов. Теоретически возможны два крайних случая соотношения скорости массопередачи примесей Vпр, обусловленные прежде всего развитием конвективных потоков в жидком металле и скоростью кристаллизации Vk:

  • Vпр >> Vk и Vk >> Vпр

При соотношении Vk >> Vпр в случае избирательной кристаллизации стали по мере роста кристалла примеси как бы выталкиваются в жидкую фазу, постепенно обогащая ее в областях, прилегающих к кристаллу. Примесь не разносится по объему слитков, и каждый кристалл по мере своего роста питается все более загрязненным металлом. Следовательно, при среднем равномерном распределении примесей по объему затвердевшего слитка будет наблюдаться развитая ликвация по сечению каждого кристалла, т. е. при развитой микронеоднородности зональной ликвации (макронеоднородности или макроликвации) не будет.

При соотношении скорости кристаллизации и массопереноса примеси Vпр >> Vk вытесненная в жидкую фазу примесь при образовании кристалла сразу разносится по объему жидкой части слитка стали. Вследствие несоизмеримо малого объема кристалла по сравнению с объемом жидкой части слитка кристалл растет из жидкой фазы практически постоянного состава. Однако по мере затвердевания слитка жидкая часть все более обогащается примесью и последние кристаллы образовываются из загрязненного примесью металла, т. е. в отсутствие микронеоднородности наблюдается развитая макронеоднородность (макроликвация).

При кристаллизации реальных слитков наблюдается промежуточные соотношения скорости кристаллизации и массопередачи примесей, причем затвердевание слитка спокойной стали протекает ближе к соотношению Vk >> Vпр.

Примеси, присутствующие в жидкой стали, оказывают при кристаллизации взаимное влияние на перераспределение их в жидком и твердом металле. Так, в присутствии никеля и хрома ликвация примесей заметно снижается. Однако количественно оценить взаимное влияние примесей на развитие ликвации (ликвации) в стальном слитке пока не представляется возможным.

В слитке стали выявляется дендритная (микроликвация) и зональная (макроликвация) химическая неоднородности. Качественно оба вида ликвации примесей могут быть определены по серным отпечаткам. Количественно макроликвация определяется на основе анализа стружки металла, отобранной из различных мест вырезанных из слитка продольных или поперечных темплетов, а микроликвация — локальным методом с использованием, например, лазерного луча, а также методом радиоактивных изотопов. В последнем случае в жидкий металл вводят радиоактивный изотоп элемента, ликвация которого подлежит изучению, с последующим снятием авторадиограмм. Количественно химическая неоднородность (ликвация) характеризуется отношением:

  • (C - Ccp/Ccp) * 100%

соответственно содержание элемента в данной точке и среднее его содержание в слитке или в ковшевой пробе. В слитке спокойной стали обычно обнаруживаются две зоны положительной и одна зона отрицательной ликвации (рис. 2). Зона отрицательной ликвации (5) совпадает с конусом осаждения. Зона положительной ликвации представляют собой V-образную осевую (2) и Д-образную внеосевую ликвацию или «усы» .

микроликвация
Рисунок 2. Макро- (а) и микроликвация (б), определенная по серным отпечаткам соответственно со слитка стали 60 массой 8 т и со слитка стали 15 массой 6 т

В прибыльной части под усадочной раковиной, где сосредотачиваются последние порции загрязненного металла, обнаруживается максимальное содержание примесей. Наиболее часто образование «усов» связывают с выделением газов в виде микроскопичных пузырьков в процессе затвердевания слитка. При этом «ус» рассматривают как след, оставленный примесями, оторвавшимися от пузырька во время прохождения его в жидком объеме металла. Предполагается также, что пузырек, поднимаясь вверх и проходя через щетку дендритов двухфазной зоны, ломает их и прокладывает канал, по которому поднимается вверх обогащенный примесями металл небольшой плотности; одновременно в эти каналы стекает с соседних межкристаллических участков загрязненный металл.

В связи с малыми размерами пузырьков скорость их подъема мала, и они отклоняются продвигающимся фронтом кристаллов к центру, что, в конечном счете, обеспечивает наклон каждого «уса» к центру.

микроликвация
Рисунок 3. Максимальная степень ликвации примесей в зависимости от массы слитка

Осевая V-образная неоднородность (ликвация) располагается в осевой зоне слитка, от конуса осаждения внизу до «моста» под прибылью, и выявляется на продольных травленых макрошлифах и серных отпечатках в виде чередующихся темных и светлых клинообразных участков, отличающихся повышенной пористостью. Большинство металлургов связывают образование осевой неоднородности (ликвации) с усадкой металла.

микроликвация
Рисунок 4. Макроликвация примесей в
слитке спокойной стали 1 - д-образная
ликвация («усы»), 2 - V-образная ликвация,
3 - зона отрицательной ликвации

Зона отрицательной ликвации связана с образованием конуса осаждения, когда вниз сползают кристаллы, образующиеся после прекращения роста столбчатых дендритов в основном в момент остановки кристаллизации. Медленный рост этих кристаллов в условиях развитых конвективных потоков обеспечивает относительно низкое содержание в них ликвирующих примесей.

Хотя всесторонней теории развития ликвации в слитке спокойной стали к настоящему времени еще не создано, однако накопленные данные, полученные в производственных условиях и при специально проводимых исследованиях, позволяют наметить пути уменьшения этого порока стального слитка. Факторы, обусловливающие более длительное пребывание металла в изложнице в жидком состоянии, способствуют развитию зональной неоднородности (зональной ликвации) слитка, поскольку в расположенные в центральной части слитка объемы конвективными потоками выносятся в большем количестве ликвирующиеся примеси. Такими факторами являются большой развес слитка, повышенная температура и ускоренная разливка стали, а также использование малотеплопроводных изложниц, например песчаных форм.

Зависимость степени сегрегации серы, фосфора, углерода, кремния и марганца от массы слитка представлена на рисунке 2. При существующей тенденции увеличения массы слитка необходимо учитывать возможности заметного повышения химической неоднородности в этом случае.

Развитие осевой V-образной сегрегации можно уменьшить, увеличивая конусность слитка, поскольку подпитывание затвердевающего металла улучшается и затрудняется местное перераспределение примесей стали. Для уменьшения Д-образной внеосевой сегрегации желательно, чтобы площадь поперечного сечения слитка была меньше, 1 а конструкция изложницы обеспечивала достаточно быструю последовательную кристаллизацию от низа до верха слитка. Применение различного рода кристаллизаторов, искусственно вводимых в изложницу, интенсифицирует затвердевание слитка и уменьшает развитие ликвации.

Источник [4] → список литературы.


Вернуться в начало раздела: Разливка стали
Вернуться на главную: Черная металлургия