Проблемы производства крупных стальных слитков

Из совокупности сложных практических вопросов производства крупных стальных слитков можно выделить два основных: уменьшение различного вида неоднородности литого металла и обеспечение требуемого низкого содержания в нем водорода.

Как отмечалось, с увеличением массы стали, заливаемой в изложницу, дефекты слитка проявляются отчетливее. Невозможность обеспечить направленное затвердевание приводит к изоляции расплава в осевых объемах изложницы от прибыли. Здесь формируются пористость, рыхлость, трещины. Плотность стали с удалением от Поверхности крупного слитка резко уменьшается и в осевых его объемах на 4—5 % ниже максимальной величины. Осевая физическая неоднородность для массивных изделий представляет особую опасность, поскольку эффективность уменьшения ее путем горячей механической обработки (ковки, прессования) снижается с увеличением диаметра слитка.

Процесс формирования крупных слитков характеризуется продолжительным пребыванием больших масс стали в жидком состоянии, а также очень низкой скоростью кристаллизации металла. В совокупности со сравнительно быстрым снятием его перегрева над температурой ликвидуса это приводит к развитию протяженной двухфазной зоны, увеличению продолжительности локального затвердевания расплава, формированию неоднородной кристаллической структуры металла, огрублению ее в осевых объемах слитка, усилению ликвации.

Общая химическая неоднородность литого металла — один из основных дефектов крупных стальных слитков. В донной части последних формируется конус осаждения из кристаллов с пониженным содержанием примесей. Однако загрязненность его оксидами в 1,5—2 раза больше, чем металла из вышележащих областей слитка. В верхней части слитка затвердевающие в последнюю очередь объемы расплава из-за продолжительной ликвации обогащены примесями. Так, в слитках массой 170 т степень сегрегации углерода достигает 109 %, серы — 206 %, фосфора — 203 %, а в слитках массой 225 т — соответственно 300, 500 и 480 %. Химическая неоднородность, в частности по углероду, может достигать такого состояния, что металл донной и головной частей слитка будет соответствовать различным маркам стали (рис. 126).

Кроме общей химической неоднородности ликвация вызывает образование зональной сегрегации, которая служит причиной катастрофического снижения служебных свойств металла в зонах расположения сульфидных шнуров и осевой рыхлости. Масштабы развития этих дефектов прямо пропорциональны массе слитка, причем ликвидировать их последующей термомеханической обработкой невозможно.

Массивные детали и узлы машин и агрегатов изготавливают обычно из низко- и среднелегированных сталей мартенситного, перлито-мартенситного и перлитного классов, претерпевающих полиморфные превращения в процессе вторичной кристаллизации и весьма склонных к образованию флокенов. Для избежания появления этого дефекта содержание водорода в металле должно быть меньше критического, которое для сталей перлитного класса составляет 2,7*10в-4 %, а мартенситного — 2,0*10в-4 %. Однако необходимо учитывать, что в связи со склонностью к ликвации и сравнительно высокой диффузионной подвижностью водорода, содержание его по сечению слитка неравномерно. Так, если в периферийной зоне слитка массой 17 т содержится (1,5—2,5)*10в-4 % водорода (ниже критического), то в осевой зоне — 5,4*10в-4 %, т. е. в 2 раза выше критического. С увеличением массы слитка указанная неравномерность распределения водорода возрастает. Поэтому уменьшение газонасыщенности стали при производстве крупных слитков имеет особое значение.

Анализируя проблемы производства крупных слитков, необходимо отметить и вопрос повышения выхода годного металла. Дело в том, что по мере возрастания массы слитка и, следовательно, усиления различного вида его неоднородности головная и донная обрезь увеличиваются, а пригодная для изготовления деталей часть слитка с удовлетворительными свойствами металла уменьшается до 55—65 % (рис. 127). Понятно, что возможность повышения выхода годного металла тесно связана с решением проблемы физической, структурной и химической его неоднородности, хотя иногда разрабатываемые мероприятия направлены на повышение технико-экономической эффективности производства крупных слитков именно за счет уменьшения головной обрези последних.