Основные дефекты крупных стальных слитков

Неметаллические включения в слитках

Неметаллические включения в слитках встречаются, как правило, в виде оксидов, сульфидов, нитридов (реже фосфидов), а также в виде более сложных соединений – оксисульфидов, силикатов, сульфосиликатов, алюминатов, алюмосиликатов и т. п. Наиболее крупные включения, которые резко снижают механические свойства стали, образуются из конгломератов оксидов или оксисульфидов. Общее количество неметаллических включений в крупном слитке обычно не превышает 0,02-0,03% (по массе). При этом в стали, подвергнутой рафинирующей обработке в ковше, этот показатель оказывается еще ниже.

На практике уровень загрязненности стали неметаллическими включениями регламентируется специальными стандартами и техническими условиями, в которых оговариваются величина, химический состав и характер их распределения в готовом изделии. Для этого из готовой продукции отбираются специальные образцы, на которых и выполняются необходимые металлографические исследования. Как правило, образцы отбирают из зон, в наибольшей степени пораженных неметаллическими включениями. Следовательно, знание основных закономерностей поведения и распределения неметаллических включений в крупных слитках представляется достаточно важной задачей, имеющей прямое отношение к качеству изделия.

Современное металлографическое оборудование позволяет идентифицировать любое неметаллическое включение как по химическому составу, так и по геометрическим размерам. Более сложной практической задачей представляется корректная оценка закономерностей распределения неметаллических включений по данным, полученным из отобранных образцов, поскольку эти образцы отбираются, исходя из определенных соображений, и несут информацию только об определенных (весьма небольших) областях слитка или изделия. Поэтому на практике оценку распределения неметаллических включений осуществляют по специальным шкалам в баллах, оговоренных в соответствующих технических условиях. Это значительно снижает трудоемкость металлографических исследований и обеспечивает получение интегральной оценки.

По источникам образования включения могут быть разделены на эндогенные и экзогенные. Включения первого типа обычно имеют небольшие размеры и являются результатом химических реакций и массопереноса, происходящих в жидкой стали. Экзогенные включения являются продуктами взаимодействия жидкой стали со шлаком и огнеупорами печи, желоба, ковша, сифонных проводок. Эти включения имеют большие размеры и сложный состав.

Примерная доля экзогенных и эндогенных оксидных включений, поступающих из разных источников в слиток составляет: металлическая шихта – 20%; футеровка печи– 0,5%, печной шлак – 3%; футеровка желоба – 0,5%; футеровка ковша – 3%; сифонный припас – 1%; продукты раскисления – 40%; продукты вторичного окисления – 32%.

Большая часть экзогенных включений всплывает на поверхность металла в ковше, но часть все же попадает в слиток, способствуя образованию грубой корочки на зеркале металла в изложнице. Экзогенные включения обычно имеют большие размеры, а их содержание составляет 15-25% от общего содержания включений в стали.

Одним из классов эндогенных неметаллических включений являются оксиды - продукты взаимодействия растворенного в стали кислорода с другими химическими элементами. Они имеют линейные размеры до 10-15 мкм. Согласно общепринятой классификации, оксидные эндогенные неметаллические включения можно разделить на три группы:

1. Первичные неметаллические включения, образовавшиеся после ввода в сталь раскислителей. Удаление этих включений в результате всплывания в жидкой стали происходит, главным образом, в ковше и затем продолжается в процессе кристаллизации слитка.
2. Вторичные неметаллические включения, формирующиеся в процессе охлаждения металла до температуры ликвидуса за счет сдвига равновесия реакции раскисления в сторону уменьшения концентрации растворенного кислорода. Вторичные оксидные включения могут всплывать из жидкой сердцевины слитка в его прибыльную часть.
3. Третичные неметаллические включения, образующиеся при затвердевании жидких участков металла в двухфазной области, которая формируется при затвердевании слитка. Эти включения не удаляются, поскольку их образование, происходит в замкнутых объемах двухфазной зоны.

Другим классом неметаллических включений являются сульфиды, которые формируются преимущественно в процессе затвердевания слитка (сульфиды железа и марганца). В соответствии с классификацией К. Симса различают три типа сульфидных включений:

• крупные глобулярные включения (первый тип);
• включения, располагающиеся в виде строчек, сеток и эвтектических образований (второй тип);
• включения многогранной формы, беспорядочно расположенные по телу образца (третий тип).

Сульфидные включения первого типа наблюдаются, как правило, в периферийных зонах слитков, что объясняется высокой скоростью наращивания твердой корочки и наличию оксидных фаз с высокой растворимостью серы. При этом в зависимости от химического состава оксисульфида сначала выделяются, как правило, оксидные фазы, на которых осаждаются сульфидные фазы. Вследствие наличия кислорода в сульфидной фазе она остается жидкой до низких температур и приобретает глобулярную форму.

Большие скопления сульфидных включений второго типа наблюдаются в осевой зоне верхних горизонтов слитка. Однако эти включения обнаруживаются практически во всех зонах крупных слитков. Характерно, например, что этот вид включений имеет развитую ветвистую форму в промежуточной зоне слитка. Включения этой группы приобретают вид грубых утолщенных дендритов (но также тонких в сечении) при переходе к осевой зоне, и наоборот, характеризуются слаборазвитой ветвистой формой в периферийных слоях слитка, формируясь здесь в виде тонких палочек, обрывков дендритных осей и пр. Протяженность таких включений может быть от 3-5 микрон до несколько сотен микрон. При этом такие неметаллические включения склонны располагаться цепочками, что многократно повышает вероятность разрушения металла по этим цепочкам в процессе ковки.

Сульфидные включения третьего типа в большом количестве наблюдаются в промежуточной зоне слитка. Формирование кристаллических окончаний ветвей и образование правильных многоугольников, по-видимому, имеет место на тех участках дендритных каналов, где отсутствует температурный градиент, и рост сульфидного кристалла происходит равномерно со всех сторон в результате диффузионных процессов.

Максимальное содержание сульфидов обычно приходится на верхний и средний горизонты слитков, что соответствует месту наибольшей ликвации серы. В корковой зоне слитков имеются в большом количестве мелкие точечные сульфиды глобулярной формы диаметром 0,75-1,50 мкм, расположенные произвольно или по контуру зерна. Наряду с мелкими глобулярными сульфидами здесь присутствуют также отдельные включения овальной и вытянутой формы размером 2-13 мкм, которые расположены беспорядочно или небольшими скоплениями. По мере удаления от поверхности слитка сульфидные включения укрупняются, а число их на единице поверхности шлифа уменьшается.

Ввод в жидкую сталь раскислителей и легирующих элементов изменяет условия образования сульфидов. Например, тугоплавкие сульфиды кальция, магния, церия и лантана могут зарождаться в жидкой стали и удаляться из нее путем ассимиляции шлаковой фазой.

Известно, что азот в стали образует химические соединения с рядом раскислителей и легирующих элементов. Расчеты показывают, что в жидкой низколегированной стали могут существовать лишь нитриды титана, алюминия и циркония. Нитриды титана в стали представляют собой непрозрачные правильной квадратной и призматической формы частицы мелких и средних размеров, а нитриды алюминия - тонкие включения светлосерого цвета игольчатой формы, длина которых колеблется от 0,05 до 3мкм. Флотация и удаление нитридов при обработке в ковше затруднены вследствие их высокой плотности и малых размеров.

Применение метода радиоактивных индикаторов при изучении характера развития конвекции в кристаллизующихся слитках (см. гл. 2) показывает, что массоперенос примесей из диффузионного слоя реализуется развитием нисходящего и восходящего конвективных потоков. При этом в зоне, прилегающей к фронту кристаллизации, возникает перемещение металла вниз, а по оси слитка – вверх. Указанное перемещение жидкого металла сопровождается вихреобразованием и возникновением участков с пониженным давлением. Чем больше скорость конвективных потоков, тем значительнее разрежение и больше неметаллических включений захватывается в зону конвекции.

Максимальная скорость нисходящего потока в нижнем сечении выше, чем в верхнем. Скорость нисходящего потока интенсивно уменьшается по мере удаления от фронта затвердевания. Большой градиент скорости в узком пограничном слое приводит к появлению определенного слоя расплава интенсивной турбулентности, распространяющегося вниз по течению нисходящих потоков и способствующего захвату неметаллических включений. Учитывая сравнительно небольшие скорости восходящих потоков в нижней части слитка, эти включения должны оставаться в нижней более вязкой зоне жидкой фазы слитка.

Наибольшее количество оксидных неметаллических включений, как правило, обнаруживается в донной части слитка, а меньшее – в верхних его горизонтах. Зону с повышенным содержанием оксидных неметаллических включений, локализованную в донной части слитка, принято называть конусом осаждения. Неметаллические включения в зоне конуса осаждения представлены, главным образом, частицами корунда, силикатами марганца, алюмосиликатами и т.п. При этом силикатные включения в пробах, отобранных из жидкой фазы слитка, имеют характерную округлую форму и линейный размер 10-15 мкм, а в конусе осаждения их размер увеличивается до 80-150 мкм.

Многие исследователи считают, что равноосные дендриты, которые образуют конус осаждения, зарождаются преимущественно на силикатных включениях (особенно на тех, которые содержат свободный глинозем и шпинели). Опускаясь на дно затвердевающего слитка, они образуют конус осаждения, который, таким образом, связывается с сегрегацией неметаллических включений. Комплексные силикаты, которые находятся в донной части слитка, наиболее сильно концентрированы на расстоянии 10-15% от днища слитка.

Укрупнение твердых неметаллических частиц происходит при их столкновениях за счет явления коагуляции (слипания). Например, при движении частиц глинозема вместе с конвективными потоками вниз частота их столкновений резко возрастает. При этом они спекаются и в результате этого коагулируют. Следует отметить, что интенсивность конвекции металла наибольшая в начальный период кристаллизации. В дальнейшем скорость конвективных потоков уменьшается, а область их циркуляции сужается и перемещается вверх. При этом частота встреч включений вследствие перемешивания снижается, то есть, ухудшаются условия для коагуляции. Наблюдаемое же их укрупнение при переходе от периферии к центральным участкам слитка, вероятно, объясняется сравнительно длительным пребыванием этих участков в жидком состоянии, что благоприятствует укрупнению включений по механизму диффузии.

Загрязненность металла крупных слитков двухфазными неметаллическими включениями типа оксисульфидов и сульфосиликатов намного ниже, чем однофазными сульфидами или оксидами. Геометрическая форма двухфазных включений, как правило, глобулярная или овальная, а расположение либо единичное, либо в виде небольших скоплений. Легкоплавкие включения оксисульфидов выделяются в жидком виде при затвердевании слитка. Такие включения вызывают ослабление межзеренных связей, особенно при повышении температуры (красноломкость). Наибольшее число оксисульфидов обычно приходится на верхний и средний горизонты слитка, а сульфосиликатов- на средний и донный.

Принимая во внимание ту значимую роль, которую несут неметаллические включения с точки зрения обеспечения высокого качества изделий из крупных слитков, на практике стремятся уменьшить их количество и глобулизировать их форму еще в жидкой стали. В этом плане в технологическом цикле выплавки стали предусматривается обязательная рафинирующая обработка стали на установке ковш-печь и при необходимости ее вакуумирование. При этом особое внимание уделяется отсечке шлака при выпуске стали из плавильного агрегата, а также защите струи стали от вторичного окисления во время наполнения изложницы.