Вайнер Н.И., Тутарова В.Д.

ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова», г. Магнитогорск, Россия

Влияние химического состава стали на возникновение внутренних дефектов непрерывнолитой заготовки

Качество непрерывнолитых заготовок в значительной мере определяется химическим составом разливаемой стали. Широкий температурный интервал кристаллизации стали является превалирующим фактором, вредное влияние которого нельзя ликвидировать принятыми технологическими средствами. Например, сталь марки Ст.3сп имеет более широкий интервал кристаллизации (20-25⁰С), чем сталь марки 08Ю (10-15⁰С). Следовательно, особенности кристаллизации данных марок стали свидетельствует о том, что сталь марки 08Ю более подвержена возникновению дефектов.

К основным внутренним дефектам непрерывнолитой заготовки относятся осевая рыхлость, осевая химическая неоднородность, осевые трещины, трещины, перпендикулярные широким и узким граням, гнездообразные трещины и точечная неоднородность.

Осевая химическая неоднородность обусловлена двумя явлениями: ликвационным обогащением внутренних зон примесями и усадкой осевой зоны при затвердевании в замкнутом по горизонтали объеме. В осевой зоне наряду с осевой рыхлостью наблюдается неоднородность по содержанию углерода в виде темных участков. Это явление особенно характерно для углеродистых сталей, так как они имеют более широкий интервал кристаллизации, и, следовательно, склонны к образованию развитого дендритного скелета. Этот скелет может служить проводником для отвода теплоты кристаллизации от центральной части слитка с весьма развитой поверхностью охлаждения и поэтому затвердевающей с высокой скоростью.

Осевая химическая неоднородность литой заготовки, как правило, при прокатке не устраняется. В узкой осевой зоне проката обнаруживаются полоски повышенной травимости и неоднородности по углероду. Наличие описанной зоны после прокатки заготовки на лист может приводить к его расслоению.

В конце затвердевания непрерывнолитой заготовки в центральной его части получает развитие осевая химическая неоднородность. В зависимости от степени ее развития в этом месте может образоваться осевая трещина. Значительное влияние на развитие осевых трещин оказывает содержание серы. Сера практически нерастворима в твердом a-железе и любое ее количество образует с железом сернистое соединение – сульфид железа FeS, который входит в состав эвтектики, образующейся при 988⁰С. Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной, как правило, по границам зерен, делает сталь хрупкой.

Группой ученых под руководством Рутеса В.С. установлено, что для получения удовлетворительной структуры осевой зоны содержание серы в зависимости от скорости вытягивания слитка должно быть следующим: 0,6 м/мин – не более 0,020%, 0,8 м/мин – не более 0,015%, 1,0-1,2 м/мин – не более 0,010%. Повышение содержания фосфора от 0,010 до 0,020 % и более также приводит к увеличению количества темплетов, пораженных осевыми трещинами, а также – к увеличению балла осевых трещин. Повышение суммарного содержания серы и фосфора в металле от 0,020 до 0,060% также сопровождается увеличением степени осевой химической неоднородности.

Ввиду невысокого содержания меди (0,02-0,14%) в разливочной пробе, ее вклад в количественную оценку балла трещин невелик. Влияние меди на свойства стали двояко: с одной стороны, наличие меди повышает коррозионную стойкость стали в атмосфере, с другой стороны, ввиду того, что медь вызывает красноломкость стали и, имея ограниченную растворимость в жидкой стали (температура плавления меди 1083⁰С), снижает пластичность металла приблизительно так же, как и углерод.

Растворимость фосфора при высокой температуре достигает 1,2%, но она резко снижается при повышении температуры и в итоге составляет всего лишь 0,020-0,030%. Однако это количество фосфора обычно присутствует в стали. Следовательно, фосфор целиком растворяется в a-железе. Со снижением содержания углерода возрастает растворимость фосфора. Находящийся в растворе фосфор неравномерно распределяется и обогащает границы зерен. Малая скорость диффузии фосфора в a-железе практически исключает выделение фосфидных выделений из раствора.

Ранее автором были получены зависимости развития балла осевой химической неоднородности от содержания серы: при 0,009..0,013%S – до 1 балла, при 0,014..0,021%S – 1-2,5 балла, свыше 0,022%S – до 3 баллов; балла трещин, перпендикулярных граням слитка от содержания углерода: при 0,05..0,10%С –0-0,5 балла, свыше 0,10%С – до 2 баллов и выше, и балла трещин, перпендикулярных граням слитка от содержания серы: при 0,009..0,013%S – 0-0,5 балла, при 0,014..0,019%S – до 1,0 балла, при 0,020..0,022%S – до 2,5 балла, свыше 0,023%S – до 3 баллов.

Таким образом, физико-механические и технологические свойства слитка в значительной степени зависят от химического состава расплава. При увеличении содержания углерода возрастает прочность, но снижается пластичность. Марганец, кроме раскисляющего действия, повышает прочность сталей в горячекатаном состоянии и снижает вызываемую присутствием серы красноломкость (появление трещин и разрывов при горячей прокатке). Кремний, упрочняя сталь, снижает ее пластичность. Фосфор при повышении содержания в сталях (до 0,05 – 0,06 %) образует фосфиды и снижает пластичность, вязкость, повышает порог хладноломкости. Элементы, повышающие прочность, например, марганец и кремний, ухудшают обрабатываемость сталей резанием (допустимые скорости резания, стойкость инструмента, чистоту обрабатываемой поверхности).