ДЕФЕКТЫ ЗАГОТОВКИ И ИХ УСТРАНЕНИЕ

Виды дефектов слитков и литой заготовки

При прокатке контроль качества металла должен осуществляться на всех технологических операциях, однако, как мы видели, на блюминге этого сделать не удается. Только после прокатки на НЗС после остывания металла впервые предоставляется возможность провести контроль качества заготовки на наличие поверхностных и внутренних дефектов. На заготовке необходимо не только обнаружить, но и устранить дефекты. Любые затраты на ремонт заготовки практически всегда окупаются увеличением выхода годного в сортовом производстве. Ввиду большого объема прокатной продукции на крупном заводе трудно организовать сплошной контроль заготовки. Чаще всего здесь применяют выборочный контроль, поэтому есть вероятность пропустить часть проката с дефектами в сортопрокатное производство.

Дефекты бывают внутренними и наружными. Внутренние опасны тем, что трудно выявляются. При определенных условиях при прокатке они дробятся, утоняются, вытягиваются и закрываются, становясь неопасными, но чаще внутренние дефекты окисляются, выходят на поверхность и при прокате увеличиваются. Наружные дефекты опасны всегда, так как при прокатке не закрываются, поэтому их можно и нужно выявлять и устранять перед следующим переделом.

Традиционно все дефекты делят по происхождению: дефекты, которые возникают в результате несоблюдения или несовершенства технологии в сталеплавильных цехах, и дефекты, которые появляются в прокатном цехе. Деление это условно, так как некоторые дефекты сталеплавильного происхождения исправимы в прокатном цехе, и в появлении их на металле “виноваты” оба производства.

Рассмотрим некоторые типовые дефекты сталеплавильного передела.

Трещины

Трещины на поверхности слитка или литого блюма (сляба) являются следствием больших механических напряжений, возникающих при несвободной усадке в момент кристаллизации. Они возникают также при наличии примесей и неметаллических включений на поверхности, при быстром или неравномерном охлаждении слитков и литых слябов и т. д. “Горячие” трещины образуются обычно тогда, когда термические и механические деформации растяжения достигают 0,2—0,3 %, и на слитках и литых слябах многих марок стали мелкие трещины появляются всегда. Они могут располагаться вдоль, поперек или под углом к оси слитка, трещины всегда имеют сильно окисленные и обезуглероженные края. С увеличением углерода, хрома, серы, ниобия, отношения Мп/Б, газовых примесей (например, азота) склонность стали к развитию трещин при разливке возрастает.

Разновидностью трещин следует считать волосовины — вытянутые вдоль проката мелкие прерывистые групповые трещины, выходящие на поверхность. Причиной их образования является наличие в слитках неметаллических включений, газовых подкорковых пузырей, выделившихся в результате снижения растворимости газов в металле или при использовании некачественной (густой) смазки изложниц. Волосовины опасны тем, что под окалиной на заготовке трудноопределимы. Тонкие и длинные, они могут быть легко пропущены при осмотре. На изломе образца металла видно, что волосовины могут быть очень глубокими.

Пузыри

На слитках и литых заготовках могут быть пузыри различного размера и располагаться в различных зонах. Причины их образования разнообразны. Наиболее распространены подкорковые пузыри и поверхностные пузыри-поры. Подкорковые пузыри располагаются поперек оси слитка в приповерхностных слоях. Причиной их образования является снижение растворимости газов — азота, кислорода и водорода — при понижении температуры металла до начала и в процессе его кристаллизации. В жидкой фазе перед фронтом кристаллизации интенсивно проходит также реакция окисления углерода. На оба процесса оказывает существенное влияние образование дендритов, затрудняющее перемешивание расплава и выделение пузырей газа. В газовых пузырях часто содержатся скопления неметаллических включений.

Главными причинами повышенной газонасыщенности жидкого металла являются попадание влаги в металл, сильный перегрев металла в печи, нарушение технологии раскисления, повышенная скорость разливки, неправильный подбор смазки изложниц и пр. Подкорковые пузыри характерны для кипящей стали при позднем кипении, особенно при высоком содержании марганца и хрома в ее составе. При прокатке газовые пузыри вытягиваются вдоль оси, образуя прерывистые несплошности, располагающиеся группами. Замечено, что с повышением содержания кремния в углеродистой стали размер микропор снижается.

Поверхностные поры при прокатке могут располагаться перпендикулярно направлению прокатки, они заполнены окалиной и частицами оксидов. Они образуются по тем же причинам, что и пузыри. При длительном нагреве слитков в колодцах корочка металла, отделяющая подкорковые пузыри от поверхности, может прогореть (окислиться), и подкорковые пузыри и поры станут поверхности ы ми.

Корочки

Корочки образуются при разливке слитков сифонным способом, когда зеркало металла открыто и имеет низкую температуру. В этом случае отдельные порции металла могут отделиться от основного металла и окислиться. Такие объемы будут плавать в основном металле, не соединяясь с ним. Затем они либо всплывают и уходят в прибыльную часть слитка, став неопасными, либо привариваются к краям изложницы и заливаются жидким металлом, образуя поверхностный дефект, глубоко уходящий внутрь тела слитка. Возможно также застревание корочки внутри слитка с образованием внутреннего дефекта под названием “темная корочка”. Обычно по границам корочки концентрируются окислы не только железа, но и других металлов (оксиды), здесь же могут быть различные неметаллические включения, газовые соединения. Края корочек обычно сильно обезуглерожены. После прокатки корочка частично располагается на поверхности, но рваными и окисленными краями может глубоко уходить внутрь заготовки. Такой дефект очень трудно устраняется. Также неустранима “темная корочка”.

Основными способами борьбы с корочками является увеличение температуры зеркала металла при разливке. Для каждой марки стали существует минимальная температура разливки, выше которой корочки маловероятны. Однако увеличение температуры разливки увеличивает склонность стали к грещино- образованию. Для уменьшения корочек полезно также увеличение скорости разливки, защита зеркала металла шлаком, чешуйками слюды (вермикулитом) или специальными смесями. Чем чище металл, тем меньше условий для образования корочек.

При непрерывной разливке стали также возможно образование корочек, поэтому струю металла следует защищать от окисления аргоном или азотом, а также с помощью огнеупорных трубок, устанавливаемых между деталями разливочного и промежуточного ковшей и кристаллизатора.

Плены

Плены образуются при разливке слитков сверху, когда металл разбрызгивается на стенки изложницы и застывает в виде окисленных поверхностных образований. При разливке сифоном плены образуются только в донной части слитка. Применение изложниц с кюмпельным дном, использование различных манжет и воронок, разливка со снижением кинетической энергии струи — короче, все, что уменьшает разбрызгивание металла при разливке, способствует уменьшению плен на поверхности слитков.

Расслой

Расслоем называется нарушение сплошности металла в осевой части слитка при неправильной отрезке головной части на блюминге. Усадочные дефекты, оставшиеся на здоровой части блюма, при прокатке раскрываются, и слиток расслаивается на две части в разные стороны. Количество головной обрези для каждого типа слитков определяется экспериментальным пугем на основе накопления фактического статистического материала. Результат по статистике справедлив обычно для 95 % слитков. Около 5 % слитков могут содержать дефекты усадочной раковины, которые, возможно, приведут к расслою. При большом объеме прокатываемого металла иногда выгоднее забраковать такие слитки, чем увеличивать норму обрези головной части для всех слитков. Видимо, вычисление нормы обрези для каждого типа слитков является оптимизационной технико-экономической задачей.

В современных сталеплавильных цехах все шире внедряются комплексные методы борьбы сразу с несколькими видами дефектов сталеплавильного происхождения. К ним следует отнести разливку металла под синтетическими шлаками, защиту струи инертными газами или вакуумирование струи при разливке. При непрерывной разливке электромагнитное перемешивание металла способствует снижению трещинообразования, уменьшает пористость и образование газовых пузырей, одновременно повышая пластичность металла при прокатке. Применяется очистка металла путем переплава его методами ЭШП (электрошлакового переплава) или ВДП (вакуумно-дугового переплава).

Флокены

Флокены образуются в сталеплавильном производстве, однако проявляются и предотвращаются в прокатном цехе. Причиной их образования является водород, растворимость которого резко снижается при снижении температуры металла. В жидком металле водорода может быть достаточно много, затем при кристаллизации он выделяется и скапливается в различных микропорах. Здесь он легко соединяется с углеродом металла, образуя метан СН₄. Давление газа в микропоре резко возрастает, гак как метан занимает больший объем, чем водород, размер микропор растет. Этот процесс протекает также при горячей прокатке и дальнейшем охлаждении металла. На готовом прокате флокены представляют собой мелкие внутренние трещины, никогда не выходящие на поверхность и имеющие в изломе округлую форму и светлую неокисленную поверхность. Флокены особенно опасны при циклическом нагружении деталей, изготовленных из этого металла, когда эти мелкие трещинки соединяются между собой в сплошные трещины.

На образование флокенов влияет содержание водорода в атмосфере плавильной печи. Они возникают тогда, когда содержание водорода превышает 2 см² на 100 г твердой стали. Кроме того, в стали должно быть достаточно большое содержание углерода. В низкоуглеродистых нелегированных сталях, а также в сталях аустенитного, ферритного, аустенитно-ферритного и полу- ферритного классов флокены не образуются никогда. Чаще всего флокены образуются в хромистых, хромоникелевых, хромокремнистых, хромоникельволь- фрамовых, шарикоподшипниковых и подобных сталях. Часто появляются они в сталях мартенситного, бейнитного, грооститного типа, в легированных сталях перлитного класса. Среднеуглеродистые и высокоуглеродистые конструкционные стали также подвержены флокенообразованию.

Основными способами борьбы с флокенами является уменьшение содержания водорода в стали, например путем вакуумирования струи при разливке, и обеспечение условий для свободного выделения водорода из металла при его охлаждении. После прокатки флокеночувствительные стали подвергаются специальной ан гифлокенной обработке. Наиболее эффективно водород удаляется из металла при температурах 650—700 °С (для легированных конструкционных сталей), поэтому при этих температурах металл очень медленно охлаждают в отапливаемых печах или колодцах. Чем меньше сечение проката, тем меньше он поражен флокенами, поэтому, как правило, ангифлокенная обработка производится на заготовке, а не на готовом сортовом прокате. Крупносортные профили типа рельсов и пр., получаемые из слитков, также нуждаются в анти- флокенной обработке.