Жидкая сталь представляет собой однородный раствор углерода, кремния, марганца, фосфора, серы, кислорода и газов в жидком железе, но содержание этих примесей в различных точках стального слитка неодинаково. Химическая неоднородность (ликвация) возникает при затвердевании слитка.
Причиной возникновения ликвации является то, что растворимость ряда примесей в твердом железе ниже, чем в жидком. Вследствие этого растущие при затвердевании оси кристаллов содержат меньшее количество примесей, чем исходная сталь (так называемый процесс "избирательной кристаллизации"), а остающийся жидкий металл обогащается примесями.
Склонность к ликвации различных элементов, содержащихся в стали, неодинакова. Степень ликвации обычно характеризуют следующим выражением:
Стах- Cmin -юо%,
где С и С — максимальное и минимальное содержание max mm
элемента в той или иной части слитка; Сж- содержание
элемента в жидкой стали.
Различают ликвацию двух видов: дендритную и зональную.
Дендритная ликвация — это неоднородность стали в пределах одного кристалла (дендрита); она возникает в результате избирательной кристаллизации. Наибольшей склонностью к дендритной ликвации обладают сера, фосфор и углерод. Вместе с тем дендритной ликвации подвержены также кремний, марганец, вольфрам, хром, молибден и ряд других элементов. Величина дендритной ликвации, т.е. различие между содержанием отдельных элементов в осях и меж-осных пространствах дендритов достигает существенных значений, так степень дендритной ликвации в 3-т слитке составляет, %: серы около 200, фосфора 150, углерода 60, кремния 20, марганца 15.
Отрицательное влияние дендритной ликвации проявляется в том, что она вызывает появление в готовой стали полосчатой структуры: при прокатке оси дендритов и межосные участки вытягиваются, образуя волокна или полосы, обладающие неодинаковым составом и свойствами. Структурная же полосчатость, а также вытягивающиеся вдоль волокон неметаллические включения вызывают анизотропию механических свойств металла в продольном и поперечном относительно оси прокатки направлениях: пластические свойства стали в поперечном направлении оказываются более низкими, чем в продольном.
Зональная ликвация— это неоднородность состава стали в различных частях слитка. Она достигает бблыних значений, чем дендритная ликвация, и представляет существенно ббльшую опасность. К образованию зональной ликвации склонны сера, фосфор, углерод и кислород. Зональной же ликвации марганца, кремния, хрома, никеля, вольфрама, ванадия и титана практически не наблюдается. Наибольшей склонностью к зональной ликвации обладает сера, несколько меньшей фосфор и еще меньшей— углерод.
Зональная ликвация вызывает неоднородность свойств в различных частях стальных изделий и может вызывать отбраковку металла вследствие отклонения состава металла от заданного.
В возникновении зональной неоднородности наряду с избирательной кристаллизацией важную роль играют процессы, приводящие к перемещению ликвирующих элементов из одной части слитка в другую. Такими процессами являются: диффузия примесей из двухфазной области в объем оставшегося жидкого металла; конвективные токи металл в изложнице, приводящие к выносу ликватов в верхнюю и среднюю части слитка; всплывание объемов загрязненного примесями металла вследствие того, что их плотность меньше плотности остального металла. По этим причинам верхняя и осевая части слитка, кристаллизующиеся в последнюю очередь, обычно обогащаются примесями.
Зональная ликвация в слитке спокойной стали. В наружной корковой зоне слитка ликвация отсутствует и состав металла здесь не отличается от состава жидкой стали, поскольку из-за быстрой кристаллизации поверхностных слоев слитка ликвационные процессы здесь не успевают развиться.
В остальном объеме слитка ликвация серы, фосфора и углерода подчиняется следующей закономерности: в верхней части слитка содержание элементов возрастает в направлении к оси; в средней по высоте части слитка ликвация незначительна; в нижней части наблюдается обратная ликвация — содержание серы, фосфора и углерода убывает в направлении к оси слитка. Отрицательную ликвацию в нижней части слитка объясняют всплыванием и перемещением примесей в верхнюю часть слитка.
Наряду с отмеченной общей закономерностью распределения ликвирующих примесей в слитке спокойной стали наблю-
Рис. 155. Схема ликвации в слитке спокойной стали:
/ — А-образная ликвация; 2 — V-образная ликвация; плюс — зоны положительной ликвации; минус — зона отрицательной ликвации
даются (рис. 155) специфические виды ликвации: V-образная ликвация под усадочной раковиной и скопление примесей в виде нитей или полос — Л-образная ликвация или "усы". Образование V-образной ликвации объясняют опусканием в усадочные пустоты осевой части слитка загрязненного примесями металла из прибыли. Причина образования Л-образной ликвации не выяснена. Одни металлурги считают "усы" следами выделявшихся при кристаллизации пузырьков водорода, которые увлекали за собой примеси; другие видят причину в опускании загрязненного примесями металла в усадочные полости низа слитка по узким каналам между осями дендритов.
Наибольшее количество ликвирующих элементов обнаруживается в подприбыльной осевой части слитка, где металл затвердевает в последнюю очередь, а также в районе "усов". В слитках легированной стали массой 2,5—4,5 т степень ликвации под усадочной раковиной составляет, %: серы 170-300, фосфора 150-260, углерода 150-200. Обычно эта часть слитка отрезается при прокатке.
Зональная ликвация развивается тем сильнее, чем больше масса и поперечное сечение слитка и чем больше длительность его затвердевания. В связи с этим высококачественные и легированные стали, используемые для изготовления деталей ответственного назначения, разливают в слитки небольшой массы (« 6,5 т).
При увеличении содержания легирующих элементов в стали ликвация несколько уменьшается. Существенно снижает лик-нацию серы, фосфора и углерода никель; при содержании никеля в стали более 4% ликвация этих элементов в слитке незначительна.
Рис. 156. Общий вид двух-стопорного сталеразливочно-го ковша
Зональная ликвация в слитке кипящей стали. В механически закупоренном слитке наружный слой здоровой корки вследствие очень быстрого затвердевания по составу не отличается от жидкой стали. В остальном объеме до вторичных пузырей наблюдается отрицательная ликвация серы, фосфора и углерода. Это объясняется тем, что при активном кипении ликваты выносятся в верхнюю часть слитка.
Центральная часть слитка внутри вторичных пузырей, затвердевающая после закупоривания, загрязнена ликватами. При этом содержание серы, фосфора и углерода возрастает в направлении от поверхности к оси и от низа к верху слитка. Максимальное скопление примесей — "ликвационный центр"— находится в середине верхней части слитка на расстоянии 5—15 % высоты от его верха.
Зональная ликвация в слитках кипящей стали в связи с интенсивной циркуляцией металла выражена значительно сильнее, чем в слитках спокойной стали. В центре скопления примесей крупных механически закупоренных слитков степень ликвации серы может достигать 800 %, фосфора 500%, углерода 300%. В связи с этим при производстве качественных кипящих сталей для удаления скопления вредных примесей головную обрезь приходится увеличивать до 10—13 % от массы слитка (вместо 5—9 % для рядовой стали).
В связи с сильным развитием ликвации при механическом закупоривании его в последние годы заменяют химическим. В этом случае зональная неоднородность выражена значительно слабее из-за раннего прекращения кипения, т.к. химическое закупоривание производят через 1—1,5 мин после окончания наполнения изложницы, а механическое — через 7—15 мин.
В химически закупоренном слитке быстро затвердевающая корковая зона и зона слабо развитых сотовых пузырей не имеют заметной ликвации. В остальном объеме слитка отмечается слабо заметное повышение содержания примесей в направлении от низа к верху и от поверхности к оси слитка. Имеется слабо выраженные А-образная ликвация и V-образная, располагающаяся под зоной пустот и пузырей. На оси слитка на расстоянии 25—35% высоты от верха находится ликвационный центр — локальное скопление примесей.
В слитке полуспокойной стали характер ликвации примерно такой, как в химически закупоренном слитке кипящей стали.