Типичные дефекты непрерывной литья стали: причины и профилактика

Дефекты непрерывной литья: определение и источники

Непрерывная литейка (НЛ) превращает жидкую сталь в твердый продукт: плиту (толстую или тонкую), блум или квадрат. Прогрессивная технология, дающая заготовку заданного сечения неопределенной длины. Требует строгого соблюдения регламентов, технологических норм, передовых производственных и контрольных техник. Несмотря на меры, дефекты в продукте НЛ не исключаются полностью. Формация и тип дефектов зависят от: состояния оборудования НЛ, формы и размера заготовки, марки стали, технологических условий (температура, скорость литья), осцилляции и охлаждения кристаллизатора, качества и свойств литейного порошка.

Дефект — отклонение по внешнему виду, форме, размерам, макроструктуре и/или химическим свойствам от спецификаций в технических стандартах или норм. документах. Дефекты выявляют после литья: визуальный осмотр поверхности на остывательных стеллажах, повторный визуальный контроль на осмотровых стеллажах, химический анализ и макроструктура проб в лабораториях.

Экономическое значение и природа причин

Дефекты, возникающие при кристаллизации и остывании, приводят к потере или пересортице качественного металла. Для предотвращения потерь нужно анализировать причины и внедрять профилактические металлургические технологии и конструктивные решения. Необходима сегрегация и удаление брака из качественного металла.

Дефект редко следствие единственной причины. Часто — результат взаимодействия множества причин, зависящих от переменного числа параметров. Похожие дефекты могут иметь разные причины, разные дефекты — общие причины.

Факторы формирования дефектов: материаловые, скорость и температура литья, осцилляция кристаллизатора, литейный порошок, коэффициенты сегрегации элементов, фазовые превращения, механические и термические напряжения. Механические напряжения: трение, ферростатическое давление, гибание/выпрямление, давление вальцов. Термические: неравномерное охлаждение в кристаллизаторе и/или вторичной зоне. Контроль водяного потока на поверхности жгута и минимизация перегрева жгута снижают термические напряжения.

Материаловые факторы

• Превращение δ (феррит) → γ (аустенит): изменение объема и деформации → снижение теплоотдачи от застывшей оболочки к кристаллизатору → неравномерная толщина оболочки.
• Высокая сера и низкое отношение Mn/S.
• Высокий кислородный потенциал жидкой стали.
• Высокий перегрев.
• Наличие включений в жидкой стали.

Стали с C = 0,09–0,15% (перитектические) склонны к дефектам, обычно продольным трещинам.

Влияние режимов литья

• Высокие скорости: уменьшают толщину зоны охлаждения, может разрушиться в экстремальных условиях. Ослабление зоны поддерживают крупные неметаллические частицы и осцилляционные следы.
• Высокая температура литья (перегрев): повышает температуру поверхности жгута. Оболочка перегревается → термические и растяжные напряжения → трещины и дефекты кожи.
• Температура литья должна быть выше ликвидуса. Разница = перегрев. Критическая роль в формировании дефектов — необходим контроль.

Механические деформации и термические напряжения

Механические деформации от недостаточной смазки и при выпрямлении. Действуют в продольном и поперечном направлениях. Термические напряжения — в поперечном направлении при быстром охлаждении жгута → причина дефектов.

Осцилляция кристаллизатора

Регулярная осцилляция предотвращает прилипание расплава к стенкам. При низкой частоте: кожа может лопаться, образуются поверхностные трещины и осцилляционные следы. Профилактика: повышение частоты осцилляции и стабилизация скорости литья.

Классификация дефектов продукции НЛ

Дефекты делят на: (1) поверхностные, (2) внутренние, (3) геометрические (формы), (4) механические, (5) отклонения от заданного химического состава.

• Поверхностные: продольные трещины на гранях и углах, поперечные трещины на гранях и углах, глубокие осцилляционные следы.
• Внутренние: средние трещины, трещины в тройных точках, центральные трещины, диагональные трещины, центральная сегрегация и пористость, включения литейного флюса, пузырки газа.
• Геометрические: ромбовидность, продольная депрессия, овальность.

Поверхностные дефекты требуют дорогого, трудоемкого шлифования, в тяжелых случаях — понижение марки или отбраковку. Ремонтная зона — часто «узкое горлышко», затраты на шлифование высоки.

Основные типы трещин и дефектов

Трещины — раскрытия на поверхности переменной длины и глубины, могут простираться на всю заготовку или весь плав. Не всегда прямые, бывают прерывистыми, зигзагообразными. По направлению: продольные, поперечные, звездообразные.

Продольные трещины

Направлены вдоль извлечения стали. Присутствие → отбраковка. Основные причины:

1. Неравномерное первичное охлаждение в кристаллизаторе.
2. Турбулентный теченье стали и колебания уровня мениска.
3. Неравномерное или слишком интенсивное вторичное охлаждение.
4. Разброс коэффициента теплопроводности по длине кристаллизатора → неравномерный износ.
5. Высокий перегрев жидкой стали.
6. Высокая скорость литья.
7. Литейный порошок с неподходящими характеристиками.

Поперечные трещины

Обычно от растяжения в продольном направлении жгута. Шлифуют в допусках, если неглубокие. Причины:

1. Термические напряжения.
2. Колебания уровня мениска.
3. Сегрегация у дна осцилляционного следа.
4. Трение жгута в кристаллизаторе.

Угловые трещины

На ребрах заготовки. Причины: большие колебания температуры стали, высокий Al, высокий S, неравномерная температура ребер, избыточное трение по ребрам из-за неравномерного распределения порошка, низкий перегрев.

Звездообразные трещины

Очень тонкие, от хрупкости жгута при высоких температурах. Видны только на чистой от шкалы поверхности. Местное шлифование устраняет. Причины: интенсивное локальное охлаждение, наличие меди на аустенитных границах зерен. Профилактика:

1. Правильная корреляция расхода воды и скорости литья.
2. Равномерный расплавленный слой порошка между жгутом и кристаллизатором.
3. Умеренное вторичное охлаждение для избежания роста термических напряжений.

Депрессии (впадины)

Локальные деформации поверхности. Продольные — мелкие желобки вдоль заготовки. Причина: неравномерный теплообмен в кристаллизаторе. Контроль: равномерное охлаждение, центрирование струи стали, контроль колебаний уровня, порошок с подходящей вязкостью и плавлением, регулярный мониторинг степени и равномерности износа кристаллизатора.

Поперечные — циклические вдоль жгута. Чувствительны: перитектические стали с низким C и высоким Mn, нержавейки. Причины: колебания уровня в кристаллизаторе, много порошка, турбулентность стали под мениском. Контроль: стабилизация уровня, правильный конус кристаллизатора, подходящий порошок, правильное позиционирование входного штуцера.

Пузырки газа (Blowholes)

Полости на внешней поверхности, часто ассоциированы с включениями. Причины: газы в стали, влажность и качество порошка, колебания уровня в кристаллизаторе, влага в ванновой облицовке. Контроль: достаточная деоксидация, сухой порошок, совместимый с маркой/температурой/скоростью, контроль уровня, контроль глубины погружения штуцера, избегание высокого перегрева и пенообразования шлака у штуцера.

Нарушение физической непрерывности заготовки

Возникает при паузе литья, часто при смене плавки в серийном режиме. Причина: кратковременная остановка, резкая смена скорости от колебаний температуры в ванне, уровня в кристаллизаторе, закупорки штуцера (высокий Al₂O₃), смены режима литья. Коррекция: постоянная скорость, узкий диапазон температуры в ванне, уровень в ванне в нормах.

Дефекты от шлаковых пятен

Проникновение ваннового шлака в заготовку. Причины: высокий уровень шлака в ванне, рост активного кислорода в стали, снижение уровня стали в ванне → шлак в кристаллизатор, высокая вязкость порошка.

Рис. 1. Некоторые дефекты литья в плите и квадрате