Раскисление — заключительный этап плавки стали — в значительной мере определяет качество готового металла. В малоуглеродистой стали при повышенном [% О] возможна красноломкость металла, обусловленная выделением закиси железа по границам зерен во время кристаллизации слитка и нарушением связи между ними. Наличие серы в металле способствует образованию легкоплавкой эвтектики FeO—FeS.

При среднем и высоком [% С] и соответственно меньшем [% О] по сравнению с малоуглеродистой сталью красноломкость не появляется, но за счет ликвации углерода и кислорода во время кристаллизации слитка (обогащение жидкой фазы примесями в результате избирательной кристаллизации) нарушается равновесие реакции окисления углерода, выделяются пузырьки СО и образуется неплотный слиток.

Для получения качественного плотного слитка необходимо конечное содержание кислорода в жидком металле довести до уровня ниже предела его растворимости в твердой стали при температуре ликвидуса. Соблюдение такого условия гарантирует беспузырис-тость слитков, но в этом случае, как отмечено в работах В. И. Явойского, по условиям термодинамики экзотермических реакций с понижением температуры продолжаются реакции раскисления, снижается равновесное содержание растворенного в стали кислорода и выделяются оксиды, в результате чего теоретически невозможно производство стали без неметаллических включений. На практике их количество можно резко снизить глубоким раскислением жидкой стали. В некоторых случаях допускается неполное удаление избыточного кислорода (при производстве кипящей стали).

Операция по удалению избыточного кислорода из металла, обычно сочетаемая с окончательным легированием стали, называется раскислением.

Рис. 90. Типы слитков стали:
а — кипящей; б — спокойной; в — полуспокойной; 1 — рослая головная часть слитка; 2 — вторичные («глубинные») пузыри; 3 — сотовые пузыри; 4 — уcадочная раковина; 5 — усадочная рыхлость; 6 — «усы»

Характер газовыделения при кристаллизации стали обусловлен степенью раскисления металла. В зависимости от этого различают три вида стали: кипящую, спокойную и полуспокойную. Характерная структура внутренней поверхности вертикально разрезанных слитков указанных видов стали показана на рис. 90.

Кипящая сталь в момент заливки металла в изложницу или кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) содержит сравнительно много кислорода (0,02—0,08%). Высокая окисленность кипящей стали достигается за счет пониженного [% С], отсутствия в металле кремния и алюминия и небольшого [% Мn], который к тому же является слабым раскислителем. Обычный состав кипящей стали: [% С] = 0,05—0,20%; [% Мn] = 0,30—0,50%; [% Si] < 0,03%; [% Al] < 0,01%.

Во время кристаллизации жидкая часть металла непрерывно обогащается углеродом, кислородом и другими примесями, что обусловлено избирательной кристаллизацией более чистого металла (в соответствии с диаграммами состояния). При этом произведение [% С] [% О] и давление выделения окиси углерода Р_CO = K_[C] [% С] [% О] становятся выше равновесных значений, что приводит к газовыделению (кипению) по реакции [С] + [О] = [СО].

До настоящего времени нет стройной математической модели механизма образования сотовых пузырей. Еще в 1878 г. великий русский металлург Д. К. Чернов предложил гипотезу, согласно которой они образуются в момент, когда скорость кристаллизации превышает скорость их роста. В этом случае пузыри застревают между дендритами и удлиняются в направлении, перпендикулярном к стенкам изложницы. Если же скорость роста пузырей СО превышает скорость кристаллизации, то после достижения определенного размера они отрываются от своих гнезд и всплывают.

Интересным и наиболее логичным из известных является анализ механизма формирования структуры слитка кипящей стали, выполненный А. Д. Крамаровым. Давление выделения СО в жидкой части слитка зависит от произведения активностей углерода и кислорода в металле. В междендритных пространствах оно выше из-за ликвации С и О, поэтому скорость роста пузырей в таких пространствах превышает скорость роста кристаллов. Когда подъемная сила становится больше сил поверхностного натяжения у основания пузыря, он отрывается и всплывает в верхнюю часть слитка, а у основания растет следующий пузырь.

В момент подъема уровня металла в изложнице на высоту, при которой внешнее давление на пузырь превышает давление выделения окиси углерода (Р_CO.выд), из жидкой стали, находящейся за пределами фронта кристаллизации, СО уже не выделяется в пузыри. В этих условиях рост пузырей СО возможен только в междендритных пространствах, где вследствие ликвации С и О наблюдается весьма большое Р_CO.выд. Однако за пределы фронта кристаллизации выходит только небольшая часть пузыря, так как в месте его контакта с жидкой сталью (в зоне за фронтом кристаллизации) в ней растворяется СО пузыря (в этой зоне давление СО в пузыре больше P_CO,выд в жидкой стали). С этого момента пузыри фиксируются в междендритных пространствах и растут перпендикулярно к стенкам изложницы вместе с дендритами, т. е. образуются сотовые пузыри. Их рост прекращается после затвердевания металла у верхней поверхности слитка и увеличения в связи с этим давления внутри него. Вследствие ликвации при отсутствии кипения P_CO.выд может повышаться до нескольких десятков атмосфер. Это вызывает прорыв корки и образование пояса вторичных пузырей.

Учитывая изложенное, А. Д. Крамаров предложил уравнение для расчета толщины беспузыристой корки (расстояния сотовых пузырей от поверхности слитка). В основу его вывода положено вполне логичное предположение, что период, когда Р_CO.выд в жидкой стали за пределами фронта кристаллизации равно или больше внешнего давления и пузыри удаляются из междендритных пространств, является периодом формирования беспузыристой наружной корки слитка кипящей стали.

Давление выделения СО равно внешнему давлению при условии

Р_{CO = 10⁵ K[C] [% С] [% O] = 10⁵ + ?мgНм,}
(14.1)
где Н_м — высота столба металла в изложнице, м. Время формирования беспузыристой корки слитка

(14.2)
где v_р — линейная скорость разливки, м/мин. По данным исследований линейной скорости кристаллизации слитков толщина затвердевшего слоя, мм,

(14.3)

На основе уравнений (14.1) — (14.3) А. Д. Крамаров получил формулу для расчета толщины беспузыристой корки слитка кипящей стали:

(14.4)

Выразив v_p в м/с, а ? в м, находим

(14.5)

Так, при [% С] [% О] = 0,003; v_p = 0,2 м/мин = 3,33 • 10^–3 м/с (разливка сифоном) из уравнений (14.4) и (14.5) получили ? = 35 ? 10^–3 м. Если [% С] [% О] = 0,0031; v_р = 1,0 м/мин = 16,7 ? 10^–3 м/с (разливка сверху), то ? = 15 • 10^–3 м.

Результаты расчетов по уравнениям (14.4) и (14.5) близки к экспериментальным данным, полученным Г. Н. Ойксом и японскими исследователями в области [% С] ? 0,10. В случае [% С] > 0,10 фактическая толщина беспузыристой корки несколько меньше расчетной. Такое расхождение обусловлено тем, что абсолютное содержание кислорода в металле влияет на величину б в большей степени, чем произведение [% С] [% О]. При высоком [% С] произведение [% С] [% О] может быть даже несколько больше, чем в малоуглеродистом металле. Однако в слитках малоуглеродистой стали, где [% О] выше, беспузыристая корка относительно толще (если скорость разливки одинакова).

Нами установлено, что при малом [% С] кипение в изложнице более интенсивное, хотя с уменьшением [% С] величина [% С][% О] снижается. Это явление еще не объяснено, оно, по-видимому, обусловлено ликвацией кислорода в междендритных пространствах. В связи с незначительной растворимостью кислорода в твердом металле большая его часть из затвердевшей стали переходит в жидкую фазу и расходуется на реакцию [С] + [О] = [СО] (если [% С] несколько превышает начальное [% О]). Интенсивность окисления углерода должна быть пропорциональной скорости кристаллизации и [% О] в объеме жидкой фазы:

(14.6)
где М_крист — масса затвердевшего в изложнице металла, кг.

Толщина беспузыристой корки слитка кипящей стали является одним из главных показателей ее качества. При малой величине ? пузыри обнажаются в период нагрева слитков перед прокаткой. В этих местах металл окисляется и не сваривается во время прокатки, что вызывает образование на поверхности прокатанной стали рванин и волосных трещин. Если величина б достаточна (более 10 мм), пузыри при нахождении слитков в нагревательных колодцах -не обнажаются, слои металла вокруг них не окисляются и свариваются по ходу прокатки, что при прочих равных условиях обеспечивает хорошую поверхность прокатанного металла.

На основе теоретического анализа и практических данных установлено, что увеличению ? способствуют следующие факторы: уменьшение линейной скорости наполнения изложницы металлом; увеличение до оптимального предела [% О] в жидкой стали; оптимальное содержание [% Мn] = 0,3—0,4; использование интенси-фикаторов кипения металла в изложнице (окалины, соды, фтористого натрия).

Кипящая сталь в силу низкого [% С], малого содержания включений SiO₂ и Аl₂O₃ обладает хорошей пластичностью. Поэтому ее применяют для производства изделий, требующих повышенной пластичности металла при допустимой невысокой их прочности.

Слитки из кипящей стали обладают значительной химической неоднородностью по высоте и сечению, обусловленной кипением металла и энергичным его перемешиванием, влияющим на развитие ликвации. Для уменьшения степени неоднородности кипение после наполнения изложниц прекращают, вводя в головную часть слитка алюминий (химическое закупоривание) или накрывая слиток тяжелой крышкой (физическое закупоривание).

Слиток кипящей стали пронизан сотовыми и глубинными пузырями (рис. 90, а). Их объем равен общему объему усадочных пустот или превышает его. Поэтому в таком слитке усадочная раковина отсутствует (наблюдается даже «рослость» головной части слитка), в результате чего обрезь его головной части при прокатке в несколько раз меньше, чем слитка спокойной стали. Экономия раскислителей (ферросилиция и алюминия) тоже обусловливает сравнительно меньшую себестоимость кипящей стали.

Спокойная сталь содержит менее 0,005% кислорода, поэтому пузыри в слитках не образуются. Химический состав спокойной стали: [% Мn] = 0,5—0,8; [% Si] = 0,15—0,25; [% Аl] = 0,02—0,10; [% С] колеблется в широких пределах.

Легированные стали содержат некоторые дополнительные элементы (Cr, Ni, Mo, V, Ti, Zr и т. д.) или повышенное количество Si, Мn и Аl.

Слиток спокойной стали плотный и более однородный по высоте и поперечному сечению, чем слиток кипящей стали. Поэтому спокойную сталь применяют для более ответственных изделий. В верхней части слитка образуются усадочная раковина и рыхлость (рис. 90,6), что обусловлено уменьшением объема металла при кристаллизации. Эту часть слитка обрезают при прокатке. Обрезь слитков спокойной стали, отлитых в изложницах, колеблется в пределах 10—25% (во много раз больше, чем у слитков кипящей стали). Для ее уменьшения стремятся сосредоточить усадочную раковину в верхней части слитка. С этой целью применяют уширенные кверху изложницы, прибыльные надставки, утепляющие засыпки головной части слитка, а в отдельных случаях — газопламенный и электрический обогрев верхней части слитка.

При прокатке заготовок, полученных на МНЛЗ, обрезь отсутствует, а в процессе непрерывного литья не превышает 2—3%.

Спокойная сталь дороже кипящей из-за повышенного расхода раскислителей и увеличенной обрези головной части слитков при прокатке.

Полуспокойную сталь получают в тех случаях, когда в начале затвердевания металла в изложнице [% О] меньше необходимого для его кипения. Полуспокойная сталь — перераскисленная кипящая или недораскисленная спокойная сталь. Ее специально производят с целью экономии раскислителей и уменьшения обрези при прокатке слитков. В этой стали [% Мn] несколько больше, чем в кипящей, а [% Si] и [% Аl] меньше, чем в спокойной.

Во время разливки полуспокойная сталь не кипит, так как незначительное исходное содержание кислорода не обеспечивает необходимого давления выделения СО. Кислород, поступающий в пограничные слои жидкого металла (за счет ликвации в зоне кристаллизации), расходуется в основном на окисление марганца, кремния и алюминия. Лишь через некоторое время после наполнения изложницы в результате накопления кислорода в жидкой фазе (за счет поступления из твердой фазы) [% О] увеличивается до уровня, достаточного для протекания реакции окисления углерода и образования пузырей, которые располагаются в верхней части слитка (рис. 90, в). Поэтому в слитке полуспокойной стали усадочная раковина отсутствует или незначительна.

Правильное изготовление полуспокойной стали обеспечивает высокий выход годного металла при прокатке (малая головная обрезь), что в сочетании с малым расходом раскислителей делает ее экономичней спокойной стали. Полуспокойная сталь однороднее кипящей, но по качеству уступает спокойной.

В зависимости от того, какой слиток надо получить в готовой жидкой стали, перед началом ее разливки необходимо иметь различное количество кислорода: минимальное в спокойной, повышенное до определенного оптимума в кипящей и промежуточное, но тоже оптимальное в полуспокойной.