УДК 621.73-412.004.13
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СЛИТКЕ СТАЛИ 38ХН3МФА, ОТЛИТОМ С ПРИБЫЛЬЮ-ХОЛОДИЛЬНИКОМ
© Галкин Антон Николаевич, e-mail: rtecmat@vstu.ru; Зюбан Николай Александрович, д-р техн. наук, проф., e-mail: tecmat49@vstu.ru; Руцкий Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук, e-mail: tecmat@vstu.ru Волгоградский государственный технический университет. Россия, г. Волгоград Статья поступила 08.08.2013 г.
Приведены результаты исследования металла слитка стали 38ХН3МФА массой 1,53 т, предназначенного для производства полых поковок, отлитого с прибылью-холодильником. Исследовали расположение пор и распределение неметаллических включений: оксидов, оксисульфидов и сульфидов. Выявлены закономерности расположения и количества пор и неметаллических включений на трех горизонтах слитка: нижнем, среднем и подприбыльной части. Показано влияние захолаживания головной части слитка на процессы кристаллизации и особенности распределения оксидов, оксисульфидов и сульфидов.
Ключевые слова: слиток; кристаллизация; прибыль-холодильник; поры; неметаллические включения.
Получение слитков, особенно крупных, всегда характеризуется неравномерностью химического состава по объему слитка вследствие избирательности процесса кристаллизации. Одной из главных проблем является ликвация углерода по высоте слитка, составляющая 150-200% и образующаяся из-за большого перепада температур по его высоте. Решение проблемы возможно путем применения технологии литья с захолаживанием верхней части слитка и установкой вместо прибыли массивной надставки-холодильника (рис. 1), так как большинство поковок - полые. Усадочная раковина в этом случае располагается в осевой зоне слитка в виде узкой области, удаляющейся при ковке в отходы. Такое концентрированное охлаждение позволяет контролировать расположение и протяженность усадочных дефектов [1].
По результатам физического моделирования процесса кристаллизации слитка с захоложенной головной частью [2] с использованием теплови-зионного контроля [3] было установлено, что тепловой центр расплава смещен ближе к середине высоты слитка (рис. 2). Это приводит к изменению условий кристаллизации, что может оказать влияние на формирование и расположение неметаллических включений (НВ) в слитке.
С целью подтверждения такого предположения проводили исследование количества, размеров, расположения НВ (оксидов, сульфидов, окси-сульфидов) и пор металла в слитке массой 1,53 т стали 38ХН3МФА, отлитом с применением над-
ставки-холодильника (см. рис. 1). На трех различных горизонтах (низ, середина, подприбыльная зона) из слитка вырезали шлифы, которые в дальнейшем исследовали по методу Л на микроскопе МИМ-8. На каждом шлифе подвергались анализу 200 полей зрения. Включения и поры разделяли по величине, в зависимости от размеров в делениях шкалы окуляра: мелкие - до 8,56 мкм, средние - 8,56-17,12 мкм, крупные - 17,12-25,68 мкм.
Проводили оценку распределения пор на этих горизонтах слитка. Распределение пор на нижнем горизонте показано на рис. 3, а. Видно, что количество мелких и крупных пор от края слитка к центру снижается, что обусловлено сильным охлаждающим воздействием массивной донной части слитка и охлаждением кристаллов в полувязкой зоне этой области.
По распределению пор на среднем горизонте (рис. 3, б) четко прослеживается возрастание количества средних и
Рис. 1. Схема разливки слитков с захолаживающей прибыльной надставкой:
1 - поддон; 2 - изложница; 3 - захолаживающая прибыльная надставка; 4- разливочный ковш
а
е=0.96 Л
б
Рис. 2. Результаты тепловизионного контроля слитка с захоложенной верхней частью: а - начало и б - завершение процесса кристаллизации; е = 0,96 - степень черноты; 53,6 и 48,2 °С - температура в точке маркера
1800 т
1600 ■
ср о 1400
1200
и
т с 1000 ■
V и 800 ■
л о 600
«
400
200
— Распределение мелких пор Распределение средних пор
1600
12 3 4 Радиус слитка
1400 ^ 1200
§ 1000
Н
и 800
V
н
сЗ 600 «
400
200 0
1
Распределение мелких пор Распределение средних пор Распределение крупных пор
2 3
Радиус слитка
1600 -
1400
СР
с 1200
о
т 1000
си
Я" и 800
л
600
400
200
Распределение мелких пор Распределение средних пор
Распределение крупных пор
12 3 4 Радиус слитка
0
0
4
Рис. 3. Распределение пор: а - на нижнем горизонте; б - на среднем горизонте; в - в подприбыльной области (от края слитка к центру); 1 - корковая зона; 2 - зона столбчатых кристаллов; 3 - зона равноосных кристаллов; 4 - осевая зона
крупных пор от периферии к центру. Это также связано с особенностями формирования осевой зоны на рассматриваемом горизонте слитка. Количество мелких пор, наоборот, уменьшается от периферии к половине радиуса слитка, а затем в осевых объемах существенно возрастает, что подтверждается результатами физического моделирования слитка с захоложенной верхней частью [2]. Особенности распределения мелких пор на этом горизонте с минимумом на половине радиуса слитка можно объяснить одновременным охлаждающим воздействием массивной прибыльной надставки и тепловыми процессами в средней части слитка. Благодаря интенсивному протеканию процессов кристаллизации от периферии к центру кристаллизуется более плотный металл, а затем, с приближением к тепловому центру и интенсивному протеканию усадочных процессов в осевой области количество пор увеличивается.
Распределение пор в верхней части слитка (рис. 3, в) в основном совпадает с результатами для среднего горизонта, но количество мелких пор снижается от периферии к центру. По-видимому, благодаря ускоренной кристаллизации металла в
головной части, в корковой зоне образуется плотная структура со значительным количеством мелких пор, устранимых дальнейшей деформационной обработкой. По мере нарастания закристаллизовавшегося металла снижается теплоотвод в головной части, что создает благоприятные условия для коагуляции мелких пор в более крупные, количество последних увеличивается по мере приближения к оси слитка с соответствующим уменьшением числа мелких пор. Необходимо также отметить, что по мере исследования металла в поле зрения попадали и более крупные единичные поры.
На следующем этапе проводили исследование влияния захолаживания головной части слитков на распределение НВ: оксидов, сульфидов и окси-сульфидов.
Из распределения оксидов на различных горизонтах слитка (рис. 4) видно, что на всех трех ^ горизонтах (низ, середина, верх) это распреде- ~ ление имеет практически идентичный характер: ° количество оксидов убывает от периферии к й центру, за исключением среднего горизонта, где ^ количество оксидов в осевых объемах несколь- Ц
ч
ко возрастает. Можно предположить, что из-за |
1 2 3 4
Радиус слитка
Рис. 4. Распределение оксидов на трех горизонтах слитка:
а - на нижнем, б - на среднем, в - на верхнем; 1 - корковая зона; 2 - зона столбчатых кристаллов; 3 - зона равноосных кристаллов; 4 - осевая зона
ускоренного процесса кристаллизации в периферийных слоях может интенсивно проходить формирование оксидов, образующихся при относительно низких температурах (оксидов марганца). По мере снижения температурного градиента и прогрева закристаллизовавшегося слоя интенсивность образования оксидных включений снижается, и их количество уменьшается. В средней части слитка при отсутствии охлаждающего воздействия поддона снизу и прибыли-холодильника сверху скапливается маточный раствор, обогащенный примесями с высокой концентрацией оксидной фазы, что может приводить к повышенному содержанию оксидов в металле слитка.
Необходимо отметить, что все оксидные включения в закристаллизовавшемся металле имеют небольшие размеры (их диаметр не более 4,28 мкм).
Из распределения оксисульфидов на нижнем горизонте слитка (см. рис. 5, а) видно, что количество оксисульфидов постоянно снижается от периферии к центру слитка. Это можно объяснить ускоренной кристаллизацией в первые моменты времени после заливки металла, так как быстро продвигающийся от боковых стенок изложницы фронт кристаллизации захватывает мелкие включения, которые остаются в затвердевшем металле.
Распределение оксисульфидов на среднем горизонте слитка (см. рис. 5, б) характеризуется уменьшением их количества в зоне столбчатых кристаллов. По-видимому, это связано с замедле-
о <
s
V
s
<
о «
20
95 75 55 35 15
12 3 4
Радиус слитка
Рис. 5. Распределение оксисульфидов: а - на нижнем, б - на среднем, в - на верхнем горизонтах слитка; 1 - корковая зона; 2 - зона столбчатых кристаллов; 3 - зона равноосных кристаллов; 4 - осевая зона
нием кристаллизации в средней части слитка, что препятствует образованию большого количества оксидов в медленно затвердевающем металле.
Распределение оксисульфидов в верхней части слитка (см. рис. 5, в) в основном повторяет распределение этих включений в нижней части, что связано с охлаждающим воздействием на процесс кристаллизации массивной надставки-холодильника (подобно поддону).
Распределение сульфидов на горизонтах слитка показывает, что значительное количество сульфидов, как правило небольших размеров, в корковой зоне (рис. 6, а) обусловлено ускоренной кристаллизацией в условиях значительного теплоотвода в донной части слитка, которая не позволяет сульфидам коагулировать. По мере продвижения твердой фазы от периферии к оси слитка теплоотвод снижается, что создает лучшие условия для выделения сульфидной фазы перед фронтом кристаллизации и перемещению ее в глубинные объемы металла.
На среднем горизонте количество сульфидов возрастает от края слитка к осевой зоне. Это объясняется тем, что охлаждающее воздействие прибыльной надставки смещает тепловой центр кристаллизации к среднему горизонту, что снижает скорость образования твердой фазы на среднем горизонте, поэтому фронт кристаллизации успевает вынести большую часть сульфидов к осевой зоне слитка.
а
а
б
б
в
в
12 3 4
Радиус слитка
Рис. 6. Распределение сульфидов: а - на нижнем, б - на среднем, в - на верхнем горизонтах слитка; 1 - корковая зона; 2 - зона столбчатых кристаллов; 3 - зона равноосных кристаллов;
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.