В зависимости от степени раскисления (кипящая, спокойная) структура стального слитка может иметь различное строение (рисунок 1.5).
В общем случае в структуре стального слитка можно выделить три зоны.
Рисунок 1.5 – Схема строения стальных слитков спокойной (а) и кипящей (б) стали:
1 – зона мелкозернистых кристаллов; 2 – зона столбчатых кристаллов;
3 – зона крупнозернистых кристаллов; 4 – усадочная раковина;
5 – газовые пузыри
Первая зона слитка состоит из мелких равноосных зерен. Металл в начальный момент затвердевания, соприкасаясь с холодными стенками формы, охлаждается в тонком слое с большой скоростью. После образования внешней мелкозернистой зоны условия затвердевания металла меняются: скорость охлаждения уменьшается, отвод тепла становится направленным (перпендикулярно к стенкам формы), зерна приобретают столбчатый вид. Вторая зона – зона столбчатых кристаллов.
Внутренняя часть слитка – зона крупных равноосных зерен. Третья зона формируется в условиях равномерного охлаждения жидкого металла. Здесь зерна зарождаются и растут без определенного направления.
В процессе затвердевания объем жидкого металла уменьшается, поэтому в слитке образуется усадочная раковина. Усадочная раковина располагается в верхней части слитка, где затвердевают последние порции металла, а под ней на некоторую глубину протягивается усадочная рыхлота.
Структура, показанная на рисунке 1.5 а, образуется при кристаллизации спокойной стали, которую получают при полном раскислении металла в печи и ковше. Такая сталь затвердевает без выделения газов, поэтому слиток имеет плотное строение, а усадочная раковина концентрируется в верхней части. В целях уменьшения усадочной раковины в слитках изложницы изготовляют с утепленной надставкой.
Выделение газов в слитке кипящей стали (рисунок 1.5 б) происходит при затвердевании слитка, поэтому в слитке образуется не концентрированная усадочная раковина, а большое количество рассредоточенных газовых пузырей. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений и обладает высокой пластичностью. Листовой прокат, получаемый из низкоуглеродистой кипящей стали, широко применяется при изготовлении деталей холодной обработкой давлением.
Стальные слитки неоднородны по химическому составу. Химическая неоднородность, возникающая в процессе кристаллизации, называется ликвацией. Ликвация бывает двух видов – дендритная и зональная.
Дендритной ликвацией называется неоднородность по химическому составу в пределах одного кристалла (дендрита) – по направлениям его центральной оси, ветвей и в приграничных зонах. Например, при кристаллизации стали содержание серы на границах зерен по сравнению с содержанием ее в их центре увеличивается в 2 раза, фосфора – в 1,2 раза, а углерода уменьшается почти наполовину.
Зональная ликвация – неоднородность состава стали в различных частях слитка. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы, фосфора и углерода увеличивается в несколько раз, в нижней части – уменьшается. Зональная ликвация приводит к браку металла вследствие отклонения его свойств от заданных. Верхнюю прибыльную часть слитка при прокатке отрезают.