Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

цию руды присаживают лишь после успокоения ванны. Расход же­ лезной руды составляет 3—5% от массы металла.

Окисление примесей возможно также и путем продувки металла газообразным кислородом, имея, однако, в виду, что интенсивность продувки металла в связи с опасностью его выплескивания из тигля должна быть невелика. В среднем окисление примесей редко продол­

печах возможно осуществлять и диффузионное, и глубинное раски­ сление. Технология раскисления металла в индукционной печи мало отличается от технологии раскисления в дуговых электропечах. Од­ нако интенсивное электродинамическое движение металла значи­ тельно ускоряет процессы раскисления, распределения присадок и рафинирования металла от продуктов раскисления. Поэтому в ин­ дукционных печах раскисление и рафинирование металла требуют меньшего времени. В то же время преимущества диффузионного раскисления в связи с низкой температурой шлака выражены в ин­ дукционных печах еще слабее, чем в дуговых.

При необходимости в индукционных печах можно проводить и десульфурацию металла. -Для этого необходимо несколько раз ска­ чивать и наводить высокоосновной восстановительный шлак, при­ менять подогрев шлака, увеличивать расход плавикового шпата. Это вызывает увеличение продолжительности плавки, снижает стойкость футеровки, усложняет работу. Поэтому в большинстве случаев стремятся так подбирать шихту и так вести процесс, чтобы необходимость специального проведения десульфурации была ис­ ключена.

Р а з д е л I V

РАЗЛИВКА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ СТАЛИ

Глава 22'

-КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И СТРОЕНИЕ СТАЛЬНОГО

СЛИТКА

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ И РОСТА КРИСТАЛЛОВ

Соответственно рассмотренным в разделе II представлениям о жидком состоянии при небольшом перегреве сравнительно с темпе­ ратурой плавления структура жидкости близка к структуре кристал­ лов. Во время охлаждения при приближении к температуре кристал­ лизации в жидком металле протекают процессы, приводящие к уве­ личению продолжительности оседлой жизни частиц и большей ста­ бильности квазикристаллов, из которых возникают зародыши новой фазы,

287

Возникновение и разрушение зародышей происходят непре­ рывно. Критерием того, образуется ли устойчивый зародыш, или он остается в метастабильном состоянии, является соотношение раз­ меров самого крупного квазикристалла и критического зародыша. По аналогии с ранее изложенным [см. уравнение (72)] определяют, пользуясь следующим уравнением:

Полученная формула отличается от приведенной в уравнении (72) тем, что в ней учитывается не пересыщение, а температура кристал­ лизации Ткр, степень переохлаждения по сравнению с температурой ликвидуса (ДТ).

Анализ уравнения (84) показывает, что вблизи температуры лик­ видуса, т. е. при ДТ = 0, величина г становится бесконечно боль­ шой. С увеличением степени переохлаждения уменьшается критичес­

Радиус атома железа равен 0,8 -10-8 см, из чего следует, что даже при больших переохлаждениях критический зародыш будет состоять из сотен и тысяч атомов. Переохлаждения металла легче достигнуть в микрообъемах, в которых заведомо будут отсутство­ вать твердые включения; могущие быть центрами кристаллизации. М. П. Браун и Ю. Я. Скок на образцах железа массой 10 г, рас­ плавленных в кварцевых тиглях, достигли переохлаждения на 290° С ниже температуры кристаллизации, а А. А. Духин в каплях диамет­ ром 50—100 мкм достиг переохлаждения на 500—550° С.

В реальных слитках столь глубокое переохлаждение не дости­ жимо. Необходимо иметь в виду, что переохлаждение, с одной сто­ роны, увеличивает скорость и вероятность образования зародыша, с другой — уменьшает подвижность частиц в жидкости и замедляет образование зародыша.

В присутствии в металле нерастворимых примесей, какими яв­ ляются, например, неметаллические включения, центры кристаллиза­ ции возникают в первую очередь на этих примесях. В этом случае важную роль играет структурное соответствие примеси и кристал­ лизующегося металла. На легкоплавких металлах, например, обна­ ружено явление дезактивации нерастворимых примесей, структурно неоднородных с металлом при предварительном большом перегреве. Растворимые в металле примеси способны изменять величину меж­ фазной энергии сгт_ж. На уменьшении величины сгт_ж, а следова­ тельно, и снижении необходимой степени переохлаждения и одно­ временном уменьшении критического радиуса зародыша (в конечном счете уменьшении размера зерна в металле) основано действие моди­ фицирующих добавок в стали. По данным В. Е, Неймарка, при опти-

288

мальной концентрации такие элементы, как Al, Ti,V, В и Са, дей­ ствуют в углеродистой и легированной стали как модификаторы, измельчающие кристаллическую структуру. В то же время такие

добавки, как Zr, Nb и Mg, оказывают незначительное влияние на структуру слитка.

Некоторые из отмеченных модифицирующих добавок одновре­ менно являются сильными раскислителями, и введение их в металл сопровождается образованием окисной дисперсной фазы, которая сама по себе интенсифицирует кристаллизацию.

Р о с т к р и с т а л л а и о б р а з о в а н и е д е н д р и т н о й с т р у к т у р ы. При кристаллизации чистых веществ, когда остаются постоянными степень переохлаждения расплава и его состав, а на границе кристаллизации ; сохраняются равновесные условия, кристалл должен расти в идеально ограниченной форме, присущей данному веществу, а в каждой точке кристалла должна сохраняться пе­ риодичность кристаллической решетки.

В реальных же сплавах кристаллизация сопровождается появлением структурных несовершенств, и, что особенно характерно для сплавов на железной основе, образо­ ванием дендритов. Дендриты представляют собой непрерывную пространственную решетку, у которой от толстого ствола ответвляются ветви первого порядка, от них — второго, затем третьего и т. д. (рис. 107). Все ветви имеют почти правиль­ ную кристаллографическую ориентацию.

Дендриты бывают разнообразных размеров. Чем менее стесненно они растут, тем большей величины они достигают. Масса знамени­ того кристалла Чернова, найденного в усадочной раковине 100-т слитка, составляет 3,45 кг, а высота 39 см.

Образование дендритной структуры литой стали было выявлено впервые Д. К. Черновым, н он считал это доказательством ее кри­ сталлического строения. Изучение кристаллической структуры се­ рых чугунов дало Д. К. Чернову основание полагать, что причиной дендритного роста кристаллов являются примеси. Это предположение получило дальнейшее развитие в работах советских ученых. В пред­ ложенной Д. Д. Саратовкиным схеме роль примесей в образовании дендритов сводится к блокированию грани кристалла и прекращению ее роста, вызывающему выбрасывания осей нового порядка (рис. 108). При перемещении граней СВ и АВ со скоростями vc и vx через промежуток времени т в положения СхО и А гО (рис. 108, а) возра­ стает градиент концентрации примесей перед гранями АВ и СВ, в то время как в вершине кристалла по линии ВО градиент концен­ трации примесей ниже и имеет минимальное значение в направле­ нии роста ребра О. При блокировании участков А ; ^ и С ^ ^ мономолекулярным слоем примеси рост грани прекращается, кристалл

растет в виде иглы в направлении ВО (рис. 108, б). На грани обра­ зуются выступы и зубцы, некоторые из них начинают расти как ос­ новная игла (рис. 108, в).

При больших скоростях охлаждения, когда исключаются условия скопления примесей у растущих граней кристалла, дендритная структура кристаллов металла заменяется ячеистой, характеризую­ щейся отсутствием осей второго по­ рядка, а кристаллы имеют вид парал­ лельных стволов, прилегающих друг к другу (рис. 109). Ячеистая струк­ тура, например, наблюдается при охлаждении пластин кремнистой ста­ ли (1,5—2,0% Si) толщиной от 1 до 0,1 мм со скоростью 104—105°С/с.

Средний диаметр ячейки в этом случае тем меньше, чем выше скорость охла-

Рнс. 109. Ячеистая структура металла Ж Д е н И Я , 11 В н а и б о л е е быСТрОЗЗТВер-

девающнх пластинах ом составляет

‘2—2,5 мкм.

Вусловиях кристаллизующихся слитков ячеистая структура практически не образуется, и для реального стального слитка харак­ терна дендритная структура.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СЛИТКА СПОКОЙНОЙ СТАЛИ

Кристаллизация стального слитка сопровождается окислением примесей, их перераспределением по объему слитка и другими про­ цессами. Совокупность всех процессов, в конечном счете, и опреде­

щ е м с я с л и т к е . В изложнице с момента заливки в нее металла вплоть до полного затвердевания слитка получают развитие конвек­ тивные потоки. Наличие их в жидкой части слитка подтверждается экспериментальными данными и в первую очередь равномерным по

290

объему слитка распределением радиоиндикаторов (Fe53, Р32, S36 и др.), вводимых в изложницы в различные моменты после конца разливки.

В момент заполнения изложницы конвективные потоки вызы­ ваются кинетической энергией струи металла. Расчеты показывают, что скорость затопленной струи при сифонной разливке составляет (5—’25) 10" 3 м/с, а при разливке сверху струя металла с первона­ чальной скоростью 4—6,8 м/с проникает на глубину 0,9—2,4 м. Поэтому металл во время разливки находится в состоянии интенсив­ ного движения, и это отражается в какой-то степени и на процессе формирования твердого металла.

После окончания наполнения изложницы металлом развитие конвективных потоков обусловлено прежде всего различной плот­ ностью металла в отдельных макро- и микрообъемах, вызванных охлаждением металла у фронта кристаллизации, появлением кри­ сталлов в двухфазной области, неравномерным распределением примесей и выделением газовых пузырей.

Сообразно расчетам скорость нисходящих потоков в телах про­ стейших форм, вызванная разной степенью нагрева макрообъемов металла, может достигать 9 м/с. Подобная скорость, вероятно, за­ вышена, но тем не менее факт развития заметных конвективных по­ токов в кристаллизующемся слитке не вызывает сомнения.

С к о р о с т ь з а т в е р д е в а н и я с л и т к а . Теплопередача в застывающем слитке при наличии конвективных потоков жидкого металла, как правило, складывается из теплопередачи конвекцией, теплопроводностью и излучением. Неоднократно предпринятые попытки теоретического решения определения скорости затвердева­ ния стального слитка при минимально возможных допущениях не увенчались пока успехом. Основная причина трудности подобных расчетов связана с невозможностью учесть многообразие факторов, оказывающих влияние на кристаллизацию слитка, и их изменения в процессе затвердевания. По этой же причине затруднено модели­ рование процесса затвердевания слитка. Наиболее просто решается задача при анализе только одного потока теплопроводностью через затвердевший металл. Общее уравнение теплопроводности для одномерного теплового потока в одномерном пространстве имеет вид

талла;

dtldx — температурный градиент.

Уравнение (85) было впервые решено Стефаном и Нейманом для случая промерзания влажного грунта и замерзания воды. Промер­ зающий грунт и воду принимали за полубесконечные тела, на по­ верхности которых поддерживается постоянная температура и тепло­ физические свойства которых остаются неизменными во всем темпе­