Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

ратурном интервале, принимали также, ч'го не происходит пере­

охлаждения.

При принятых допущениях, после интегрирования левой и пра­ вой частей уравнения (85) соответственно от 0 до т н от 0 до х и объеди­ нения всех постоянных параметров в коэффициент пропорциональ­ ности К получается уравнение

Уравнение (85) очень упрощенно описывает процесс затвердева­ ния. Поэтому, в конечном счете, наиболее полные данные могут быть получены только на основании исследования, проводимого на реаль­ ных слитках.

Одним из первых методов изучения скорости затвердевания явился метод выливания жидкого металла из закристаллизовавшейся части слитка, предложенный А. С. Лавровым и использовавшийся неодно­ кратно в дальнейшем.

В последние годы применяли также метод радноиндикатора. В этом случае в изложницу через определенное время после заливки металла вводят радиоиндикатор, например Fe69 в виде окиси. Гра­ ницу распространения каждой порции радноиндикатора фиксируют, определяя радиоактивность проб металла, отобранных из разных мест, вырезанных из слитка темплетов или по радиографическим от­ печаткам этих темплетов.

Оба метода взаимно дополняют друг друга, поскольку при опро­ кидывании слитка из него выливается ие только жидкий металл, но и выбрасывается двухфазная область, появляющаяся между жид­ кой и твердой частями слитка; в то же время надо иметь в виду, что радиоиидикатор распределяется только в жидкой части слитка.

Экспериментально определенное значение коэффициента К в урав­ нении (86) равно 22—25 мм/мин0-5 для слитков ппзкоуглеродистой и легированной стали и 28—30 мм/мин0'5 для средне-и высоко­ легированной стали. Уравнение (86) достаточно точно описывает процесс кристаллизации только применительно к первой трети или половине времени полного затвердевания слитка. В дальнейшем в связи с взаимным влиянием граней на затвердевание слитка в ка­ ком-либо направлении уравнение (86) становится неприемлемым.

.Для выяснения механизма кристаллизации стального слитка большое значение сыграло изучение температурных полей при помощи термопар, устанавливаемых в соответствующих точках объема из­ ложницы. Этими исследованиями йеоспоримо доказано отсутствие переохлаждения металла в макрообъемах слитка в пределах точности замеров термопарами (±10° С). Однако это не исключает переохла­ ждения металла в микрообъемах вблизи растущих кристаллов. Обра­ зование дендритной структуры стального слитка как раз и свидетель­ ствует о наличии подобного переохлаждения в микрообъемах.

Двух- и многокомпонентная система, которой и является жидкая сталь, затвердевает при температурах, интервал которых опреде-

292

ляetc я разрывом линий ликвидуса и солидуса. Это обстоятельство предопределяет образование двухфазной жидко-твердой области у фронта кристаллизации. Как уже было указано, вводимый в кри­ сталлизующийся слиток радиоиндикатор распространяется только в жидкой области, а при опрокидывании слитка устанавливается граница твердого металла. На рис. ПО по данным А. И. Строганова, М. И. Колосова и др. показаны совмещенные остовы опрокинутого через разное время 6,2-т слитка низкоуглеродистой стали с нане­ сенными границами распространения порций радиоиндикатора, введенных в контрольный слиток в те же моменты времени.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что ширина двух­ фазной области не остается постоянной в процессе кристаллизации слитка: ее величина больше по центру и возрастает к концу затверде­ вания. Естественно ожидать, что увеличение содержания углерода и других примесей, расширяющих температурный интервал кристал­ лизации металла, увеличивает и ширину двухфазной зоны.

О б р а з о в а н и е с т р у к т у р н ы х з о н в с л и т к а х . Обычно слиток спокойной стали характеризуется наличием следую­ щих зон: (рис. 111):

лов внизу слитка; д) «мост» 5 плотного металла в верхней части слитка из хорошо

сформировавшихся неориентированных кристаллов.

В верхней прибыльной части слитка сосредоточена усадочная раковина 6. Многообразие процессов, протекающих при затвердева­ нии реального слитка, и сложность их изучения приводят к тому, что, несмотря на многолетние усилия отечественных и зарубежных металлургов, всеобъемлющая теория затвердевания стального слитка отсутствует. До сих пор в литературе обсуждают две противополож­ ные теории кристаллизации; теорию объемной кристаллизации и теорию последовательной кристаллизации.

Д. К. Чернов в своих классических работах первый высказал мысль о последовательной кристаллизации металла в изложницах. Теория объемной кристаллизации, предложенная Г. Тамманом, ос­ новывалась на проведенных им исследованиях с малыми количест­ вами органических веществ (салола, бензофенола, пиперина) и на единичных опытах с легкоплавкими металлами. Выведенные при этом закономерности без достаточных оснований были перенесены на процесс кристаллизации стальных слитков.

Согласно теории объемной кристаллизации металл кристалли­ зуется одновременно во всем объеме из-за присутствия в нем центров кристаллизации либо в виде посторонних твердых примесей (неме­ таллических включений), либо в виде самопроизвольно (спонтанно) возникающих «зародышей» этого металла. Образовавшиеся изоли­ рованные кристаллы в силу разности плотностей твердой и жидкой стали падают вниз в виде «дождя кристаллов».

293

Теорию объемной кристаллизации долгое время поддерживали многие металлурги для объяснения образования в слитках конуса осаждения. Однако объемная кристаллизация металла в изложницах невозможна, так как требует глубокого переохлаждения, не наблю-

Рис. 111. Структура слитка спокойной стали

даемого при затвердевании реальных слитков. Образование струк­ турных зон в слитке необходимо рассматривать с позиций последо­ вательной кристаллизации с учетом современных представлений о механизме возникновения и роста кристалла.

При заливке горячего металла в холодную изложницу находя­ щийся в контакте с ней слой металла охлаждается, и в нем начинается обильное образование зародышей. Центрами кристаллизации яв­

294

ляются и многочисленные выступы, имеющиеся на поверхности из­ ложницы.

Зародыши, образовавшиеся в рассматриваемой зоне, растут сна­ чала по дендритному механизму с образованием поверхностной зоны неориентированных кристаллов. С увеличением толщины этой зоны, а также в связи с появлением газового зазора между стенкой излож­ ницы и затвердевшим металлом отвод тепла от затвердевающего металла ухудшается и интенсивность образования новых зародышей резко снижается. Часть имеющихся благоприятно ориентированных кристаллов, т. е. кристаллов, главная ось которых растет в направле­ нии, обратном отводу тепла (перпендикулярном к поверхности из­ ложницы), получает преимущественное развитие. Кристаллы с дру­ гой ориентацией главных осей относительно поверхности отвода тепла быстро выклиниваются. Поэтому с увеличением расстояния от стенки изложницы в глубь металла число зерен на единицу пло­ щади уменьшается, пока не останутся только благоприятно ориенти­ рованные кристаллы, образующие при своем росте зону столбчатых кристаллов.

Развитие столбчатых кристаллов с хорошо выраженной дендрит­ ной структурой возможно только при наличии примесей и извест­ ного переохлаждения вблизи растущих граней дендритов. Отсутствие экспериментально зафиксированного переохлаждения в макрообъе­ мах слитка не отрицает наличия переохлаждения в указанных ми­ крообъемах и служит лишь доказательством невозможности объем­ ной кристаллизации с выпаданием кристаллов в виде «дождя».

Примеси, присутствующие в стали, оказывают двоякое влияние на развитие столбчатой структуры. С одной стороны, как уже неод­ нократно отмечалось, именно присутствие примесей обеспечивает условия образования хорошо развитых дендритов. С другой сто­ роны, повышение их концентрации в жидком металле перед фронтом кристаллизации непрерывно снижает температуру ликвидуса и уст­ раняет переохлаждение, без которого невозможно образование денд­ ритов.

Поэтому при относительно большой степени ликвации примесей столбчатые кристаллы могут расти лишь до определенного момента, когда значительное снижение температуры ликвидуса не снимет переохлаждения металла перед фронтом дендритов-. Если содержание ликвирующих примесей относительно небольшое или по тем или дру­ гим причинам затруднена их сегрегация в такой степени, что не на­ ступает заметное снижение температуры ликвидуса, развитие зоны столбчатых кристаллов становится неограниченным и они способны прорасти до оси слитка. Получается так называемая транскристал­ лическая структура.

Ликвация таких примесей, как S, Р и др., затруднена в присут­ ствии хрома, никеля и других легирующих элементов. По этой при­ чине высокохромнстые никельсодержащие стали характеризуются развитой транскристаллической структурой.

Постепенное накопление в нижних частях кристаллизующегося слитка металла, более холодного, чем в верхних, уменьшает пере­

295

охлаждение у растущих граней кристаллов и обеспечивает1более раннее прекращение образования зоны столбчатых кристаллов в ниж­ них горизонтах н меньшую ее протяженность в этом месте.

Некоторое отклонение столбчатых кристаллов вверх от перпен­ дикуляра к стенке изложницы вызвано как расположением вверху теплового центра, так и направленными сверху вниз конвективными потоками металла, обновляющими состав металла перед растущими в глубь слитка осями столбчатых кристаллов.

Скопление примесей перед фронтом растущих столбчатых кри­ сталлов, снижая температуру ликвидуса металла, способно прекра­ тить на время процесс кристаллизации, в результате чего в некоторых местах происходит оплавление ветвей дендрнтов. Оплавленные вер­ шины столбчатых кристаллов бывают иногда ясно видны на темплетах слитков.

Механизм образования зародышей равноосных кристаллов цент­ ральной зоны не совсем ясен. Здесь возможны два предположения. Первое сводится к тому, что зародыши всех кристаллов появляются в начальный момент затвердевания слитка, и во все время развития столбчатых кристаллов эти зародыши постепенно растут и образуют своеобразную сетку кристаллов, которая наконец препятствует ро­ сту столбчатых кристаллов. Согласно второму предположению, зародыши кристаллов возникают по мере продвижения фронта столб­ чатых кристаллов в жидком металле на центрах кристаллизации, которыми могут быть неметаллические включения. По-видимому,

вреальных слитках развиваются оба изложенных механизма. Ширина двухфазной зоны постепенно увеличивается при про­

движении фронта кристаллизации к центру слитка.

Часть кристаллов при развитой двухфазной области и соответ­ ственно при относительно небольшой зоне столбчатых кристаллов может опускаться в иижшою часть слитка вследствие разности плот­ ностей жидкого и твердого металла. Этот процесс получает особенно развитие в момент прекращения роста столбчатых кристаллов.

Опускающиеся свободные кристаллы образуют в нижней части слитка развитую двухфазную область, затвердевающую в виде отдельных объемов. Высокотемпературные неметаллические включе­ ния являются центрами образования первых свободных кристаллов. Эти кристаллы, скапливаясь в нижней части слитка, образуют «конус осаждения», характеризующийся повышенным содержанием высокотемпературных включений: глинозема, кремнезема и др. Жидкий металл, находящийся в верхней части слитка, вначале обе­ спечивает хорошее питание, в результате чего «конус осаждения», характеризуется плотной структурой.

Объемы металла в центральной части слитка, куда опускаются кристаллы, затвердевают периодически по мере накопления в них твердых кристаллов.

В зоне сочленения изложницы с прибыльной надставкой объемы затвердевающегося слитка относительно хорошо подпитываются металлом из прибыльной надставки. Преимущественное по условиям питания из прибыли положение рассматриваемой зоны приводит

т