Большинство металлургов связывают образование осевой V- образной неоднородности с усадкой металла. С. С. Штейнберг по лагал, что образование рыхлости и скопление примесей в осевой
зоне является продолжением усадочной раковины. В. М. Тагеев |
высказал предположение, что скопление |
примесей в рассматриваемой зоне |
связано |
с местным перераспределением их при уса |
дочных перемещениях |
жидкого |
металла |
в условиях затрудненного питания более |
нагретым металлом. |
|
|
Зона отрицательной ликвации свя |
зана с образованием конуса осаждения, |
когда вниз сползают кристаллы, обра |
зующиеся после прекращения роста столб |
чатых дендритов в основном в момент оста |
новки кристаллизации. Медленный рост |
этих кристаллов в условиях развития |
конвективных потоков |
обеспечивает отно |
|
|
|
|
|
сительно |
низкое |
|
содержание в них ли- |
|
|
|
|
|
квирующих примесей. |
теория |
развития |
|
|
|
|
|
Хотя |
всесторонняя |
|
|
|
|
|
химической неоднородности в слитке спо |
|
|
|
|
|
койной стали в |
настоящее |
время |
|
отсут |
|
|
|
|
|
ствует, |
однако |
|
накопленные |
данные в |
|
|
|
|
|
производственных |
условиях |
и при специ |
|
|
|
|
|
ально проводимых |
исследованиях |
позво |
|
|
|
|
|
ляют наметить |
пути |
уменьшения |
этого |
|
|
|
|
|
порока стального слитка. |
Факторы, |
обес |
|
|
|
|
|
печивающие более длительное пребыва |
|
|
|
|
|
ние металла |
в изложнице |
в |
жидком |
со |
|
|
|
|
|
стоянии, |
будут способствовать |
развитию |
|
|
|
|
|
зональной неоднородности слитка. Такими |
|
|
|
|
|
факторами |
являются |
увеличение |
|
массы |
|
|
|
|
|
слитка, повышенная температура и уско |
|
|
|
|
|
ренная разливка |
стали. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Развитие осевой V-образной ликвации |
|
|
|
|
|
можно уменьшить |
путем |
увеличения |
ко |
Рис. 86. Зональная неоднород |
нусности и поперечного сечения слитка, |
ность |
в слитке |
спокойной |
|
|
|
|
стали: |
поскольку |
подпитывание |
затвердевшего |
I — Л-образная |
(«усы»); 2 — |
металла |
улучшается. |
Для |
уменьшения |
V-образная; |
3 — отрицательная |
Л-образной внеосевой ликвации жела |
|
|
|
|
ликвация |
ния |
слитка |
|
|
тельно, чтобы площадь поперечного сече |
была меньше, а конструкция |
изложницы |
обеспечи |
вала |
достаточно |
быструю |
последовательную кристаллизацию |
от |
низа до верха слитка. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Применение различного рода кристаллизаторов, искусственно |
вводимых |
в |
изложницу, |
интенсифицирует |
|
затвердевание |
слитка |
и уменьшает развитие химической неоднородности.
3.
И ОБРАЗОВАНИЕ ДЕНДРИТНОЙ СТРУКТУРЫ
При кристаллизации чистых веществ, когда на границе кристалл— жидкий металл сохраняются равновесные условия, кристалл должен
|
|
|
|
|
|
расти в |
идеально ограненной форме, присущей данному веществу, |
а в каждой точке кристалла должна со |
храняться периодичность |
кристалличе |
ской решетки. |
Кристаллизация |
же стали |
сопровождается |
образованием |
дендритов, |
представляющих собой пространственную |
решетку |
различных размеров, |
у которой |
от толстого ствола ответвляются ветви |
первого порядка, от них |
в свою очередь |
ветви второго |
порядка, |
затем |
ветви |
третьего |
порядка и т. д. |
(рис. 87). |
Все |
ветви имеют почти правильную ориента цию. Чем менее стесненно растут дендриты, тем большей величины они дости гают. Знаменитый кристалл Чернова, найденный в усадочной раковине 100-т слитка, весит 3,45 кг и имеет высоту 39 см.
Образование дендритной структуры литой стали выявлено впер вые Д. К- Черновым. Он предполагал, что причиной дендритного роста кристаллов являются примеси. Это предположение получило
дальнейшее развитие в работах А. А. Бочвара, Д. Д. Саратовкина, О. А. Есина, П. В. Гельда и др. В предложенной Д. Д. Саратовкиным схеме роль примесей в образовании дендритов сводится к бло кированию грани кристалла и прекращению ее роста, что приводит к выбрасыванию осей нового порядка (рис. 88). При перемещении граней СВ и АВ через некоторое время в положение Сг0 и А х0 (рис. 88, а) возрастает градиент концентрации примесей перед гра нями А 1В 1 и СХВ Ъ а к вершине кристалла по линии ВО градиент концентраций примесей более низкий и имеет минимальное значение
внаправлении роста ребра О. Поэтому кристалл растет в виде иглы
внаправлении ВО (рис. 88, б). На грани образуются выступы и
зубцы, некоторые из них |
начинают |
расти как основная игла |
(рис. 88, в). |
|
|
4. |
ПРОЦЕСС |
КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СЛИТКА |
Образование структурных зон в слитке, т. е. процесс кристалли зации слитка, необходимо рассматривать с позиций последователь ной кристаллизации, предложенной Д. К- Черновым, с учетом совре менных представлений о механизме возникновения и роста кри сталла.
При заливке горячего металла в холодную изложницу находя щийся в контакте с ней слой металла быстро охлаждается, и в нем начинается обильное образование зародышей, которые мешают расти друг другу, и поэтому размер кристаллов в этой зоне неболь шой, и они по-разному ориентированы. Так образуется поверхност ная зона мелких кристаллов.
С увеличением толщины этой зоны, а также в связи с появлением газового зазора между стенкой изложницы и затвердевшим метал лом отвод тепла от затвердевшего металла ухудшается, и интенсив ность образования новых зародышей резко снижается. Часть бла гоприятно ориентированных кристаллов, т. е. кристаллов, ось которых растет в направлении, обратном отводу тепла (перпенди кулярном к поверхности изложницы), получает преимущественное развитие. Кристаллы с плохой ориентацией главных осей относи тельно поверхности отвода тепла будут быстро выклиниваться. Поэтому с увеличением расстояния от стенки изложницы в глубь металла число зерен на единицу площади уменьшается, пока не останутся только благоприятно ориентированные кристаллы, об разующие при своем росте зону столбчатых кристаллов.
Примеси, присутствующие в стали, оказывают двоякое влияние на развитие столбчатой структуры. С одной стороны, как уже отме чалось, именно примеси обеспечивают условия образования хорошо развитых дендритов; с другой стороны, повышение их концентра ции в жидком металле перед фронтом кристаллизации непрерывно снижает температуру начала кристаллизации металла (температуру ликвидуса) и устраняет переохлаждение, без которого невозможно образование дендритов. Поэтому при относительно большей степени ликвации примесей столбчатые кристаллы могут расти лишь до определенного момента, когда значительное снижение температуры ликвидуса не снимет переохлаждение металла перед фронтом дендри тов. Если содержание ликвирующих примесей относительно неболь шое, или по тем или иным причинам затруднена их сегрегация в такой степени, что не наступает заметного снижения температуры ликвидуса, развитие зоны столбчатых кристаллов становится неогра ниченным, и они способны прорасти до оси слитка. Получается так называемая транскристаллическая структура.
Ликвация |
таких примесей, |
как сера, фосфор и др., затруднена |
в присутствии |
хрома, никеля |
и других легирующих элементов. По |
этой причине высокохромистые никельсодержащие стали имеют раз витую транскристаллическую структуру.
Постепенное накопление в нижних частях кристаллизующегося слитка более холодного металла, чем в верхних, уменьшает переохла ждение у растущих граней кристаллов и обеспечивает более раннее прекращение образования зоны столбчатых кристаллов в нижних горизонтах и меньшую ее протяженность в этом месте.
Некоторое отклонение столбчатых кристаллов вверх от перпен дикуляра к стенке изложницы вызваны 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, и ветви дендритов в неко торых^ местах оплавятся. Оплавленные вершины столбчатых кри сталлов иногда ясно видны на темплетах слитков. На возможность подобной остановки в процессе кристаллизации указывал в свое время А. Т. Гудцов.
Остановка в процессе кристаллизации соответствует окончанию образования зоны столбчатых кристаллов. Продолжение кристалли зации сопровождается образованием равноосных кристаллов. При этом перед фронтом затвердевшего металла имеются одновременно кристаллы и жидкий металл — так называемая двухфазная область. Ширина этой области постепенно увеличивается при продвижении фронта кристаллизации к центру слитка. Часть кристаллов из двухфазной области может опускаться в нижнюю часть слитка, вследствие разности плотностей жидкого и твердого металла. Этот процесс получает особенное развитие в момент прекращения роста столбчатых кристаллов.
Свободные кристаллы опускаются в нижнюю часть слитка, обра зуя развитую двухфазную область, которая затвердевает отдель ными объемами. Первые свободные кристаллы, появившиеся, повидимому, в начальный момент кристаллизации слитка, в наиболь шей степени обогащены высокотемпературными неметаллическими включениями. Эти кристаллы, скапливаясь в нижней части, образуют конус осаждения. Жидкий металл, находящийся в верхней части слитка, вначале обеспечивает хорошее питание, в разультате чего «конус осаждения» имеет плотную структуру. Объемы металла в цен тральной части слитка выше конуса осаждения, куда опускаются кристаллы, затвердевают периодически по мере накопления в них твердых кристаллов.
В зоне сочленения изложницы с прибыльной надставкой имеется более интенсивный отвод тепла, обусловливающий опережение затвердевания металла в этой зоне по сравнению с расположенными ниже горизонтами слитка. Преимущественное по условиям питания из прибыли положение рассматриваемой зоны приводит к образова нию здесь плотной структуры моста, в то время как нижележащие зоны слитка характеризуются наличием большого количества пор.
22* 339
5. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ СЛИТКА, КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕГОСЯ В ВАКУУМЕ
Отлитые в вакууме слитки кристаллизуются быстрее, чем слитки такого же веса, отлитые на воздухе. Это объясняется большей тепло проводностью вакуумированной стали, так как в ней меньше газов и не образуется микроскопических газовых пузырей, затрудняющих теплоотвод.
Небольшие слитки массой 1—2 т, отлитые из вакуумированной стали, не имеют зоны столбчатых кристаллов, вместо них наблю даются мелкие равноосные кристаллы. Большие слитки массой 4—7 т характеризуются равномерной структурой, со значительно меньшей степенью развития химической неоднородности.
В целом слитки из вакуумированной стали отличаются более плотным строением, с менее резко выраженной осевой рыхлостью, с более мелким кристаллическим строением, чем слитки из обычной стали. Причина улучшения качества слитка из вакуумированной стали заключается в снижении в ней содержания газов и прежде всего водорода.
Г Л А В А X X V I I I
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗЛИВКИ СТАЛИ В и з л о ж н и ц ы
1.СПОСОБЫ РАЗЛИВКИ СТАЛИ В ИЗЛОЖНИЦУ
Внастоящее время жидкую сталь разливают либо по изложни
цам, либо на установках непрерывной разливки. Разливка стали по изложницам осуществляется двумя способами: сверху или сифо ном. При разливке сверху металл поступает в изложницу непосред ственно из сталеразливочного ковша или через промежуточное устройство (воронку, ковш), рис. 89. В случае сифонной разливки (рис. 90) жидкая сталь из сталеразливочного ковша попадает в цен тровую и затем по сифонной проводке снизу поступает в изложницы, установленные на поддоне.
Как показали результаты многих сравнительных исследований, качественные показатели металла (механические свойства, макро структура, содержание неметаллических включений и т. д.), а также величина брака по вине металла в прокатных цехах и на машино строительных заводах практически не зависят от способа разливки.
В то же время разливка сифоном имеет следующие преимущества перед разливкой сверху:
1.Одновременно на одном поддоне можно отливать четыре— шесть слитков массой 3—7 т и большое количество мелких слитков, что позволяет плавки повышенного тоннажа разлить с меньшей об щей продолжительностью.
2.Удобство наблюдения за поверхностью поднимающегося в из ложнице металла и возможность регулирования скорости разливки
