Слитки и разливка стали

Процесс кристаллизации слитка

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 сохраняться периодичность кристал­лической решетки. Кристаллизация стали сопровождает­ся образованием дендритов (греч. dendron — дерево).

Схема дендрита по Д. К. ЧерновуОбразование дендритной структуры литой стали выявлено впервые Д. К. Черновым, который предполагал, что причиной дендритного роста кристаллов являются примеси, которые обусловливают избирательную кристаллизацию стали. В связи с этим в начале образуются скелеты кристаллов в виде первичных осей, относительно бедных по содержанию примесей и прежде всего углерода. От первичных осей перпендикулярно начинают расти оси второго порядка, от которых в свою очередь разви­ваются перпендикулярно к ним оси третьего порядка и т. д. (рис. 88). Таков в общих чертах механизм образо­вания дендритов. Чем менее стесненно растут дендриты, тем больших размеров они достигают. Знаменитый кристалл Чернова, найденный в усадочной раковине 100-т слитка, весит 3,45 кг и имеет высоту 39 см.

Образование структурных зон в слитке, т. е. процесс кристаллизации слитка в целом, необходимо рассматри­вать с позиций последовательной кристаллизации, пред­ложенной Д. К. Черновым, с учетом современных представлений о механизме возникновения и роста кристалла.

При заливке горячего металла в холодную изложни­цу находящийся 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 небольшой и они по-разному ориентированы. Так образуется поверхностная зо­на мелких кристаллов.

Схема роста кристаллов при затвердевании стального слитка по Д. К. ЧерновуС увеличением толщины этой зоны, а также в связи с появлением газового зазора между стенкой изложницы и затвердевшим металлом отвод тепла от затвердевшего металла ухудшается и интенсивность образования новых зародышей резко снижается. Часть благоприятно ориен­тированных кристаллов, т. е. кристаллов, ось которых растет в направлении, обратном отводу тепла (перпен­дикулярном поверхности изложницы), получает преимущественное развитие. Кристаллы с плохой ориентацией главных осей относительно 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, обра­зующие при своем росте зону столбчатых кристаллов (рис. 89).

В связи с избирательной кристаллизацией примеси скапливаются перед фронтом столбчатых кристаллов. Температура плавления металла в пограничном слое сни­жается, что уменьшает скорость образования столбча­тых кристаллов, и в некоторый момент их рост вообще прекращается, т. е. на время прекращается процесс кристаллизации. Ветви дендритов в некоторых местах оплав­ляются. Оплавленные вершины столбчатых кристаллов иногда ясно видны на темплетах слитков. На возмож­ность подобной остановки в процессе кристаллизации указывал А. Т. Гудцов.

Остановка в процессе кристаллизации соответствует окончанию образования зоны столбчатых кристаллов. Продолжение кристаллизации сопровождается образо­ванием равноосных кристаллов, которые начинают расти либо на поверхности столбчатых кристаллов, либо в объеме жидкого металла в пограничных зонах. Центра­ми кристаллизации в этом случае являются высокотем­пературные включения. Перед фронтом затвердевшего металла одновременно имеются 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 ши­рокое развитие в момент прекращения роста столбчатых кристаллов.

Свободные кристаллы опускаются в нижнюю часть слитка, образуя развитую двухфазную область, которая затвердевает отдельными объемами. Первые свободные кристаллы, появившиеся, по-видимому, в начальный момент кристаллизации слитка, в наибольшей степени обо­гащены высокотемпературными неметаллическими вклю­чениями. Эти кристаллы, скапливаясь в нижней части слитка, вначале обеспечивают хорошее питание, в резуль­тате чего «конус осаждения» имеет плотную структуру. Объем металла в центральной части слитка выше кону­са осаждения, куда опускаются кристаллы, затвердевает периодически по мере накопления в них твердых крис­таллов.

В зоне контакта изложницы с прибыльной надстав­кой наблюдается более интенсивный отвод тепла, обусловливающий ускорение затвердевания металла в этой зоне по сравнению с горизонтами слитка, расположенны­ми ниже. Преимущественное по условиям питания из прибыли положение рассматриваемой зоны приводит к образованию плотной структуры (моста), в то время как зоны слитка, расположенные ниже, характеризуются большим количеством пор.

В зависимости от химического состава стали меняют­ся ее теплофизические свойства, в том числе и теплопроводность. Это обстоятельство может изменить условия теплоотвода при кристаллизации слитка и заметно по­влиять на развитие отдельных зон слитка. Например, в слитках высокохромистых никельсодержащих сталей по­лучает большое развитие зона столбчатых кристаллов и иногда вообще не выявляется зона равноосных кристал­лов. Слиток имеет развитую транскристаллическую структуру.

Изменяется характер структуры слитка, полученного из стали, предварительно обработанной в вакууме. Слит­ки из вакуумированной стали кристаллизуются быстрее, чем слитки из обычной стали. Это объясняется большей теплопроводностью 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 образуются мелкие равновесные крис­таллы. Крупные слитки массой 4—7 т характеризуются равномерной структурой со значительно меньшей сте­пенью развития химической неоднородности.

В целом слитки из вакуумированной стали характе­ризуются более плотным строением, менее резко выра­женной осевой рыхлостью, 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.