ристаллизация слитка

спокойной стали Кристаллизация стали сопровождается окислением примесей, их перераспределением по объему слитка и другими процессами. Совокупность всех процессов, в конечном счете, и определяет качество слитка стали. Образование структурных зон в слитках. Обычно слиток спокойной стали характеризуется наличием следующих зон: поверхностный слой 1 мелких кристаллов; зона 2 столбчатых кристаллов; внутренняя зона 3 различно ориентированных кристаллов; «конус осаждения» 4 из мелких неориентированных кристаллов внизу слитка; «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 затвердевании реального слитка, и сложность их изучения приводят к тому, что, несмотря на многолетние усилия отечественных и зарубежных металлургов, всеобъемлющая теория кристаллизации слитка спокойной стали отсутствует. До сих пор в литературе обсуждают две противоположные теории кристаллизации стали; теорию объемной кристаллизации и теорию последовательной кристаллизации стали. Д. К. Чернов в своих классических работах первый высказал мысль о последовательной кристаллизации металла в изложницах. Теория объемной кристаллизации, предложенная Г. Тамманом, основывалась на проведенных им исследованиях с малыми количествами органических веществ (салола, бензофенола, пинерина) 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 стали - металл кристаллизуется одновременно во всем объеме из-за присутствия в нем центров кристаллизации либо в виде посторонних твердых примесей (неметаллических включений), либо в виде самопроизвольно (спонтанно) возникающих «зародышей» этого металла. Образовавшиеся изолированные кристаллы в силу разности плотностей твердой и жидкой стали падают вниз в виде «дождя кристаллов». Рис.1 Строение слитка спокойной стали 1 — слиток опрокинут через 55 мин; 2 — через 75 мин; 3 — через 105 мин после конца разливки; I, II, III — границы распространения радиоиндикаторов, введенных в контрольный слиток соответственно в те же момент Теорию объемной кристаллизации спокойной стали 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 наблюдаемого при затвердевании реальных слитков. Образование структурных зон в слитке необходимо рассматривать с позиций последовательной кристаллизации с учетом современных представлений о механизме возникновения и роста кристалла. При заливке горячего металла в холодную изложницу находящийся в контакте с ней слой металла охлаждается, и в нем начинается обильное образование зародышей. Центрами кристаллизации являются и многочисленные выступы, имеющиеся на поверхности изложницы. Зародыши, образовавшиеся в рассматриваемой зоне, растут сначала по дендритному механизму с образованием поверхностной зоны неориентированных кристаллов. С увеличением толщины этой зоны, а также в связи с появлением газового зазора между стенкой изложницы 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 направлении, обратном отводу тепла (перпендикулярном к поверхности изложницы), получает преимущественное развитие. Кристаллы с другой ориентацией главных осей относительно поверхности отвода тепла быстро выклиниваются. 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. Развитие столбчатых кристаллов с хорошо выраженной дендритной структурой возможно только при наличии примесей и известного переохлаждения вблизи растущих граней дендритов. Отсутствие экспериментально зафиксированного переохлаждения в макрообъемах слитка не отрицает наличия переохлаждения в указанных микрообъемах и служит лишь доказательством невозможности объемной кристаллизации с выпаданием кристаллов в виде «дождя». Примеси, присутствующие в спокойной стали, оказывают двоякое влияние на развитие столбчатой структуры. С одной стороны, как уже неоднократно отмечалось, именно присутствие примесей обеспечивает условия образования хорошо развитых дендритов. С другой стороны, повышение их концентрации в жидком металле перед фронтом кристаллизации непрерывно снижает температуру ликвидуса и устраняет переохлаждение, без которого невозможно образование дендритов. 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 другим причинам затруднена их сегрегация в такой степени, что не наступает заметное снижение температуры ликвидуса, развитие зоны столбчатых кристаллов становится неограниченным и они способны прорасти до оси слитка спокойной стали. 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 характеризуются развитой транскристаллической структурой. Постепенное накопление в нижних частях кристаллизующегося слитка стали, более холодного, чем в верхних, уменьшает переохлаждение 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 перпендикуляра 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 кристаллов, снижая температуру ликвидуса металла, способно прекратить на время процесс кристаллизации спокойной стали, в результате чего в некоторых местах происходит оплавление ветвей дендритов. Оплавленные вершины столбчатых кристаллов бывают иногда ясно видны на темплетах слитков спокойной стали. Механизм образования зародышей равноосных кристаллов центральной зоны слитка спокойной стали не совсем ясен. Здесь возможны два предположения. Первое сводится к тому, что зародыши всех кристаллов появляются в начальный момент кристаллизации спокойной стали, и во все время развития столбчатых кристаллов эти зародыши постепенно растут и образуют своеобразную сетку кристаллов, которая наконец препятствует росту столбчатых кристаллов. Согласно второму предположению, зародыши кристаллов возникают по мере продвижения фронта столбчатых кристаллов в жидком металле на центрах кристаллизации стали, которыми могут быть неметаллические включения. По-видимому, в реальных слитках спокойной стали развиваются оба изложенных механизма. Ширина двухфазной зоны постепенно увеличивается при продвижении фронта кристаллизации к центру слитка. Часть кристаллов при развитой двухфазной области и соответственно при относительно небольшой зоне столбчатых кристаллов может опускаться в нижнюю часть слитка стали вследствие разности плотностей жидкого и твердого металла. Этот процесс получает особенно развитие в момент прекращения роста столбчатых кристаллов. При кристаллизации слитков спокойной стали, опускающиеся свободные кристаллы образуют в нижней части слитка развитую двухфазную область, затвердевающую в виде отдельных объемов. Высокотемпературные неметаллические включения 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 обеспечивает 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 закристаллизировавшегося слитка спокойной стали относительно хорошо подпитываются металлом из прибыльной надставки. Преимущественное по условиям питания из прибыли положение рассматриваемой зоны приводит к образованию здесь плотной структуры — «моста», в то время как нижележащие зоны слитка характеризуются наличием большого числа пор. В связи с меньшей плотностью жидкого металла по сравнению с твердым и продолжительным пребыванием металла в жидком состоянии в прибыльной части, откуда жидкий металл «подпитывает» затвердевающий слиток, именно в этом месте развивается усадочная раковина.