Слитки для крупных поковок

Скобло С.Я., Казачков Е.А.

Металлургия, 1973 г.

4. Особенности процесса затвердевания стали в изложнице

Аналитическое исследование процесса затвердевания стали ограничено рядом допущений и не учитывает многих реальных процессов, которые сопровождают кристаллизацию металла в изложнице — движение жидкого металла в незатвердевшей части слитка, оседание кристаллов, возникающих перед фронтом кристаллизации, и другие явления. Анализ процесса затвердевания производится только для небольшого участка в поперечном направлении, при этом не учитывается развитие процесса в вертикальном направлении, образование широкой двухфазной области в нижней части слитка, неравномерный отвод тепла по высоте изложницы и другие осложняющие обстоятельства. Теоретические данные редко сравниваются с фактическими.

Из-за весьма сложных условий, в которых развивается процесс, затвердевания крупных стальных слитков в изложницах, не удается создать математическую модель процесса, которая охватывала бы весь период затвердевания слитка и была бы пригодна для описания процесса затвердевания в любой точке слитка.

Поэтому при изучении затвердевания крупных стальных слитков большое значение приобретают экспериментальные методы, которые непрерывно совершенствуются.

Главной задачей экспериментального исследования процесса затвердевания крупных стальных слитков является определение положения границы раздела твердой и жидкой фазы 1з различные периоды после заливки стали в изложницу и определение времени полного затвердевания слитка. Эта задача осложняется тем, что на определенных этапах затвердевания слитка, наряду с твердой и жидкой областями, в кристаллизующемся слитке возникают жидко-твердая и твердо-жидкая области, которые разграничивают жидкую и твердую части слитка [62—69].

С учетом современных данных о развитии процесса кристаллизации стали и особенностях затвердевания в изложнице, можно представить следующую схему формирования крупного стального слитка па различных этапах затвердевания.

В первый момент при заливке, когда жидкий металл непосредственно контактирует с холодной стенкой изложницы, тонкий слой металла, соприкасающийся со стенкой изложницы, быстро переохлаждается до температуры ниже точки ликвидуса. Это приводит к возникновению большого числа зародышей кристаллов, которые образуются на различных твердых частичках, в достаточном количестве имеющихся в жидкой стали. Интенсивный отвод тепла от поверхностного слоя в этот период приводит к быстрому росту корочки слитка за счет разрастания образовавшихся зародышей. В связи с большим числом зародышей и малыми расстояниями между ними возможность их разрастания ограничена и образующийся корковый слой является мелкозернистым. После образования коркового слоя интенсивность отвода тепла от жидкого металла стенками изложницы уменьшается, и дальнейшее нарастание толщины твердой фазы происходит за счет роста отдельных кристалликов коркового слоя, контактирующих с жидкой фазой. Преимущественный рост в этом случае проявляют кристаллы, главные оси которых были расположены вдоль направления теплового потока. Так формируется зона столбчатых кристаллов.

Жидкое ядро слитка непрерывно охлаждается, чему способствует интенсивное движение жидкого металла за счет конвекции. Возникающее вблизи фронта затвердевания за счет ликвационных процессов и термического охлаждения явление концентрационного переохлаждения приводит к возможности зарождения в жидкой фазе вблизи фронта кристаллизации новых зародышей кристаллов. Эти зародыши могут прийти в контакт с продвигающимся фронтом кристаллизации и соединиться с ним, но могут быть также увлечены нисходящими конвективными потоками в донную часть слитка, где они будут оседать в виде неплотного слоя, представляющего собой двухфазную систему. Затвердевание такой системы в донной части слитка можно представить как переход в твердое состояние участков жидкого металла в промежутках между ветвями опустившихся на дно дендритов.

Окончание роста столбчатых кристаллов связывают с моментом снятия перегрева в объеме жидкой части слитка. При таких условиях вначале обеспечивается термическое и концентрационное переохлаждение в жидкой части слитка, граничащей с двухфазной областью, которое затем, в конце затвердевания, распространяется на весь оставшийся объем жидкой части слитка. Продолжающееся опускание кристаллов приводит к ускорению вертикальной кристаллизации слитка в конце процесса кристаллизации.

Особое соотношение скоростей горизонтальной и вертикальной кристаллизации и одновременное развитие ликвационных и усадочных явлений, как будет рассмотрено далее, приводит к возникновению характерных видов неоднородности — внецентренной, или А-об разной, и осевой, или V-образной, ликвации и специфическому зональному строению слитка. Развитие специфических дефектов внутреннего строения крупных слитков связано с особенностями их кристаллизации. На рис. 9 приведена схема образования макросегрегации в крупных слитках за счет особого механизма осаждения кристаллов [69]. После образования зоны столбчатых кристаллов и снятия перегрева в жидкой части слитка, вблизи фронта затвердевания могут зарождаться кристаллы, которые конвективными потоками и под действием силы тяжести переносятся в донную часть слитка. Это — первичное осаждение кристаллов (рис.9,б). Затем происходит образование нижней части конуса осаждения путем промерзания жидкости между выпавшими здесь кристаллами (рис. 9,б). За счет развития переохлаждения в оставшейся жидкой сердцевине слитка протекает процесс вторичного осаждения кристаллов (рис. 9,г). Образующаяся довольно протяженная по высоте двухфазная область имеет в верхней части коническую форму (рис. 9, ). За счет усадочных явлений в двухфазной зоне образуются разрывы, которые заполняются ликватами (рис. 9, формируя V-образную и А-образную неоднородности. Па последнем этапе затвердевания эти виды неоднородности формируются вместе с усадочной раковиной и расположенной под ней зоной максимальной ликвации.

5. Экспериментальные методы изучения затвердевания стальных слитков

Применяемые методы исследования процесса затвердевания стальных слитков должны обеспечить выявление рассмотренной сложной картины кристаллизации стальных слитков.

При исследовании процесса затвердевания стальных слитков обычно применяют следующие методы:

1. Метод выливания жидкого остатка.
2. Метод радиоактивных изотопов.
3. Метод обычного и дифференцированного зондирования.
4. Термопарный метод или метод измерения температуры в различных точках затвердевающего слитка.
5. Расчетное определение положения фронта затвердевания по экспериментально установленному температурному полю изложницы.

Из перечисленных методов только метод зондирования и измерения температурного ноля изложницы можно отнести к «неразрушающим». Применение остальных методов делает невозможным использование опытного слитка по прямому назначению.

Применение радиоактивных изотопов для исследования процесса кристаллизации слитка основано на том, что изотоп распространяется только в жидкой части слитка. Введенный в какую-либо точку жидкой сердцевины радиоиндикатор распространяется во исем объеме жидкого металла за счет конвективных потоков. Таким образом, фиксируется граница жидкой области слитка. Если радиоактивный изотоп добавляют вскоре после заливки стали в изложницу, он распространяется конвективными потоками металла по всему объему жидкой части слитка, даже в случае ввода его только в верхнюю часть.

Обычная практика использования радиоактивных изотопов для изучения процесса кристаллизации стальных слитков состоит в том, что в жидкую сердцевину кристаллизующегося слитка вводят на штанге через определенные интервалы времени порции радиоактивного изотопа. В оставшейся к моменту ввода изотопа жидкой части слитка создают, таким образом, зоны увеличивающейся радиоактивности. После разрезки слитка снимают авторадиограмму с продольных и поперечных темплетов и по ней судят странице распространения радиоизотопа, т. с. оценивают границы области оставшегося жидкого металла. ¹

Первые работы по применению радиоактивных изотопов для исследования процесса кристаллизации стального слитка были проведены в СССР в 1952—1954 гг.. [73, с. 19— 36; 81, 82]. Позднее этот метод был применен за рубежом [83].