Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков и заготовок

Скворцов А.А., Акименко А.Д., Ульянов В.А.

Металлургия, 1991 г.

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ

Затвердевание сплавов, используемых в промышленности, происходит в интервале температур ликвидус - солидус с образованием двухфазной зоны. На этот процесс влияют условия теплоотвода, а также химический состав стали, склонность к ее ликвации, температура и скорость разливки, размеры сечения слитка или отливки и т.д. При затвердевании стали в изложнице или в форме образуются следующие структурные зоны: мелких равноосных кристаллов; столбчатых кристаллов; переходная, равноосных кристаллов; крупных равноосных кристаллов; осевая, V-образной неоднородности. Теоретически начало образования кристаллов связано с некоторым переохлаждением расплава ниже температуры ликвидуса, в результате чего образуются центры кристаллизации, которые дают начало для роста кристаллов.

Практически при затвердевании стали в промышленных условиях из-за наличия значительного количества неметаллических включений, играющих роль центров кристаллизации, переохлаждение составляет очень небольшую величину и можно считать, что начало двухфазной квазиравновесной зоны соответствует температуре ликвидуса. Полное окончание кристаллизации, соответствующее окончанию выделения теплоты кристаллизации, может быть принято по температуре солидуса, хотя теоретически и здесь должно иметь место некоторое переохлаждение. Образование и рост кристаллов внутри двухфазной квазиравновесной зоны обусловливают получаемую макроструктуру слитка или отливки.

Корковая зона - зона замороженных кристаллов - образуется при соприкосновении жидкого металла с холодной стенкой формы, изложницы или кристаллизатора. Получается сильное переохлаждение, способствующее образованию большого количества центров кристаллизации. В результате образуется большое количество мелких кристаллов. Толщина корковой зоны зависит от теплопроводности затвердевающей стали и от условий теплопередачи через границу слиток - стенка изложницы или формы.

Зона столбчатой кристаллизации - зона дендритов - кристаллов, растущих в направлении, противоположном отводу тепла. После затвердевания наружной корочки, состоящей из мелких равноосных кристаллов, интенсивность отвода тепла уменьшается, и рост кристаллов опережает процесс возникновения центров кристаллизации. На развитие этой зоны влияют температура разливаемого металла, скорость кристаллизации, содержание ликвирующих примесей в металле, введение различных затравок и размеры поперечного сечения слитка или отливки.

Образование зон мелких и более крупных равноосных кристаллов связано с тем, что при дальнейшем снижении интенсивности теплоотвода (благодаря увеличению теплового сопротивления затвердевшего слоя замороженных кристаллов и растущих дендритов) рост кристаллов замедляется. В оставшейся жидкой части расплава возникают новые центры кристаллизации и рост кристаллов из ни происходит во все стороны. На границе второй и третьей зон, а также внутри третьей зоны может происходить выделение ликватов или внецентренная ликвация (усы), а ближе к центру слитка или отливки образуется зона усадочной рыхлости и даже пористости. Между этими основными зонами могут быть переходные. Резких границ, разделяющих основные зоны, может и не быть. Ширина основных и переходных зон может быть различной. На рис. 37 приведено изменение кристаллической структуры стального слитка в зависимости от скорости затвердевания по данным работы [5].

На образование структуры существенное влияние оказывает конвективное движение расплава внутри затвердевающего слитка. Интенсивная конвекция приводит и к накоплению холодного расплава в нижней части слитка, что создает условия для более ранней обьемной кристаллизации, чем в верхних горизонтах. В связи- с этим протяженность зоны столбчатых кристаллов у дна слитка меньше, чем на верхних уровнях.. Расплав в верхней части остается более длительное время в перегретом состоянии, что приводит к росту столбчатых кристаллов и увеличению ширины их зоны. Кроме зональной ликвации в крупных слитках наблюдается ликвация примесей с увеличением расстояния от дна слитка к его прибыльной части.

В настоящее время не существует единого мнения о механизме образования внеосевой ликвации (усов). Ни одна из имеющихся гипотез не дает исчерпывающих объяснений всем особенностям появления усов. В το же время образование внеосевой неоднородности связано с конвективным движением затвердевающего расплава, содержанием в нем ликвирующих примесей (C,S, Ρ и др.), характером кристаллизации стали и особенно со снижением скорости продвижения фронта кристаллизации. Усы образуются при снижении этой скорости менее ~ 1,8- 2,0 мм/мин.

Необходимо отметить еще одну особенность образования структуры обычных слитков - конус осаждения. Конус осаждения, или зона отрицательной ликвации, располагается в нижней части слитка и характеризуется пониженным содержанием примесей и относительно мелкодисперсной кристаллической структурой металла.

В механизме образования конуса кристаллов [105] выделяют следующие основные направления.

Теория "дождя кристаллов", в соответствии с которой конус формируется за счет образования в расплаве свободных кристаллов и их оседания. Эти кристаллы, затвердевшие первыми, более чисты по примесям. Предполагали, что при формировании столбчатой зоны происходят обламывание ветвей дендритов и их последующий перенос конвективными потоками в нижнюю часть слитка [11, 27]. Жидкий металл в верхней части слитка обеспечивает хорошее питание, в результате чего конус осаждения имеет плотную структуру. Отрицательная ликвация формируется в результате отделения от изложницы на начальных стадиях затвердевания относительно чистых кристаллов и их последующего осаждения [11, 27].

Рассмотрев структуру слитка и ее формирование, можно наметить внешние воздействия, которые способствуют улучшению структуры, повышению качества металла и увеличению выхода годного из расплава. К ним относятся создание направленного затвердевания, чтобы ликваты и химические неоднородности скапливались в прибыльной части слитка, а также обогрев прибыли и подпитка усадки жидким металлом.

Другое направление заключается в охлаждении расплава перед разливкой (суспензионная разливка), а также охлаждении расплава не только с поверхности слитка или отливки, но и в центре, путем введения порошкообразных холодильников, расплавляющихся при несколько перегретом расплаве, и введения в расплав водоохлаждаемых холодильников.

Для устранения внутренних дефектов структуры применяют такие воздействия, как вакуумирование, продувку инертными газами, вибрацию, электромагнитное и механическое перемешивание. Структурообразование непрерывных слитков отличается от обычных слитков, отливаемых в. изложницы, тем, что сечение непрерывного слитка обычно значительно меньше сечения слитков в изложницах. Это сказывается на условиях охлаждения и теплоотдачи с поверхности слитка. Кроме того, интенсивность теплоотдачи с поверхности слитка можно в большей или меньшей степени регулировать в зоне вторичного охлаждения. Условия вертикального затвердевания практически отсутствуют.