Структурные зоны в стальном слитке
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Формирование крупного стального слитка

Структурные зоны в стальном слитке

Наиболее сложной и важной задачей получения качественных крупных стальных слитков является повышение их физической однородности. Однако, получение однородного слитка затруднено вследствие различных условий кристаллизации стали в разных зонах под воздействием неравномерного распределения температурных полей, усадки, ликвации примесей, формы и размеров слитка и других факторов. Очевидным является одно обстоятельство – все виды неоднородности увеличиваются с увеличением массы слитка.

По мнению многих ученых в крупном слитке можно условно выделить семь основных структурных зон (рис.3.4).

Структурные зоны в крупном стальном слитке

Рисунок 3.4 - Структурные зоны в крупном стальном слитке: 1 – корковая зона, 2 – зона столбчатых кристаллов, 3 – переходная зона равноосных кристаллов, 4 – зона крупных равноосных кристаллов, 5 – конус осаждения, 6 – зона V- образной неоднородности, 7 – усадочная раковина

При этом макроструктурная неоднородность, обусловленная различной формой кристаллизации стали наблюдается преимущественно в зонах 1-5, а физическая неоднородность, вызываемая процессами усадки стали, - в зонах 6 и 7.

Решающее влияние на формирование структурных зон и физической неоднородности в слитке оказывают два основных параметра:

  • величина интервала кристаллизации между температурами ликвидуса и солидуса (Ткр, К);
  • градиент температур в затвердевающих объемах стали Т, который характеризует интенсивность охлаждения слитка.

В зависимости от отношения Ткр/ Т, различают три следующих условия формирования структуры слитка.

1. Если Ткр/ Т < 1, т.е когда градиент температур значительно больше интервала кристаллизации, то затвердевание происходит последовательно, интенсивно и с большой скоростью. При этом продвижение фронта затвердевания происходит с незначительным развитием зоны двухфазного состояния, а все усадочные явления проявляются в виде сосредоточенной усадочной раковины.

2. При Ткр/Т =1 происходит последовательно-объемная кристаллизация, при которой кроме сосредоточенной усадочной раковины появляется усадочная пористость.

3. В случае, если Ткр/ Т > 1, то происходит объемная кристаллизация, сопровождаемая зарождением кристаллов по всему затвердевающему объему и рассредоточением в нем усадочных пустот в форме пористости.

В достаточно упрощенном варианте для стальных слитков можно ограничиться тремя характерными кристаллическими зонами:

  • корковая зона толщиной 5-10 мм, состоящая из мелких кристалликов близких к равноосным, оси первого порядка которых располагаются преимущественно перпендикулярно к поверхности слитка;
  • зона столбчатых кристаллов, оси первого порядка которых четко направлены перпендикулярно к поверхности слитка (в случае заливки сильно перегретой стали столбчатые кристаллы достигают оси слитка и такое явление называется транскристаллизацией);
  • зона неориентированных кристаллов, занимающая всю среднюю часть слитка и состоящая из крупных кристаллов с беспорядочным направлением осей первого порядка.

Характер расположения зон столбчатых (периферия) и равноосных (центральная зона) кристаллов представлен на фотографии травленного продольного темплета слитка массой 13,6 т (рис.3.5).

Характерное расположение структурных зон в продольном сечении слитка массой 13,6 т

Рисунок 3.5 – Характерное расположение структурных зон в продольном сечении слитка массой 13,6 т

Переход от зоны столбчатых кристаллов к неориентированным связан с величиной температурного градиента в жидкой части слитка у фронта затвердевания. Указанный переход происходит при достижении этим градиентом некоторого минимального значения. При увеличении скорости охлаждения толщина зоны столбчатых кристаллов возрастает. Если же заливка металла производится при очень низкой температуре, то зона столбчатых кристаллов практически не образуется.

Общая картина динамики затвердевания стального слитка схематически может быть представлена следующими характерными этапами (рис.3.6).

Формирование корковой зоны и столбчатых кристаллов (рис.3.6, а) происходит в условиях перегрева металла в жидкой сердцевине слитка и наличия достаточно сильных конвективных потоков. Например, результаты температурных измерений показали, что перегрев металла в жидкой сердцевине слитка массой 20-30 т сохраняется в течение 30–40 минут. После снятия перегрева происходит интенсивное формирование двухфазной зоны, развитие которой, в сочетании с конвективными потоками, в значительной степени определяет образование конуса осаждения, зональной неоднородности слитка и кристаллическую структуру центральной зоны слитка (рис.3.6, б, в).

Этапы формирования слитка а – начальное осаждение кристаллов

Рисунок 3.6 - Этапы формирования слитка а – начальное осаждение кристаллов; б – образование нижней части конуса осаждения; в – завершение формирования конуса осаждения и образование зоны внецентренной ликвации; г – образование зоны V-образной неоднородности

На завершающем этапе затвердевания (рис.3.6, г) происходит формирование химической неоднородности.

В начальный период затвердевания, до отхода поверхности слитка от стенки изложницы (в результате усадки) и образования газового зазора между слитком и изложницей, продвижение фронта затвердевания происходит быстрее, чем в последующие периоды. После образования зазора между внутренней поверхностью изложницы и поверхностью слитка, которое происходит через 4-10 минут, продвижение фронта затвердевания достаточно хорошо описывается законом квадратного корня:

где х – толщина затвердевшего слоя, мм; t – время от начала затвердевания; к – константа затвердевания (к = 24-25 мм/мин0,5); С – постоянная, учитывающая начальные условия затвердевания.

Большую роль в формировании структуры слитка играют первичные дендритные образования, формирующиеся в переохлажденных слоях жидкости или представляющие собой подплавленные ветви дендритов. Захваченные фронтом кристаллизации дендриты фиксируются под определенным углом к омывающему их конвективному потоку. С увеличением скорости конвективного потока и понижением скорости затвердевания угол отклонения главной оси дендрита увеличивается.

При достаточно интенсивных конвективных потоках происходит подплавление осей и механическое обламывание ветвей дендритов. Отделившиеся частицы дендритов образуют жидко-твердую область, служат самостоятельными зародышами кристаллизации или расплавляются.

Образование дендритной структуры металла в процессе кристаллизации слитка связано с особенностью ее формирования при затвердевании металла в зоне двухфазного состояния. Наличие переохлажденного расплава перед фронтом затвердевания приводит к тому, что вначале в переохлажденном слое быстро растет “скелет” дендрита, то есть сравнительно тонкая ось дендрита первого порядка. Затем уже происходит утолщение дендритных ветвей. Обе стадии формирования дендритного остова протекают в различных условиях и с разной скоростью.

По мере роста толщины затвердевшего слоя слитка, температурный градиент у фронта затвердевания уменьшается, что приводит к расширению зоны двухфазного состояния. Экспериментальные исследования динамики развития двухфазной зоны и теоретический анализ роста дендритов в двухфазной области показывают, что в ее пределах можно выделить две зоны: твердо-жидкую (с преобладанием твердой фазы) и жидко-твердую (с преобладанием жидкой фазы). Положение жидко-твердой зоны определяется “границей выливаемости”, то есть контуром оболочки, которая остается после выливания жидкой сердцевины слитка.

Исследованиями с применением радиоактивных изотопов показано, что на определенном этапе кристаллизации большую роль в формировании структуры слитка играет перенос изолированных кристаллов, которые перемещаются конвективными потоками вдоль фронта кристаллизации и накапливаются в донной части слитка. В связи с этим, донная часть слитка кристаллизуется быстрее, чем идет кристаллизация от боковых стенок.

В крупных стальных слитках фронт вертикального затвердевания формируется в значительной мере за счет процесса переноса в донную часть кристаллов из расплава. Поэтому процесс вертикальной кристаллизации удовлетворительно описывается законом квадратного корня только на начальном этапе затвердевания, а в дальнейшем процесс формирования осевой зоны заметно ускоряется.

Значение коэффициента затвердевания для начального этапа вертикальной кристаллизации примерно в два раза больше, чем для горизонтальной кристаллизации. Причиной этому может быть отсутствие зазора между слитком и дном изложницы, а также особая форма донной части слитка, обеспечивающая интенсивный отвод тепла от затвердевающего металла, влияние массивного поддона.

Накопление кристаллов в донной части слитка приводит к образованию обширной двухфазной зоны и вытеснению переохлажденной жидкости вверх. Это сопровождается дополнительным охлаждением нижней части, так как основная масса тепла выделяется при кристаллизации жидкой стали. Последнее приводит к ускорению затвердевания в вертикальном направления. Начало ускоренного затвердевания зависит от массы слитка. Например, для слитков 20т и 27т оно составляет 120 и 140 минут, соответственно.

В конечном счете, в затвердевшем слитке область осажденных кристаллов приобретает форму конуса и представляет собой зону равноосных разориентированных кристаллов структурно отличающихся от внешней зоны транскристаллизации. Граница конуса осаждения образуется на стыке вертикального и горизонтального фронтов затвердевания, вдоль этой границы располагаются шнуры A-образной неоднородности. Рост конуса осаждения в вертикальном направлении происходит в результате наслаивания на его верхнюю границу новых порций осевших кристаллов.

Таким образом, после снятия перегрева в жидкой сердцевине слитка и уменьшения температурного градиента имеет место достаточное переохлаждение на фронте затвердевания. В это время снижается скорость затвердевания в связи с ростом теплового сопротивления образовавшейся твердой оболочки слитка. Между твердой и жидкой фазой развивается промежуточная двухфазная область, включающая твердо-жидкую и жидко-твердую ее часть на границе с жидким металлом. Конвективные потоки переносят отдельные кристаллы с периферийной части жидко-твердой зоны вдоль бокового фронта затвердевания в донную часть слитка где, как правило, формируется конус осаждения.