Непрерывная разливка стали
СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 4.1

Основные сведения о процессах затвердевания и формирования структурных зон в непрерывнолитых заготовках

Важным этапом в получении качественных непрерывнолитых заготовок является процесс перехода стали из жидкого состояния в твердое, называемый затвердеванием. Затвердевание заготовки происходит в течение 10-20 минут и сопровождается сложными физико-химическими процессами, включающими явления массопереноса, изменения химического состава стали, уменьшения ее объема и пр.

Процессы тепло- и массопереноса, а также упругопластической деформации, происходящие при затвердевании непрерывнолитой заготовки, сопровождаются конвективным движением потоков металла, формированием кристаллической структуры, развитием усадочных и ликвационных явлений, которые существенным образом предопределяют формирование конечной внутренней структуры непрерывнолитой заготовки.

Заливка металла в кристаллизатор сопровождается турбулентным перемещением больших объемов жидкой стали, которое оказывает существенное влияние на процессы массо- и теплопереноса.

Теплопередача от движущихся потоков жидкой перегретой стали к границе затвердевания может происходить или под действием внешних сил, или благодаря разности плотностей жидкого металла, вызванной местным охлаждением в поле действия сил тяжести. В первом случае происходит теплообмен в условиях вынужденной конвекции, а во втором имеет место свободная конвекция. В процессе конвекции объемы среды стремятся переместиться к поверхности теплообмена и отдают ей тепло тем интенсивнее, чем больше скорость движения среды. Поэтому конвекция неразрывно связана с турбулентностью, а ее интенсивность определяется, прежде всего, интенсивностью потока теплоносителя.

На начальном этапе процесса затердевания непрерывнолитой заготовки происходит охлаждение жидкой стали до температуры начала затвердевания (температура ликвидус), а также появление зародышей твердой фазы в зонах интенсивного отвода тепла.

В отличие от чистых металлов при кристаллизации многокомпонентных расплавов, к которым относятся промышленные стали, возникает так называемое концентрационное (диффузионное) переохлаждение. Возникновение последнего связано с ликвацией компонентов расплава. Ликвацией в данном случае называют различие химического состава твердой и жидкой фаз, возникающее при кристаллизации. Наибольшее влияние на развитие ликвационных явлений оказывают такие химические элементы как сера, углерод, фосфор, кремний, марганец, молибден, хром и пр. Если жидкость обогащается примесным элементом, ликвацию считают положительной, а если обедняется – отрицательной. Различия в химическом составе различных объемов металла возникшие в результате ликвации сохраняются в стали после завершения затвердевания.

Перемещение металла, обогащенного ликвационными примесями, из области затвердевания, в которой сосуществует твердая и жидкая фазы, в жидкую область слитка определяется, во-первых, механическим захватом жидкости осями растущих дендритов (зона столбчатых кристаллов) и ее вытеснением, а во-вторых, диффузией (молекулярной и конвективной), осуществляющей перенос загрязненной жидкости. Оба эти фактора действуют независимо от природы ликвирующих примесей.

Форма растущих в расплаве кристаллов зависит от степени переохлаждения жидкости, направления теплоотвода, содержания примесей в стали и других параметров. На рисунке 4.1 схематически представлены основные структурные зоны, которые могут встречаться в непрерывнолитом слитке.

При этом различные «недендритные» структуры (рисунок 4.1 в) могут встречаться только в случае охлаждения заготовки с высокими скоростями, что имеет место, например при разливке на тонкий лист.

Основные структурные зоны непрерывнолитых заготовок, образующиеся при затвердевании

Рисунок 4.1 – Основные структурные зоны непрерывнолитых заготовок, образующиеся при затвердевании: а – структура равноосных кристаллов; б – структура столбчатых кристаллов; в – равноосная «недендритная» структура

В несколько упрощенном варианте для стальных непрерывнолитых заготовок можно ограничиться тремя характерными кристаллическими зонами:

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

Формирование корковой зоны и столбчатых кристаллов происходит в условиях некоторого перегрева металла в жидкой сердцевине слитка (то есть при условии, когда температура стали превышает значение температуры ликвидус) и наличия достаточно сильных конвективных потоков. После снятия перегрева металла происходит интенсивное формирование двухфазной зоны.

В строении дендрита выделяются главные оси первого порядка, перекрещивающиеся с ними оси второго порядка и иногда оси третьего порядка (рисунок 4.2). В процессе затвердевания между двумя соседними дендритами некоторое время сохраняются области жидкой фазы.

Схематическое представление процесса роста зоны дендритных кристаллов и областей жидко-твердой фазы в формирующейся корочке

Рисунок 4.2 – Схематическое представление процесса роста зоны дендритных кристаллов и областей жидко-твердой фазы в формирующейся корочке

Можно условно считать, что формирующаяся твердая оболочка состоит из пяти зон, отличающихся своей морфологией и механическими характеристиками:

  • зона свободного вытекания жидкости из междендритного пространства;
  • зона ограниченного вытекания («невытекания») жидкости из междендритного пространства и образования участков жидкой пленки;
  • участок жидких вкраплений в твердых зернах и пленок по границам зерен;
  • участок жидких вкраплений мелких капель в твердых зернах и на их границах;
  • полностью затвердевший участок твердого каркаса.

При этом определенную механическую прочность имеет только участок с полностью твердой фазой. Как правило, границы между дендритами выявляются менее отчетливо, чем между округлыми зернами. Они скорее, представляют собой сцепления между окончаниями осей дендритов второго порядка.

Рост дендрита, образующегося на холодной поверхности и выступающего в расплав перпендикулярно к поверхности кристаллизатора, характеризуется различной скоростью продвижения отдельных плоскостей кристаллов, а свою форму сохраняют только более медленно растущие плоскости, в то время как более быстро растущие поверхности образуют шип, выступающий в оставшийся расплав. Выделяющаяся в переохлажденный расплав теплота кристаллизации растущего рассмотренным способом кристалла ухудшает условия роста других близлежащих кристаллов.

Первоначально дендриты очень малы (рисунок 4.3а), даже если затвердевание идет сравнительно медленно. Затем, когда процесс затвердевания замедляется, рост продолжают лишь отдельные ветви, оси которых совпадают с направлением теплового потока (рисунок 4.3б,в).

Схематическое представление этапов укрупнения ветвей дендритов в процессе их роста

Рисунок 4.3 – Схематическое представление этапов укрупнения ветвей дендритов в процессе их роста

Другие ветви при этом частично растворяются таким образом, что протяженность дендритов значительно увеличивается по мере затвердевания. Окончательная длина дендритов определяется процессом их укрупнения и может составлять величину от нескольких миллиметров до десятка сантиметров и более.

Образование дендритной структуры металла в процессе кристаллизации заготовки 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, т. е. 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.

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 (например, электромагнитное перемешивание) происходит подплавление и механическое обламывание ветвей дендритов. Отделившиеся частицы дендритов образуют жидко-твердую область, служат самостоятельными зародышами кристаллизации или расплавляются.

Рост кристаллов столбчатой зоны сопровождается также снятием термического переохлаждения выделяющейся теплотой кристаллизации и повышением концентрации легкоплавких растворимых примесей перед фронтом кристаллизации, что приводит к возникновению концентрационного переохлаждения.

Считается, что только часть жидкой фазы может затвердеть по дендритной схеме, а остальной объём жидкости затвердевает вследствие отвода тепла из кристаллизующегося металла в результате теплопроводности. Затвердевание этого расплава происходит вследствие перемещения недендритной поверхности раздела фаз через уже образовавшийся дендритный остов. Эта стадия заполнения междендритного пространства твердой фазой протекает гораздо медленнее, чем дендритный рост.

Переход от зоны столбчатых кристаллов к равноосным обусловлен величиной температурного градиента в жидкой части слитка у фронта затвердевания. Указанный переход происходит при достижении этим градиентом некоторого минимального значения. При увеличении интенсивности охлаждения толщина зоны столбчатых кристаллов возрастает. Характер развития зоны равноосных дендритов во многом зависит как от химического состава металла, так и от степени его перегрева над температурой ликвидус. При этом затвердевание в зоне равноосных дендритов происходит по механизму гетерогенного зарождения центров кристаллизации или по механизму дендритной мультипликации (умножения числа зародышей за счет разрушения ветвей дендритов).

Кроме рассмотренных типовых видов кристаллических структур, в макроструктуре любой заготовки следует, видимо, также различать зоны с так называемыми «переходными» или «смешанными» структурами. Наиболее уязвимой с точки зрения резкого изменения уровня механических свойств представляется, на наш взгляд, область структурного перехода от зоны столбчатых дендритных кристаллов к зоне равноосных дендритов. С теплофизической точки зрения эта переходная зона соответствует моменту времени, в который скорость отвода тепла через твердую корочку уменьшается до таких величин, что она примерно соответствует скорости выделения тепла свободно плавающими перед фронтом затвердевания твердыми кристаллами. Протяженность этой зоны во многом зависит от условий затвердевания заготовки в целом.

Процесс образования осевой неоднородности реализуется на границе твердой и жидкой частей слитка в условиях, когда уровень жидкости в средней его части непрерывно опускается. По мере сближения фронтов горизонтального затвердевания у оси заготовки усадочное перемещение возрастает. Поток движущегося жидкого металла увлекает за собой скопления ликватов, экстрагируя их из межосных пространств дендритов. Скопления ликватов описывают траектории, определяемые, с одной стороны, движением границ затвердевания, а с другой – усадочными перемещениями жидкого металла. Известно, что при содержании в двухфазной жидко-твердой области около 20% твердой фазы вязкость ее значительно возрастает, что приводит к потере жидкотекучести и питание усадочных пустот жидким металлом из верхних горизонтов затрудняется. Именно поэтому осевая неоднородность характеризуется пористостью, проявляющейся в виде трещин.

Ликвация в осевой зоне заготовки (рисунок 4.4) крайне опасна, так как подобные пороки практически не устраняются при последующей пластической деформации. Это обусловлено, прежде всего, снижением эффективности прокатки (проработки металла) по мере приближения к центру заготовки. Особую опасность осевая пористость представляет для крупных сечений непрерывнолитых заготовок (например, блюмов и толстых слябов).

В процессе затвердевания и охлаждения заготовки протекают процессы усадки металла.

Серный отпечаток и фото продольного сечения блюмовой заготовки с осевой ликвацией

Рисунок 4.4 – Серный отпечаток (а) и фото(б) продольного сечения блюмовой заготовки с осевой ликвацией

Сущность усадки состоит в объемных изменениях жидкой и твердой фаз при понижении температуры и объемных изменениях, происходящих при фазовых превращениях. Эти процессы проявляются в заготовке характерными изменениями, в результате которых уменьшаются ее общие размеры, а внутри заготовки образуются усадочные пустоты (усадочные раковины, усадочная пористость) (рисунок 4.5), усадочные деформации (линейная усадка, коробление), трещины, остаточные внутренние напряжения и т.п.

Численные характеристики изменений размеров тел при охлаждении называют коэффициентами усадки, которые могут выражаться в объемных или линейных величинах, в долях единицы или в процентах.

Усадочные пустоты в заготовке сортовой заготовке

Рисунок 4.5 – Усадочные пустоты (черные участки) в заготовке

Величина объемной усадки стали при затвердевании обусловливается величиной интервала кристаллизации, который, в частности, определяется содержанием углерода и других элементов. Она может составлять 3-5%.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 4.1

СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ