Температура плавления стали

Температура плавления (температура ликвидус) - это температура, при которой вещество переходит в полностью жидкое состояние. Температура затвердевания (температуру солидус) - это такая температура, при которой вещество переходит полностью в твердое состояние.

Для чистых веществ (элементов) температуры ликвидус и солидус совпадают. Для растворов же, к которым в том числе относятся сталь и чугун, существует, так называемый, температурный интервал кристаллизации, в котором одновременно сосуществуют твердая и жидкая фазы.

Расчет температуры плавления и затвердевания стали

Ромашкин А.Н.

Температуры плавления и затвердевания стали зависят от ее состава.

Как правило при расчете T_L и T_S делают допущение об аддитивности влиянии легирующих и примесей на значения этих величин. При этом изменение температуры плавления/затвердевания, обусловленное наличием того или иного элемента, рассчитывают как

T_{L/S сплав} = Т₀ - ΣdT_L/Si
где T_{L/Sсплав} - температура ликвидус / солидус сплава, К;
      Т₀    - температура плавления растворителя (железа), К;
      dT_L/Si - снижение TL и TS, обусловленное наличием в металле i-го элемента, К.

Влияние различных элементов на температуру плавления и кристаллизации определяют по диаграммам состояния  для каждого элемента i (использованные диаграммы состояния приведены ниже в таблице).

При этом допускали, что их влияние на рассматриваемые величины носит линейный характер, т.е.

dT_L/Si = k_L/Si·[i]
где k_L/Si - средний коэффициент наклона линии ликвидус (солидус) на диаграмме состояния в определенном интервале концентраций рассматриваемого элемента, К/%;
       [i] - концентрация элемента i, % масс.

kL/Si = {(TL/Si)а - (TL/Si)b}/{[i]а - [i]b}
где (TL/Si)а и (TL/Si)b - температура ликвидус/солидус расплава при концентрации элементаi в нем равной [i]а и [i]b, соответственно, К.

Конкретные значения k_{L/S i} были получены следующим образом:

k_LC = (1539 - 15...)/... = 64           k_SC = (1539 - ...)/... = 356 при С < 0,1

k_LC = (1539 - 15...)/... = 64           k_SC = (1539 - ...)/... = 141 при С > 0,1

k_LCr = (1539 - 1515)/22 = 1,09     k_SCr = (1539 - 1505)/22 = 1,54

k_LNi = (1539 - 1449)/50 = 1,80     k_SNi = (1539 - 1436)/50 = 2,06

k_LMo = (1539 - 1460)/33 = 2,39    k_SMo = (1539 - 1450)/33 = 2,70

k_LV = (1539 - 1475)/30 = 2,13      k_SV = (1539 - 1468)/30 = 2,37

k_LS = (1539 - 1530)/0,20 = 45,0   k_SS = (1539 - 1365)/0,20 = 870

если содержание серы более 0,2, то dT_SS= 1539 - 1365 = 174

k_LP = (1539 - 1400)/5 = 27,8       k_SP = (1539 - 1050)/5 = 97,8

Влияние углерода на температуры ликвидус и солидус целесообразно рассчитывать с учетом изображенных на рисунке ниже  рагрессионных выражений.

 Таким образом, температура ликвидус и солидус рассчитываются как

T_L = T₀ - (dT_LC + 1,09·[Cr] + 1,80·[Ni] + 2,39·[Мо] + 2,13·[V] + 45·[S] + 27,8·[P])

T_S = T₀ - (dT_SC + 1,54·[Cr] + 2,06·[Ni] + 2,70·[Мо] + 2,37·[V] + 870·[S] + 97,8·[P])

Следует подчеркнуть, что величина TS не представляет практического интереса, так как в процессе кристаллизации происходит значимое перераспределение элементов между жидкой и твердой фазой, в результате которого жидкость обогащается ликватами, прежде всего углеродом, серой и фосфором (чем определяется способность элементов к ликвации Вы можете узнать здесь), что, естественно, снижает температуру затвердевания, поэтому температура, при которой разливаемый металл полностью затвердевает в большинстве случае составляет величину гораздо меньшую, чем расчетное значение T_S.

Ниже приведена работа А. Н. Смирнова, более подробно рассматривающая вопрос определения температуры плавления и затвердевания стали

Расчет температуры ликвидус стали

А. Н. Смирнов, Л. Неделькович, М. Джурджевич, Т. В. Чернобаева и 3. Оданович

Донецкий государственный технический университет (Украина) и Белградский университет (Югославия)

Точная оперативная информация о температуре ликви­дус стали имеет большое практическое значение, так как в зависимости от имеющегося в цехе оборудования для внепечной обработки именно эта температура оп­ределяет температурный режим от выпуска до оконча­ния разливки плавки, особенно на МНЛЗ. Это дает воз­можность работать с оптимально низкой степенью пе­регрева и обеспечивает мелкозернистую литую струк­туру и высокое качество заготовки. Известно, что из­мерение температуры ликвидус (TL) не вызывает значительных затруднений. Однако заданный химиче­ский состав стали достигается к концу внепечной обра­ботки перед началом непрерывной разливки, что суще­ственно ограничивает возможности использования экспериментальных данных (записи кривой охлажде­ния). Поэтому для оперативного определения значения TL целесообразно проводить расчеты с использовани­ем данных о химическом составе стали.

Между тем, выбор какого-либо универсального метода расчета температуры ликвидус на практике вызывает значительные затруднения, так как рекоменда­ции специалистов, занимающихся решением этой про­блемы, довольно противоречивы. Сравнение точности и надежности методов расчета T_L для стали различных марок выполнено в настоящей работе.

Большая часть известных методов расчета темпе­ратуры ликвидус углеродистой и легированной стали основана на полиномных выражениях, которые в обобщенном виде могут быть представлены следую­щим образом [1...9]:

T_L = Т_плав Fe - (Σ(a0 + a₁∙[i] + a₂∙[i]²))

где Tплав Fe - температура плавления чистого железа (в соответствии с большей частью известных рекомен­даций T_плав^Fе= 1539 °С); а₀ - коэффициент приведе­ния температуры плавления чистого железа (вводится в случае принятия значения температуры плавления железа отличного от приведенного выше); а₁ и а₂ - коэффициенты значимости 1-го и 2-го порядка для со­ответствующего элемента i, содержащегося в стали данной марки; [i] - содержание элемента i в стали данной марки, %.

В качестве основы выражений такого типа приня­та гипотеза о том, что каждый из химических элемен­тов влияет на снижение температуры ликвидус железа независимо один от другого. При этом результирую­щее влияние всех растворенных в стали элементов на снижение температуры ликвидус может быть получе­но на основании двойных диаграмм состояния Fe-Хi,. Поэтому эти выражения различаются только тем, ка­ким образом аппроксимируется линия ликвидус в би­нарной диаграмме со стороны железа. В простейшем случае она заменяется касательной прямой на линию ликвидус со стороны железа, а выражение для темпе­ратуры ликвидус упрощается до полинома первого по­рядка. Подобные выражения, как видно из табл. 1 [1...4], различаются по значениям коэффициентов а_i и принятой температуре плавления железа.

Влияние изменения концентрации каждого хими­ческого элемента на снижение температуры плавления железа может быть также учтено описанием линии ли­квидус с помощью полинома второго порядка или вписыванием ломаной линии в кривую значений тем­пературы ликвидус. Причем неодинаковый наклон звеньев ломаной линии в концентрационных проме­жутках учитывает влияние собственной концентрации каждого элемента на снижение температуры плавле­ния железа. В качестве иллюстрации в табл. 1 приве­дены данные работ [5...7], где учитывается только концентрационная зависимость влияния углерода, и работ [8, 9], где эта концентрационная зависимость выражается и для ряда других элементов в стали. При­веденными в табл. 1 данными можно пользоваться только в тех концентрационных областях, в которых при затвердевании образуется твердый раствор.

Однако средние квадратичные отклонения σ (табл. 1) не могут служить обобщенным критерием оценки достоверности и применимости каждой из формул, так как специалисты обычно используют не­сколько отличные в техническом исполнении методы и приборы для измерения температуры ликвидус ста­ли. По-видимому, такая оценка должна проводиться для данных, которые получены в примерно одинако­вых условиях при достаточно надежном измерении температуры ликвидус применительно к большому массиву марок стали.

В настоящей работе были отобраны результаты измерений температуры ликвидус для стали 87 марок по данным А.А. Howe [10]. Химический состав стали некоторые из этих марок и результаты измерений тем­пературы ликвидус приведены в табл. 2. При этом для стали состава 1-10 температуру ликвидус определя­ли путем термического анализа образца массой 400 г, для стали состава 11-20 - одновременно путем тер­мического и дифференциального термического анали­за образца массой 40 г.

Было определено, что расчетные значения темпе­ратуры ликвидус в большей части случаев превышают экспериментальные данные. С уменьшением темпера­туры ликвидус, которое соответствует росту содержа­ния углерода и легирующих элементов в стали, вели­чина разброса расширяется.

Результаты оценки достоверности расчетов темпе­ратуры ликвидус (табл. 3) показывают, что использо­вание предложенных формул не отличается высокой степенью точности, так как даже наиболее точные из результатов расчетов имеют среднее квадратичное от­клонение около ±2,5, соответствующее полосе раз­броса ±7,5 °С.

По мнению авторов настоящей статьи, такое от­клонение расчетных данных от экспериментальных может быть вызвано в основном тем, что эти формулы не учитывают характер взаимодействия отдельных хи­мических элементов при определенной их концентра­ции. Из работ [11-13] известно, что, если при нали­чии какого-либо другого элемента или с увеличением собственной концентрации коэффициент активности данного элемента изменяется, то и его влияние на T_L стали должно соответственно изменяться.

Возрастание влияния коэффициента активности углерода с повышением его концентрации в стали проиллюстрировано на примере стали, содержащей 1,48 % С (табл. 4). При таком увеличении коэффици­ента активности углерода его действительное влияние на снижение температуры ликвидус, определенное экспериментально, оказывается значительно боль­шим, чем это можно принять по результатам расчетов по известным формулам. Поэтому в большей части случаев расчетные значения T_L заметно превышают экспериментальные. В противном случае, если сталь содержит элемент, снижающий активность углерода, и соответственно углерод уменьшает активность этого элемента в стали (Б, табл. 4, марганцовистая сталь), действительное снижение температуры ликвидус, определенное экспериментально, меньше, чем рассчитайное по формулам, не учитывающим взаимное влия­ние активностей, что выражается в положительном от­клонении разностей между экспериментальными и расчетными значениями T_L. Более сложный пример (В, табл. 4) для стали с высоким содержанием никеля иллюстрирует большие отклонения разностей между экспериментальными и расчетными значениями T_L в положительную сторону практически по всем форму­лам, что, по-видимому, является следствием неадек­ватного описания линии ликвидус в бинарной системе Fe-Ni.

Следует отметить, что рассмотрены (табл. 4) толь­ко двухкомпонентные и трехкомпонентные системы, причину отклонения расчетных экспериментальных значений TL в которых можно достаточно аргу­ментированно объяснить. Наибольший разброс от­клонений значений T_L наблюдается для легирован­ной стали многокомпонентного состава, где взаимо­действие между элементами более сложное. Следо­вательно, для стали такого состава отклонения, вы­званные неадекватным учетом эффектов таких взаи­модействий на снижение температуры ликвидус, ме­нее предсказуемы.

Как видно из табл. 2, для группы углеродистой и низколегированной стали dT_ср имеет отрицательное значение и по абсолютному значению в каждом от­дельном случае большеdTmin. В более 90 % случаев значения dTmin  распределены по нормальному закону в интервале ± 2 °С около фактической температуры ликвидус, а около 70 % - в интервале ± 1 °С.

Таблица 1. Коэффициенты a₀, а₁ и a₂ характеризующие степень влияния содержащихся в стали химических элементов на снижение температуры ликвидус*

Таблица 2. Химический состав (1-20) и температуря ликвидус* стали

 Таблица 3. Характеристика точности расчета темпера­туры ликвидус* углеродистой и легированной стали

Для группы высоколегированной стали значе­ния dTср также нормально распределены с отклонениями как в положительную, так и в отрицательную стороны от экспериментальных значений температу­ры ликвидус. Вместе с тем, для этой группы абсолют­ные значения dT_ср не всегда больше dT_min, что являет­ся следствием разброса результатов расчета. Большая часть значений dT_min (около 80 %) и в этом случае на­ходится в интервале ± 2 °С от экспериментальных значений T_L, но со значительно большей, чем для группы углеродистой и низколегированной стали, по­лосой разброса (от - 8 °С до +11 °С) вне интервала.

В целом сталь обеих групп характеризуется тем, что формулы, при использовании которых для расчета получают значения T_L, изменяются по отношению к экспериментальной температуре без какой-либо зако­номерности, а лишь в зависимости от состава стали. Этот факт, по-видимому, не может служить призна­ком того, что отдельные формулы в определенных об­ластях лучше описывают совокупное влияние всех со­держащихся в стали элементов, а прежде всего под­тверждением случайности результата взаимной ком­пенсации ошибок вследствие неучитываемости инте­рактивных эффектов элементов для каждого конкрет­ного состава стали. Этот факт также характеризует ог­раничение применимости каждой из выбранных фор­мул (на основе dT_min из табл. 2) в узкой области соста­вов стали, для которых экспериментально определена температура ликвидус.

Таким образом, расчет значений T_L для стали раз­личных марок невозможно провести с помощью толь­ко одной "универсальной" формулы. Вместе с тем, ре­зультаты расчетов подтверждают, что при дифференцированном подходе к выбору используемых формул расчетные значения T_L могут вполне удовлетворитель­но приблизиться к экспериментальным. Расчеты тем­пературы ликвидус, выполненные с помощью выше­приведенных формул для стали 87 марок, позволяют рекомендовать некоторые формулы для практическо­го применения. Так, при расчете T_L более предпочти­тельно использовать следующие формулы (номера из табл. 1) для стали:

• Сверхнизкоуглеродистой
• (техническое железо)      [4, 8];
• Низкоуглеродистой          [4, 7, 8, 9];
• Среднеуглеродистой       [5, 7, 9];
• Высокоуглеродистой       [1, 2, 7, 8];
• Низко- и среднеуглеродистой
• низколегированной         [5, 7, 9];
• Среднелегированной      [7, 8, 9];
• Низкоуглеродистой высоколегированной с повышенным содержанием:
• марганца             [1, 2, 4, 9];
• никеля  [6, 8];
• хрома    [3, 4, 6, 7, 8, 9];
• хрома и марганца             [1,2,6];
• хрома и никеля  [3, 5, 6, 7];
• хрома, никеля и марганца             [3, 5, 6];
• Быстрорежущей (с повышенным содержанием
• молибдена, ванадия, вольфрама)             [8];
• Специальных хромникелевых сплавов     [1, 2, 3, 5].

В дальнейшем одним из наиболее вероятных пу­тей улучшения известных способов определения TL может быть учет в расчетах взаимодействия между хи­мическими элементами при их влиянии на снижение температуры ликвидус. Такие способы, основанные на законах термодинамики растворов, известны [13], од­нако их практическое применение в настоящее время затруднительно не только из-за более сложных мате­матических выражений, для использования которых необходимо привлечение ЭВМ, но также и из-за не­достаточной методической проработки этих методов применительно к стали основного массива промыш­ленных марок.

Не менее эффективным путем уточнения расчет­ных формул может быть их корректировка для усло­вий конкретного сталеплавильного цеха при создании значительной базы практических данных, полученных при измерении температуры ликвидус стали, выплав­ляемой в этом цехе. Это позволит корректно оценить ошибку при измерении температуры и исключить влияние на разброс результатов расчетов, а также даст возможность внести соответствующие поправки в формулы или даже разработать новые.

Заключение

Для оперативного определения температуры ликвидус рекомендуется использовать расчетные методы, учи­тывающие химический состав стали.

Таблица 4. Отклонения расчетных значений температу­ры ликвидус от экспериментальных (Тзксп- Tрасч) для стали составов (табл. 2) 3 (А), 11 (Б) и 13 (В)

Анализ известных формул для расчета TL показы­вает, что при дифференцированном подходе к выбору используемых формул расчетные значения температу­ры ликвидус могут вполне удовлетворительно при­близиться к экспериментальным. Рекомендованы фор­мулы для определения TL углеродистой, низколегиро­ванной и высоколегированной стали.

Дальнейшее развитие методов определения TL воз­можно при учете в расчетах взаимодействия между химическими элементами и их влияния на снижение температуры ликвидус. На практике эффективным пу­тем уточнения расчетных формул может быть их кор­ректировка для условий конкретного цеха за счет соз­дания значительной базы экспериментальных данных температуры ликвидус стали, выплавляемой в рамках производственной программы этого цеха.

Библиографический список

Задать интересующий Вас вопрос, написать комментарий к данной статье Вы можете здесь. Напишите нам и мы обязательно ответим.