О компанииСтатьиНапишите намНаш адресСправочникРегистрация

Меню

Статьи

Теплофизические свойства стали

Разработка научнообоснованных принципов уп­равления металлургическими процессами с целью интенсификации производства, повышения каче­ства металла, экономии материальных и энерге­тических ресурсов требует достоверных данных о теплофизических свойствах расплавов метал­лургического производства, глубокого понимания природы жидкого состояния. Особое значение эти данные приобретают в связи с внедрением в металлургическое производство автоматизирован­ных систем управления технологическими про­цессами (АСУ ТП).

Для реализации АСУ переплавных процессов, разливки, кристаллизации металла в качестве исходной информации используются данные о тем­пературе ликвидуса и солидуса, плотности, теплоемкости, теплопроводности и вязкости жид­кого металла, изменении плотности при кристал­лизации и удельной теплоте кристаллизации. Проведенный в работе [1] расчет показал, что макроструктура слитка в модели кристаллиза­ции и ЭШП весьма чувствительна к используемым теплофизический характеристикам металлурги­ческого расплава. Так, для обеспечения точ­ности расчета пористости моделируемого слитка на уровне 10 % данные о температуре ликви­дуса и солидуса должны быть определены с точностью порядка 10 °С (~0,7%), плотности жидкого и твердого металла ~0,08 г/см3 (~1 %), теплоемкости ~0,03 Дж/(г∙К) (~10%), тепло­проводности ~2 Вт/(м∙К) (~8%), теплоте кристаллизации ~10 Дж/г (~4 %), вязкости ~0,003 Па∙с (~50%). Таким образом, особые требования по точности к используемым в модели процесса кристаллизации данным выдвигаются к температуре ликвидуса и солидуса (темпе­ратурному интервалу кристаллизации) и плотно­сти металла в жидком и твердом состояниях (скачку плотности при кристаллизации).

Температуру ликвидуса TL и солидуса TS ста­ли 35 марок определяли методом проникающего гамма-излучения по изменению интенсивности проникающего через образец излучения в точках начала и конца процессов кристаллизации и плавления [2].

Для расчета температуры ликвидуса и соли­дуса стали используют два простых метода - по диаграмме состояния системы Fe-C. или в приближении аддитивного влияния содержания в стали примесей - на температуру плавления чистого железа [3, 4].

TL =Tпл - ΣαLi∙[i]                    (1)
TS =Tпл - ΣαSi∙[i]                   (2)
где aL (j) и аS(V) - коэффициенты, показываю­щие на сколько градусов изменяются температуры ликвидуса и солидуса стали при добавле­нии 1 % i-ro компонента.

Детальная проверка уравнения (1) в работе [4] показала, что при содержании легирующих элементов - марганца < 14 %, 4,5 %Si, 20 % Cr, 11 % Al, никеля, вольфрама, молибдена, ванадия менее 15 % каждого, рассчитанные зна­чения TL согласуются с экспериментальными в пределах 5 °С. По данным работы [3] раз­личие рассчитанных по уравнению (1) и опытных величин TL достигает в отдельных случаях 10...15 °С.

Определение температур ликвидуса стали по диаграмме состояния системы Fe - С дает ошибку в 10...40 °С, например, для стали 60С2 - 42 °С [3]. Этот метод можно ре­комендовать только для низколегированной угле­родистой стали.

Рассчитанная по уравнению (2) температура солидуса стали, а также определенная по диаграм­ме состояния системы Fe-С в большей части случаев плохо согласуются с опытными данны­ми. Отклонения результатов расчета от экспе­риментальных превышают 10 °С и достигают 50...80 °С. Это связано с сильным влиянием ле­гирующих элементов на вид фазовых диаграмм. Известно, что Сr, W, Mo и другие элементы сужают γ-область, Ni, С, Mn, Cu и др. являются аустенитообразующими компонентами стали. Не­значительные изменения в содержании легирую­щих и примесей могут привести к изменению состава фаз и смещению линии солидуса. Эта снижает надежность расчетных методов опреде­ления температуры солидуса.

Разброс известных данных о температуре со­лидуса частично связан с различием химиче­ского состава исследованных образцов стали, особенно по таким элементам, как С, Р, S, ко­торые наиболее сильно влияют на величину TS. Различие по содержанию углерода 0,10 %, фосфора и серы - 0 01 % может вызвать различие температуры ликвидуса и солидуса стали Р18 по данным [3 и 11]. В стали, исследованной в  работе [11] содержалось 0,73 % С, 0,007 % S и 0,025 % P; TL = 1454 °С, TS = 11312 °С. В работе [3] исследовали сталь, содержащую 11 % 0,019 % S и 0,012 % 3 (различие в концентрации остальных элементов не учитывается, так как оно несущественно влияет на TS и TL). По данным работы [3] температура ликвидуса также равна 1454 °С, а величина TS несколько ниже - 1301 °С. Результаты расчета по уравнениям (1) и (2) показывают различие в значениях TL и Ts, обусловленное содержанием С, Р и S, соответственно 2,9 и 13,4 °С. Это объясняет наблюдаемый разброс опытных величин. Известно, что условия кристаллизации стали зависят также от способа ее выплавки и обработки [5].

Теплофизические свойства стали

Марка стали TL, °С TS, °С ρL, г/см3 ρS, г/см3  ΔρкрS∙100, % аV-L, 104 К-1 aV-S, 104 K-1 λ, Вт/(м∙К)
14ХН3МА 1506 1470 6,99 7,28 4,0 0,89 0,82 25
20ХНЗА 1508 1470 6,95 7,22 3,7 1,06 0,92 23
45ХН2МФА 1491 1431 6,89 7,17 3,9 0,84 0,76 21
12X13 1504 1470 6,89 7,10 2,9 1,03 1,09  
30X13 1499 1450 6,80 7,03 3,3 1,05 1,08  
12X17 1507 1485 6,8 7,02 3,1 0,85 0,72 22
Х25Т 1487 1424 6,75 6,97 3,2 0,93 1,11  
12Х18Н10Т 1459 1403 6,96 7,24 3,8 0,98 0,95  
10Х18Н9ТЛ2 1457 1405 6,95 7,23 3,8 0,96    
Р6АМ5 1435 1220 7,35 7,68 4,3 0,97 0,95 19
Р18 1454 1312 8,17 8,40 3,6 0,8 1.0  
Р181 1454 1301            
ШX15 1457 1331 7,01 7,29 3,8 0,89 0,70  
ШХ15СГ 1451 1317 7,02 7,28 3,6 0,90 0,71 18

1 - по данным работы [3] (метод термического анализа).
2 - по данным [11] (γ-метод).

Данные о плотности жидкой и твердой стали при температуре ликвидуса и солидуса, получен­ные в работе [11] методом проникающе­го гамма-излучения, приведены в таблице. Для стали большей части марок величина dL на­ходится в интервале 6,90±0,1 г/см3. Исключе­ние составляет сталь P18, Р6АМ5, ЗХ2В8Ф с повышенным содержанием вольфрама и мо­либдена.

VC = V0 = ΣVixi                                     (3)

где V, - атомный объем i-ro компонента;
Xi =
Mc[i] /(Mj∙100) - мольная доля компонен­та i,
Mj
и Мc - мольная масса соответствен­но компонента i и сплава. Из уравнения (3) следует:

dC = МС/VC = 100/(Σ[i]∙Vi/Mi)             (4)

Плотность сплава можно рассчитать через моль­ный объем в приближении аддитивности:

Для повышения точности расчета плотности стали, содержащей >0,3 % С, мольный объем углерода следует брать равным парциальному мольному объему углерода в расплаве железа - 3,0 см3/моль. Приближение аддитивного объема обеспечивает точность расчета плотности жид­кой стали в пределах 1,0...1,5 %.

Изобарные коэффициенты расширения аV для исследованных расплавов различаются между собой незначительно, их значения близки к величине ау для чистого жидкого железа (0,81∙10-4 К-1) и находятся в пределах (0,90±0,15)∙10-4 К-1.

Изменение плотности при кристаллизации стали находится в пределах (2,9...4,5 %). Такой до­вольно широкий интервал значений скачка плот­ности стали ряда марок связан в основном с различием структур, которые образуются при кристаллизации стали. Известно, что переход жидкое-твердое у металлов с кристаллической структурой О.Ц.К. сопровождается меньшим скачком плотности, чем металлов со структу­рой Г.Ц.К. (2,0...3,5) % в первом случае и (4,0...6,5) % во втором [6].

Для оценки величины скачка плотности при кристаллизации стали нужно знать структуру и соотношение между, структурными составляющи­ми. Это затрудняет расчет. В настоящее время надежные данные об изменении плотности при кристаллизации могут быть получены только экспериментально.

Такие теплофизические характеристики, как коэффициенты теплопроводности, теплоемкость и теплота кристаллизации определены лишь для стали небольшого числа марок. Коэффициенты теплопроводности, λ неизвестны или определены весьма приближенно и для многих чистых жид­ких металлов, имеющих высокую температуру плавления. Так, в справочных изданиях отсут­ствуют данные о λ, для жидких железа, ко­бальта и никеля.

В работе [11] создан способ измерения коэффициентов теплопроводности жид­ких металлов. По полученным данным [7] ве­личина λ для жидких Fe, Со и Ni при темпера­туре плавления равна соответственно 26, 36 и 68 Вт/(м>К). С некоторыми модификациями разработанный способ был применен и для измере­ния коэффициентов теплопроводности жидкой стали [2]. Коэффициенты теплопроводности при температуре плавления для стали различных ма­рок заметно различаются. Приведенные в таблице данные показывают снижение значений λ с уве­личением содержания в стали углерода.

В связи с затруднениями измерения коэф­фициентов теплопроводности жидкой стали боль­шое значение имеют расчетные методы их определения. Достаточно простым приближением, в частности, является закон Видемана - Фран­ца, связывающий теплопроводность металла с электросопротивлением:

λ = LT/z                                                (5)
где L - функция Лоренца, в общем случае зависящая от температуры [2].

Для простых жидких металлов расчет по этому закону дает хорошие результаты при функции L, равной постоянной величине:

L = L0 = 2,445∙10-8 В2/К2,
где L0 - число Лоренца.

При высокой температуре величина L близка к L0 и для твердых переход­ных металлов. Для жидкого железа и, особенно, кобальта величина L близка к L0, для никеля - значительно выше. Для жидкой стали можно принять величину L = 2∙10-8 В22 (по данным работы [8] для железа L = 2,44∙10-8 В22).

Электросопротивление металлических распла­вов измеряется проще, чем теплопроводность и с более высокой точностью (~5 %), поэтому для определения теплопроводности можно рекомендо­вать уравнение (5).

Значения теплоемкости жидкой стали (по дан­ным [3]) имеют довольно узкий интервал - 0,76...0,85 Дж/(г∙К); разброс значений Cp, практи­чески не выходит за пределы эксперименталь­ной ошибки, а средняя величина Cp совпадает с теплоемкостью чистого жидкого железа, рав­ной 0,825 Дж/(г∙К).

Для расчета теплоемкости жидкой стали в работе [11] было получено следующее выра­жение (в приближении модели жестких сфер):

Cр = R∙(4,66 + 5,22∙10-4 Г).

Рассчитанные по этому уравнению значения теплоемкости (числитель) близки к опытным дан­ным (знаменатель), Дж/(г∙К): 20ХН3А - 0,84/0,80; 08Х18Н10Т - 0,83/0,76; Р18 - 0,73/0,78; 14Г2 - 0,84/02,84; 09Г2С - 0,84/0,85; Ст 3 - 0,84/0,83; 118ХГТ - 0,84/0,82; 30ХГСА - 0,83/0,80.

Значения удельной теплоты кристаллизации q [3] также близки к величине q для чистого железа, равной 272 Дж/г. В приближении мо­дели жестких сфер в работе [11] было получено следующее уравнение, связывающее теплоту кристаллизации стали (кДж/моль) со скач­ком плотности при их кристаллизации:

q = 244∙TLdV/V,

Для сталей 20ХНЗА, 12Х18Н10Т и P18, для кото­рых в таблице приведены данные об относи­тельном изменении объема (плотности) и известны значения об удельной теплоте кристаллиза­ции [3], рассчитанные значения q составили соответственно 16,1; 16,3; 15,2 кДж/моль. Резуль­таты расчета согласуются с опытными дан­ными, равными соответственно 15,6; 15,9; 15,0 кДж/моль.

Экспериментальные данные, касающиеся влия­ния примесей на вязкость жидкого железа (имеется в виду изменение вязкости при вве­дении в железо первых добавок), противоречивы.

В работах [6, 9] параметры, характеризующие изменение вязкости матрицы расплава (железа) под влиянием отдельных компонентов, опреде­ляются экспериментально и используются для расчета вязкости многокомпонентных систем.

Качественно характер влияния примесей на вязкость железа можно описать в приближений модели жестких сфер.

В общем случае вязкость жидкой стали и спла­вов зависит от технологии их выплавки, исполь­зуемых шихтовых материалов и других факто­ров металлургического производства [5], которые трудно учесть в тех или иных теоретических моделях.

Заключение

Температура ликвидуса и мольный объем стали с точностью порядка 1 % могут быть определены в приближении аддитивного влияния легирую­щих элементов и примесей на температуру плавления и мольный объем чистого жидкого железа. Теоретические оценки температуры соли­дуса и плотности твердой стали при TS нена­дежны. Для оценки коэффициента теплопровод­ности расплавов на основе железа можно воспользоваться законом Видемана - Франца, вязкости теплоемкости и удельной теплоты кри­сталлизации - приближением модели жестких сфер.

Библиографический список

  1. Островский О. И., Четвертных В. В., Станю­кович В. Н. и др. // Изв. вузов. Черная метал­лургия. 1983. № 8. С. 12...15.
  2. Ермаченков В. А., Островский О. И., Дюбанов В. Г. и др. // Гамма-метод в металлурги­ческом эксперименте: Темат. сб. науч. тр. / ИТФ СО АН СССР, Новосибирск, 1981. С. 38...42.
  3. Казачков Е. А., Макуров С. Л. // Исследование процессов с участием оксидных и металлических распла­вов: Темат. сб. науч. тр. / МИИСиС. М.: Металлургия. 1983. № 148. С. 120...127.
  4. Лившиц А. Г., Еднерал Ф. П. // Производство стали и стального литья: Темат. сб. науч. тр. / МВМИ. М.: Металлургия, 1967. № 5. С. 82...110.
  5. Жидкая сталь / Баум Б. А, Хасин Г. А., Тягунов Г. В. и др. М.: Металлургия. 1984. 208 с.
  6. Арсентьев П. П., Коледов Л. А. Металлические расплавы и их свойства. М.: Металлургия. 1976. 375 с.
  7. Островский О. И., Ермаченков В. А., Григо­рян В. А. // Заводская лаборатория. 1979. № 11. С. 1023...1026.
  8. Зиновьев В. Е., Полев В. Ф., Талуц С. Г. и др. // ФММ, 1986. Т. 61. Вып. 6. С. 1128...1135.
  9. Арсентьев П. П., РыжоиковД. И., Аникин Ю. А. и др. // Исследование процессов с участием оксид­ ных и металлических расплавов: Темат. сб. науч. тр. / МИСиС. М.: Металлургия. 1983. С. 148. С. 5...10.
  10. Басин А. С, Денисов В. А., Колотов Я. Л. // Гамма-метод в металлургическом эксперименте: Темат. сб. науч. тр. / ИТФ СО АН СССР, Новосибирск. 1981. С. 121...136.
  11. Островский О. И., Григорян В. А., Станюкович В. Н.  и др. Теплофизические свойства стали // Сталь. 1988. №3. С. 37...40.

Наши партнёры

Спец-предложение

Предлагаем услуги по оптимизации геометрии разливочной оснастки с целью обеспечения повышения коэффициента использования металла и снижения осевой пористости слитков

подробнее

О компанииСтатьиНапишите намНаш адресСправочникРегистрация
© 2009
Создание сайтов в студии Мегагруп

При копировании материалов сайта размещение активной ссылки на steelcast.ru обязательно | статьи партнеров

Rambler's Top100
Теплофизические свойства стали