Структура слитка

Формирование структурных зон слитка

Процесс затвердевания начинается при соприкосновении разливаемого металла с поверхностью изложницы, при этом происходит очень быстрое, практически мгновенное и глубокое переохлаждение расплава ниже точки ликвидуса. В результате этого на поверхности изложницы из жидкого металла формируется большое число зародышей кристаллизации, которые в дальнейшем растут, мешая друг другу, образуя множество мелких неориентированных равноосных кристаллов. Так образуется внешний слой слитка, называемый корковой зоной (первая зона слитка).

По мере нарастания толщины твердого слоя тепловое сопротивление увеличивается, что затрудняет отвод тепла и тем самым снижает скорость продвижения фронта кристаллизации. Кроме того, этому способствует возникновение воздушного зазора между стенками изложницы и поверхностью слитка вследствие усадки затвердевающего металла.

Когда переохлаждение жидкости вблизи фронта кристаллизации становится близким к нулю, новые зародыши кристаллизации уже не могут образовываться и поэтому продолжается лишь рост кристаллов, которые образовывались раньше, т.е. кристаллов, уже составляющих фронт кристаллизации. Такие кристаллы вообще могут расти в произвольном направлении, однако, у тех кристаллов, которые растут под произвольным углом к стенке, скорость отвода теплоты меньше, чем скорость отвода тепла от кристаллов, растущих перпендикулярно стенке. Это объясняется тем, что длина пути теплоотвода по оси кристаллов, растущих наклонно к стенке больше, чем у растущих перпендикулярно к ней. Поэтому наклонные кристаллы растут медленно и постепенно выклиниваются быстрорастущими кристаллами, ориентированными в направлении, противоположному отводу тепла. Так образуется слой крупных, ориентированных кристаллов, называемых столбчатыми (вторая зона слитка).

Толщина зоны столбчатых кристаллов в значительной мере зависит от перегрева металла, так как чем больше перегрев металла, тем дольше градиент температур сохраняется от оси слитка к периферии и соответственно, тем дольше сохраняется направленность теплоотвода и тем больше протяженность зоны столбчатых кристаллов. Иллюстрация данного положения приведена на рисунке ниже.

Рис. 0. Зависимость протяженности зоны столбчатых кристаллов от перегрева расплава над температурой ликвидус перед разливкой: 1 - латунные слитки; 2 - стальные слитки; 3 - алюминиевые слитки [1].

Однако следует отметить, что увеличение перегрева способствуя затягиванию кристаллизации создает условия для более глубоко перераспределения примесей между твердой и жидкой фазами и, соответственно, способствует развитию химической неоднородности слитка (ликвационной неоднородности).

В момент, когда температура жидкости у оси становится близкой к температуре ее кристаллизации, градиент температур в жидкой сердцевине слитка становится близким нулю, и рост столбчатых кристаллов прекращается. Начинается формирование третьей структурной зоны слитка - зоны крупных, равноосных, неориентированных кристаллов. В литературе часто можно встретить утверждения, что незначительное переохлаждение жидкости вблизи фронта кристаллизации приводит к тому, что в этом слое может возникать небольшое количество зародышей кристаллизации, способных к росту, т.е. происходит так называемая объемная кристаллизация. Эти кристаллы растут равномерно во всех направлениях и достигают большой величины, поскольку в своем росте они не мешают друг другу. Протяженность данной зоны растет с уменьшением температуры заливки.

В отдельную структурную зону выделяют конусообразную зону в нижней придонной части слитка, называемую "конусом осаждения". Формирование данной зоны объясняют осаждением обламываемых при кристаллизации ветвей дендритов и осаждением сформировавшихся в объеме жидкости кристаллов. Однако падение кристаллов нельзя признать экспериментально доказанным, поскольку для создания условий обламывания дендритов требуется наличие очень мощных потоков металла, отсутствующих в объеме слитка после окончания заливки металла. А осаждением кристаллов из объема жидкости также представляется маловероятным, так как зарождение твердой фазы в жидкой должно сопровождаться выделением скрытой теплоты кристаллизации, т.е.   при этом тепло должно будет передаться в объем имеющий такую же или  более высокую температуру, что является нарушением второго закона термодинамики. По-нашему мнению формирование данной зоны более правильно объяснять захолаживающим  действием поддона и образованием застойной зоны, металл из которой наиболее слабо перемешивается с вышележащим расплавом.

Приведенное выше описание формирования структурных зон слитка базируется только на особенностях теплоотвода. Однако проведенные в нашем институте эксперименты показали, что при разливке стали в одних и тех же условиях (форма слитка, материал изложницы, способ утепления прибыльной надставки, температура нагрева разливочной оснастки) строение слитка может существенно изменяться при незначительном варьировании концентрации некоторых элементов (Si, Al, O) при сохранении общей композиции стали.

а	б	в

Рис. 1. Макроструктура слитка аустенитной стали Х18Н10:
а) без раскисления; б) 0,05 % Al; в) 0,10 % Si.

Влияние состава металла на формирование той или иной структурной зоны можно объяснить рассмотрев влияние элементов на затрудненность процесса кристаллизации, а именно на образование кластеров и их присоединение к растущей поверхности. Степень затруднения зависит, конечно, прежде всего от температуры, но также и от состава кристаллизующегося металла, а именно от количества в нем плохо совместимых с матричным металлом (в рассматриваемом случае с железом) примесей. Совместимость элементов описывается, так называемым, коэффициентом аккомодации, характеризующим вероятность присоединения атомов к кластеру.

А_i = exp{-Q_пл/(R∙Т_пл)}
где А_i - Коэффициент аккомодации элемента i;
      Q_пл - теплота плавления компонента, Дж/атом;
       R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль∙К);
       Т_пл - температура плавления компонента, К.

Коэффициент аккомодации отражает индивидуальные особенности элемента и его поведение при кристаллизации. В случае кристаллизации многокомпонентного расплава С-В, элемент примеси В будет оказывать тем большее влияние на кристаллизацию расплава в целом, чем сильнее отличается его коэффициент аккомодации от коэффициента аккомодации элемента основы С:

ΔA^C-B  = |ΔA^C - ΔA^B|,

где A^C, A^B - коэффициенты аккомодации элементов основы и примеси, соответственно.

Величина ΔA зависит от различия индивидуальных характеристик основного вещества и примеси (заряда ядра, радиуса атома, электронной конфигурации ядра и др.).

Расчет значения ΔA^C-B для кремния и алюминия, а также кислорода, концентрация которого существенно зависит от содержания данных элементов в растворе, показал, что совместимость с железом этих элементов уменьшается в ряду Al, Si, O. Поэтому, учитывая то, что алюминий приводит к большему, чем кремний снижению кислорода, а также то, что алюминий лучше совместим с железом, чем кремний, сталь раскисленная кремнием кристаллизуется с большим затруднением, чем раскисленная алюминием, что и выражается в увеличении зоны равноосных кристаллов в первом случае и зоны столбчатых кристаллов во втором, т.к. чем больше затрудненность, тем дольше кристаллизуется металл и тем, соответственно, меньшее количество расплава затвердевает в условиях значимого градиента температур, достаточного для образования зоны столбчатых кристаллов.

Следует обратить внимание, что подобный механизм влияния примесей на процесс кристаллизации и, отражающую его особенности структуру определяется процессами массопереноса разных уровней и поэтому он должен быть связан с теплофизической ситуацией. Проведенные в нашем институте эксперименты показали, что действительно, при высоких скоростях охлаждения (более 1 °С/с) дифференциация (разделение чистых и загрязненных примесями) кластеров не успевает произойти в связи с высокой скоростью их присоединения, определяемой уровнем градиента температуры в пограничном слое, который, в свою очередь, определяет кажущуюся энергию транспорта. Поэтому влияние примесей на дендритную структуру не проявляется при высоких скоростях охлаждения и соответственно в этих условиях ее строение определяется только скоростью охлаждения. При снижении скорости охлаждения, когда процессы разделения кластеров успевают пройти в достаточно полной мере, присутствие в расплаве плохо совместимых с матричным металлом примесей оказывает на дендритную структуру существенное влияние.

Таким образом дендритная структура слитка определяется на только условиями теплоотвода, но и содержанием элементов, затрудняющих процесс кристаллизации

Аналогичным образом можно объяснить большую протяженность зоны столбчатых кристаллов в аустенитной стали, по сравнению с ферритной. Аустенит, как известно, ввиду того, что имеет ГЦК-решетку, способен растворять гораздо большее количество примесей, чем имеющий ОЦК-решетку феррит. По этой причине, если из расплава образуется гамма-железо оттеснение в расплав примесей происходит менее интенсивно и поэтому их накопление и соответственно затруднение кристаллизации протекает менее интенсивно и как следствие мы выявляем преимущественно столбчатые кристаллы.

Данные, подтверждающие существенное влияние плохо совместимых с железом примесей на тем его затвердевания приведены на рисунках ниже.

Использованная литература