• +7 (495) 730 31 40

    Контакт с администрацией портала

  • Новости

  • Аналитика

  • Публикации

  • Госты

  • Металлургический калькулятор

  • Металлургический справочник

  • Конференции

  • Полезные материалы

  • Списки

Процесс кристаллизации слитка

Во время кристаллизации чистых веществ, когда на границе кристалл – жидкий металл происходит сохранение равновесных условий, рост кристалла должен происходить в идеально ограненной форме, характерной для данного вещества. Кроме того, для каждой точки кристалла требуется сохранение периодичности кристаллической решетки. Также при кристаллизации стали формируются дендриты.

Схема дендрита
Рисунок 1 - Схема дендрита по Д.К.Чернову

Д. К. Чернов стал первым, кому удалось обнаружить, что в литой стали формируется дендритная структура. По его мнению, дендритный рост кристаллов происходил из-за наличия в стали примесей, на основании которых происходит избирательная кристаллизация стали. Именно поэтому изначально происходит формирование скелетов кристаллов, имеющих вид первичной оси, которые являются относительно бедными на примеси, в т.ч. на углерод. Перпендикулярно от первичных осей начинается распространение осей второго порядка, от которых также под прямым углом отходят оси третьего порядка (рисунок 1). Именно так формируются дендриты. Чем менее стесненным будет рост дендритов, тем больших размеров им удастся достигнуть в итоге. Вес знаменитого кристалла Чернова, обнаруженного в усадочной раковине 100-тонного слитка, при высоте в 39 см составлял 3,45 кг.

Процесс кристаллизации слитка в целом должен быть рассмотрен с позиции последовательной кристаллизации, которую предложил Д.К. Чернов, принимая во внимание современные представления о том, как возникает и растет кристалл.
Как только металл заливается в холодную изложницу, контактирующий с ней слой быстро охлаждается, и в нем начинают формироваться зародыши, подавляющие рост друг друга, в результате чего размер кристаллов является небольшим, а также они обладают различной ориентацией. Таким образом, происходит образование поверхностной зоны мелких кристаллов.

Схема роста кристаллов при затвердевании стального слитка
Рисунок 2 - Схема роста кристаллов при затвердевании стального слитка по Д.К. Чернову: 1 - изложница; 2 - поверхностная зона равноосных кристаллов; 3 - столбчатые кристаллы; 4 - равноосные кристаллы

В результате того, что толщина такой зоны возрастает, а между стенками изложницы и затвердевшим металлом формируется газовый зазор, тепло от затвердевшего металла отводится не так качественно, а также снижается интенсивность формирования новых зародышей. Преимущественное развитие характерно для кристаллов, получивших благоприятную ориентацию, т.е. для тех, которые характеризуются ростом оси в направлении, обратном отводу тепла. Если говорить о кристаллах, имеющих плохую ориентацию, то они будут в большей степени выклиниваться. Поэтому после того, как растет расстояние от стенки изложницы вглубь стали, снижается количество зерен на площадь. Этот процесс будет происходить до того момента, пока все неблагоприятно ориентированные кристаллы не будут удалены (рисунок 2).

Принимая во внимание избирательную кристаллизацию, скопление примесей происходит перед фронтом, имеющим столбчатые кристаллы. В пределах пограничного слоя происходит снижение температуры плавления металла, в результате чего, столбчатые кристаллы формируются с меньшей интенсивностью. В определенный момент времени этот процесс и вовсе прекращается. В некоторых местах ветви дендритов могут быть оплавленными. Иногда на темплетах слитков вполне четко можно увидеть такие оплавленные вершины. Впервые возможность того, что процесс кристаллизации остановится, была высказана А.Т. Гудцовым.

Остановка кристаллизации объясняется тем, что зона столбчатых кристаллов является сформированной. Кристаллизация продолжается в результате того, что формируются равноосные кристаллы, начало роста которых происходит в пограничных зонах объема жидкого металла или на поверхности столбчатых кристаллов. Роль центров кристаллизации отводится в данном случае высокотемпературным включениям. Перед фронтом затвердевшего металла происходит формирование двухфазной области, в которой присутствует и жидкий металл, и кристаллы. В результате того, что фронт кристаллизации двигается в сторону центра слитка, происходит постепенный рост ширины данной области. Некоторые кристаллы из двухфазной области могут опускаться в состав нижней части слитка, что объясняется различием в плотности между твердым и жидким металлом. Наибольшее развитие данного процесса происходит, когда столбчатые кристаллы прекращают расти.

Происходит опускание свободных кристаллов в нижнюю часть слитка, в результате чего, происходит формирование развитой двухфазной области, которая затвердевает посредством отдельных объемов. Наличие максимального количества высокотемпературных неметаллических включений характерно для первых свободных кристаллов, образованных на протяжении начального момента кристаллизации. В результате скопления таких кристаллов в нижней части слитка для начала происходит обеспечение хорошего питания, «конус осаждения» обладает плотной структурой.

Зона, где изложница контактирует с прибыльной надставкой, отличается наиболее интенсивным отводом тепла, в результате чего металл в этой зоне затвердевает более быстро, в сравнении с нижерасположенными горизонтами слитка. Наличие преимущественного по условиям питания положения приводит к тому, что формируется плотная структура – мост, а вот для нижерасположенных зон характерно наличие большого числа пор.

Принимая во внимание химический состав, происходит изменение и ее теплофизических свойств, в т.ч. и теплопроводности. На основании этого может произойти изменение условий теплоотвода в случае кристаллизации слитка, а также оказать существенное влияние на то, как будут развиваться его отдельные зоны. К примеру, слитки сталей с высоким содержанием хрома и содержанием никеля характеризуются развитием зоны столбчатых кристаллов. Для слитка характерно наличие развитой транскристаллической структуры.

Происходит изменение характера структуры слитка, который был получен из стали, прошедшей предварительную обработку в вакууме. Процесс кристаллизации слитков из вакуумированной стали протекает быстрее, в сравнении со слитками обычной стали. Это происходит из-за того, что теплопроводность вакуумированной стали более высокая в результате отсутствия в ней газов и затрудняющих процесс теплоотвода газовых пузырей.

Для небольших слитков вакуумированной стали, массой 1-2 тонны, характерно отсутствие зоны столбчатых кристаллов, вместо которой происходит формирование мелких равновесных кристаллов. Для 4-7 тонных крупных слитков характерна равномерная структура, химическая неоднородность которых менее развита.

В целом, для слитков из вакуумированной стали характерно наличие более плотного строения, менее выраженная осевая рыхлость, мелкое кристаллическое строение.

Возврат к списку