книги из ГПНТБ / Непрерывная разливка стали на радиальных установках

Таблица 10

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ВТОРИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НА ДЛИНУ ЗОНЫ СТОЛБЧАТЫХ ДЕНДРИТОВ (Ст.З, 180X900 мм)

Известно, что непрерывные слитки, отливаемые в вертикальном положении, не имеют асимметричного рас­ положения зоны столбчатых или многоосных неориенти­ рованных дендритов относительно тепловой оси. Как только что было показано, такой особенностью отлича­ ются непрерывные слитки, затвердевающие в криволиней­ ном положении, так как угол наклона фронта кристал­ лизации по криволинейным сторонам слитка в течение всего периода затвердевания изменяется, приближаясь к горизонтали. При прочих равных условиях уменьшению угла наклона фронта кристаллизации относительно го­ ризонтали, т. е. приближению его к горизонтальному положению, способствует увеличение скорости разливки.

Для определения влияния угла наклона фронта кри­

ного типа (рис. 67).

На расстоянии О1О2 от мениска жидкого металла в кристаллизаторе длина дуги определяется выражением

зации; Яось — радиус слитка;

ß — центральный угол. Так как

а = 90 — (ß — у),

170

где а — угол иаклона фронта кристаллизаций на рас­ стоянии /*;

у — угол выше горизонтальной оси,

то ß = (9 0 + y )—а.

Подставив значение ß в выражение (144), получим

0,01745 Дось

где V— скорость разливки;

т — время затвердевания.

Влияние угла наклона фронта кристаллизации, рас­ считано по формуле (147), на разность длин столбчатых дендритов по противоположным криволинейным сторо­

171

последние не могут оказывать влияние на различное по времени прекращение формирования столбчатых дендритов по противоположным криволи­ нейным сторонам слитка. Рост столбчатых дендритов и крупных .неориентированных дендритов прекращается в зоне естественных конвективных потоков жидкого ме­ талла.

Сравнение дисперсностей дендритной структуры на различных расстояниях по поверхности криволинейных слитков различных сечений показывает четкую зависи­ мость расстояния между дендритными осями от скоро­ сти кристаллизации. Скорость кристаллизации находи­ ли дифференцированием выражений, определяющих из­ менение толщины корки слитка в зависимости от вре­ мени.

Зависимость между скоростью кристаллизации и дис­ персностью структуры в зоне столбчатых и .многоосных

нению (148) зависимость расстояния между дендритны­

172

оси слитка относительно оси симметрии может возник­

173

11

Расстояние о т поверхности слитка

Рис. 71. Зависимость скорости кристаллизации от температу­ ры металла (сплошные линии — сторона г\ штриховые — сто­ рона R) :

1 , 4 - ,1йЮ—і1520°С; 2. 5 - 1640—1560°С; 3, 6 - 1580-1590°С

Из анализа эмпирических формул следует, что в на­ чальный период (до Fo »0,05) скорость затвердевания несколько выше по грани меньшего радиуса, а затем по грани ^большего радиуса.

Для оценки влияния указанного явления на смеще­ ние тепловой оси затвердевания от геометрической про­ вели следующий анализ.

174

П ОЛИ ’

Подставляя РоПОЛн в уравнения (152) и (153), мож­ но определить разность

Следовательно, эксцентриситет тепловой оси можно определить из выражения

Эксцентриситет тепловой оси относительно оси сим­ метрии, вычисленный по формуле (154), равен 0,29, фак­

175

тический же равен 0,30. Следовательно, эмпирическая формула (154) дает результаты, удовлетворительно со­ гласующиеся с экспериментальными данными, и может быть рекомендована для оценки возможной величины смещения тепловой оси в непрерывных слитках, отли­ ваемых на установках радиального типа.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Обобщая экспериментальные данные о структуре криволинейного непрерывного слитка, можно указать две основные особенности: а) более раннее окончание роста столбчатых дендритов и более раннее начало об­ разования зоны неориентированных дендритов по сто­ роне большего радиуса по сравнению со стороной мень­ шего радиуса и б) возникновение эксцентриситета теп­ ловой оси относительно оси симметрии поперечного се­ чения. Эти особенности кристаллизации криволинейного слитка не являются каким-то новым и неожиданным фактом. Выше указывалось, что такое явление наблю­ дается в наклонных непрерывных слитках (128, 132). Однако оно не получило достаточно удовлетворительно­ го теоретического истолкования.

В работах [133, 135] отмечается, что в верхней ча­ сти горизонтальных отливок чаще всего встречается столбчатая структура, распространяющаяся почти до центра отливки, в то время как в нижней части появ­ ляется узкая полоска столбчатых дендритов с последую­ щей широкой зоной глобулярных или равноосных денд­ ритов. Исходя из того, что зона столбчатых дендритов перестает расти тогда, когда количество осей главного направления уменьшается до величины, соответствую­ щей количеству свободных дендритов, Н. И. Хворинов считает, что зародившиеся свободные дендриты на боко­ вых (вертикальных) стенках опускаются под действием

нижнюю часть отливки и тормозят развитие столбчатой зоны, так как быстро наступает равновесие между интен-

176

сивноетью теплового потока и числом зародышей в рас­ плаве.

Обнаружено [136], что если поставить изложницу в наклонное положение, то структура наклонного слитка получается асимметричной: нижняя наклонная сторона состоит из равноосных дендритов, противоположная же сторона — из крупных столбчатых дендритов. Такое раз­ личие автор объясняет тем, что турбулентные потоки жидкого металла вдоль нижней наклонной стенки зна­ чительно больше, чем вдоль верхней наклонной стенки.

Анализ причин более раннего окончания столбчатых дендритов и образования неориентированных дендритов по стороне большего радиуса криволинейного слитка, а также причин возникновения эксцентриситета тепловой оси можно сделать в свете современных представлений о процессе кристаллизации.

Сильное влияние на формующуюся при кристалли­ зации структуру литого металла оказывают процессы зарождения кристаллов. Для условий гомогенного за­ рождения, исходя из термодинамического анализа рав­ новесия между твердой и жидкой фазами, критический радиус зародыша кристалла можно определить из вы­ ражения [137,1138 и др.]:

зародыш с радиусом меньше гк, называемый дозародышем, имеет тенденцию к исчезновению. Как видно из уравнения (155), по мере увеличения переохлаждения размеры критического зародыша уменьшаются. Харак­

177

L

мов .из жидкости в кристалл; R — константа Больцмана;

h — постоянная Планка;

От.ж— поверхностная энергия границы раздела твер­ дой и жидкой фаз;

п — число атомов в единице объема.

Из уравнения (156) следует, что скорость образова­ ния зародышей остается очень малой величиной до оп­ ределенных значений Аtn, являющихся критическими, после которых она очень быстро возрастает. Эта зави­ симость показана на рис. 73.

Установлено, что максимальный радиус дозародыша увеличивается в зависимости от переохлаждения по за­ кону, схематически изображенному на рис. 74.

178

для критического радиуса и для максимального разме­ ра дозародыша пересекаются в точке N. Этой точке со­ ответствует достижение дозародышем критического раз­ мера и превращение его в зародыш.

Экспериментально, методом малых капель, изоли­ рованных одна от другой, найдено, что величина пере­

практике, так как в реальных условиях величина пере­ охлаждения колеблется от 1 до 10°С [138]. Следова­ тельно, в реальных условиях происходит не гомогенное, а гетерогенное зарождение, т. е. кристаллы образуются на поверхности постороннего твердого тела. Основы­ ваясь на развитой Я. И. Френкелем [139] флюктуационной теории зарождения центров новой фазы, В. И. Да­ нилов показал, что в обычных условиях зародыши воз­ никают исключительно на примесях с активированной поверхностью, на которой кристаллизация начинается при очень небольшом переохлаждении. Процессы акти­ вации и дезактивации примесей детально изучены В. И. Даниловым и его сотрудниками, которые показа­ ли, что чем выше сродство поверхности активированной подкладки и кристаллизующегося вещества, тем мень­ шее переохлаждение требуется для возникновения кри­ сталлического зародыша.

Физическая основа гетерогенного образования заро­ дышей представляется в следующем виде [137 и др.]. Для превращения дозародыша в зародыш необходимо, чтобы его радиус достиг критической величины, соответ­ ствующей данной степени переохлаждения. Если дозародыш образуется на твердой поверхности, как это пока­ зано на рис. 76, то его устойчивость зависит от радиуса кривизны гк который считается одинаковым, и от устой­ чивости контактной линии АА'. Это условие удовлетво­ ряется, если уравновешиваются горизонтальные состав­ ляющие поверхностных напряжений

179