книги из ГПНТБ / Непрерывная разливка стали на радиальных установках

чатая текстура развивается благодаря «конкуренции» между дендритными кристаллами, получившими еще в зоне термического переохлаждения разную ориентиров­ ку по отношению к направлению максимального тепло­ вого потока.

Кристаллы, ориентированные так, что главное кри­ сталлографическое направление их дендритного роста параллельно направлению теплового потока, могут ра­ сти в переохлажденную зону, находящуюся вблизи фронта кристаллизации, быстрее, чем кристаллы, рас­ положенные менее благоприятно. Это приводит к пол­ ному подавлению роста других кристаллов. По мере увеличения угла наклона фронта кристаллизации по от­ ношению к вертикали все большее развитие получает асимметрия изотермичности температурного поля.

В результате этого по сторонам R и г в одно и то же время создается разный температурный градиент: боль­ ший по стороне г и меныший по стороне R. В соответст­ вии с теорией концентрационного переохлаждения у фронта кристаллизации по стороне R возникает более широкая зона переохлаждения, а по стороне г — более узкая. Протяженность зоны переохлаждения и величина А^тах увеличиваются при уменьшении градиента темпе­ ратуры. Таким образом, в условиях гетерогенного за­ рождения понижение температурного градиента приво­ дит к расширению зоны зарождения дендритов перед фронтом кристаллизации по стороне R. В узкой зоне зарождения по стороне г в это время еще не созданы та­ кие условия. Возникшие дендриты перед фронтом кри­ сталлизации по стороне R сначала мешают, а затем по­ давляют рост ориентированных столбчатых дендритов.

Независимое зарождение новых кристаллов в объе­ ме концентрационно переохлажденного расплава перед движущимся фронтом кристаллизации может привести (а может и не привести) к прекращению развития ден­ дритной текстуры. Новые зарождающиеся зерна ориен­ тированы беспорядочно. Когда они вырастают и начи­ нают сталкиваться друг с другом, образуя как бы сетку, развитие столбчатой структуры прекращается. Если же зародившиеся зерна поглощаются основной массой твер­ дой фазы еще до образования сетки, то в дальнейшем они развиваются так же, как и другие дендриты, начав­ шие расти раньше, В этом случае четкая столбчатая

J90

текстура нарушается, так как это явление обычно начи­ нается тогда, когда направленный теплоотвод через за­ твердевший слой слитка значительно уменьшается и ско­ рость кристаллизации резко снижается. Это приводит к появлению зоны крупных неориентированно располо­ женных дендритов.

По мере продвижения фронта кристаллизации по стороне г также возникает зона концентрационного пе­ реохлаждения достаточных ширины и величины Аtmax. при которых также начинается зарождение свободных дендритов и прекращается рост столбчатых. Это проис­ ходит позднее, чем по стороне R. При достижении фрон­ том кристаллизации по сторонам R и г застойной зоны в центре слитка, т. е. узкого и длинного конуса, где от­ сутствуют естественные конвективные потоки, создается широкая зона переохлаждения, в которой формируются свободные глобулярные дендриты.

Изложенные теоретические представления подтверж­ даются экспериментальными данными, представленными на рис. 66. Установлено, что снижение температуры ме­ талла в промежуточном ковше позволяет уменьшить разность протяженностей столбчатых дендритов по про­ тивоположным криволинейным сторонам. Уменьшение величины перегрева стали способствует, во-первых, сни­ жению интенсивности конвективных потоков, и, во-вто­ рых, что является основным, снижению асимметрии изотермичности температурного поля и разности темпера­ турных градиентов у фронта кристаллизации по сторо­ нам R и г.

Аналогичное влияние оказывает снижение расхода воды на вторичное охлаждение слитка. При уменьшении скорости разливки рост столбчатых дендритов заканчи­ вается при больших значениях угла наклона фронта кристаллизации к горизонтали, при которых не успевает получить развитие асимметричность температурного по­ ля. Именно этим объясняется экспериментальная зави­ симость, показанная в табл .10.

Уместно напомнить об экспериментальных данных о влиянии величины фактического градиента температур у изотермы начала затвердевания на структуру, полу­ ченную при кристаллизации слитков электрошлакового переплава [’■149]. Авторы наблюдали образование столб­ чатой структуры при всех значениях температурного гра-

191

диента более 5 град/см и появление равноосной струк­ туры при меньшей величине градиента в процессе кри­ сталлизации слитков диаметром 260 и 280 мм. В работе [150] измерением температуры жидкого металла во вре­ мя затвердевания показано, что с уменьшением темпе­ ратуры металла с 1550 до 1515°С температурный гради­ ент уменьшается в несколько раз, что сопровождается подавлением роста столбчатых дендритов.

Из рассмотрения возможной модели процесса кри­ сталлизации криволинейного непрерывного слитка выте­ кает один довольно важный вывод: различная протя­ женность зоны столбчатых дендритов по противополож­ ным криволинейным сторонам является результатом действия определенных физико-химических закономер­ ностей и устранить эту разницу полностью невозможно. В известных пределах ее можно уменьшить, снижая температуру металла и скорость разливки. Полного уст­ ранения различий протяженности столбчатой зоны в ра­ диальных непрерывных слитках можно достигнуть, ак­ тивно вмешиваясь в процесс кристаллизации. Многими исследователями [б, 6, 130, 131, 151 и др.] замечено, что электромагнитным вращением жидкой фазы, вибраци­ ей, ультразвуковыми колебаниями, введением микрохо­ лодильников удается добиться полного подавления раз­ вития зоны столбчатых дендритов. Такой путь можно рекомендовать и для получения однородной структуры криволинейных непрерывных слитков.

3. ЯВЛЕНИЯ СЕГРЕГАЦИИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИИ ПРИ ОТЛИВКЕ

Вопросам кинетики процессов зарождения неметал­ лических включений и удаления их из жидкой стали в процессе выплавки, разливки и кристаллизации слитка посвящено такое огромное число работ, что только обзо­ ры состояния этой проблемы явились темой многих спе­ циальных трудов. В последние годы достигнуты суще­ ственные успехи в разработке проблемы удаления неме­ таллических включений из массы жидкого металла до его поступления в изложницу. Обработка металла из­ вестково-глиноземистыми шлаками, электрошлаковый переплав, раскисление экзотермическими брикетами, мо-

192

дифицированме редкоземельными металлами, специаль­ ные режимы раскисления позволяют получать весьма чистый по неметаллическим включениям металл. Эф­ фективные способы воздействия на распределение и уда­ ление включений в процессе кристаллизации слитка по­ ка еще не разработаны.

В. И. Явойский сделал два принципиально важных предположения о физико-химической природе и меха­ низме очищения металла от неметаллических включений [152]. Во-первых, решающее значение в процессе уда­ ления включений имеет скорость подъема отдельных объемов металла, всплывание же в них включений иг­ рает определенную роль лишь тогда, когда эти объемы достигают верхних горизонтов жидкой части слитка. Вовторых, решающая роль в очищении металла от неме­ таллических включений принадлежит адгезии твердых и дисперсных частиц к взвешенной в металле или контак­ тирующей с ним жидкой окисной (или окисно-фторид- ной) фазе.

О поведении неметаллических включений в условиях непрерывной разливки стали известно пока еще очень мало. Экзогенные включения накапливаются обычно на мениске жидкого металла в кристаллизаторе, где захва­ тываются формирующейся коркой металла и оказыва­ ются в поверхностных слоях слитка. Не исключено за­ тягивание определенной доли экзогенных включений сравнительно небольших размеров и в центральную часть слитка. Исследованиями установлены способы борьбы с экзогенными неметаллическими включениями: применение высококачественных огнеупоров, тщатель­ ное удаление шлака с поверхности жидкого металла в кристаллизаторе, поддержание достаточно высокого уровня металла в промежуточном ковше, хорошая орга­ низация струи металла, использование защитной газо­ вой атмосферы или защитных экзотермических шлако­ вых смесей [21, 153 и .др.].

О распределении эндогенных неметаллических вклю­ чений в непрерывных слитках, отливаемых на верти­ кальных установках, имеются противоречивые сведе­ ния. По результатам ряда исследований [37, с. 154, 306; 148; 132; 154; 155], включения распределены равномер­ но, по другим данным [37, с. 182; 64; 156], неметалличе­ ские включения по поперечному сечению вертикального

непрерывного слитка распределены неравномерно. Отме­ чено повышенное содержание неметаллических включе­ ний в осевой зоне, меньшие, но одинаковые количества включений в зоне столбчатых дендритов и минимальные количества у поверхности слитка. Сравнение макро­ структур с распределением включений позволило уста­ новить, что максимум неметаллических включений при­ ходится на переходную зону от столбчатых к глобуляр­ ным дендритам [124].

Всплывание эндогенных оксидных неметаллических включений из жидкого объема затвердевающего непре­ рывного слитка совершенно отрицается в работах [152, 154].

Равномерность распределения неметаллических включений по поперечному сечению непрерывного вер­ тикального слитка объясняется резким снижением хими­ ческой неоднородности, большими скоростями кристал­ лизации, которые способствуют захватыванию включе­ ний ветвями растущих дендригов и фиксации их на ме­ сте расположения в жидком .металле [152]. Авторы, обнаружившие неравномерность распределения включе­ ний по структурным зонам непрерывного слитка, объяс­ няют ее выталкиванием примесей и скоплением их при переходе одной структуры в другую [124].

О поведении неметаллических включений при кри­ сталлизации криволинейных непрерывных слитков поч­ ти ничего не известно. Можно только указать на рабо­ ты, в которых отмечено, что в зависимости от направле­ ния кривизны наблюдается неравномерное распределе­ ние оксидных включений на различных сторонах слитка [22, 157 и др.]. В то же время в работе [37, с. 154] ука­ зывается на то, что распределение неметаллических включений в вертикальных и радиальных слитках оди­ наковое.

Для выявления особенностей сегрегации неметалли­ ческих включений при непрерывной разливке стали на установках радиального типа отобрали пробы из слит­ ков стали Ст.З по схеме, показанной на рис. 81.

Металлографическое исследование [158] неметалли­ ческих включений проводили методом подсчета на 20 полях зрения при увеличении в 280 раз. Неметалличе­ ские включения во всех образцах — однотипные; основ­ ными видами являются оксиды глобулярной формы.

194

ся повышенное количество сульфидов и сульфосиликатов. Размеры силикатных глобул увеличиваются с уда­ лением от поверхности, размер некоторых из них до­ стигает 86 мк (рис. 82).

Со стороны большего радиуса в образцах из поверх­ ностного слоя слитка (0—30 мм) преобладают мелкие отдельные оксидные включения глобулярной формы. Встречаются сульфиды, расположенные по границам зе­ рен. На расстоянии 30—65 мм от поверхности количест­ во неметаллических включений больше, чем в поверхно­ стном слое. Включения в основном — одиночные. Распо­ ложение сульфидов и оксисульфидов сохраняется в ос­ новном по границам зерен.

В осевой зоне слитка наблюдается максимальное количество неметаллических включений, главным обра­ зом сульфидов, которые располагаются по границам зе­ рен. В некоторых слитках в осевой зоне наряду с суль­ фидами, расположенными по границам зерен, встречает­ ся большое количество глобул силикатов.

196

Шлаковые включения встречаются весьма редко, только в одном металлическом слитке из всех исследо­ ванных; в осевой зоне встречались грубые шлаковые включения.

Для исследования природы неметаллические включе­ ния были выделены электролитическим методом из проб литого металла, соответствующих различным горизон­ там поперечного сечения в направлении продвижения фронта кристаллизации. Были приготовлены препараты, которые исследованы 'иммерсионным методом. Мине­ ральный состав неметаллических включений представ­ лен такими веществами, как глобулярные стекловидные образования, сульфиды железа и марганца, кварц, кар­ борунд, кордиерит, окалина и в очень незначительных количествах корунд, диоксид, анортит, обломки огнеупо­ ров и частицы шлака.

Стекловидное вещество присутствует в виде бесцвет­

ным [159, рис. 43], имеет показатель светопреломления в пределах 1,606—1,626. Присутствуют глобулы стекло­ видного вещества как с включениями, так и без них. Включения в глобулах представлены бесцветными, ани­

размеры глобул стекловидного вещества по криволиней­ ным сторонам радиального слитка приведены в табл.11. Заметим, что преобладающий максимальный размер

197

глобул по криволинейным сторонам равен 40 мкм, а в осевой зоне 52 мкм.

На расстоянии 10, 30 и 65 мм от поверхности преоб­ ладающие размеры глобул стекловидного вещества ма­ ло отличаются от размеров глобул всех исследованных плавок. Можно только обратить внимание на тенденцию к увеличению размеров включений по мере удаления от поверхности к осевой зоне слитка.

Сульфиды железа и марганца в образцах по всему поперечному сечению слитка почти не отличаются друг от друга. В преобладающем большинстве они имеют по­ луглобулярную, овальную, глобулярную, каплеобразную форму и значительно реже червеобразную, палочковид­ ную, изогнутую, сложной конфигурации форму. Харак­ терно, что в образцах из поверхностных слоев стороны г преобладают сульфидные образования палочковидной, червеобразной формы и сложной конфигурации, в то время как в слое, находящемся на расстоянии 30— 40 мм от поверхности по стороне R, больше сульфидов глобулярной, полуглобулярной и каплеобразной формы. При' исследовании сульфидов в отраженном свете вид­ но, что зерна и оболочки сульфидов на глобулах стек­ ловидного вещества имеют варьирующую окраску от голубоватой, голубовато-зеленой до светло-серой с го­ лубоватым оттенком в зависимости от количественного содержания сульфидов железа и марганца.

Размеры сульфидных образований колеблются в пре­ делах от 2 до 272 мкм. Преобладающие размеры суль­ фидных включений в образцах из разных горизонтов от поверхности в глубь слитка по криволинейным сторонам г и R мало отличаются (табл. 12). Можно отметить не­ которую тенденцию к увеличению размеров сульфидов на более поздних стадиях затвердевания. Заметим, что максимальные преобладающие размеры сульфидов по криволинейным сторонам составляют 40 мкм, в осевой зоне 50 мкм.

Кварц (SiCb) во всех образцах по сторонам г и R и реи слитка присутствует в виде бесцветных зерен, в ос­ новном неправильной формы, иногда с неровными кра­ ями. Изредка встречаются зерна кварца удлиненной формы. Преобладающие размеры кварца по криволи­ нейным сторонам составляют £0-^30 мкм, в оеррой зоне

30—40 мщ .

198

199