Кристаллизация и строение слитка спокойной, полуспокойной и кипящей стали

Сталь в изложницах кристаллизуется или затвердевает в ви­де кристаллов древовидной формы - дендритов. Процесс кристаллизации складывается из двух стадий — зарождения кристаллов и последующего их роста. Различают гомогенное и гетерогенное зарождение кристаллов. Под гомогенным подразумевают образование зародышей кристалла в объеме жидкой фазы, под гетерогенным — на уже имеющейся межфазной поверхности (на поверхности находящихся в расп­лаве твердых частиц — например, неметаллических включе­ний, стенок изложниц и кристаллизаторов).

Гомогенное зарождение происходит следующим образом. В жидком металле вблизи точки кристаллизации вследствие флуктуации энергии, состава и плотности непрерывно обра­зуются группировки атомов с упорядоченной структурой — комплексы или зародыши твердой фазы. Одновременно и не­прерывно происходит разрушение большей части из них.

Рост кристаллов. Зарождающийся кристалл имеет правиль­но ограненную или близкую к ней форму, определяемуютипом кристаллической решетки твердого металла. Однако вскорепослезарождения правильный рост возникшего кристалла прекращается и начи­наетсяпреимущественныйростеговершин,т.е.ветвей дендрита.Отвершинкристаллавырастаютосипервогопорядка (стволы дендрита),на них перпендикулярно направленные осивто­рогопорядка(ветви),накоторыханалогичнымобразомраз­виваются оситретьего порядка и т.д.Появление все но­вых осей и их постепенное утолщение приводят к формированию сплошногокристалла(дендрита).

Скорость роста кристаллов определяется в первую оче­редь интенсивностью теплоотвода: чем больше скорость теплоотвода и чем больше переохлаждение жидкого металла, тем больше будет скорость роста.

Следует отметить, что рост кристаллов протекает одина­ково как в случае гомогенного, так и в случае гетероген­ного их зарождения.

Скорость затвердевания слитка. При затвердевании стали в изложнице тепло отводится через ее стенки, поэтому за­рождение и рост кристаллов начинаются у стенок изложницы, а толщина затвердевшего слоя непрерывно возрастает в на­правлении к центру слитка.

Слиток спокойной стали

Слиток имеет следующие структурные зоны, отли­чающиеся формой кристаллов и их размерами: тонкая наруж­ная корка из мелких равноосных кристалликов; зона вытяну­тых крупных столбчатых кристаллов; центральная зона круп­ных неориентированных кристаллов и зона мелких неориенти­рованных кристаллов внизу слитка, имеющая конусообразную форму ("конус осаждения").

Наружная зона образуется в момент соприкосновения жид­кой стали с холодными стенками изложницы. Резкое пере­охлаждение металла вызывает образование очень большого числа зародышей и их быстрый рост, в связи с чем кристал­лы не успевают вырасти до значительных размеров и принять определенную ориентацию. Толщина корковой мелкокристалли­ческой зоны невелика (6-15 мм), поскольку охлаждение жид­кого металла с большой скоростью длится очень недолго.

Вследствие замедления теплоотвода уменьшается переох­лаждение и новых кристаллов почти не образуется.Продолжают расти лишь кристаллы, главные оси которых направлены перпендикулярно поверхности изложницы и, таким образом, формируется зона столбчатых кристаллов, вытянутых параллельно направлению теплоотвода.

Из-за большой толщины слоя затвер­девшей стали и нагрева стенок изложницы отвод тепла от жидкого металла осевой части слитка идет очень медленно; от­сутствует направленный теплоотвод, так как металл здесь удален от всех стенок изложницы примерно на одинаковое расстояние. В таких условиях вся масса жидкого металла медленно остывает до температуры кристаллизации и после ее достижения во всем объеме жидкой фазы зарождаются кристаллы. Поскольку нет существенного переохлаждения, количество вновь образующихся кристаллов невелико, и по­этому они вырастают до значительных размеров. Из-за от­сутствия направленного теплоотвода кристаллы не имеют оп­ределенной ориентировки и получаются равноосными.

Образование "конуса осаждения" в нижней части слитка обычно объясняют опусканием на дно изложницы кристаллов, зародившихся в объеме жидкого металла у фронта кристалли­зации, а также обломившихся под воздействием потоков жид­кого металла непрочных ветвей столбчатых кристаллов. Это опускание кристаллов происходит в силу разности плотнос­тей затвердевшего и жидкого металла.

В слитке наименее прочной явля­ется зона параллельных,относительнослабосвязанныхмеждусобой,столбчатыхкристаллов.

Слиток кипящей стали

Кипящая сталь раскислена одним марганцем, т.е. непол­ностью, и содержит некоторое количество растворенного кислорода. Поэтому во время разливки и после ее окончания сталь в изложнице "кипит", т.е. происходит окисление уг­лерода с выделением пузырей СО.Значительная часть пузырей СО, выделяющихся при кипении, остается в слитке. В дальнейшем они завариваются при про­катке.

Для уменьшения неоднородности состава готовой стали кипение вскоре после наполнения изложницы прекращают, на­крывая слиток массивной металлической крышкой (механичес­кое закупоривание) или раскисляя металл в верхней части изложницы алюминием (химическое закупоривание).

В слитках кипящей стали не образуется концентрирован­ной усадочной раковины. Усадка здесь рассредоточена по многочисленным газовым полостям.

Механически закупоренный слиток кипящей стали(рис.а), также как и слиток спокойной стали, имеет снаружи корку из мел­ких равноосных кристаллов, далее зону столбчатых кристал­лов и в середине крупные неориентированные кристаллы. На­ряду с этим слиток характеризуется расположением газовых пузырей (пузырей СО) в определенном порядке.

Верх слитка с пузырями и скоплением серы и фосфора вследствие их ликвации отрезают при прокатке.

Химически закупоренный слиток (рис.б) имеет в нижней части зону коротких сотовых пузырей и в верхней – скопление усадочных пустот и пузырей, над которыми, как правило, расположен мост плотного металла. До начала закупоривания и во время разливки сталь в изложнице ки­пит, формируется наружная беспузыристая корка и начинает­ся рост сотовых пузырей так же, как в слитке при механическом закупоривании.

Сразу же или через 1-1,5 мин после окончания наполне­ния изложницы проводят закупоривание слитка алюминием (иногда ферросилицием). Вводимый алюминий связывает раст­воренный в стали кислород, поэтому прекращается кипение и рост сотовых пузырей.

Расход алюминия на закупоривание выбирают таким, чтобы при дальнейшем затвердевании наблюдалось незначительное газовыделение, которое должно компенсировать усадку стали и предотвращать образование концентрированной усадочной раковины. Пузыри СО образуются в верхней части слитка, поскольку здесь вследствие ликвации повышается концентра­ция кислорода и углерода.

Показателем оптимальной степени раскисленности являет­ся образование выпуклой гладкой поверхности слитка.

При недостаточной раскисленности металла наблюдаются прорывы поверхности слитка пузырями СО.

Если металл перераскислен, то образуется недостаточно изолированная сверху глубокая усадочная раковина со скоп­лением ликватов и неметаллических включений.

Толщина здоровой корки — важный критерий качества слитков кипящей стали. Эта толщина может достигать 40 мм и не должна быть менее 8 мм. Более тонкая корка может окисляться при нагреве слитков перед прокаткой.

Слиток полуспокойной стали

Полуспокойная сталь по степени раскисленности занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью. Ее раскисляют,как правило, в ковше, вводя силикомарганец, ферромарганец и ферросилиций в количестве, обеспечивающем получение заданного содержания в стали марганца и кремния.

Полуспокойную сталь разливают в сквозные расширяющиеся книзу или в бутылочные изложницы. При затвердевании в изложнице наблюдается "искрение" — образование и выделе­ние небольшого количества оксида углерода. Длительность искрения служит показателем оптимальной степени раскис­ленности стали.

В верхней части слитка этой сталиимеются сотовые или округлые пузыри, концентрированная усадочная раковина и под ней усадочная рыхлость. Пузыри рас­положены и у поверхности слитка. В нижней части слитка, где велико ферростатическое давление, пузыри не образуются.