Машиностроение и механика

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Разливка и кристаллизация стали - Образование зародыша и рост кристалла

Article Index
Разливка и кристаллизация стали
Способы разливки стали
Образование зародыша и рост кристалла
Рост кристаллов
Оборудование для разливки стали
Изложницы и прочее оборудование
Подготовка оборудования к разливке
Строение стальных слитков
Усадочная раковина в слитке спокойной стали
Слиток кипящей стали
Слиток полуспокойной стали
Химическая неоднородность слитков
Температура и скорость разливки
Особенности разливки спокойной стали
Защита металла в изложнице от окисления
Специальные методы теплоизоляции и обогрева верха слитка
Особенности разливки кипящей стали
Дефекты стальных слитков
Непрерывная разливка стали
Затвердевание непрерывного слитка
Структурная и химическая неоднородность непрерывнолитой заготовки
Основные узлы МНЛЗ
Технология разливки МНЛЗ
Конструкции МНЛЗ
МНЛЗ с изгибом слитка
Горизонтальная МНЛЗ
Качество непрерывнолитого слитка
Совершенствования техники и технологии непрерывной разливки
Литейно-прокатные комплексы
Процессы полуторного поколения ISP
Установки непрерывной отливки полосы
All Pages

 

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

Образование зародыша и рост кристалла

Сущность про­цесса кристаллизации стали заключается в переходе ее из жидкого состояния в твердое.

При понижении температуры увеличивается вероятность существования образований (кристаллов или роев) с упорядоченным строением, а их структура приближается к структуре твердого кристалла. При определенной температуре, называемой температурой кристаллизации, термодинамически одинаково вероятно наличие в системе как жидкой, так и твердой фаз. При этой температуре свободная энергия чистого металла в жидком и твердом состоя­ниях одинакова.

clip_image006

Изменение свободной энергии G чистого металла в жидком (а) и твердом (б) со­стояниях в зависимости от тем­пературы Т

Из схемы следует, что выше температуры кристалли­зации (плавления) Т2 > Те устойчивым является жидкое состояние Gж < Gтв. При снижении температуры ниже Те термодинамически устойчива твердая фаза.

Таким образом, при температуре Те возможно возникновение кристаллика, который при определенных условиях может расти, питаясь из окружающей жидкой фазы.

При охлаждении жидкости до температуры плавления кристал­лизация начинается не сразу. Возникающие в жидкости кристалли­ческие образования непрочны и легко разрушаются. Для образова­ния устойчивых первичных кристаллов необходимо переохлаждение, т. е. некоторое снижение температуры ниже точки плавления.

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 имеющейся межфазной поверхности (на поверхности находящихся в расплаве твердых частиц — например, неметал­лических включений, стенок изложниц н 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 их них. С тем, чтобы зародыш стал тер­модинамически устойчивым, т. е. способным к дальнейшему росту не­обходимы определенные условия.

Условия гомогенного зарождения.

Из термодинамики известно, что переход жидкости в твердое состояние и наоборот возможны, если свободная энергия системы при этом уменьшается.

Затвердева­ние или расплавление в процессе изменения температуры объясняются тем, что при температурах, превышающих точку кристаллизации, меньшей удельной свободной энергией обладает жидкая фаза, а при более низких температурах — твердая.

В процессе образования зародыша свободная энергия системы с одной стороны возрастает в результате затраты энергии на образование поверхности раздела «расплав — зародыш»

clip_image008

и с другой стороны уменьшается в результате перехода части жидкости в твердую фазу, у которой уровень свободной энергии ниже

clip_image010

где σ – межфазное натяжение на границе раздела фаз (удельная поверх­ностная энергия).

При температуре кри­сталлизации свободная энергия жидкой и твердой фаз равны и об­разование зародыша невозможно, так как нет источника для компен­сации затрат энергии на образование поверхности раздела фаз. Поэтому для образования зародыша необходимо некоторое переох­лаждение раплава: чем больше переохлаждение, тем больше будет выигрыш свободной энергии при переходе из жидкого состояния в твердое.

clip_image012При данной величине пе­реохлаждения термодинамически устойчивыми, т. е. способными к дальнейшему росту, оказываются те зародыши, размер которых превысит так называемый «критический». Критический размер это такой, начиная с которого дальнейший рост сопровождается сниже­нием суммарной свободной энергии образования зародыша (рис).

Вели­чину критического радиуса зародыша определяют из соотношения:

clip_image014

где σ – межфазное натяжение на границе раздела жидкой и твердой фаз;

Ткр — температура начала кристаллизации;

ΔТ — величина переохлаждения;

QKp — скрытая теплота кристаллизации.

Таким образом, на процесс кристал­лизации решающее влияние оказывают значения переохлаждения и удельной поверхностной энергии на границе кристалл—жидкость. При увеличении степени переохлаждения критический радиус зародыша уменьшается, т. е. термодинамически устойчивыми становятся более мелкие зародыши. То есть, чем выше степень переохлаждения, тем выше будет интенсивность образования устойчивых зародышей. Аналогичное влияние оказывает уменьшение величины поверхностной энергии σ.

Прибли­женные расчеты показывают, что гомогенное зарождение кристалла ряда металлов возможно при переохлажде­нии, равном 0,2•Ткр, т. е. около 350 °С для железа. Уменьшение переохлажде­ния до 200 °С снижает вероятность образования равновесного зародыша при гомогенной кристаллизации почти в 105 раз. Однако величина переохла­ждения в стальном слитке обычно не превышает 10 °С. Следовательно, кристаллизация по гомо­генному механизму на практике не реализуется.

В реальных условиях механизм затвердевания имеет гетероген­ный характер, когда образование и рост зародыша происходят на уже имеющейся поверхности раздела – центрах кристаллизации (неметаллические включе­ния или уже образовавшиеся в объеме кристаллы, стенки изложницы или формы, поверхность затвердевшей части слитка и т. п). Процесс зарождения и роста кристаллов в этом случае существенно облег­чается - в реальных условиях сталь на­чинает кристаллизоваться при переохлаждении в несколько граду­сов. Следовательно, в реальных условиях происходит преимущест­венно гетерогенное зарождение кристаллов.

Введением центров кристаллизации широко поль­зуются на практике для модифицирования (улучшения) структуры слитка или отливки. При этом измельчается зерно и повышаются свойства металла. В качестве модифицирующих добавок служат обычно тугоплавкие оксиды, нитриды, имеющие температуры плав­ления выше, чем стали, и образующиеся в стали при введении таких активных элементов, как РЗМ, Ti, Zr и т. п.

Эффект модифицирования может иметь место также при введении в расплав поверхностно-активной добавки, снижающей величину межфазного натяжения на границе жидкость—твердая фаза. При этом уменьшается энергетический барьер образования новой гра­ницы раздела фаз и облегчается зарождение новых кристаллов, а следовательно, измельчается структура металла.

В формировании структуры слитка не меньшую роль играет последующий рост кристаллов, который обусловливается прежде всего интенсивностью и направленностью отвода тепла.