Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Конвективные потоки и скорость затвердевания слитка стали

В изложнице с момента заливки в нее металла вплоть до полного затвердевания слитка получают развитие конвективные потоки. Наличие их в жидкой части слитка подтверждается экспериментальными данными и в первую очередь равномерным по объему слитка распределением радиоиндикаторов, вводимых в изложницы в различные моменты после конца разливки.

В момент заполнения изложницы конвективные потоки вызываются кинетической энергией струи металла. Расчеты показывают, что скорость затопленной струи при сифонной разливке стали составляет (5-25)103 м/с, а при разливке сверху струя металла с первоначальной скоростью 4-6,8 м/с проникает на глубину 0,9-2,4 м. Поэтому металл во время разливки находится в состоянии интенсивного движения, и это отражается в какой-то степени и на процессе формирования твердого металла.

После окончания наполнения изложницы металлом развитие конвективных потоков обусловлено прежде всего различной плотностью металла в отдельных макро- и микрообъемах, вызванных охлаждением металла у фронта кристаллизации, появлением кристаллов в двухфазной области, неравномерным распределением примесей и выделением газовых пузырей.

Сообразно расчетам скорость нисходящих потоков в телах простейших форм, вызванная разной степенью нагрева макрообъемов металла, может достигать 9 м/с. Подобная скорость, вероятно, завышена, но тем не менее факт развития заметных конвективных потоков при кристаллизации стали не вызывает сомнения.

Скорость затвердевания слитка стали

Теплопередача в застывающем слитке при наличии конвективных потоков жидкого металла, как правило, складывается из теплопередачи конвекцией, теплопроводностью и излучением. Неоднократно предпринятые попытки теоретического решения определения скорости кристаллизации слитка стали при минимально возможных допущениях не увенчались пока успехом. Основная причина трудности подобных расчетов связана с невозможностью учесть многообразие факторов, оказывающих влияние на кристаллизацию слитка, и их изменения в процессе кристаллизации. По этой же причине затруднено моделирование процесса кристаллизации слитка стали. Наиболее просто решается задача при анализе только одного потока теплопроводностью через затвердевший металл. Общее уравнение теплопроводности для одномерного теплового потока в одномерном пространстве имеет вид:

dT/dt = (l/pc)*(dT2/dx2)

где l, - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) [кал/(м-ч-°С)];
р и с - плотность (кг/м3) и теплоемкость (кал/кг° С) твердой стали;
dT/dx - температурный градиент.

Проинтегрировав левую и правую части уравнения от 0 до Т и от 0 до х соответственно коэффициент пропорциональности К получается в уравнении:

Уравнение очень упрощенно описывает процесс затвердевания. Поэтому, в конечном счете, наиболее полные данные могут быть получены только на основании исследования, проводимого на реальных слитках.

Одним из первых методов изучения скорости кристаллизации стали явился - метод выливания жидкого металла из закристаллизовавшейся части слитка, предложенный А. С. Лавровым и использовавшийся неоднократно в дальнейшем. В последние годы применяли также метод радиоиндикатора. В этом случае в изложницу через определенное время после заливки металла вводят радиоиндикатор, например Fe59 в виде окиси. Границу распространения каждой порции радиоиндикатора фиксируют, определяя радиоактивность проб металла, отобранных из разных мест, вырезанных из слитка темплетов или по радиографическим отпечаткам этих темплетов.

Оба метода измерения скорости кристаллизации стали взаимно дополняют друг друга, поскольку при опрокидывании слитка из него выливается не только жидкий металл, но и выбрасывается двухфазная область, появляющаяся между жидкой и твердой частями слитка; в то же время надо иметь в виду, что радиоиндикатор распределяется только в жидкой части слитка.

Экспериментально определенное значение коэффициента К в уравнении (2) равно 22-25 мм/мин 0-5 для слитков низкоуглеродистой и легированной стали и 28-30 мм/мин 0,5 для средне- и высоколегированной стали. Уравнение (2) достаточно точно описывает процесс кристаллизации только применительно к первой трети или половине времени полной кристаллизации слитка стали. В дальнейшее в связи с взаимным влиянием граней на кристаллизацию слитка в каком-либо направлении уравнение (2) становится неприемлемым.

Для выяснения механизма кристаллизации спокойной стали большое значение сыграло изучение температурных полей при помощи термопар, устанавливаемых в соответствующих точках объема изложницы. Этими исследованиями неоспоримо доказано отсутствие переохлаждения металла в макрообъемах слитка в пределах точности замеров термопарами (±10° С). Однако это не исключает переохлаждения металла в микрообъемах вблизи растущих кристаллов. Образование дендритной структуры стального слитка как раз и свидетельствует о наличии подобного переохлаждения в микрообъемах.

Двух- и многокомпонентная система, которой и является жидкая сталь, кристаллизируется при температурах, интервал которых определяется разрывом линий ликвидуса и солидуса. Это обстоятельство предопределяет образование двухфазной жидкотвердой области у фронта кристаллизации. Как уже было указано, вводимый в кристаллизующийся слиток стали радиоиндикатор распространяется только в жидкой области, а при опрокидывании слитка устанавливается граница твердого металла. На рисунке по данным А. И. Строганова, М. И. Колосова и др. показаны совмещенные остовы опрокинутого через разное время 6,2-т слитка низкоуглеродистой стали с нанесенными границами распространения порций радиоиндикатора, введенных в контрольный слиток в те же моменты времени.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что ширина двухфазной области не остается постоянной в процессе кристаллизации слитка: ее величина больше по центру и возрастает к концу затвердевания. Естественно ожидать, что увеличение содержания углерода и других примесей, расширяющих температурный интервал кристаллизации металла, увеличивает и ширину двухфазной зоны.

Источник [4] → список литературы.


Вернуться в начало раздела: Разливка стали
Вернуться на главную: Черная металлургия