Скорость затвердевания слитков в изложнице

Введение

     Слиток – металл, затвердевший при остывании в  изложнице и предназначенный для дальнейшей деформационной обработки или переплава.

    Описание строения стального  слитка впервые было дано в  1878 году Д.К. Черновым. Остальные  характерные черты в строении литого металла были отмечены тогда Д.К. Черновым, хотя многочисленные последующие исследования вскрыли много новых деталей.

    Структура литого слитка  состоит из трех основных зон 

Рисунок 1

    Первая зона – наружная  мелкозернистая корка 1, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов – дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение.

   Вторая зона слитка –  зона столбчатых кристаллов 2. После  образования самой корки условия теплоотвода меняются (из-за теплового сопротивления, из-за повышения температуры стенки изложницы и других причин), градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки (т.е. в направлении отвода тепла) столбчатые кристаллы.

   Третья зона слитка –  зона равноосных кристаллов 3. В  центре слитка уже нет определенной  направленности отдачи тепла.  «Температура застывающего металла успевает почти совершенно уравниваться в различных точках и жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние, вследствие образования в различных ее точках зачатков кристаллов. Далее зачатки разрастаются осями – ветвями по различным направлениям, встречаясь друг с другом» (Чернов Д.К.)

В результате этого процесса образуется равноосная структура. Зародышами кристалла  здесь являются обычно различные  мельчайшие включения, присутствующие в жидкой стали, или случайно в нее попавшие, или не растворившиеся в жидком металле. [2]

1. Скорость затвердевания слитков в изложнице.

     Первое исследование процесса затвердевания стальных слитков произведено А. С. Лавровым в шестидесятых годах прошлого столетия. Он пользовался методом опрокидывания изложницы через определенный промежуток времени после ее наполнения и выливанием оставшейся части жидкого металла с последующим замером толщины закристаллизовавшегося слоя. Этим же способом пользовались и многие другие исследователи для определения скорости кристаллизации стали в изложнице на раннем этапе отвердевания. Н. Агеев и В. Половко, Н. Скороходов, Лайтнер, Матушка, Нильсон экспериментально исследовали слитки спокойной стали различной формы и массы (200—6000 кг), с широким интервалом химического состава. Такой метод исследования может быть использован только для стали с небольшим интервалом кристаллизации и тогда полученные данные можно считать достаточно верными, хотя сам по себе этот способ дает несколько завышенные результаты, так как при декантации жидкость успевает затвердеть в междендритном пространстве. Несколько видоизмененным способом определения скорости кристаллизации пользовались В. Лапицкий и А. Лившиц. В этих опытах незатвердевшую жидкость удаляли через отверстие в донной части изложницы, которое прожигали кислородом после заданной выдержки. Кристаллизация стали начинается сразу после контакта со стенками изложницы. Вначале кристаллизация идет быстро, поскольку холодная изложница интенсивно отбирает тепло жидкой стали, а затем замедляется. Это связано, как указывалось ранее, с расширением изложницы, усадкой оболочки слитка и образованием между ними газо-воздушного зазора. С повышением температуры разливки скорость кристаллизации первичной корочки и зоны столбчатых кристаллитов уменьшается. На основании теоретических расчетов, представляющих попытку подвергнуть процесс затвердевания стали в изложнице математическому анализу, было установлено, что толщина затвердевшего слоя стали у стенок изложницы прямо пропорциональна корню квадратному из времени, истекшего с момента соприкосновения жидкой стали с изложницей. Наиболее важно для производственных целей определить время полного затвердевания слитка. В. М. Тагеев, обобщивший многочисленные экспериментальные данные по затвердеванию стали в изложнице, предлагает пользоваться для определения продолжительности полного затвердевания стального слитка следующим уравнением:

tk= 0,112R², где tk — время полного затвердевания, мин; R — радиус (для квадратных и многогранных слитков — радиус вписанный окружности), см; или (в часах и метрах) tk= 18,7R²

 

2. Необходимость замедленного охлаждения металлопродукции из сталей с превращениями.

Необходимость замедленного охлаждения – получение определенной структуры металла. Чем меньше скорость охлаждения, тем меньше термическое напряжение.

Рассмотреть процесс охлаждения можно на примере поковок.

Напряжения при охлаждении возникают  в стали вследствие различных  температур наружных и внутренних слоев металла поковки. Поковка охлаждается с поверхности. Поэтому температура наружных слоев металла будет ниже, чем температура внутренних, причем температура металла будет тем выше, чем ближе центр сечения поковки. Поверхностные слои поковок охлаждаются и сжимаются значительно быстрее, чем средние слои, более теплые. В результате этого наружные слои будут сжимать внутренние слои поковки, а внутренние слои будут растягивать наружные слои металла. При дальнейшем охлаждении слоев металла (когда наружные части поковки почти охладятся) усадка (наружных частей почти прекращается, но так как наружные слои металла холодные, металл становится мало пластичным. В то же время температура внутренних слоев металла поковки будет все еще высока, и эти слои будут продолжать сжиматься. Вследствие этого знак напряжений меняется: в наружных слоях появляются сжимающие усилия, а во внутренних слоях — растягивающие. 
     Как уже было сказано выше, если напряжения при охлаждении превысят прочность стали, в поковке образуются трещины Появление трещин при охлаждении зависит и от качества стали. Неоднородность стали, наличие пузырей, усадочных раковин, неметаллических включений и т. д. способствуют возникновению трещин как внутри изделия, так и на его поверхности. Отсюда вывод: охлаждать поковки необходимо таким образом, чтобы охлаждение способствовало частичному или полному устранению напряжений, возникающих в стали. 
     При медленном охлаждении поковок с температуры 800— 900° С происходит выравнивание температур по сечению поковки. Вследствие этого устраняются остаточные напряжения деформации, образующиеся в стали в процессе ковки; уменьшаются напряжения, возникающие в стали при охлаждении, которые образуются в результате разности температур между наружными и внутренними слоями изделия.

 Существуют следующие способы охлаждения поковок: 1) охлаждение на воздухе; 2) охлаждение в неотапливаемых ямах (колодцах); 3) охлаждение в отапливаемых колодцах и в печах. Выбор способа охлаждения зависит от марки стали, формы, размера поперечного сечения поковки. Обычно на заводах имеются таблицы и инструкции, на основе которых производится охлаждение. Способы и режим охлаждения должны указываться в карте технологического процесса ковки. Наиболее быстро охлаждаются поковки на воздухе. При воздушном охлаждении поковки укладываются тремя способами: в один ряд без зазоров, в один ряд с зазорами, в штабели; причем поковки будут быстрее охлаждаться, если они будут уложены в один ряд с зазорами, медленнее при укладке их в один ряд без зазоров и еще более медленно — при укладке штабелями. При охлаждении поковок на воздухе их всегда нужно укладывать на сухую землю.        

Укладка поковок на сырую землю, металлический пол или на холодные поковки вызывает неравномерное охлаждение. Место охлаждения поковок на воздухе должно быть защищено от сквозного ветра. Охлаждение в ямах (или колодцах) идет медленнее, чем на воздухе. Скорость охлаждения в ямах можно изменять и регулировать, открывая или закрывая крышки, засыпая поковки малотеплопроводными материалами (песком, шлаковой ватой, каменноугольной золой и т. п.), увеличивая или уменьшая толщину слоя засыпки. Температура посадки поковок в яму должна быть не ниже 500—550° С. Поковки укладываются в яме так, чтобы они не соприкасались с холодными стенками. При охлаждении в яме с пересыпкой поковки нужно укладывать так, чтобы между ними был зазор 25—50 мм, следует засыпать сухим малотеплопроводным материалом. Сверху поковки полностью засыпаются таким же материалом толщиной 80—100 мм. Охлаждению в нагретых печах подвергаются наиболее ответственные поковки, их охлаждение должно строго регулироваться по установленному режиму. Перед посадкой поковки печь должна быть разогрета до температуры 500—700° С, причем температура посадки не может быть ниже 500—600°С. Для охлаждения поковок обычно применяются печи с выдвижным подом. 
     Если поковки подвергаются термической обработке, например отжигу, то процесс охлаждения целесообразно совмещать с отжигом. Для этого поковки с температурой не ниже 500° С загружаются в печь и нагреваются до температуры отжига, а затем охлаждаются вместе с печью по установленному режиму.   

 При таком способе сокращаются время охлаждения и расход топлива, так как исключается один нагрев и одно охлаждение. 

При понижении температуры ниже А₁  происходит распад аустенита на феррит и цементит. Этот процесс идет по-разному в доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталях, но сущность его одна:

А => Ф+Ц

Процесс распада аустенита на феррит и цементит носит диффузионный характер, так как сопровождается перемещением атомов углерода на сравнительно большие расстояния. Естественно, для этого требуется определенное время, и дисперсность продуктов распада будет зависеть от степени переохлаждения или скорости охлаждения.

Рассмотрим процесс распада  аустенита на примере эвтектоидной стали. Это превращение состоит из трех этапов:

1. Перегруппировка атомов из  решетки аустенита (ГЦК) в решетку  феррита (ОЦК);

2. Выделение мельчайших частичек  цементита;

3. Рост частиц цементита пластинчатой  формы в феррите

Таким образом, при медленном охлаждении эвтектоидной стали формируется структура пластинчатого перлита. Увеличение скорости охлаждения приводит к понижению критических точек по сравнению с равновесной диаграммой - распад аустенита будет происходить не при температуре 723⁰С, а несколько ниже. При этом скорость диффузии уменьшается, частички цементита не успевают вырасти, твердость повышается. Структуры с более мелкими частичками цементита (по сравнению с цементитом перлита) называются сорбитом и троститом. Условия образования продуктов распада аустенита и их свойства условно можно представить в следующем виде.

 

 

 

Скорость охлаждения 0/сек.	Получаемая структура	Примерный размер частичек цементита, мм	Твердость, НВ
<50	Перлит	1 - 9*10-3	<260
50-100	Сорбит	1 - 9*10-4	260-300
100-150	Тростит	1 - 9*10-5	350-400

 

 Таким образом, при сравнительно медленных скоростях  охлаждения формируются структуры перлита, сорбита и тростита, состоящие из феррита и цементита, которые различаются только размером частичек цементита и твердостью.          

В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях распад аустенита протекает  аналогично с той лишь разницей, что до начала образования перлита выделяется избыточный феррит или цементит соответственно.

 

3. Режимы термической обработки, температура и продолжительность выдержки при данной температуре, скорость нагрева и условия охлаждения.

Режим термической обработки включает в себя следующие составляющие: скорость нагрева, температуру нагрева, продолжительность выдержки, скорость охлаждения.

Скорость нагрева выбирается в  зависимости от теплопроводности стали (химического состава)  и формы детали. Если теплопроводность стали высокая, то и скорость нагрева может быть больше. При этом следует иметь в виду, что у большинства легированных сталей теплопроводность ниже, чем у углеродистых, и быстрый нагрев может привести в них к возникновению напряжений и трещин. Заготовки или детали простой формы по той же причине можно греть быстрее, чем сложной.

Температура нагрева зависит от состава стали и вида термообработки. Для углеродистых сталей она может  быть определенна по диаграмме Fe₃C, для легированных приводится в справочниках. Отметим, что для каждой стали при определенном виде термообработки эта температура величина постоянная.

Продолжительность выдержки зависит  главным образом от размеров деталей  и условий нагрева. При нагреве  деталей в газовых или электрических  печах выдержка обычно назначается из расчета 1,5-2 мин. на 1мм максимальной толщины детали (при условии что детали в печи не соприкасаются друг с другом). При нагреве в жидких средах (например, в соляных ваннах), где условия теплообмена очень высоки, продолжительность выдержки берется 10-15 сек. на 1мм толщины.

Скорость охлаждения обычно задают охлаждающей средой (охлаждение в  печи, на воздухе, в масле, в воде, в специальных средах).

Режим термической  обработки удобно задавать графиком в координатах температура-время

Отжиг стали

Отжигом называют вид термической обработки состоящий в нагреве  стали до определенной температуры, выдержке и медленном охлаждении.          

В процессе отливки, прокатки или ковки стальные заготовки  охлаждаются неравномерно, что приводит к неоднородности структуры и свойств, возникновению внутренних напряжений. При затвердевании отливок кроме того возможно появление внутри кристаллитной ликвации (химической неоднородности по сечению зерна). В сварных соединениях также наблюдаются неоднородности структуры, свойств и внутренние напряжения. 

Для устранения различного рода структурных  неоднородностей проводят отжиг.

Различают несколько видов отжига различающихся по технологии выполнения и цели. Для измельчения зерна перегретой стали, снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием применяют полный, неполный,   изотермический отжиги и отжиг на зернистый перлит. Для уменьшения внутреннего напряжения, снижения твердости, повышения пластичности и изменения формы зерен холоднодеформированного металла применяют рекристаллизационный отжиг. Для устранения внутрикристаллитной ликвации в легированных сталях - высокотемпературный диффузионный отжиг.  

Полный отжиг проводится для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей. Температура нагрева на 30-50⁰С выше А₃, т.е. структуру полностью переводят в аустенитное состояние. После выдержки сталь медленно охлаждают в печи. Скорость охлаждения углеродистых сталей 100-150 ⁰/час, легированных -  30-40 ⁰/час. Структура стали после полного отжига получается феррито-перлитная, т.е. такая, как по диаграмме Fe-C. 

Неполный отжиг проводят практически для инструментальных заэвтектоидных сталей, только в том случае, если в структуре нет цементита по границам зерен (сетка цементита). Если есть сетка цементита, то для ее устранения применяют нормализацию, что будет рассмотрено ниже. Температура нагрева на 30-50⁰ выше А₁  (750-780⁰С). При нагреве структура будет состоять из аустенита и цементита, после медленного охлаждения из перлита и цементита. 

Изотермический отжиг проводят с той же целью, что и полный, но время на его проведение требуется меньше. После нагрева до температуры на 30-50⁰ С выше А₁, выдержке для выравнивания температуры по сечению, сталь подстуживают немного ниже А₁ (650-700⁰С) и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита на феррит и перлит, дальнейшее охлаждение с любой скоростью.