Образование зародышей кристаллов.

РАЗЛИВКА СТАЛИ

После внепечной обработки жидкая сталь поступает на разливку. Разливка стали — завершающая стадия сталеплавильного процесса, в результате которой сталь из жидкого состояния переходит в твердое и приобретает форму непрерывнолитой заготовки или слитка определенных форм, размеров и массы. После разливки, заготовки или слитки поступают на горячую пластическую деформацию, в большинстве случаев на прокатку, с получением плоской (листовой) или длинномерной (сортовой — круг, квадрат, уголок, балка, рельс) продукции.

В общем случае процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое Ж — Тв называют отвердеванием. Твердое вещество может иметь кристаллическую структуру, и тогда переход Ж — Тв называют кристаллизадией. Если твердое вещество имеет аморфную (некристаллическую) структуру, то переход Ж — Тв называют аморфизацией (стеклованием). Расплавленные металлы и сплавы при обычно реализуемых в промышленности условиях отвердевают с образованием кристаллической структуры. Только при скоростях охлаждения > 10^ +6 К/с небольших масс расплавов (например, Fе-В, Fе-Р, Мg-Zn, Тi-Ве и др.) удается получить аморфную структуру вещества в твердом состоянии. Это так называемые металлические стекла, метласы.

Различают два способа разливки: непрерывную на установках непрерывной разливки стали (УНРС) и в слитки.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Различают гомогенную и гетерогенную кристаллизации. В первом случае зародыши будущих кристаллов образуются самопроизвольно (гомогенно) в переохлажденной металлической жидкости, имеющей температуру менее температуры кристаллизации

(плавленкя). Во втором случае в качестве зародышей выступают твердые частицы того же сплава или посторонних веществ, изложницы 1 или кристаллизатора 2.

Образование зародышей кристаллов.

При гомогенном образовании зародьишей в пересыщенной жидкости в системе происходит изменение энергии Гиббса G∑

∆G ∑ = ∆ GV + ∆ GS

где - ∆ GV изменение энергии при переходе части атомов из 2 кого переохлажденного состояния в более вероятное твердое GV < О; GS — изменение энергии при образовании поверхности раздела между старой жидкой и новой твердой фазами, GS >0

В случае образования зародыша в форме шара РАДИУСОМ r

G∑ = -4/3 r (d / M) * Hпл ( T / Tпл) + 4 r …….(1)

Где - r радиус зародышам; м, d— плотность металла, кг/м3, М – молекулярная масса, кг/моль, пл — скрытая теплота, Дж/моль

Нпл > О; Т = Тпл — Т — переохлаждение, К; Тпл — температура плавления, К; Тпл — температура переохлажденной жидкостисти, К; — межфазное натяжение, дж/м2

Графическое представление выражения (12.1) дает рис. 1.

Из рисунка видно, что в системе Ж — Тв имеется область термодинамически маловероятного состояния, в которой рост зародыша от размеров r = О, до r = приводит к увеличению энергии Гиббса системы (возрастание G от О до максимума на кривой G∑) < 0

Однако самопроизвольно процессы могут протекать только в том случае, если энергия Гиббса системы уменьшается, G∑ < 0.Последнее имеет место, если возникший зародыш больше критического, r > r кр.

Положение максимума на кривой G∑ отвечает критическому радиусу зародыша. Значение r кр рассчитывают по закону поиска экстремума функции (1):

() / r = 0, отсюда

rк = (2 пл / Hпл * T) * M / d,

Из выражения (12.2) вытекает, что при прочих равных условиях на величину критического зародыша (в конечном счете на размер первичного зерна отливки) наиболее сильное влияние оказывает переохлаждение Т (рис. 73).

При гетерогенной кристаллизации роль готовых зародышей Выполняют твердые частички, находящиеся в металлическом расплаве. Наибольшую зародышеобразующую роль играют частички, которые удовлетворяют принципу физического, структурного и размерного соответствия кристаллизующемуся металлу. При гетерогенной кристаллизации практически отсутствует переохлаждение расплава.

Усадка и усадочные поры

Удельный объем жидкой стали (Vу_Д^ж, м³/кг) при температуре отвердевания на 3-4,5 % больше удельного объема твердой (Vуд™, м³/кг). Поэтому в момент перехода Ж -> Тв происходит скачкообразное уменьшение объема металла. Это приводит к усадке и возникновению усадочных раковины, пор и рыхлости. Хотя объем усадки V =V _уд^ж - Vуд™ равен 3-4, 5 % от всего объёма металла, усадочные раковины, поры и рыхлости могут поразить значительную часть слитка или отливки. Для получения качественного слитка усадочную раковину следует сосредоточить в определенном месте (в головной части), которое при пластической деформации отрезают и передают на переплав как стальной оборотный лом. Последний - может достигать 12-25 % от массы слитка. При отливке слитков головную (прибыльную) часть слитка утепляют, теплоизолируют и часто обогревают путем засыпки зеркала металла экзотермическими (тепловыделяющими) порошками (люнкеритами). Это позволяет длительное время поддерживать в головной части слитка металл в жидком состоянии, а кий металл, стекая вниз, заполняет усадочные поры в теле с При непрерывной разливке, когда подряд разливают множество плавок (от 1 до 100) потери металла от усадки незначительны; усадочная раковина размещается в конце последней заготовки эта часть как оборотный лом поступает на переплав.

Дата добавления: 2015-07-08