3.2 Кинетика кристаллизации

Развитие процесса кристаллизации связано с ростом возникших зародышей. В соответствии с теорией кристаллизации процесс кристаллизации расплава определяется соотношением таких физическо-кинетических факторов, как интенсивность зарождения центров кристаллизации v_з.ц. и линейная скорость роста этих центровv_с.р.Обе эти характеристики зависят от величины переохлаждения расплава.

С увеличением переохлаждения число центров кристаллизации быстро увеличивается, достигает максимума, а затем уменьшается при дальнейшем росте переохлаждения. Линейная скорость кристаллизации быстро растет с увеличением переохлаждения, а затем остается практически постоянной. кристаллизация при определенном значении переохлаждения рассматривается как изотермический процесс.

Линейная скорость кристаллизации зависит не только от величины переохлаждения, но также и от механизма роста кристалла. Если рост кристалла рассматривается как результат образования на его гранях двумерных зародышей, линейная скорость кристаллизации определяется выражением:

где К_v имеет смысл константы скорости кристаллизации и является сложной функцией, учитывающей физические условия и характеристики кристаллизующегося вещества; ΔТ_от= ΔТ/Т_кр – относительное переохлаждение иn– число зародышей в единице объема.

Если рост зародыша происходит путем развития винтовых дислокаций, то скорость роста определяется как:

3.3 Кристаллизация промышленных слитков

Формирование макроструктуры слитка протекает в условиях сложного теплофизического процесса кристаллизации стали в изложнице, сопровождаемого перемещением металла, перераспределением составляющих ее элементов, и содержащихся в ней неметаллических включений и газов, а также явлениями усадки жидкой стали, порождающей пустоты, и обусловливается кристаллографическими особенностями роста кристаллов.

Виды переохлаждения жидкой стали в изложнице:

Существует 2 вида переохлаждения: термическое и «концентрационное».

Термическое переохлаждение вызывается понижением температуры расплава по сравнению с равновесной. В чистых металлах, имеющих при постоянном давлении постоянную температуру плавления, при которой твердая фаза находится в равновесии с жидкой фазой, может возникать только термическое переохлаждение.

В сплавах, где ликвидус и солидус не совпадают, равновесие между твердой и жидкой фазами может существовать при их различном составе. В данном случае у фронта кристаллизации возникает «концентрационное» переохлаждение.

Образование кристаллических зон слитка.

Формирование кристаллических зон слитка протекает в условиях гетерогенного процесса зарождения и роста кристаллов, развивающегося в термически и концентрационно переохлажденном расплаве, и в соответствии с этим представляет собой сочетание последовательной и осадочной кристаллизации.

Реально протекающий процесс кристаллизации металлов усложняется действием различных факторов, в столь сильной степени влияющих на процесс, что роль степени переохлаждения может стать второстипенной. На скорость процесса кристаллизации из расплава и форму образующихся кристаллов основное влияние оказывают скорость и направление отвода тепла, наличие нерастворившихся частиц (центров кристаллизации) и т.д. Сочетание влияния этих факторов с законами кристаллизации и определяет особенности строения металлических слитков.

Затвердевание металла, залитого в изложницу, начинается на ее охлажденных стенках. В результате такого резкого градиента температур образуется наружная мелкозернистая корка 1, состоящая из мелких дезориентированных кристаллов-дендритов.

После образования самой корки изменяются условия теплоотвода и резко уменьшается градиент температур и снижается степень переохлаждения металла. Образуется продвигающийся внутрь сплошной фронт, составленный из оконечностей соседних дендритных кристаллов. В результате образуются кристаллы, у которых направление наибыстрейшего роста (ось дендрита) близко к нормали к подложке (к стенке изложницы). При этом увеличивается площадь фронта, занимаемого каждым кристаллом. На расстояниях от стенки, заметно превышающих среднее расстояние между зародышами, все кристаллы в слитке имеют продолговатую форму и почти параллельны друг другу – зона столбчатых кристаллов – 2. По мере увеличения зоны столбчатых кристаллов ее тепловое сопротивление увеличивается и охлаждение центральной части залитого в изложницу металла замедляется. Возникает третья зона слитка – зона равновесных кристаллов 3.

Неоднородность стального слитка.

Развитие дефектов внутреннего строения слитков связано с особенностями их кристаллизации. После образования зоны столбчатых кристаллов и снятия перегрева в жидкой части слитка, вблизи фронта затвердевания могут зарождаться кристаллы, которые под действием силы тяжести переносятся в донную часть слитка. Это – первичное осаждение кристаллов. Затем происходит образование нижней части конуса осаждения путем промерзания жидкости между выпавшими здесь кристаллами. За счет развития переохлаждения в оставшейся жидкой сердцевине слитка протекает процесс вторичного осаждения кристаллов. Образующаяся довольно протяженная по высоте дфухвазная область имеет в верхней части коническую форму. За счет усадочных явлений в двухфазной образуются разрывы, которые заполняются ликватами, формируя V-образную и Λ-образную неоднородности. На последнем этапе затвердевания эти виды неоднородности формируются вместе с усадочной раковиной и расположенной под ней зоной максимальной ликвации.

Ликвация (химическая неоднородность) и ее степень обусловливаются многими факторами, среди которых следует отметить температурный интервал затвердевания, содержание ликвирующих элементов, характер использованных раскислителей, массу слитка и условия его охлаждения, количество выделяющихся газов.

Различают 2 группы ликвации в слитке:

1. Микроскопическая ликвация – в малых объемах, в которой различают ликвацию в пределах одного кристалла, так называемую внутрикристаллическую (внутридендритную) или вокруг металлического зерна (кристалла) – межкристаллическую или междендритную.

2. Макроскопическая ликвация – в больших объемах, к которой относятся такие формы ликвации, как зональная (или внеосевая – Λ-образная), осевая (V-образная), ликвация у газовых пузырей, обратная ликвация.

Микроскопическая и макроскопическая ликвации находятся в прямой связи, т.е. с увеличением степени микроликвации (первичной ликвации) повышается степень макроликвации (вторичной).

В характерных зонах слитка располагается внецентренная или Λ-образная ликвация «усы». В центральной зоне наблюдается осевая или V-образная неоднородность. В головной части слитка – область положительной ликвации примесей, а в донной – отрицательной (донный конус). Все пороки увеличиваются с ростом массы слитка.