Структурни зони в стоманен слитък

Най-трудната и важна задача за получаване на висококачествени големи стоманени блокове е да се увеличи тяхната физическа хомогенност. Получаването на хомогенен слитък обаче е трудно поради различни условия на кристализация на стомана в различни зони под влияние на неравномерно разпределение на температурните полета, свиване, разделяне на примесите, форма и размер на слитъка и други фактори. Очевидно е едно обстоятелство - всички видове нехомогенност се увеличават с увеличаване на масата на слитъка.

Според много учени седем основни структурни зони могат да бъдат условно разграничени в голям слитък (Фигура 3.4).

Фигура 3.4 - Структурни зони в голям стоманен слитък: 1 - зона на кора, 2 - зона на колонен кристал, 3 - зона на преход на равноосни кристали, 4 - зона на големи равноосни кристали, 5 - конус на отлагане, 6 - V-образна зона на нехомогенност, 7 свиване кухина

В същото време макроструктурната хетерогенност, дължаща се на различни форми на кристализация на стомана, се наблюдава главно в зони 1-5, а физическата нехомогенност, причинена от процесите на свиване на стоманата - в зони 6 и 7.

Два основни параметъра имат решаващо влияние върху формирането на структурни зони и физическата нехомогенност в слитъка:

стойността на интервала на кристализация между температурите на ликвидус и солидус (Tcr, K);
температурен градиент в обемите на втвърдяване на стомана Т, който характеризира интензивността на охлаждане на слитъка.

В зависимост от съотношението Tcr/T има три следните условия за формиране на структурата на слитъка.

1. Ако Tcr/T 1, тогава настъпва насипна кристализация, придружена от зародиш на кристали в целия втвърдяващ се обем и диспергиране на кухини на свиване под него под формата на порьозност.

В доста опростена версия за стоманени блокове можете да се ограничите до три характерни кристални зони:

зона на кора с дебелина 5-10 mm, състояща се от малки кристали, близки до равноосните, чиито оси от първи ред са разположени главно перпендикулярно на повърхността на слитъка;
зона от колоновидни кристали, чиито оси от първи ред са ясно насочени перпендикулярно на повърхността на слитъка (в случай на изливане на прегрята стомана, колоновидните кристали достигат оста на слитъка и това явление се нарича транскристализация);
зона от неориентирани кристали, която заема цялата средна част на слитъка и се състои от големи кристали с произволно насочени оси от първи ред.

Естеството на подреждането на зоните на колоновидни (периферни) и равноосни (централна зона) кристали е показано на снимката на гравирания надлъжен шаблон на слитък с маса 13,6 тона (фиг. 3.5).

Фигура 3.5 - Типично разположение на структурни зони в надлъжния разрез на слитък с тегло 13,6 t

Преходът от зоната на колоновидни кристали към неориентирани кристали е свързан с величината на температурния градиент в течната част на слитъка на фронта на втвърдяване. Посоченият преход възниква, когато този градиент достигне определена минимална стойност. С увеличаване на скоростта на охлаждане дебелината на колонообразната кристална зона се увеличава. Ако металът се излива при много ниска температура, тогава зоната на колоновидните кристали практически не се формира.

Общата картина на динамиката на втвърдяване на стоманен слитък може да бъде представена схематично чрез следните характерни етапи (Фигура 3.6).

Образуването на коровата зона и колоновидните кристали (Фигура 3.6, а) се случва при условия на прегряване на метала в течната сърцевина на слитъка и наличие на достатъчно силни конвективни потоци. Например, резултатите от измерванията на температурата показват, че прегряването на метала в течната сърцевина на слитък с тегло 20-30 тона продължава 30-40 минути. След отстраняване на прегряването настъпва интензивно образуване на двуфазна зона, чието развитие, в комбинация с конвективни потоци, до голяма степен определя образуването на конус за отлагане, зонална нехомогенност на слитъка и кристалната структура на централната зона на слитъка (Фигура 3.6, b, c).