28.03.2018

Процесс кристаллизации


Кристаллизация при непрерывном литье зависит от разливочных факторов, и в первую очередь от характера охлаждения. Имеются случаи, при которых должны приниматься меры необычного порядка.

Так, фирма Maximilianshutte в 1950 г. в связи с процессом охлаждения путем присадки мелких кусков плавящегося материала указывала, что добавка примерно до 20% подобного (однородного) или 1% другого (отличного от основного) материала может привести к образованию центров кристаллизации в затвердевающей заготовке.

Введение элементов, создающих центры кристаллизации, в сталь по предложению фирмы Thyssen Hiitte AG упомянуто далее.

По предложению Kaiser-Wilhelm Institutes fur Metalforschung (1941 г.) с целью получения мелкозернистых отливок в затвердевающий расплавленный металл вводили охлаждаемый вибратор.

Охаждение вибратора должно быть таким, чтобы обеспечить образование на его нижней части тонкой затвердевшей корки дендритных кристаллов, а характер колебаний вибратора должен обеспечивать их стряхивание.
На рис. 1465 дендриты представлены в увеличенном масштабе радиальными штрихами 2, стрелками показано направление движения охладителя. Вибратор выполняется преимущественно из угля, графита и керамической массы.

Чрезвычайно трудно поддерживать процесс охлаждения вибратора так, чтобы количество стряхиваемых кристаллов точно соответствовало количеству вновь образующихся.

При образовании слишком толстой затвердевшей корки на заготовке охлаждение можно отключать или даже заменить на обогрев. При этом корка расплавляется лишь настолько, чтобы сохранить центры кристаллизации, которые создают мелкозернистую структуру.

Нельзя допускать, чтобы виброохладитель охлаждал верхнюю поверхность расплавленного металла. В примере, показанном на рис. 1465, это достигается тем, что корпус охладителя 1 снабжается теплоизоляцией 3 в зоне зеркала ванны.

В примере на рис. 1466 охладитель совмещен с обогревателем 4.

По методу фирмы Vereinigte Leichtmetall-Werke управление структурой металла, получающейся при непрерывном литье, осуществляется следующим образом. Жидкий металл полностью или частично, перед тем как он попадает к фронту кристаллизации в расплавленной части заготовки, проходит по большой поверхности, имеющей температуру ниже точки плавления отливаемого металла. При этом происходит местная кристаллизация в ограниченном пространстве, не связанном с фронтом кристаллизации заготовки. Режим литья подбирается таким, чтобы на пути, который должен пройти металл от плавильной печи или ковша до кристаллизатора, обеспечивалось образование определенного числа центров кристаллизации. Установлено, что этот метод позволяет без применения каких-либо других мер и введения легирующих присадок получать металл, имеющий чрезвычайно мелкозернистую структуру.

Можно предположить, что на участке, где происходит предварительная кристаллизация, имеет место непрерывная смена процессов кристаллизации и растворения, поскольку получается тот же эффект, что и при расплавлении вводимого извне твердого материала. При этом, однако, исключаются недостатки, присущие методу введения твердых присадок (например, у легких металлов введение окисленной пленки).

Очень важно, чтобы превышение температуры жидкого металла над температурой плавления на промежутке пути от участка предварительной кристаллизации до фронта кристаллизации заготовки было минимальным. Для алюминия, например, температура жидкого металла должна поддерживаться на уровне не выше 700°, а лучше 680°. Эффективность метода тем выше, чем быстрей происходит обмен материала между жидкой и твердой фазами на участке предварительной кристаллизации. С этой целью в качестве поверхности предварительного охлаждения можно использовать охлаждаемую вращающуюся внутри расплавленного металла оправку (дор) либо поверхность предварительного охлаждения делать неподвижной, а периодически изменять направление движения жидкого металла. Можно еще применить закономерное изменение интенсивности охлаждения различных частей поверхности предварительного охлаждения. Описанный метод позволяет устранить образование текстуры металла при непрерывном литье.

Метод фирмы Jervis Corporation основан на одновременном применении вибрации (преимущественно ультразвуком) и электрического поля постоянного тока. Метод особенно целесообразен при изготовлении заготовок для постоянных магнитов.

Как известно, можно получить постоянный магнит большей силы, если намагничивание его производить не при комнатной температуре, а в процессе охлаждения после предварительного нагрева до температуры выше точки Кюри. Под действием сильного нагрева происходит разупрочнение кристаллов, облегчающее процесс их ориентации. На рис. 1467 представлено устройство для непрерывного литья по описанному методу.

Подлежащий отливке магнитный материал 1 плавится в тигле 2 с помощью высокочастотного индуктора 3. Расплавленный металл при подъеме стопора из огнеупорного материала 4 поступает в непосредственно примыкающий к тиглю водоохлаждаемый кристаллизатор 5, отверстие которого соответствует сечению изготовляемых магнитов.

Из кристаллизатора металл выходит в виде затвердевшей непрерывной заготовки 6. Цифрой 7 обозначены вытягивающие валки. В стенку кристаллизатора встроен звукопередатчик 8, с помощью которого колебания передаются расплавленному металлу, заполняющему формирующую полость через охлаждающую воду и внутреннюю стенку кристаллизатора. Звукопередатчик соединен с генератором высокой частоты 9. Цифрой 10 обозначена электрически изолированная проходная втулка. Для возбуждения магнитного поля служит генератор постоянного тока 11, катушка 12 и сердечник 13. Верхняя часть кристаллизатора 5 выполнена преимущественно из магнитных, а внутренние стенки, наоборот, из немагнитных материалов. При этом магнитные силовые линии, выходящие из верхнего конца сердечника 13, пронизывают отливаемый материал в формирующей полости.

Силовые линии проходят сперва через расплавленную, затем через полузатвердевшую и, наконец, через твердую части заготовки, пройдя затем через воздушный зазор 14, они замыкаются в нижнем конце сердечника.

Высокочастотные колебания расплавленного и полузатвердевшего металла способствуют измельчению кристаллической структуры затвердевшей заготовки. Получение на установке мелкозернистой структуры высокой гомогенности обеспечивает изготовление магнитов большей силы, чем при ранее существовавших способах.

Действие магнитного поля может быть усилено при применении пульсирующего постоянного тока.

По методу фирмы Continuous Metalcast непрерывная заготовка подвергается действию электромагнитного поля, создаваемого постоянным током в месте, где она переходит точку Кюри (это соответствует температуре 780° или несколько ниже).
Употребляемая интенсивность поля равна 1000 эрст или больше. В результате кристаллы получают ориентацию, соответствующую направлению силовых линий, а это приводит к более плотному и равномерному распределению карбидов, выпадающих в последнюю очередь, что обеспечивает стали хорошую обрабатываемость.

Рис. 1468 разъясняет принцип работы установки по данному методу.

Пунктирная линия 1 показывает участок, соответствующий температуре точки Кюри. Цифрой 2 обозначена индукционная катушка.

При непрерывном литье легких и тяжелых металлов, склонных к образованию трещин в результате усадки, в особенности цинка и низколегированных цинковых сплавов, фирма Vereinigte Deutsche Metalwerke наряду с поддержанием малой глубины жидкой лунки с помощью распределителей прерывала процесс роста зерен путем «прочесывания» дна лунки стальной проволокой или угольным стержнем. Фирма получила при этом заготовки с поразительно мелкозернистой структурой.

По этому методу, например, удалось получить безупречный слиток сечением 180х550 мм из 99%-ного цинка. Температура расплавленного металла составляла 455—465°, скорость разливки 35 мм/мин. В кристаллизаторе высотой 80 мм поддерживался уровень металла 45 мм.

Чтобы увеличить длину участка пути, проходимого металлом в кристаллизаторе в жидком состоянии, и улучшить тем самым интенсивность охлаждения при непрерывной додаче заготовки, что особенно важно при литье металлов, обладающих плохой теплопроводностью, фирма Thyssen Hutte AG :в 1949 г. рекомендовала обеспечить сильное переохлаждение отливаемого металла. Для этого необходимо иметь металл свободным от центров кристаллизации.

В условиях непрерывного литья стали исключается осадочное раскисление и длительное отстаивание расплавленного металла. Параметры кристаллизатора должны исключать возможность выхода заготовки в незатвердевшем виде. Чтобы во всех случаях надежно обеспечить выполнение этого условия, целесообразно форсировать затвердевание заготовки добавкой элементов, способствующих образованию центров кристаллизации.

Особо крупная транскристаллизация стали создает трудности при горячей обработке, поэтому стремятся получить по возможности более мелкозернистую структуру. Фирма Bohler в 1951 г. установила, что присаживаемые с этой целью стимулирующие материалы, например в виде проволочной сетки из того же материала, что и отливаемая заготовка, в количествах, доходящих до нескольких процентов от веса отливаемого металла, целесообразно заменить тонкоизмельченным веществом в объеме до 1% от веса отливаемого металла. Это вещество нужно вдувать либо в струю жидкого металла, либо подавать на поверхность расплавленной ванны в кристаллизаторе.

Подходящими материалами для такой цели являются: алюминий, титан, титановые сплавы, цирконий, циркониевые сплавы, кальций, силико-кальций, ванадий, ванадиевые сплавы, карбиды этих металлов и многие другие вещества. Крупность частиц вдуваемого порошка не должна превышать 1 мм, а лучше 0,25 мм.

Так, например, существенное измельчение структуры хромоникелевых сталей получилось при применении сплава состава 15% Ca, 30% Si, 10% Ti, 10% Al, 3% сплава церий-лантан, остальное железо, углерод и другие обычные примеси.

В связи с этим следует упомянуть предложение фирмы Compagnie des Forges de Chatillon (1936 г.), касающееся непрерывного литья стали в длинную открытую сверху изложницу в форме желоба и предусматривающее физическое или химическое воздействие на незатвердевшую поверхность стали с целью изменения ее состояния или состава. В своем предложении французская фирма указывала следующие средства воздействия: вдувание воздуха, пара, дымовых газов или жидкости, введение твердых металлических или неметаллических, расплавляемых или нерасплавляемых частиц.





Яндекс.Метрика