РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРО-ОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ КРУПНЫХ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК
В аналитических исследованиях процессов затвердевания стали вводится ряд ограничений, которые не учитывают многие реальные процессы, сопровождающие кристаллизацию металла в изложнице - изменение температуры в жидкой сердцевине, градиент температур от жидкого к твёрдому, толщину двухфазной зоны, движение жидкого металла в незатвердевшей части слитка, оседание кристаллов, зарождающихся перед фронтом кристаллизации, и другие явления. Анализ процесса затвердевания производится только для небольшого участка в поперечном направлении, при этом не учитывается развитие процесса в вертикальном направлении, образование широкой двухфазной области в нижней части слитка, неравномерный отвод теплоты по высоте изложницы и другие осложняющие обстоятельства. Из-за весьма сложных условий, в которых развивается процесс затвердевания крупных стальных слитков в изложницах, затруднительно создать математическую модель процесса, которая охватывала бы весь период затвердевания слитка и была бы пригодна для описания процесса затвердевания в любой точке слитка [90-92].
Поэтому при изучении затвердевания крупных стальных слитков большое значение приобретают экспериментальные методы [93].
Главной задачей экспериментального исследования процесса затвердевания крупных стальных слитков является определение положения границы раздела твёрдой и жидкой фазы в различные периоды после заливки стали в изложницу и определение времени полного затвердевания слитка. Эта задача осложняется тем, что на определённых этапах затвердевания слитка, наряду с твёрдой и жидкой областями, в кристаллизующемся слитке возникают жидко-твёрдая и твёрдо-жидкая области, которые разграничивают жидкую и твёрдую части слитка.
Применяемые методы исследования процесса затвердевания стальных слитков должны обеспечить выявление механизма формирования структурных зон стальных слитков [94].
Применяемые до сих пор методы исследований процесса затвердевания стальных слитков можно разделить на следующие группы:
1. Метод выливания жидкого остатка.
2. Метод введения радиоактивных изотопов.
3. Метод введения серы.
4. Метод обычного и дифференциального зондирования.
5. Термопарный метод или метод измерения температуры в различных точках затвердевающего слитка.
6. Расчётное определение положения фронта затвердевания по экспериментально установленному температурному полю изложницы.
Из вышеперечисленных методов исследований наиболее точными считаются методы выливания жидкого остатка и метод радиоактивных изотопов. Но метод выливания жидкого остатка имеет существенный недостаток - из твёрдо-жидкой зоны не полностью удаляется жидкая фаза, а с грани, на которую идёт слив, смывается слой металла, что несколько снижает точность метода и реализация его сопряжена с определёнными сложностями, связанными с выливанием жидкой стали из изложницы в условиях разливочного пролёта. Кроме того, каждое выливание даёт только одно измерение толщины наросшей корочки в данный момент времени и для набора необходимого массива данных требуется повторение эксперимента, что связано с большими трудностями и финансовыми затратами. Радиоактивные изотопы не проникают в двухфазную область, что несколько снижает точность метода, кроме того, метод введения радиоактивных изотопов в основе своей связан с радиоактивной опасностью и весьма вреден для здоровья исследователей и работников, связанных с обработкой металла слитка с изотопами. Метод введения серы обладает недостаточной точностью из-за медленного распределения серы по объёму жидкой фазы после ввода, поэтому фиксация индикаторной серы нарастающей твёрдой фазой происходит через некоторый промежуток времени после фактического момента ввода.
На основании вышеизложенного одной из задач настоящего исследования стал поиск активного вещества способного эффективно заменить радиоактивные изотопы и серы при исследовании процессов затвердевания стальных слитков.
2.1. Термодинамические особенности процессов затвердевания крупных стальных слитков при введении редкоземельных элементов в жидкий металл
Анализ научно-технической информации, опыт применения активных и радиоактивных элементов в металлургии, опыт собственных исследований и термодинамический анализ реакций различных элементов с примесями жидкой стали показали, что наибольший интерес, в плане замены радиоактивных изотопов при изучении процессов структурообразования при затвердевании стальных отливок, могут представлять редкоземельные элементы.
Как уже рассматривалось в разделе 1.3., при введении РЗЭ в форму с затвердевающим металлом наблюдается перераспределение примесей (серы и кислорода) в объёме кристаллизующегося металла. Изменения в распределении примесей легко зафиксировать методами химического анализа, травлением на выявление макроструктуры, методом снятия серных отпечатков по Бауману. Опыт исследований взаимодействия РЗЭ с элементами примесями показывает, что химическое сродство к кислороду настолько высоко, что даже при вводе их в глубоко раскисленную сталь образуются оксиды РЗЭ [18,95-99].
В таблице 2.1 приведены некоторые термодинамические и физические свойства соединений-продуктов взаимодействия активных элементов (обычно применяемых элементов-раскислителей и элементов лантаноидной группы) с кислородом и серой при температуре 1900 К.
В общем виде реакцию взаимодействия элементов-раскислителей с кислородом в жидкой стали и константу её равновесия можно представить:
m[E] + n[O] = (EmOn), (2.1)
Таблица 2.1.
Физико-химические и физические свойства соединений активных элементов с примесями стали
Соеди-нение Термодинамические характеристики образования 1 моля соединения при 1900 КПлот-ность, г/см3Темпе- ратура плавле-ния, КПараметры решетки, нМ Тип реше- тки?H,
кДж/моль?G,
кДж/мольКонстанта равновесия
с