7.1 Цель работы

Изучить на прозрачных моделях кинетику процесса кристаллизации слитков.

7.2 Теоретические сведения

В реальных условиях процесс кристаллизации в значительной мере зависит от имеющихся готовых центров кристаллизации. Такими центрами могут быть твердые частицы разнообразных примесей, стенки формы. Особенно эффективны частицы таких веществ, которые по своему кристаллическому строению похожи на затвердевающий металл. Форма зерен, образующихся при кристаллизации, зависит от условий их роста, главным образом от скорости и направления отвода теплоты, температуры жидкого металла, от характера и количества примесей. Рост зерна происходит по дендритной (древовидной) схеме (рис.7.1).

Установлено, что наибольшая скорость роста кристаллов наблюдается по таким плоскостям и направлениям решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви, которые называются осями кристалла первого порядка. Затем на этих осях появляются и растут ветви второго порядка и т.д. Одновременно идет кристаллизация в участках между осями дендритов. Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом. После этого окончательно заполняются межосные пространства и дендриты превращаются в полновесные кристаллы с неправильной внешней формой. Такие кристаллы называются зернами или кристаллитами.

Скорость кристаллизации, величина усадки и соотношение кристаллических зон в металлическом слитке зависят от температуры, химического состава, скорости разливки, направления тепловых потоков, свойств металла и условий теплоотвода в изложнице.

В данной лабораторной работе в качестве моделирующего вещества используют тиосульфат Na₂S₂O₃·5H₂O. Тиосульфат плавится при температуре 65⁰ С.

Затвердевание корки слитка подчиняется закону квадратного корня

, (7.1)

где δ – толщина затвердевшего слоя металла, мм;

К – коэффициент затвердевания, который в зависимости от состава металла и условий затвердевания изменяется в пределах 2,5…2,8 мм/мин^0,5;

τ – время затвердевания, мин.

Из формулы (7.1) может быть определена скорость кристаллизации:

. (7.2)

7.3 Материалы, оборудование и принадлежности

Для выполнения лабораторной работы необходимы: лабораторный стенд с моделями изложниц, тиосульфат, электроплита, термометр, плавильная емкость.

Общий вид лабораторного стенда приведен на рисунке 7.2, который включает две изложницы (№1 и №2). Корпус изложниц изготовлен из алюминия, в котором имеются каналы для принудительного охлаждения водой. Стенки выполнены из съемных пластин органического стекла, на которых имеются миллиметровые шкалы сбоку и снизу, позволяющие следить за наращиванием кристаллов.

Вода для принудительного охлаждения тиосульфата подается и отводится с помощью гибких шлангов. Таким образом, в изложницах получают две модели слитков: №1 – без принудительного охлаждения, № 2 – с принудительным охлаждением проточной водой. На стенде предусмотрена подсветка снизу и сбоку (перпендикулярно плоскости изложниц) для удобства наблюдения.