книги из ГПНТБ / Сергеев, А. Б. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали

дрического слитка поверхность раздела ф аз

со к р ащ ае т ­

ся ,

и в результате удельной тепловой поток, приходящ ий ­

ся

на единицу площ ади ф ронта, изменяется

м ал о , а на

заклю чительной

стадии затвердевания он д а ж е увеличи ­

вается .

подтвердить

и

следую щ им при бли ж ен ­

Э то м ож но

ным ан али зом ,

проведенны м

в

предполож ении , что ск о ­

плоотводом (оно справедливо для

центральны х объемов

сл и тка , н аплавляем ого с

повыш енной

скоростью , а т а к ­

ж е

в усл ови ях

вращ ения

ж и дкой

ван н ы ). Тепловой

по­

ток

через цилиндрическую

стенку-корку

слитка, вы чи­

сленный для

1

см ее вы соты , составляет

(без учета

о се ­

вого теплоотвода, которым при бы стром

наплавлении

слитков относительно

небольш ого

ди ам етра м ож но

пре­

небречь) :

Q

ln

J ГL

іпов)

Д ж / см ,

(32)

где

= — ъ - (*и —

tH, tпов — тем пература

н ачал а

кристаллизации и

тем пература

поверхности

слитка

ниж е контактирую щ е­

го пояска;

слитка и ж идкой ванны

в данном

сечении;

Я ,г — ради ус

X — коэф ф ициент теплопроводности;

т — врем я .

площ ади фронта кристаллизации

за

еди ­

Н а единицу

ницу времени приходится тепловой поток

Q ' --=

= ----^тг- (Й, — Іпов) Дж/(см2•с).

(33)

2 itrc

ГІП -1 І

Л и н ей н ая

Г

определяется д е ­

скорость затвердевания

[с (йі — йс) X] уг In ^

’

(34)

R

где

с

— теплоемкость;

L

tu

— скры тая теплота кристаллизации ;

и /,<— тем пература

н ачал а

и

конца кристаллизации ;

у

— плотность.

что если принять

rIIOn =

Ф орм ула

(34)

показы вает,

= co n st, то

Ши

пропорциональна

п ар ам етр у

Ur\nR/r.

Е го изменение по сечению слитка

(рис.

41)

в ди ап азон е

г//? =

0 ,14 -0,7

невелико,

н

это

позволяет понять,

почемѵ

,

линейная

скорость

з а ­

твердевания

м еталла

по ­

стоянна

на

больш ей

ч а ­

сти

сечения

сли тка,

на-

Р и с .

41.

И з м е н е н и е

по

ссч сігш о е л н т -

к а п а р а м е т р а -----------------1

з у ю щ е г о

.

R

,

х а р а к т е р и ­

л и н е й н у ю

с к о р о с т ь

з а ­

т в е р д е в а н и я ц и л и н д р а б е з п о д в о д а

т е п л а к

ф р о н т у к р и с т а л л и з а ц и и

при

О

0,2

0,0

0,6

0,8

1,0

р а з н ы х

д и а м е т р а х

сл и т к о в :

плавленного

Парамет р г/О

когда

/ — 200

м м ;

2 - 320 м м ; 3 — 400 м м

в усл ови ях,

температурны й

градиент

в ж и дком м еталле незначителен.

усл ови я ,

приво ­

Р ассм отр и м теперь

более подробно

дящ ие

к зам едлению

и

полной

остановке

ф ронта

з а ­

посредственной близости

от

стенки

кристалли затора

обычно

соответствует

показан н ом у

па

рис.

38,

а,

т. е.

скорость затвердевания

по

мере

продвиж ения

фронта

здесь увеличивается . З атем

появляю тся

участки ,

отве­

чаю щ ие либо

зам едлению ,г)либо.

полной

остановке

кри ­

сталлизац ии

(рис. 38, в

и

В последнем сл учае

часть

ж идкой ванны приобретает

ф орм у цили ндра.

П о

вы соте

этой зоны м ож но судить о

продолж ительности о стан ов ­

ки затвердеван и я , которая

в

слитке

ди ам етром

320 мм

при силе тока 6,5 к А со ставл яетЭ

мни, а при

8

к А

14 мин.

Столь

длительная остановка

св я зан а ,

по -ви дим ом у, с

двум я

обстоятельствам и :

во -первы х,

вы сокой

силе

тока

ванны ,

не сним аем ы й полностью в зоне

н епосредствен ­

ного контакта с кр и сталли затором ;

во -вторы х, за м е д ­

ленный

отвод тепла через зазор ведет

к том у, что

для

отвода

этого избы тка тепла из ж и дкого

м етал л а ,

р а с ­

полож енного ниж е контактирую щ его

пояска,

требуется

значительное врем я.

приближ енно

оценить

значения

М о ж н о

попы таться

тем пературного градиента

у

фронта

затвердевания

при

р азн ы х

усл ови ях плавки ,

в том

числе

критическую

в е ­

личину

гр ад иента, вы зы ваю щ его

остановку. С

этой

целью

воспользуем ся

соотнош ением ,

полученны м

для

одномерной модели [7 2 ]:

т і- - 0" а * ,

(35)

а>л =

где

G I(

и

‘ Н--

градиенты

на

гр ани цах

G „ — тем пературны е

д в ухф азн ой области с твердой и ж идкой ф азам и ;

а* =

— ■— ■

------ —------- к аж ущ и й ся коэф фициент

темпе-

Y [ с + !/(/„ — /к)]

в двухф азн ой о б л а с т и '.

ратуропроводности м еталла

ско ­

С л едовательн о , для данного

сп л ава

линейная

рость затвердевания прямо

пропорциональна

разности

тем пературны х градиентов G K— G „.

в периф е­

Р ассм от р и м с учетом этого

изменение аул

рийной

зоне

слитка

стали

4 0 Х Н 2 С М А

диам етром

320

мм

(см .

рис. 3 9).

П о сл е

резкого

уменьш ения

^ л,

связанного с

отходом

слитка от стенки кри сталли затора,

/V

— 6

см достигает

примерно

одинаковой

для

и зучав ­

ш ихся

вариантов технологии

(с вращ ением

и без

него)

величины .

Ум естно

предполож ить,

что

начиная

с

этой

точки

дальней ш ее

затвердевание идет при

нулевом

зн а ­

чении

градиента тем пературы

G H. Д о этой точки в

к р ае ­

вой зоне слитка па фронте затвердевания

сущ ествует

некоторы й температурны й градиент,

абсолю тны е

зн а ­

чения

которого м ож но определить

следую щ им образом .

П у ст ь

ш° — скорость

продвиж ения

ф ронта

при

G ri= 0 . Т о гд а ,

согласн о вы раж ению

(35):

<36>

а изменение

по сечению

слитка

приближ енно

описы ­

вается ф орм улой (34)2.

1 Остальные

обозначения см.

в пояснении к

формулам (32)

и (34).

2 Строго говоря, эта формула дает лишь горизонтальную состав­

ляющую скорости затвердевания,

но в краевой зоне быстро наплав­

Запи ш ем теперь

вы раж ения

для линейной скорости

затвердевания кул и

ву° в д в ух

сечен и ях, удален н ы х от

краяа

на расстояние

Хі

и

Х 2

(при этом введем обозн аче ­

ние

*/

(^„— 4 ) =

В

) :

--=

(Gki — G i.a) ■ ß ;

K

i - < a )

-

K i -

шл2) = (G.,i ~ G,ß)ß -

<37>

2Е сли

сечение

2

вы брать таким

о б р азо м ,

чтобы

G h =

0

*

(наприм ер,

для

кри сталли затора

диам етром

320 мм это условие вы полняется при А,

2

=

6

с м ),

то в ре­

В

с

.

(38)

этой ф орм уле н аряду

с Лэксперим ентально опреде­

ляем ы м и величинами шлі и со

2

ф игурирую т

скоростной",

и ш °,,

рассчиты ваем ы е по

уравнению (34).

О д н а к о , по ­

применение расчетны х

значений

не д о л ж н о ,

вероятно,

внести чрезм ерной погреш ности в

оценку величины-

G n.

Результаты

расчета

(табл . 23)

позволяю т

сравнить

тем пературны й

градиент у ф ронта затвердевания в пери ­

логии и с вращ ением ж и дкой ванны .

В и д н о , что по мере

удаления от края слитка тем пературны й

градиент бы ст­

ро ум еньш ается и что в усл ови ях

вращ ения он,

в соот ­

ветствии с

приведенны ми

ранее

эксперим ентальны м и

данны м и ,

значительно н и ж е, чем

при норм альном п ро ­

цессе. П ол н ой

остановке затвердеван и я

отвечает

тем п е­

ратурны й градиент на ф ронте порядка

85— 100° С/см .

Вы полненны й расчет

наглядно

п оказы вает

связь

м еж д у изменением тем пературного

градиента и

линей ­

ной скорости затвердеван и я по сечению

сл и тка .

Н а б л ю ­

д аем ое обычно

увеличение

скорости

по

м ере п р о д ви ж е ­

ния ф ронта в

глубь слитка м ож но

объяснить

только

уменьш ением

градиента на

границе ж идкой

ванны

и

д в ухф азн ой

зоны . В

отсутствие этого градиента ск о ­

рость затвердевания

до л ж н а

бы ла бы меняться проти­

вополож ны м

обр азом , что и

наблю дается в

обы чны х

Т а б л и ц а

23

П р и м е ч а й и е .

П р и в е д е н ы р е з у л ь т а т ы

р а с ч е т а

по ф о р м у л а м (34)

и (38).

* Т е м п е р а т у р н ы й

и н т ер в ал з а т в е р д е в а н и я

ст а л и

п р и н я т р а в н ы м

100° С .

ДВУХФАЗНАЯ ОБЛАСТЬ

могут

привести

М ат ер и ал ы преды дущ их

разделов

читателя к

заклю чению , что

по

скорости кр и сталл и за ­

ции

м еталла

вакуум н ая дуговая

плавка

не имеет каки х-

либо

преим ущ еств перед обычной разливкой

в и зл о ж ­

лож н и ц е, а линейная

скорость продвиж ения

ф ронта

затвердевания

в сл учае

В Д П

оказы вается

часто

д а ж е

более низкой

вследствие сдерж и ваю щ его

влияния по ­

вы ш енного тем пературного градиента

в ж и дкой

ванне.

И если

мы утвер ж д аем , что

условия

кристаллизации

в слитке

В Д П , так ж е

как и в других

сл и тках , н аплав -

ляем ы х

постепенно путем переплава р асхо д у ем ы х

эл е к ­

тродов,

более благоприятны ,

то

это связан о

преж д е

всего с

изменением протяж енности д в ухф азн ой

(пере­

ходной) области . Значение ее для

ф орм ирования

ст р у к ­

туры слитка подчеркивается

у ж е тем ф актом , что

им ен ­

но в ней и только в пей осущ ествляется

процесс

н а п р а в ­

ленного затвердевания.

зоны

м ож но

считать

П ередней границей двухф азн ой

изотерм у ликвидус сп л ав а , вслед

за которой п р о д ви га ­

твердого м еталла

эта

зона

ограничена

изотермой

конца

затвердевания, часто

не совпадаю щ ей

с

равновесной

тем пературой соли дус. В

целом

д в у хф а зн а я

область

представляет

собой

совокупность

осей

дендритов (п ер ­

вичных, вторичны х

и

т.

д .)

II

н аход ящ егося м еж д у

ни­

ми маточного р аствор а .

Д о л я

твердой

ф азы по глубине

двухф азн ой зоны

меняется

от

0 до

100% , одноврем енно

увеличивается

и содер ж ан и е

л пквн рую щ н х

примесей

в незатвердевш ем

остатке маточного раствор а .

всего

П ротяж ен н ость

двухф азн ой

области

лучш е

исследовать путем

измерения

тем пературы

затвер д е ­

ваю щ его м еталла

в

ряде точек с последую щ им

опреде­

лением тем пературы

конца

кристаллизации

на

о б р а з ­

ц ах , вы резанны х

из

соответствую щ их

зон

слитка

[7 3 ].

Т ем п ер атура

н ачала

кристаллизации

н адеж н о

оп р ед е ­

ляется в этом

случае

по

площ адке на

кривой

о х л а ж д е ­

ния, снятой во время затвердевания.

д в у х ­

М о ж н о так ж е

непосредственно

обн ар уж и ть

ф азную область в слитке путем ввода

в

пего

добавок

с разной плотностью и тем пературой плавления .

П о д о б ­

ные опыты ц елесообразн о , по-ви дим ом у, проводить

на

сли тках, в которы х

имею тся горизонтально р асп о л о ж ен ­

ке В Д П

при

добавке в него сернистого ж ел еза

или

о д ­

новременно

сернистого

ж ел еза

и свинца

п олучали

к а ­

чественно

различную

картину

па

серном

отпечатке

(рис.

4 2).

В

осевой части

слитка

с добавкой

свинца

сера

расп р остр ан и лась

значительно

гл у б ж е ,

чем

без

него,

и

сам

хар актер ее распределения

показы вает,

что

в данном

сл учае заф и к си р ован а ,

по

крайней

м ере

ч а ­

стично,

д в ухф азн ая зон а.

С л ед у ет

отметить

т ак ж е ,

что

граница распространения серы и без

добавки

свинца

проходит

внутри двухф азн ой области .

О б

этом

м ож но

судить

по

полож ению

частицы

вольф р ам а

на

рис. 42, б,

либо

д ан н ы х , позволяю щ их

судить о том , какая именно

чисть

дв ухф азн ой

области о бн аруж и вается описанны ми

сп о со бам и .

области

зави сят

условия

О т ш ирины двухф азн ой

протекания

ряда

процессов,

соп р овож даю щ и х

кр и стал ­

ли заци ю . К

этим

процессам

относятся:

питание

ж идким

Р и с . -12. Ф р а гм е н т ы

се р н ы х о т п е ч а т к о в сл и тк о в

В Д П

с ф и к си р о в а н н ы м ф р о н т о м

а

з а т в е р д е в а н и я :

б

— д о б а в к а се р н и ст о го ж е ­

— д о б а в к а в ж и д к у ю в а н н у се р н и ст о го ж е л е з а ;

л е з а , в о л ь ф р а м а и св и н ц а

м еталлом

усадочн ы х

микропустот,

развитие

зональной

неоднородности вследствие диф ф узии

примесей в о б ­

ласть ж и дкого

состояния.

Н о

наиболее

сущ ественны м

является то, что в совокупности с линейной

скоростью

ш ирина

дв ухф азн ой

зоны

определяет

п родолж и тель ­

ность

перехода

м еталла

из

ж идкого

состояния

в

твердое, т.

е.

продолж ительность

кристаллизации

ткр.

Э тот парам етр представляет собой

п ром еж уток времени

от появления

в данном ограниченном объем е

м еталла

ема

[36]

'.

В литературе по стальном у слитку с понятием « п р о ­

долж ительность кристаллизации », обы чно

связы ваю т

время от заливки

м еталла

в

и злож н и ц у

(ф орм у)

до

полного затвердевания слитка или отливки.

Э т а х а р а к ­

теристика

относится к слитку

в

целом

и

если

по

ней

и м ож но судить в

какой-то

степени

о кристалли заци и

м еталла

в отдельных частях

слитка,

то лиш ь постольку,

поскольку врем я затвер д е ­

вания

к аж д о го

отдельного

участ ка

не

м ож ет

превы ­

ш ать

общ его

времени

з а ­

твердевани я. Терм ин

« п р о ­

долж ительность

кр и сталл и ­

зации

м еталл а »

х ар ак т ер и ­

Р и с .

43.

С х е м а т е п л о в ы х п о т о ­

зует

кинетику

п роцесса в

данной точке сли тка.

что

к о в

н а

г р а н и ц а х

д в у х ф а з н о й

С л ед ует

зам етить,

I

I I

этот

п арам етр

лучш е всего

о б л а с т и :

III

— д в у х ф а з н а я

— р а с п л а в ;

описы вает и скорость

со б ст ­

о б л а с т ь ;

— тв е р д ы й

м ет ал л

венного

процесса

кр и стал ­

ла из ж и дкого

состояния

в

лизации — перехода

м етал ­

твердое

в дампом

участке.

В ели чи н а, обратная продолж ительности

кр и стал л и за ­

ции,

представляет

собой

средний

прирост доли

твердой

Н е

за д ав а я сь

целью

представить

полное

количест­

венное

описание

ширины

двухф азн ой

области

и св я за н ­

ной с

ней продолж ительности

пребы вания

м еталла

в

д в ухф азн ом

состоянии,

приведем

некоторы е

соотнош е­

ния, позволяю щ ие судить

о влиянии

на

оба

эти

п а р а ­

метра

основны х

ф акторов

процесса — линейной

ск ор о ­

сти затвердевания ш л

и

тепловы х

потоков на

гр ан и цах

двухф азн ой

области

с

ж и дки м

(qn)

и

тверды м

q

qK(

K)

м еталлом (рис. 4 3 )12.

Р азн ость

этих д в ух

потоков

—

qn

представляет собой скорость эф ф ективного отвода

теп ­

ла из

двухф азн ой зоны ,

контролирую щ его в

свою

оче­

редь скорость кристаллизации .

П р о ц е сс затвердевания

при В Д П

в

основном квази-

стац п он ар еп ,

т.

е.

условия

протекания

его

в данном

се ­

чении

слитка

остаю тся

неизменными.

Э то

позволяет

воспользоваться

результатам и

ан али за ,

выполненного

для одном ерной

модели

двухф азной

зоны ,

пер ем ещ аю ­

щ ейся вдоль слитка с постоянной скоростью .

Тепловы е

потоки

qa

и

qK

мож но вы разить через

соот­

ветствую щ ие градиенты

температуры

G u

и

GK

(для

еди ­

ничной п лощ адки

q = XG).

Т огда

ш ирина двухф азн ой

зо ­

ны б,

как показал

приближенный

анализ,

определяется

только

тем пературны м

интервалом

затвердевания

іп

tK

—GK

и соотнош ением

тем пературны х

градиентов

G H

н

ö = Й| ---

і

к

(39)

Э т о выражение,

Gu —

GK

н в

ином виде:

м ож но

представить

б =

(------ (40)

из ж и дкого

где %—Gu/GK— доля тепла,

поступаю щ его

м еталла в д в ухф азн ую зону, в общ ем

теплоотводе из

этой зоны .

раметром

1

і и X

а его зависим ость от %, представлен ­

в,

ная на рис.

44,

свидетельствует о том , что с увеличени ­

явно при м ал ы х

%.

П р и прочих равны х услови ях различная интенсив­

ширины двухф азн ой

области и от этого п ар ам етр а .

К о м ­

бинируя вы раж ения

(35)

и (39), получим :

(41)

6 =

—

l n

f 1 +

^

(iC z iü

Юл

V

Он

а *

И з

этой

формулы следует, что зави си м ость от дол До­

вольно

слож н а и что

при данной

скорости

увеличение

градиента

G „ ведет к

уменьш ению

ш ирины

двухф азн ой

зоны . Влияние обоих ф акторов показано на

рис.

45. Н е ­

смотря

на

неизбежны е неточности,

связанны е с

исполь-

ратуры м ож ет быть значительно

меньш е, чем

в обычном

процессе ф орм ирования

слитка

в излож нице. И м енно

в этом состоит главное

преим ущ ество условий

затвер д е ­

вания м еталла при вакуум ной дуговой плавке.

влечет за

Ум еньш ение ширины

двухф азн ой области

собой

и сокращ ение продолж ительности кристаллизации

м еталла ткр, п оскольку

ткр = —

.

И сп ол ьзуя

ф ор м улу

(4 1),

получим :

wn

ЙI

tK

(42)

"Т-кр) 1

GH

а *