8. За якими умовами можливе концентраційне переохолодження рідкого розплаву?

В реальных условиях полностью равновесной кристалли­зации никогда не достигается, так как коэффициенты диффузии боль­шинства примесей оцениваются величинами порядка 10-⁸—10-⁹ для жидкой и 10-¹⁰—10-¹³ м²/с для твердой фаз. Поэтому на практике первоначально образующаяся твердая фаза имеет неоднородный состав и содержит меньше примеси, чем в исходном расплаве. Состав жидкой фазы также не успевает выравниваться за счет диффузии. При этом избыточная примесь остается в жидкой фазе и перед фрон­том кристаллизации образуется слой жидкости, обогащенный при­месью. Появится так называемое концентрационное уплотнение. Тогда состав твердой фазы, образующейся в данный момент, будет определяться составом этого прилегающего обогащенного слоя, а не средним составом жидкости С_о, и будет иметь большую концен­трацию примеси С*тв.

Если ликвирующие примеси не вступают между собой в химические реакции, то в результате обогащения примесями жидкости у фронта затвердевания температура плавления металла может существенно понижаться. Это приводит к появлению так называемого концентрационного переохлаждения.

Часто при обогащении расплава примесями у фронта кристаллизации возникают условия для протекания химических реакций, образования новых фаз. Примером может служить кипение металла в изложнице при разливке кипящей стали.

9. Як змінюється температура поверхні зливків і внутрішньої поверхні виливниць?

На процесс теплопередачи в жидкой фазе и от нее твердой оболочке большое влияние оказывает конвективный теплоперенос. В твердой оболочке слитка и через стенку изложницы (кристаллизатора) тепло передается теплопроводностью, от медной стенки кристаллизатора охлаждающей воде — конвекцией и от стенки изложницы в окружаю­щую среду — всеми видами теплопередачи.

По мере затвердевания корочки происходит усадка металла и создаются условия для образования зазора между слитком и стен­ками изложницы. Этому способствует также расширение изложницы при нагреве. Однако давление жидкого металла препятствует отходу корочки от слитка. Поскольку прочность стали в области температуры кристаллизации невелика (100—200 Н/см²), то корочка деформиру­ется и может быть вновь прижата к стенке изложницы или кристал­лизатора.

Постоянный газовый зазор между слитком и изложницей появля­ется при условии, когда прочность корочки становится достаточной, чтобы выдержать ферростатический напор. Для различных участков слитка и условий разливки этот момент наступает через 1—10 мин после заливки изложницы, причем обычно раньше в верхней части слитка, где ферростатический напор меньше. Появление зазора суще­ственно изменяет условия охлаждения в слитке. Передача тепла через него происходит главным образом излучением и теплопровод­ностью. Интенсивность теплоотвода от слитка резко снижается.

Тепловое сопротивление газового зазора является определяющим в начальный период затвердевания слитка. Далее по мере нарастания толщины оболочки закристаллизовавшегося металла ее тепловое сопротивление постепенно возрастает и его роль становится решаю­щей. Значение теплопередачи в стенке изложницы и ог нее в окру­жающую среду также возрастает по мере прогрева изложницы и полного использования ее аккумулирующей способности.

В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал по изучению теплопередачи в слитке. Замеры показывают, что уже в первые минуты температура наружной части слитка быстро падает и становится ниже температуры конца кристаллизации. Температура вну­тренней стенки изложницы также быстро растет и сохраняется за­тем ~800 °С. Перепады температур по толщине твердой оболочки слит­ка, в стенке изложницы и газовом зазоре имеют значительные вели чины, достигающие сотен градусов в течение большей части времени затвердевания слитка. Это объясняется высоким термическим сопротивлением каждого участка. Абсолютная величина этого сопротивления резко возрастает в про­цессе затвердевания слитка.