НОВЫЕ ВЗГЛЯДЫ О ПЕРИОДИЧНОСТИ ПРОЦЕССОВ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ МЕТАЛЛА

Характер распределения элементов в слитке оказывает влияние на служебные свойства металла. Представление о периодичности свойств в слитке впервые высказал Д.К.Чер- нов. В дальнейшем эти представления развивал акад. Н.Т.Гудцов [1]. Он утверждал, что существуют "закономерности периодического колебания содержания элементов в слитке. Такие закономерности установлены для углерода, серы, фосфора, кислорода, водорода и других элементов... Если кривые содержания элементов нанести на одну диаграмму, получается удивительно точное совпадение максимумов и минимумов содержания различных элементов по изучаемому радиусу слитка”. Представления акад. Н.Т.Гудцова развивали в теоретических и экспериментальных работах многие ученые — Ю.А.Нехендзи, Б.Б.Гуляев, П.А.Дудовцев, В.М.Тагеев, Н.И.Хворинов и др.

Задача исследования и экспериментальные данные

Задачей настоящей работы является анализ и попытка обобщения имеющихся в литературе 206 экспериментальных данных по обсуждаемому вопросу для слитков, отлитых в изложницы, а также для непрерывно-литых заготовок. Были использованы данные по распределению элементов (С, S, Р, As, О), неметаллических включений (н.в.), предела прочности на разрыв (<гв) и относительного удлинения (ф) по радиусу слитка и непрерывно-литой заготовки. В работе рассмотрены результаты изучения слитков массой 1,2 т (П.А.Дудовцев); 3,7 и 45 т (Н.И.Хворинов); 1,2 и 4,5 т (В.А.Давиденков); 6 т (М.Н.Скороходов); 7 т (В.М.Тагеев, Б.Б.Гуляев); 8 т (А.М.Мадянов); 9,75 т (С.Я.Скобло, Е.А.Ка- зачков, Ю.И.Кирюшкин и др.) и 24 т (С.Я.Скоблов, Е.Г.Переверзева, Н.Ф.Сапел- кин), а также непрерывно-литой сляб сечением 150x1200 мм [2]. Целесообразно, по аналогии с явлениями ликвации, рассмотреть периодичность двух процессов: а) роста дендритов и распределения примесей при на-коплении их перед фронтом затвердевания (микропериодичность) и б) распределения примесей и свойств металла в объеме отдельных зон в слитке (макропериодичность).?

Микропериодичность распределения примесей в дендрите

Предположим, что при росте дендрита между одной и возникающей последующей осью второго порядка концентрация примесей стали изменяется от минимума до максимума, при котором происходит остановка кристаллизации металла. Используя кривую расстояний между осями дендритов второго порядка /,-, см, в зависимости от скорости кристаллизации [3], установлено, что /, = 0,012-*0*67, (1)

где х — расстояние от поверхности слитка, см.

Для периодического процесса его константа КП является отношением длины последующего периода /|+1 к предыдущему Используя уравнение (1), получим: Кп = 1 + 8-10-3-х"1/3. (2)

Из уравнения (2) видно, что рост осей второго порядка в дендрите (и его самого) — есть затухающий квазипериодический процесс с константой Кп, близкой к единице и умень-шающейся во времени.

Макропериодичносгь распределения примесей и свойств по направлению радиуса R слитков и литых слябов

Были рассмотрены все свойства на длине от наружной поверхности до 0,4 R (корковая, столбчатая и частично зона равноосных крис-таллов). Расстояния по оси слитка выразили в относительных долях радиуса x/R, а свойство в любой точке является долей его среднеарифметического значения точек на длине радиуса в пределах 0-0,4 R.

В качестве примера на рис.1 приведена обобщенная кривая относительной концентации углерода в зависимости от расстояния x/R по радиусу слитка. На кривой различимы 6 полуволн; для фосфора наблюдали 4 полуволны, для серы 3, для кислорода 4 и для мышьяка 3.

На рис.2 приведена кривая для отношения длины последующей полуволны к предыдущей li+Jlj в зависимости от расстояния x/R по радиусу слитка. Из рис.2 видно, что величина ii+Jii-Kn для слитков 1,2 — 45 т, отлитых в изложницы (кривая 1), и для литых слябов (кривая /), закономерно изменяется с расстоянием x/R. При этом кривые для слитков и слябов имеют одинаковый характер кро-ме части кривой II для значений x/R > 0, 25 - 0,30, где непрерывный сляб попадает в зону вторичного охлаждения.

При анализе полученных зависимостей ус-тановлено, что каждый элемент и свойство изменяется по радиусу слитка совершенно ин-

Отношение ширины последующей полуволны к преды-дущей Ij+i/lf в зависимости от расстояния x/R по радиусу слитка: 1,2- С; 3,4 - Р; 5,6- S; 7,8-СУ, 9,10- As; 11* 12 — н.в.; 13,14 — (Xgj 15,16 — ф; 17 — непрерывно- литой сляб сечением 150X1200 мм при скорости разливки 0, 7 м [2] (цифры у точек — среднее значение величин» вы-численное по трем элементам: углероду, сере, фосфору)дивидуально и нет "совпадения максимумов и минимумов кривых".

По аналогии с ликвацией элементов для слитка стали впервые введено понятие микро-периодичности при формировании дендрита и макропериодичности распределения свойств в объеме металла.

Найдено, что рост дендрита можно отнести к квазипериодическому процессу с константой, близкой к единице и уменьшающейся во времени. Для каждого примесного элемента или* свойства характерна своя макропериоди- ческая кривая распределения его по радиусу обычного или непрерывно-литого слитка. Но периодичность эта особенная: ее константа в обычном понятии закономерно изменяется сложным образом по радиусу слитка. Таким образом, взгляды акад. Н.Т.Гудцова на периодичность процесса затвердевания стального слитка не подтверждаются опытными данными.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 3, Москва 1994