» » Структура слитков непрерывного литья с непосредственным охлаждением водой
04.02.2017

Наиболее интенсивное охлаждение достигается при непосредственном поливании слитка водой. В особенности быстро охлаждаются слитки малой толщины. В слитках большой толщины быстро охлаждаются наружные слои, а чем дальше в глубь слитка, тем медленнее происходит охлаждение. Только в слитках цилиндрической формы и у слитков, имеющих в сечении форму правильного многоугольника, в самом центру затвердевание снова ускоряется, что зависит только от формы слитка.
При установившемся процессе непрерывного литья металла, например алюминия, поверхность раздела твердой фазы от жидкой — лунка в цилиндрическом слитке, непосредственно охлаждаемом водой, имеет форму тела вращения, покрытую вершинами растущих дендритов. Форма и размеры лунки остаются во время литья постоянными. В зависимости от скорости литья глубина лунки меняется (рис. 194, а,б), но во всех случаях у самой поверхности слитка, где металл кристаллизуется, будучи охлажденным через стенки изложницы, настыль меньше, чем в тех местах, где имеет место непосредственное охлаждение водой.
Структура слитков непрерывного литья с непосредственным охлаждением водой

Так как кристаллы растут в направлении, нормальном к поверхности лунки в каждый данный момент времени, то по форме и размеру лунки легко построить также и схему направления роста кристаллов. Для этой цели следует в масштабе вычертить форму лунки, полученную опытным или расчетным путем, и этот профиль повторить достаточное число раз на равном расстоянии друг от друга в масштабе, соответствующем скорости литья (рис. 195, а). В точке соприкосновения профиля лунки, с поверхностью слитка провести нормаль до пересечения со второй линией профиля лунки, из этой точки провести нормаль к этой второй линии профиля лунки снова до пересечения с третьей линией профиля лунки и т. д. Полученная ломаная линия с известной степенью точности, зависящей от расстояния между линиями профиля лунки, приближенно выразит направление роста кристаллов при непрерывном литье.
Наоборот, по структуре слитка можно с достаточной степенью точности вычертить для чистого металла профиль лунки при литье слитка (рис. 195, б).
При изменении высоты изложницы в случае применения непосредственного охлаждения водой профиль лунки, а следовательно, и структура слитка, заметно изменяются.
Изменение скорости литья оказывает большое влияние на глубину и профиль лунки (см. рис. 194, б): при большой скорости литья лунка образуется глубокая, и структура показывает почти прямолинейные кристаллы, направленные от периферии к центру под малым углом наклона их к горизонту (см. рис. 192, б). При малой скорости литья направление роста кристаллов меняется от периферии слитка к его средине довольно значительно (рис. 192, в), что указывает на наличие неглубокой лунки при кристаллизации слитка в данном случае.
Если отливается не чистый металл или сплав с малым интервалом кристаллизации, а сплав со значительной разностью в температурах начала и конца кристаллизации, то между полностью твердой фазой и еще вполне жидким сплавом располагается затвердевающий сплав, который состоит частично из твердой и отчасти из жидкой фазы. Этот сплав имеет кашеобразную консистенцию. Величина зоны кашеобразного сплава и ее профиль оказывают влияние на некоторые свойства слитка, поэтому в каждом случае исследования кристаллизации слитков при непрерывном литье эти характеристики считают необходимым получать.
Для случая кристаллизации дуралюмина Добаткин отмечает увеличение зоны кашеобразного металла (промежуточного слоя) в средней части слитка по мере увеличения скорости литья (рис. 194, б). При увеличении высоты изложницы, наоборот, увеличение этого промежуточного слоя наблюдается главным образом по периферии слитка, причем это относится преимущественно к той части зоны, в которой уже произошло образование твердого скелета, между кристаллами которого располагается ликвационная часть сплава. При непрерывном литье без применения непосредственного охлаждения водой промежуточная зона весьма сильно увеличивается, причем часть ее, не образовавшая твердого скелета, в большей степени увеличивается по высоте в центральной части слитка. Часть же кашеобразной зоны, образовавшая сплошной скелет с включениями в нем легкоплавкого лидировавшего сплава, располагается на большой высоте слитка (рис. 194, б).
Структура отлитых непрерывным методом с непосредственным охлаждением водой слитков сплава, имеющего значительный интервал кристаллизации, и обнаруживает столбчатые дендритные кристаллы в тех участках, расположенных вблизи наружной поверхности, где градиент температур при кристаллизации был настолько большой, что ликвирующий легкоплавкий сплав не вызвал зарождения новых кристаллов, которые могли бы прекратить рост упомянутых столбчатых дендритов (рис. 196). Только ближе к центральным областям слитка появляются более или менее равноосные кристаллы, зародившиеся из новых центров кристаллизации, которыми послужили или принесенные сюда из верхних частей лунки кристаллы, или зародившиеся здесь же вследствие наличия легкоплавкого ликвата.
Структура слитков непрерывного литья с непосредственным охлаждением водой

Толщина ветвей дендритов, расположенных вблизи поверхности, весьма сильно отличается от толщины ветвей, находящихся внутри равноосных дендритов центральной зоны слитка. Первые, например в случае слитка дуралюмина диаметром 180 мм, имеют средний поперечник 0,04 мм, тогда как вторые 0,17 (рис. 197). Прямой связи между размерами дендритов и размерами поперечного сечения ветвей их, а также толщиной промежутков между ветвями нет. Могут наблюдаться случаи образования тонковетвистых и крупных и мелких дендритов; грубоветвистые дендриты тоже могут быть и крупными и мелкими. Степень измельченности поперечных сечений ветвей дендритов связана очень отчетливо со скоростью охлаждения сплава. При быстром охлаждении дендриты имеют близко расположенные друг от друга тонкие ветви, а располагающаяся между ними эвтектика (в случае дуралюмина) — твердый раствор плюс химические соединения — не успевает за время кристаллизации коалесцировать (укрупниться), поэтому хрупкие фазы остаются мелко раздробленными, что способствует повышению механических свойств слитка. При медленном охлаждении составляющий эвтектику твердый раствор может прикристаллизовываться к первичным дендритам твердого раствора, а вторые фазы — выделяться в виде довольно крупных прослоек, которые весьма сильно снижают и прочность и пластичность соответствующих зон слитка.
Структура слитков непрерывного литья с непосредственным охлаждением водой

При литье плоских слитков непрерывным методом обычно форма лунки отличается от формы лунки цилиндрических слитков, отливаемых тем же методом. В этом случае боковые поверхности лунки в центральной части слитка сходятся друг с другом под некоторым углом (рис. 194, г), тогда как при литье цилиндрических слитков обычно дно лунки в центральной части оказывается почти плоским. В последнем случае скорость затвердевания (иногда ее называют не вполне правильно скоростью кристаллизации в центре слитка всегда равна скорости литья, т. е. она в этом месте приобретает максимальное значение. Математическое выражение предельной скорости затвердевания цилиндрического слитка дается Добаткиным в виде:
Структура слитков непрерывного литья с непосредственным охлаждением водой

где величины, входящие в выражение, те же, что и в формуле (135).
Однако в зависимости от различных факторов (и прежде всего от скорости литья) форма лунки при литье цилиндрических слитков может меняться и при больших скоростях приближаться к форме лунки, образующейся при литье плоских слитков.
Наоборот, при малых скоростях непрерывного литья плоских слитков в низкие изложницы с водяным охлаждением или огнеупорные изложницы при особо интенсивном охлаждении боковой поверхности слитка водой форма лунки приближается к форме лунки, образующейся при обычных условиях литья цилиндрических слитков, т. е. лунка становится пологой (рис. 194, д).
В тех случаях, когда режим охлаждения нарушается, например, если одна сторона плоского слитка охлаждается более интенсивно стык кристаллических зон смещается в сторону поверхности с ослабленным охлаждением. Если при этом изменялась и скорость литья, то наклон столбчатых кристаллов изменяется (рис. 198).
Структура слитков непрерывного литья с непосредственным охлаждением водой

На снимках (см. рис. 192, б, в) приведены структуры алюминия особо высокой степени чистоты, содержащего 99,99% Al. Обычный технический алюминий Al при непрерывном литье с непосредственным охлаждением водой показывает более мелкокристаллическую структуру (рис. 192, а) вследствие наличия в числе примесей небольших количеств титана, который, как известно, вызывает измельчение структуры. Характер и направление роста дендритов и в этом случае аналогичны тем, которые получаются при литье алюминия высших сортов. В соответствии с определенной скоростью литья направление роста дендритов указывает на форму лунки. Интересно отметить, что у поверхности в некоторых местах приведенной структуры слитка наблюдаются первичные столбчатые кристаллы. которые наклонены в обратную сторону по сравнению с наклоном их при дальнейшем росте. Это объясняется тем, что вся зона начальных кристаллов образовалась при охлаждении металла через стенку изложницы, вода же в изложницу подается в верхней ее части, поэтому в отдельные периоды времени вследствие некоторого колебания величины напора в местах подвода воды наблюдается образование более толстых настылей, чем в ниже расположенных участках (рис. 194, е). После того как непосредственное охлаждение водой начинает превалировать над охлаждением через стенку изложницы, лунка принимает более правильную форму, и дальнейший рост кристаллов происходит в направлении, составляющем тупой угол с направлением движения слитка при литье.