При кристаллизации чистых веществ, когда на границе кристалл — жидкий металл сохраняются равновесные условия, кристалл должен расти в идеально ограненной форме, присущей данному веществу, а в каждой точке кристалла должна сохраняться периодичность кристаллической решетки. Кристаллизация стали сопровождается образованием дендритов (греч. dendron – дерево).
Образование дендритной структуры литой стали выявлено впервые Д. К. Черновым, который предполагал, что причиной дендритного роста кристаллов являются примеси, которые обусловливают избирательную кристаллизацию стали. В связи с этим в начале образуются скелеты кристаллов в виде первичных осей, относительно бедных по содержанию примесей и прежде всего углерода. От первичных осей перпендикулярно начинают расти оси второго порядка, от которых в свою очередь развиваются перпендикулярно к ним оси третьего порядка и т. д. (рис. 88). Таков в общих чертах механизм образования дендритов. Чем менее стесненно растут дендриты, тем больших размеров они достигают. Знаменитый кристалл Чернова, найденный в усадочной раковине 100-т слитка, весит 3,45 кг и имеет высоту 39 см.
Образование структурных зон в слитке, т. е. процесс кристаллизации слитка в целом, необходимо рассматривать с позиций последовательной кристаллизации, предложенной Д. К. Черновым, с учетом современных представлений о механизме возникновения и роста кристалла.
При заливке горячего металла в холодную изложницу находящийся в контакте с ней слой металла быстро охлаждается, и в нем начинается обильное образование зародышей, которые мешают расти друг другу, и поэтому размер кристаллов в этой зоне небольшой и они по-разному ориентированы. Так образуется поверхностная зона мелких кристаллов.
С увеличением толщины этой зоны, а также в связи с появлением газового зазора между стенкой изложницы и затвердевшим металлом отвод тепла от затвердевшего металла ухудшается и интенсивность образования новых зародышей резко снижается. Часть благоприятно ориентированных кристаллов, т. е. кристаллов, ось которых растет в направлении, обратном отводу тепла (перпендикулярном поверхности изложницы), получает преимущественное развитие. Кристаллы с плохой ориентацией главных осей относительно поверхности отвода тепла будут быстро выклиниваться. Поэтому с увеличением расстояния от стенки изложницы в глубь металла число зерен на единицу площади уменьшается, пока не останутся только благоприятно ориентированные кристаллы, образующие при своем росте зону столбчатых кристаллов (рис. 89).
В связи с избирательной кристаллизацией примеси скапливаются перед фронтом столбчатых кристаллов. Температура плавления металла в пограничном слое снижается, что уменьшает скорость образования столбчатых кристаллов, и в некоторый момент их рост вообще прекращается, т. е. на время прекращается процесс кристаллизации. Ветви дендритов в некоторых местах оплавляются. Оплавленные вершины столбчатых кристаллов иногда ясно видны на темплетах слитков. На возможность подобной остановки в процессе кристаллизации указывал А. Т. Гудцов.
Остановка в процессе кристаллизации соответствует окончанию образования зоны столбчатых кристаллов. Продолжение кристаллизации сопровождается образованием равноосных кристаллов, которые начинают расти либо на поверхности столбчатых кристаллов, либо в объеме жидкого металла в пограничных зонах. Центрами кристаллизации в этом случае являются высокотемпературные включения. Перед фронтом затвердевшего металла одновременно имеются кристаллы и жидкий металл— так называемая двухфазная область. Ширина этой области постепенно увеличивается при продвижении фронта кристаллизации к центру слитка. Часть кристаллов из двухфазной области может опускаться в нижнюю часть слитка вследствие разности плотностей жидкого и твердого металла. Этот процесс получает широкое развитие в момент прекращения роста столбчатых кристаллов.
Свободные кристаллы опускаются в нижнюю часть слитка, образуя развитую двухфазную область, которая затвердевает отдельными объемами. Первые свободные кристаллы, появившиеся, по-видимому, в начальный момент кристаллизации слитка, в наибольшей степени обогащены высокотемпературными неметаллическими включениями. Эти кристаллы, скапливаясь в нижней части слитка, вначале обеспечивают хорошее питание, в результате чего «конус осаждения» имеет плотную структуру. Объем металла в центральной части слитка выше конуса осаждения, куда опускаются кристаллы, затвердевает периодически по мере накопления в них твердых кристаллов.
В зоне контакта изложницы с прибыльной надставкой наблюдается более интенсивный отвод тепла, обусловливающий ускорение затвердевания металла в этой зоне по сравнению с горизонтами слитка, расположенными ниже. Преимущественное по условиям питания из прибыли положение рассматриваемой зоны приводит к образованию плотной структуры (моста), в то время как зоны слитка, расположенные ниже, характеризуются большим количеством пор.
В зависимости от химического состава стали меняются ее теплофизические свойства, в том числе и теплопроводность. Это обстоятельство может изменить условия теплоотвода при кристаллизации слитка и заметно повлиять на развитие отдельных зон слитка. Например, в слитках высокохромистых никельсодержащих сталей получает большое развитие зона столбчатых кристаллов и иногда вообще не выявляется зона равноосных кристаллов. Слиток имеет развитую транскристаллическую структуру.
Изменяется характер структуры слитка, полученного из стали, предварительно обработанной в вакууме. Слитки из вакуумированной стали кристаллизуются быстрее, чем слитки из обычной стали. Это объясняется большей теплопроводностью вакуумированной стали, так как в ней меньше газов и не образуется микроскопических газовых пузырей, затрудняющих теплоотвод.
Небольшие слитки массой 1—2 т, отлитые из вакуумированной стали, не имеют зоны столбчатых кристаллов, вместо них образуются мелкие равновесные кристаллы. Крупные слитки массой 4—7 т характеризуются равномерной структурой со значительно меньшей степенью развития химической неоднородности.
В целом слитки из вакуумированной стали характеризуются более плотным строением, менее резко выраженной осевой рыхлостью, более мелким кристаллическим строением, чем слитки из обычной стали. Причина улучшения качества слитка из вакуумированной стали заключается в снижении в ней содержания газов и прежде всего водорода.
