Bod tání oceli

Teplota tání (teplota kapaliny) je teplota, při které se látka stává zcela kapalným stavem. Teplota tuhnutí (teplota solidu) je teplota, při které látka zcela ztuhne.

U čistých látek (prvků) se teploty likvidu a solidu shodují. Pro roztoky, které zahrnují ocel a litinu, existuje takzvaný teplotní rozsah krystalizace, ve kterém současně koexistují pevná a kapalná fáze.

Výpočet teplot tání a tuhnutí oceli

Teplota tání a tuhnutí oceli závisí na jejím složení.

Zpravidla při výpočtu T_L a T_S učinit předpoklad o aditivitě vlivu legujících činidel a nečistot na hodnoty těchto veličin. V tomto případě se změna teploty tání/tuhnutí v důsledku přítomnosti konkrétního prvku vypočítá jako

T_{L/S slitina} = T — ΣdT_L/Si
kde T_L/Salloy — teplota likvidu/solidu slitiny, K;
Т — teplota tání rozpouštědla (železa), K;
dT_L/Si – pokles TL a TS v důsledku přítomnosti i-tého prvku v kovu, K.

Vliv různých prvků na teploty tání a krystalizace je určen z fázových diagramů pro každý prvek i (použité fázové diagramy jsou uvedeny v tabulce níže).

Přitom se předpokládalo, že jejich vliv na uvažované veličiny je lineární, tzn.

dT_L/Si = k_L/Si·[i]kde k_L/Si — průměrný koeficient sklonu čáry likvidu (solidus) na fázovém diagramu v určitém koncentračním rozsahu uvažovaného prvku, K/%;
[i] — koncentrace prvku i, hm. %

kL/Si = <(TL/Si)a – (TL/Si)b>/
kde (TL/Si)a a (TL/Si)b jsou teplota likvidu/solidu taveniny, když je koncentrace prvku i v ní rovna [i]a a [i]b, v tomto pořadí, K.

Specifické hodnoty k_{L/S i} byly získány následovně:

k_LC = (1539 – 15. )/. = 64 tis_SC = (1539 – .)/. = 356 při C < 0,1

k_LC = (1539 – 15. )/. = 64 tis_SC = (1539 – .)/. = 141 při C > 0,1

k_LCr = (1539 – 1515)/22 = 1,09 k_SCr = (1539 – 1505)/22 = 1,54

k_LNi = (1539 – 1449)/50 = 1,80 k_SNi = (1539 – 1436)/50 = 2,06

k_LMo = (1539 – 1460)/33 = 2,39 k_SMo = (1539 – 1450)/33 = 2,70

k_LV = (1539 – 1475)/30 = 2,13 k_SV = (1539 – 1468)/30 = 2,37

k_LS = (1539 – 1530)/0,20 = 45,0 k_SS = (1539 – 1365)/0,20 = 870

pokud je obsah síry větší než 0,2, pak dT_SS= 1539 – 1365 = 174

k_LP = (1539 – 1400)/5 = 27,8 k_SP = (1539 – 1050)/5 = 97,8

Je vhodné vypočítat vliv uhlíku na teploty likvidu a solidu s přihlédnutím k regresním výrazům znázorněným na obrázku níže.

Fázový diagram železo-uhlík
(při použití vložte odkaz na webovou stránku steelcast.ru)

Teploty likvidu a solidu se tedy vypočítají jako

Je třeba zdůraznit, že hodnota TS nemá praktický význam, protože během krystalizačního procesu dochází k výrazné redistribuci prvků mezi kapalnou a pevnou fází, v důsledku čehož je kapalina obohacena segregací, především uhlíkem, sírou a fosfor (co určuje schopnost prvků segregovat se dozvíte zde), který přirozeně snižuje teplotu tuhnutí, proto je teplota, při které litý kov ve většině případů zcela ztuhne, mnohem nižší než vypočtená hodnota T hodnota_S.

Níže je uvedena práce A. N. Smirnova, která podrobněji zkoumá problematiku stanovení teploty tavení a tuhnutí oceli

A. N. Smirnov, L. Nedeljkovic, M. Djurdzhevich, T. V. Černobaeva a Z. Odanovich

Doněcká státní technická univerzita (Ukrajina) a Bělehradská univerzita (Jugoslávie)

Přesné provozní informace o teplotě likvidu oceli mají velký praktický význam, protože v závislosti na vybavení provozovně pro mimopecní zpracování je to právě tato teplota, která určuje teplotní režim od odpichu do konce lití, zejména u průběžného odlévání. To umožňuje pracovat s optimálně nízkým stupněm přehřívání a zajišťuje jemnozrnnou strukturu odlitku a vysokou kvalitu obrobku. Je známo, že měření teploty likvidu (TL) nezpůsobuje výrazné potíže. Uvedeného chemického složení oceli je však dosaženo ukončením mimopecní úpravy před zahájením kontinuálního lití, což výrazně omezuje možnost využití experimentálních dat (záznam ochlazovací křivky). Pro rychlé určení hodnoty TL je proto vhodné provést výpočty pomocí údajů o chemickém složení oceli.

Mezitím výběr jakékoli univerzální metody pro výpočet teploty likvidu v praxi způsobuje značné potíže, protože doporučení odborníků zapojených do řešení tohoto problému jsou zcela protichůdná. Porovnání přesnosti a spolehlivosti metod výpočtu T_L pro ocel různých jakostí byla v této práci provedena.

Většina známých metod pro výpočet teploty likvidu uhlíkové a legované oceli je založena na polynomických výrazech, které lze shrnout následovně [1. 9]:

kde Tmelt Fe je teplota tání čistého železa (v souladu s většinou známých doporučení T_plavání Fe = 1539 °C); A — součinitel redukce teploty tání čistého železa (zavádí se, pokud se vezme hodnota teploty tání železa, která se liší od výše uvedené hodnoty); A₁ a a₂ — koeficienty významnosti 1. a 2. řádu pro odpovídající prvek i obsažený v oceli dané jakosti; [i] je obsah prvku i v oceli dané jakosti, %.

Základem pro vyjádření tohoto typu je hypotéza, že každý z chemických prvků nezávisle na sobě ovlivňuje pokles teploty likvidu železa. V tomto případě lze výsledný vliv všech prvků rozpuštěných v oceli na pokles teploty likvidu získat na základě dvoufázových diagramů Fe-Xi. Proto se tyto výrazy liší pouze tím, jak je čára likvidu v binárním diagramu aproximována ze strany železa. V nejjednodušším případě je nahrazena tečnou přímkou ​​k přímce likvidu na straně železa a výraz pro teplotu likvidu je zjednodušen na polynom prvního řádu. Podobné výrazy, jak je vidět z tabulky. 1 [1. 4], liší se v hodnotách koeficientů a_i a přijatý bod tání železa.

Vliv změny koncentrace každého chemického prvku na pokles teploty tání železa lze také vzít v úvahu popisem čáry likvidu pomocí polynomu druhého řádu nebo uložením přerušované čáry do křivky teploty likvidu. Navíc nestejný sklon segmentů přerušované čáry v koncentračních intervalech bere v úvahu vliv vlastní koncentrace každého prvku na pokles teploty tání železa. Jako ilustrace v tabulce. 1 jsou uvedeny údaje z prací [5. 7], kde se bere v úvahu pouze koncentrační závislost vlivu uhlíku a práce [8, 9], kde je tato koncentrační závislost vyjádřena i pro řadu dalších prvků v oceli. Uvedeno v tabulce. 1 lze použít pouze v těch koncentračních oblastech, ve kterých se při tuhnutí tvoří pevný roztok.

Směrodatné odchylky σ (tabulka 1) však nemohou sloužit jako obecné kritérium pro posouzení spolehlivosti a použitelnosti každého ze vzorců, protože specialisté obvykle používají mírně odlišné technické metody a nástroje pro měření teploty likvidu oceli. Zdá se, že takové posouzení by mělo být provedeno pro data, která byla získána za přibližně stejných podmínek s poměrně spolehlivým měřením teploty likvidu ve vztahu k velkému množství jakostí oceli.

V této práci jsme vybrali výsledky měření teploty likvidu pro ocel 87 jakostí podle údajů A.A. Howe [10]. Chemické složení oceli některých z těchto jakostí a výsledky měření teploty likvidu jsou uvedeny v tabulce. 2. V tomto případě pro ocel složení 1-10 byla teplota likvidu stanovena termickou analýzou vzorku o hmotnosti 400 g, pro ocel složení 11-20 – současně termickou a diferenciální termickou analýzou vzorku o hmotnosti 40 g .

Bylo zjištěno, že vypočtené teploty likvidu ve většině případů přesahují experimentální data. S poklesem teploty likvidu, který odpovídá zvýšení obsahu uhlíku a legujících prvků v oceli, se šíření rozšiřuje.

Výsledky posouzení spolehlivosti výpočtů teploty likvidu (tabulka 3) ukazují, že použití navržených vzorců se nevyznačuje vysokou mírou přesnosti, neboť i ty nejpřesnější výsledky výpočtů mají směrodatnou odchylku asi ±2,5, což odpovídá rozprostřené pásmo ±7,5 °C .

Podle autorů tohoto článku může být taková odchylka vypočtených dat od experimentálních dat způsobena zejména tím, že tyto vzorce nezohledňují charakter interakce jednotlivých chemických prvků při určité koncentraci. Z prací [11-13] je známo, že pokud se za přítomnosti jakéhokoli jiného prvku nebo se zvýšením jeho vlastní koncentrace změní koeficient aktivity daného prvku, pak jeho vliv na T_L ocel se musí odpovídajícím způsobem změnit.

Rostoucí vliv koeficientu aktivity uhlíku se zvyšující se jeho koncentrací v oceli je ilustrován na příkladu oceli obsahující 1,48 % C (tabulka 4). Při takovém zvýšení koeficientu aktivity uhlíku se jeho skutečný vliv na pokles teploty likvidu, stanovený experimentálně, ukazuje mnohem větší, než lze předpokládat z výsledků výpočtů pomocí známých vzorců. Proto jsou ve většině případů vypočtené hodnoty T_L znatelně vyšší než experimentální. V opačném případě, pokud ocel obsahuje prvek, který snižuje aktivitu uhlíku, a tudíž uhlík snižuje aktivitu tohoto prvku v oceli (B, tabulka 4, manganová ocel), je skutečný pokles teploty likvidu stanovený experimentálně menší. než ta vypočtená pomocí vzorců, které nezohledňují vzájemné ovlivnění aktivit, což je vyjádřeno kladnou odchylkou rozdílů mezi experimentálními a vypočtenými hodnotami T_L. Složitější příklad (B, tabulka 4) pro ocel s vysokým obsahem niklu ilustruje velké odchylky v rozdílech mezi experimentálními a vypočtenými hodnotami T_L v kladném směru téměř ve všech vzorcích, což je zjevně důsledek nedostatečného popisu čáry likvidu ve dvojkové soustavě Fe-Ni.

Je třeba poznamenat, že byly uvažovány pouze dvousložkové a třísložkové systémy (tabulka 4), důvod odchylky vypočítaných experimentálních hodnot TL lze rozumně vysvětlit. Největší rozptyl odchylek T hodnot_L pozorované u legované oceli vícesložkového složení, kde je interakce mezi prvky složitější. V důsledku toho jsou u oceli tohoto složení odchylky způsobené nedostatečným zohledněním účinků takových interakcí na snížení teploty likvidu méně předvídatelné.

Jak je vidět z tabulky. 2, pro uhlíkovou a nízkolegovanou ocel skupiny dT_ženatý má zápornou hodnotu a v absolutní hodnotě v každém jednotlivém případě větší než dTmin. Ve více než 90 % případů jsou hodnoty dTmin rozloženy podle normálního zákona v intervalu ± 2 °C kolem aktuální teploty likvidu a asi 70 % – v intervalu ± 1 °C.

Tabulka 1. Koeficienty aa₁ a a₂ charakterizující míru vlivu chemických prvků obsažených v oceli na pokles teploty likvidu*