Неметаллические включения в электростали. Способы удаления НВ, в том числе при ВПО (обосновать)

Неметаллическими включениями называют содержащиеся в стали соединения металлов с неметаллами. Количество неметаллических включений, их состав, размеры и характер расположения в готовом изделии оказывают существенное, а иногда решающее влияние на свойства стали. Неметаллические включения ухудшают не только механические (прочность, пластичность) и другие свойства стали (магнитную проницаемость, электропроводность и др.), так как нарушают сплошность металла и образуют полости, в которых концентрируются напряжения в металле. Неметаллические включения принято разделять на две группы:

а) включения, образующиеся в процессе реакций металлургического передела (эндогенные включения);

б) включения, механически попадающие в сталь (экзогенные включения). Эти включения представляют собой частицы загрязнений, бывших в шихте и не удалившихся из металла в процессе плавки, частицы оставшегося в металле шлака, частицы попавшей в металл футеровки желоба, ковша.

Эндогенные включения непрерывно образуются в металле в процессе плавки, разливки, кристаллизации слитка или отливки. Большая часть образовавшихся включений успевает всплыть и удалиться в шлак, но какая-то часть остается.

Основные меры по борьбе с вредным влиянием включений должны быть направлены на предоставление им возможности всплыть или вы­делиться из жидкой стали как можно раньше, в дисперсной, беспоря­дочной или округлой форме.

Всплывание неметаллических включений в расплаве происходит под действием силы/:

(5.2)

где г —радиус включения, см; р_ст—плотность жидкой стали, г/см³; р_вкл — плотность включения, г/см³.

Скорость всплывания зависит от сопротивления среды этому про­цессу. Сопротивление среды движению малых сферических частиц опре­деляется законом Стокса:

(5.3)

где v — скорость всплывания, см/с; Т| — вязкость жидкой стали, г/(см • с); g — ускорение силы тяжести, м/с².

Определяя скорость всплывания включений из условий равенства /= S, получим:

(5.4) Отсюда

(5.5)

Анализ формулы (5.5) показывает, что скорость всплывания растет пропорционально квадрату радиуса включения и уменьшению плотно­сти частиц и снижается с повышением вязкости расплава.

Известно, что с повышением температуры вязкость расплава умень­шается. Это означает более эффективное выделение неметаллических включений при повышенных температурах. Поэтому понятно стремление получать неметаллические включения в жидком состоянии, сфери­ческой формы, легкокоагулирующими, крупных размеров.

Скорость всплывания включений диаметром 0,1 мм в стали со­ставляет всего 80 см/мин, диаметром 0,01 мм — 0,8 см/мин, диаметром 0,001 мм — 0,008 см/мин, для сравнительно крупных марганцевых сили­катов диаметром 1 мм определена скорость всплывания в 1550 см/мин (данные Ю. А. Нехендзи).

Следовательно, мелкие включения диаметром около 0,01 мм прак­тически не удаляются из отливки. Только при очень длительной выдерж­ке в печи или в ковше возможно частичное всплывание мелких включе­ний, что не всегда технологически возможно.

Включения, которые не успевают удалиться и остаются в отливке после ее затвердевания, вызывают дефекты структуры и ухудшают ме­ханические свойств.

Основные меры по удалению и снижению вредного влияния неме­таллических включений следующие:

— комплексное раскисление стали;

— рафинирование, вакуумирование стали;

—продувка инертными газами и порошкообразными материалами;

— модифицирование включений;

— оптимальный режим заливки форм.

В каждом конкретном случае на практике определяют пути сниже­ния содержания включений в отливках при данной технологии их изго­товления, а также пути перевода включений в такое состояние, при ко­тором их негативное влияние на свойства литья было бы минимальным.

Эффективным способом уменьшения влияния неметаллических вклю­чений и повышения свойств стали и отливок из нее является модифици­рование состава и изменение морфологии включений. Этот способ на­шел широкое применение в литейном производстве.

Конечное раскисление стали алюминием, используемое практичес­ки всегда в литейном производстве, обеспечивает ее удовлетворитель­ное качество, но не является оптимальным. Образующиеся в стали ост­роугольные включения оксисульфидов, корунда и шпинелей служат кон­центраторами напряжений, способствуют образованию микротрещин, охрупчивающих металлическую матрицу, и снижают свойства отливок. Наиболее желательные формы включений — округлые или глобуляр­ные, которые гасят возникающие микротрещины. Поэтому в процессе производства стальных отливок стремятся получать глобулярные вклю­чения. Для этого широко используются редкоземельные (РЗМ) и щелоч* ноземельные (ЩЗМ) металлы: Mg, Са, Ва, Се, La, Y и др. Эти металлы обладают высоким сродством к кислороду, сере, азоту и нейтрализуют их вредное влияние. Введение таких элементов в жидкую сталь приводит к глобуляризации включений, очищению стали от них, измельчинию дендритной структуры и зерна. Все это обусловливает повышение литейных, механических и эксплуатационных свойств отливок.

Как правило, РЗМ и ЩЗМ вводят в расплав стали в виде лигатур и ферросплавов: силикокальция, ферроцерия, ЖКМК (железо—крем­ний—магний—кальций), силикобария, алюмобария и др. Применение лигатур более эффективно, так как увеличивает усвоение РЗМ и ЩЗМ и повышает эффект модифицирования.

После обработки стали силикокальцием природа включений значи­тельно меняется. Угловатые включения типа III становятся глобуляр­ными перитектическими включениями типа I. Эти комплексные окси-сульфидные включения располагаются внутри металлической матрицы дезориентированно на значительном расстоянии одно от другого. Остро­угольные кристаллические включения корунда и шпинелей находятся внутри округлых сульфидных оболочек. Механические и эксплуатаци­онные показатели отливок значительно улучшаются.

Из редкоземельных металлов для обработки расплавов стали наи­более часто применяют лантан, церий, иттрий. Характерной особеннос­тью РЗМ является их высокое химическое сродство к большей части эле­ментов, содержащихся в стали, особенно к таким нежелательным при­месям, как кислород, сера, азот, водород, фосфор, цветные металлы (РЬ, Bi, Sb, Sn и др.). РЗМ не только снижают содержание этих примесей в стали, но и переводят их из активных форм в пассивные, что способ­ствует очищению границ зерен. Включения, образуемые РЗМ (оксиды, сульфиды, нитриды), оказывают также модифицирующее влияние на структуру стали.

Однако следует отметить, что плотность включений РЗМ с примеся­ми стали незначительно меньше плотности самой стали, поэтому их уда­ление затруднено. Следовательно, наибольший эффект от обработки стали добавками РЗМ достигается при их воздействии на морфологию оставшихся включений.

Основными критериями оценки модификаторов неметаллических включений следует считать: энергию образования элементов с кислоро­дом, серой, азотом и углеродом, их растворимость в жидкой стали, дав­ление пара при температурах жидкой стали, стоимость модификаторов, плотность образуемых ими включений. Стандартная свободная энергия образования сульфидов, оксидов, оксисульфидов, нитридов и других соединений определяет интенсивность модифицирующего воздействия отдельных элементов.

При модифицировании неметаллических включений должна быть установлена стандартная технология, обеспечивающая воспроизводи­мость результатов при оптимальном сочетании степени чистоты стали, свойств отливок и их стоимости.

7.1 Возможности получения низкофосфористой высоколегированной стали. Чем определяется уровень окисленности расплава?

Задачами окислительного периода являются: 1) снижение содержания фосфора ниже допустимых пределов в готовой стали; 2) возможно полное удаление растворенных в ме­талле газов (водорода и азота); 3) нагрев металла до тем­пературы, превышающей на 120-130°С температуру ликвидуса; 4) приведение ванны в стандартное по окисленности состояние. Если плавку ведут без восстановительного периода, то в окислительный период нужно также удалить из металла серу до содержания ниже допустимого предела.

Окисление фосфора осуществляют присадками железной руды с известью. Начинать присадку руды следует после предварительного подогрева металла, чтобы сразу же после введения руды началось окисление углерода и кипение металла. Руду и известь необходимо загружать равномерными порциями, поддерживая интенсивное кипение металла. Шлак в этот период должен быть пенистым, жидкоподвижным и самотеком сходить через порог рабоче­го окна. Обеспечение самопроизвольного стекания и обнов­ления шлака в условиях непрерывного повышения темпера­туры металла необходимо для эффективного удаления фосфора.

Присаживать очередную порцию руды и извести необходимо при уменьшении интенсивности кипения металла, вызванного предыдущей порцией. Введение крупных порций нежелательно, так как это может вызвать охлаждение металла и кипение будет слабым. Избыток в ван­не непрореагировавшей руды при последующем повышении температу­ры может вызвать бурное окисление углерода и привести к выбросу металла и шлака из печи. Во избежание этого руду нужно присажи­вать так, чтобы скорость окисления углерода поддерживалась в пре­делах 0,4-0,6 %/ч в начале периода и 0,2-0,3 %/ч в конце.

Для контроля за ходом окислительных процессов регулярно через каждые 5-10 мин отбирают пробы металла, в которых контролируют содержание фосфора и углерода. При содержании фосфора <0,02 % окисление рудой можно прекратить. Правильно организованный темпе­ратурный режим окислительного периода, постоянное обновление шлака при поддержании основности в пределах 2,7-3 и высоком содержании в нем FеО (15-20%) позволяют без особых затруднений понизить содержание фосфора до 0,010-0,012% и менее. Быстрому снижению содержания фосфора способствует продувка металла порошкообразной известью.

Технологическими инструкциями обычно предусматри­вается, чтобы за период кипения было окислено 0,3 % С при выплавке высокоуглеродистой стали, содержащей 0,6 % С, и 0,5 % С при выплавке средне- и низкоугле­родистой стали. Для крупных печей эти количества могут быть несколько уменьшены. Окисление такого количества углерода необходимо для дегазации металла.

Процесс обезуглероживания металла целесообразно ин­тенсифицировать. Очень высокие скорости окисления угле­рода позволяет получить продувка металла газообразным кислородом. Так, в печи емкостью 40 т и при расходе кислорода 1200 м³/ч скорость окисления углерода составляет 3-4%/ч при содержании его в пределах 0,9-1,0% и 0,7-0,8 %/ч при содержании 0,2% С, причем скорость обезуглероживания возрастает с увеличением интенсивно­сти продувки.

Окисление углерода газообразным кислородом позволя­ет сократить длительность периода, благодаря чему при расходе кислорода 4-7 м³/т на 5-10% увеличивается производительность печей и на 5-12% снижается расход электроэнергии. Для уменьшения угара железа продувку ванны кислородом следует начинать после нагрева метал­ла и проводить ее при включенной печи. После начала окисления углерода благодаря большому тепловому эф­фекту этой реакции температура металла быстро возрастает, поэтому в момент появления пламени печь необходимо отключить.

В процессе продувки отбирают пробы металла, в кото­рых контролируют содержание углерода. К концу продув­ки содержание углерода должно быть немного меньше нижнего предела для заданной марки, в результате чего с учетом углерода, вносимого ферросплавами и электрода­ми, обеспечивается получение заданного содержания его в металле. Однако для предотвращения переокисления ме­талла содержание углерода к концу окисления не должно быть <0,1 %, исключение составляет выплавка стали, в которой углерод является нежелательной примесью. Для стали таких марок стандартами устанавливается только верхний предел содержания углерода.

Содержание марганца в окислительный период обычно не регламентируют. Реакция окисления марганца в этот период близка к равновесной, поэтому нормальный ход плавки с необходимым повышением температуры к концу периода сопровождается восстановлением марганца из шлака. В окислительный период окисляется и хром, причем значительное его количество окисляется еще в процес­се плавления. Скачивание шлака периода плавления и по­стоянное его обновление в течение окислительного периода способствуют дальнейшему окислению хрома и потере его со шлаком.

Тугоплавкие оксиды хрома сильно понижают текучесть шлака и затрудняют процесс окисления фосфора, поэтому использование хро­мистых отходов на плавках с полным окислением нецелесообразно. Однако иногда с целью использования содержащихся в шихте никеля и молибдена во время завалки дают некоторое количество хромоникелевых и хромоникельмолибденовых отходов в таком количестве, чтобы содержание хрома в первой пробе не превышало 0,4 %.

Интенсификация окисления газообразным кислородом позволяет быстро повысить температуру металла до заданной. Однако при про­дувке кислородом возможен перегрев металла, что отрицательно влия­ет на состояние футеровки, ухудшает условия дефосфорации и может привести к увеличению в металле содержания азота. Чтобы не допу­стить перегрева металла, его охлаждают при необходимости железной рудой.

После присадки последней порции руды или окончания продувки кислородом делают выдержку в течение не менее 10 мин, необходимую для приведения металла в стандарт­ное по окисленности состояние. Во время выдержки отби­рают пробу на анализ и измеряют температуру металла. Общая продолжительность окислительного периода состав­ляет 40-70 мин, а в случае применения газообразного кис­лорода она может быть сокращена до 30 мин. В окисли­тельный период удаляется 40-60 % серы, вносимой ших­той. Успешной десульфурации способствует высокая основ­ность шлака (не менее 2,7-2,8) и его постоянное обновле­ние. Благоприятные условия для удаления серы в окислительный период создаются при введении вместе с кислородом порошкообразной извести.