Анализ влияния неметаллических включений на свойства стали

    3. Промышленные способы очистки стали от неметаллических включений 

      3.1 Раскисление и выдержка металла перед разливкой 

     К концу процесса плавки расплавленная  стальная ванна содержит то или иное количество кислорода, которое,  при  всех типах сталеплавильных процессов существенно выше концентраций, равновесных с углеродом. Например, результаты измерения активности кислорода в кипящей мартеновской ванне и определения содержания кислорода методом вакуум-плавления показали (рис. 9), что в исследованном диапазоне концентраций углерода (0,12 - 0,80%) имеет место некоторая переокисленность кипящей ванны.

                                а₀, [О]_вп, %

Рисунок 9 - Зависимость активности кислорода (а) и содержания его в металле [О] _в.п  (б),  по данным вакуум - плавления, от содержания углерода [C]

      Учитывая  относительно высокую раскислительную  способность углерода и уменьшение растворимости кислорода в металле с понижением температуры, такой металл необходимо раскислять для предотвращения возможности образования пузырей и газовой пористости в слитках спокойной стали.

      В настоящее время известно много  способов раскисления стали; основным из них, широко применяемым на практике, является осаждающее раскисление. Сущность этого метода состоит в том, что вводимые в жидкий металл раскислители взаимодействуют с растворенным в нем кислородом, образуя окислы, выделяющиеся из металлического расплава в виде твердой или жидкой фазы. Особо важное значение при этом придается вопросам удаления из жидкого металла неметаллических включений - продуктов раскисления.

      Большое влияние на кинетику удаления неметаллических включений  оказывают такие их свойства, как температура плавления, плотность,  удельная  межфазная  энергия  на поверхности контакта металл - включение, адгезия жидкого металла к включениям.

      Поскольку  процесс «отстаивания» металлического расплава от неметаллических включений происходит во времени, в качестве практического приема для очищения металла от продуктов раскисления его (после раскисления) перед началом следующей технологической операции некоторое время выдерживают.

      Собственно раскисление стали производят в печи и в ковше или только в ковше, этот процесс осуществляется в несколько стадий, регламентирующих порядок введения раскислителей и их количество.

      Для быстрого очищения металла от неметаллических включений наиболее правильно вести раскисление таким образом, чтобы каждая предыдущая стадия раскисления приводила к образованию жидких включений, обладающих значительной адгезией к тугоплавким продуктам раскисления последующих стадий. Это связано со стремлением укрупнить размер включений и тем повысить скорость их всплывания.

      В последнее время было замечено, что на скорость удаления неметаллических включений существенное влияние оказывает перемешивание металла. Опыты показали, что при интенсивном перемешивании металл весьма быстро очищается от глиноземистых включений. Даже при небольшой интенсивности перемешивания металла алюминатные включения (твердые) всплывают быстрее силикатных (жидких).

      Поскольку жидкий металл, проходя все стадии технологического процесса (плавка в сталеплавильном агрегате, выпуск в ковш, разливка), постоянно находится в состоянии более или менее интенсивного перемешивания, очищение металла от твердых и жидких неметаллических частиц ускоряется и нивелируется вследствие движения самого металла. Поэтому, например, порядок введения раскислителей в печь слабо влияет на удаление из металла окисных неметаллических включений.

       По результатам большого количества исследований в настоящее время принято считать, что использование предварительного раскисления стали в мартеновской печи с целью повышения чистоты металла является ненужной операцией. По данным ряда исследователей, при раскислении и легировании стали в печи и в ковше или только в ковше содержание неметаллических включений в металле практически одинаково. Например, в одной работе  сопоставили два способа раскисления стали: с предварительным раскислением в мартеновской печи и только в ковше при одинаковых остаточных концентрациях марганца и кремния. При одном и том же содержании кислорода в металле к началу раскисления его среднее содержание к моменту разливки стали для обоих вариантов раскисления получилось практически одинаковым (рис. 10). 
 
 
 
 

Рисунок 10 - Содержание кислорода в металле (по данным вакуум-плавления) перед раскислением (А), в середине (Б) и в конце (В) разливки при раскислении в печи и в ковше (1) и только в ковше (2)

      Результаты определения содержания неметаллических включений в литых пробах стали, раскисленной по обоим вариантам, показали, что при раскислении стали в печи и в ковше их суммарное содержание составило 0,008 - 0,016% (в среднем по 6 плавкам 0,0110%); при раскислении только в ковше - 0,006 - 0,015% (в среднем по 9 плавкам 0,0105%). Таким образом, металл, раскисленный в печи и в ковше и только в ковше, характеризуется одинаковым остаточным количеством кислорода и неметаллических включений.

      Однако, в современной практике предварительное раскисление стали в мартеновской печи пока не находит применение при производстве главным образом сталей ответственного назначения с целью четкой фиксации состава металла по углероду и легирующим элементам.

      Окончательно металл раскисляют в ковше, причем раскислители, как правило, вводят во время выпуска стали либо по желобу на струю, либо непосредственно в ковш. После окончания выпуска металл перед разливкой некоторое время выдерживают для того, чтобы дать возможность пройти процессам, связанным с удалением экзогенных и первичных оксидных включений, а также усреднить состав стали по всему объему. В зависимости от емкости ковша и других технологических  условий время выдержки составляет обычно 5 - 15 мин. Время, необходимое для удаления первичных включений, увеличивается при снижении температуры металла и увеличении пути всплывания, т.е. увеличении емкости ковша.

       Многие исследователи отмечают, что при раскислении и последующей выдержке стали очищение металла от кислорода и первичных неметаллических включений происходит по затухающей кривой с очень круто падающей ветвью в первые минуты после присадки раскислителей. Изменение суммарной концентрации кислорода в металле после добавки различных раскислителей при сливе трехтонной электроплавки,  представлено на рисунке 11. 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 11 - Изменения общего содержания кислорода в металле после добавок различных раскислителей

      Согласно этим данным, после прекращения перемешивания металла, вызываемого его сливом в ковш (1 - 1,5 мин), последующая выдержка в сталеразливочном ковше приводила лишь к незначительному изменению содержания кислорода. В этот период частицы диаметром < 10 мкм уже не удаляются. В другой работе  по данным об активности кислорода и его суммарном содержании, полученным при изучении кинетики процессов раскисления металла в печи сопротивления, где имеется некоторое движение металла под влиянием тепловой конвекции, приближенно оценили скорость всплывания неметаллических включений, образовавшихся в процессе раскисления (рис.12) [8].

Рисунок 12 - Изменение активности а₀ (1) и концентрации [О]_∑ (2) кислорода в металле при его раскислении кремнием и алюминием. 

      Эти данные показывают, что наиболее интенсивное удаление первичных неметаллических включений происходит в начальные моменты времени после присадки раскислителей. Причем в условиях небольшого перемешивания металла алюминатные включения всплывают быстрее силикатных (более интенсивное уменьшение заштрихованной области между а ₀ и [0]_∑).

      Общепринято считать, что результаты удаления первичных неметаллических включений при выдержке стали перед разливкой тем лучше, чем больше возможностей для коагуляции легкоплавких смесей окислов. Поэтому стремление повысить чистоту стали от оксидных включений привело к разработке комплексных раскислителей, таких как силикомарганец, силикокальций, КМК (кремний - марганец - кальций), КМК-А (кремний - марганец - кальций - алюминий) и др. При этом большое значение придается подбору состава раскислителей для того, чтобы уже при реагировании с растворенным в металле кислородом образовались также включения, которые сразу коагулировали бы в большие легко удаляющиеся частицы.

      На малоуглеродистый металл высокое раскисляющее действие оказывает, например, сплав марганца и кремния, в котором соотношение концентраций Mn : Si составляет от 4:1 до 7:1 При изучении процессов раскисления низкоуглеродистой стали сплавами кремний-кальций-алюминий исследователи пришли к выводу, что удаление продуктов раскисления, характеризуемое относительным снижением концентрации кислорода, происходит тем полнее, чем выше содержание алюминия в сплаве. В отношении содержания кальция было установлено, что концентрация кислорода в металле снижается при повышении расхода кальция только до 0,5 кт/т, дальнейшее увеличение расхода кальция практически не приводит к снижению концентрации кислорода.

      Следует обратить внимание на то обстоятельство, что и регламентация режима раскисления, и использование комплексных раскислителей, и выдержка металла после раскисления - все это направлено на создание благоприятных условий для удаления из металла экзогенных и первичных неметаллических включений. [3] 

      3.2 Разливка стали сверху через слой шлака 

      В случае разливки стали сверху через слой жидкого шлака взаимодейст-вие металла со шлаком значительно увеличивается. При этом имеет место интенсивное перемешивание их. Значительный интерес представляет изменение загрязненности стали неметаллическими включениями при разливке ее через слой шлака.

      Обычно при разливке стали сверху поднимающаяся в изложницах поверхность металла сильно колеблется, брызги и всплески от нее попадают на стенки изложницы (рис. 13а). Все это часто вызывает образование специфических дефектов слитков. При разливке через слой шлака достаточной толщины всплески стали в изложницах могут быть устранены, а ее разбрызгивание не ухудшит формирования поверхности слитка (рис. 13б). Очевидно, увеличение слоя шлака на поверхности стали способствует «гашению» всплесков, благодаря чему достигается более эффективное улучшение поверхности слитков.

  Рисунок 13 - Разливка стали сверху

      При отливке сверху крупных слитков возможно образование заворотов корки и ухудшение вследствие этого поверхности и подкорковых слоев слитков (рис. 13в).

      Образующаяся  корка твердого металла и включений, всплывающих из стали, «прихватывается» кристаллизующимся у стенок изложницы металлом и обламывается здесь. Завороты корки обусловливают появление включений, пузырей и пленок окислов в поверхностном слое слитка.

      Благодаря использованию жидких шлаков завороты корки устраняются в основном вследствие того, что при этом корка не образуется. Указанное обстоятельство обусловливает устранение соответствующих дефектов слитков (рис. 13г). При разливке стали струей малого диаметра, а также при малом напоре струи бурление металла у стенки изложницы небольшое (рис. 14а).  

Д₁ и Д₂ – диаметры струи стали; А₁ – шлака мало, оголение зеркала, вмораживание включений в корку стали; А₂ – шлака много, включения всплывают.

Рисунок 14 - Схемы разливки стали через шлак струей разного диаметра

      В результате этого даже при относительно небольших расходах шлака всплески металла у стенок изложницы отсутствуют, слиток формируется с хорошей поверхностью. Увеличение диаметра и напора струи сопровождается усилением циркуляции металла у стенок изложницы и соответственно большими всплесками ее. Всплески стали сопровождаются оголением участков поверхности металла. Если такое оголение произойдет у стенки изложницы, то увлекаемые потоками стали частицы шлака могут остаться в быстро закристаллизовавшейся здесь стали (рис. 14б). Увеличение при этом толщины слоя шлака в изложнице предотвращает оголение отдельных участков поднимающейся поверхности металла (рис. 14в), а также устраняет образование сильных всплесков. Вследствие этого на всей внутренней поверхности изложницы под металлом образуется шлаковый гарниссаж. Последнее способствует тому, что частицы шлака, увлекаемые в глубь слитка потоками стали, не «примерзают» вместе с металлом к стенке изложницы, а всплывают. В случае большой толщины шлака практически можно устранить всплески стали у стенки изложницы. Если толщина шлака небольшая (рис. 15), то во время всплеска стали у стенки изложницы образуется скрапина вследствие очень быстрой кристаллизации здесь стали. Эта скрапина в дальнейшем покрывается пленкой шлака со стороны, обращенной внутрь слитка. После подъема металла до уровня этой скрапины на ней происходит кристаллизация жидкой стали (рис.16). Таким образом, образуется плена, покрытая пленкой шлака со стороны, обращенной внутрь слитка.