Анализ влияния неметаллических включений на свойства стали

      Следовательно, при разливке стали через шлак улучшение качества слитков возможно лишь в случае достаточно большого расхода шлака.

      Эмпирически установлено, что при разливке стали  сверху расход шлака должен составлять 0,5% и более от массы отливаемого  слитка.

      Значительный  интерес представляет изменение  загрязненности стали включениями при разливке через шлак. Было сказано, что шлак может благоприятствовать очищению металла от содержащихся в нем включений. Однако шлак в свою очередь сам увлекается в толщу металла в изложнице во время разливки стали. При некоторых условиях этот шлак может оставаться внутри слитка. Рассмотрим условия, при которых разливочный шлак может вызывать увеличение загрязненности слитков включениями. Пульсация струи (перерывы ее) сопровождается образованием всплесков стали, которые могут быть значительными при малой толщине шлака.

      Во  время пульсации шлак увлекается потоками внутрь слитка. Если потоки металла  достигают стенки изложницы и здесь велика скорость кристаллизации стали, то частицы шлака могут оказаться «замороженными» в корковом слое слитка. Если толщина слоя шлака велика и он не отгоняется потоками стали от стенки изложницы, то здесь кристаллизация металла происходит замедленно. В результате частицы шлака успевают всплыть из металла до его кристаллизации у стенки изложницы. Таким образом, шлак не запутывается в поверхностном слое слитка.

      При разливке стали с использованием жидких шлаков возможно появление двух специфических пороков стальных слитков, которые обнаруживаются в прокатанном металле: волосовины в подкорковых слоях проката и неметаллические включения в металле из - под прибыльной части слитков. Волосовины обычно обнаруживают после удаления с поверхности проката слоя металла толщиной до 10 мм. Волосовины, присущие отлитым через слой шлака слиткам, располагаются в относительно узком слое металла, толщиной около 5% от диаметра (толщины) проката. Волосовины представляют собой скопления неметаллических включений, которые относительно легко растворяются в реактивах, применяемых при травлении металла для выявления его макро - и микроструктуры. Основная причина образования волосовин - окисление металла компонентами шлака. Так, при использовании для разливки стали жидких шлаков, не содержащих FeO и МnО, волосовины не образуются даже при интенсивном перемешивании металла со шлаком. Также не образуются волосовины при использовании для разливки стали порошков, предназначенных для получения жидких шлаков, если в них отсутствуют окислы железа и марганца.

      В том случае, если жидкий шлак (или  порошок, из которого получают шлак) способен окислять металл во время наполнения изложницы, возможно образование волосовин в прокате.

      Механизм  образования в слитках неметаллических  включений, которые в прокатанном  металле имеют вид волосовин, можно объяснить следующим образом.

        Непосредственно перед заливкой стали в изложницу был налит шлак с относительно высокой активной концентрацией окислов железа или марганца. Во время разливки стали сверху происходит перемешивание металла со шлаком. При этом частицы шлака увлекаются потоками стали в глубь слитка, откуда они постепенно всплывают. Во время всплывания частиц шлака содержащиеся в них окислы железа (марганца) растворяются в стали, окисляя некоторые ее компоненты, в первую очередь алюминий и в меньшей мере кремний. При этом образуются мельчайшие включения из глинозема, кремнезема и окислов железа (марганца). Такие включения в подкорковых слоях слитков не успевают всплывать из жидкого металла до его кристаллизации. После прокатки слитка эти включения располагаются в металле в виде волосовин. При образовании включений вследствие окисления стали шлаком на относительно большом расстоянии от стенки изложницы они успевают укрупниться и всплыть из слитка до окончательной кристаллизации его. Образование включений, обнаруживаемых в виде волосовин, наиболее вероятно в нижней части слитков.

      В том случае, если в стали концентрация алюминия небольшая, возможность образования волосовин уменьшается.

      Для устранения волосовин в стали необходимо использовать для ее разливки жидкие шлаки с минимальной концентрацией окислов железа и марганца.

      Для изучения влияния разливки через шлак на загрязненность включениями сталь одной и той же плавки разливали в изложницы по обычной технологии и через слой жидкого шлака. Из поковок (или проката) таких слитков изготовляли образцы для определения содержания и состава включений, а также для механических испытаний. Содержание включений определяли путем электролитического растворения стальных образцов.

Заштрихованная часть - % Al₂O₃

Рисунок 17 - Загрязненность стали неметаллическими включениями при разливке через шлак (I) и по обычной технологии (II).

      На диаграмме (рис. 17) показаны сравнительные данные о содержании включений в стали, отлитой через слой шлака, полученного из экзотермических порошков, и по обычной технологии. Как видно, во всех случаях при разливке стали через шлак имело место уменьшение ее загрязненности неметаллическими включениями. При этом обычно наблюдалось увеличение содержания свободного глинозема и соответственно уменьшение силиката в составе включений (на диаграмме рисунка 17 заштрихованная часть соответствует содержанию свободного глинозема, чистая - силиката). Можно предположить, что увеличение содержания свободного глинозема в неметаллических включениях произошло вследствие растворения в стали алюминия, содержащегося в экзотермической шлаковой смеси. Необходимо отметить, что при этом должно было наблюдаться увеличение содержания алюминия в стали.

      Однако обычными анализами не было установлено повышение содержания алюминия в стали при разливке ее через шлак. Например, в основной мартеновской стали 25 при разливке через шлак содержание алюминия изменилось от 0,13 до 0,16%, а в кислой мартеновской стали 40 - от 0,012 до 0,01%. Таким образом, при разливке стали через экзотермический шлак содержание в ней алюминия оставалось практически неизменным.

      Крупные включения силикатов, которые находились в стали во время ее разливки, погашались шлаком. В стали оставались преимущественно включения глинозема, имеющие очень малые размеры.

      Специфических крупных включений синтетического шлака в металле, отлитом через шлак, не было обнаружено при макроконтроле темплетов из слитков, а также при микроскопическом осмотре металлографических шлифов. 

Таблица 1 - Изменение состава и содержания неметаллических включений по высоте слитка стали 40Х

      В таблице 1 показано распределение неметаллических включений по высоте слитка стали 40Х, отлитого через слой жидкого шлака. Отбор соответствующих проб производили через каждые 13 - 15% высоты слитка начиная с подприбыльной части (проба № 1).

      Из таблицы 1 видно, что наиболее загрязнена включениями верхняя часть слитка (проба № 2 - 15% от верха). В нижней части слитка (проба № 7) содержание неметаллических включений также увеличенное.

      Несмотря на относительно увеличенное содержание включений в верхней части слитка (проба № 2), оно все же ниже наблюдаемого в стали 40Х при обычной технологии разливки (рис. 17). По данным контроля металла из трех слитков стали 40Х, содержание в нем включений при обычной разливке без шлака составляет 0,01 - 0,016%.

      При разливке стали через шлак, получаемый из экзотермических смесей, не отмечено существенного изменения состава металла в пробах из подприбыльной части слитков: во всех случаях содержание углерода, серы и фосфора соответствовало тому, которое было в исходном металле из ковша и в слитках, отлитых по обычной технологии.

      Из поковок опытных слитков, разлитых через шлак, и обычных той же плавки отбирали образцы для механических испытаний. Испытания производили в продольных и поперечных (тангециальных) образцах. Сравнение свидетельствует о том, что при разливке стали через шлак ее механические свойства не ухудшаются ни в продольных, ни в тангенциальных образцах (рис. 18).

      Необходимо отметить, что почти во всех тангенциальных образцах стали, отлитой через шлак, обнаруживали увеличение ударной вязкости по сравнению со сталью, разлитой по обычной технологии. Некоторое увеличение ударной вязкости стали при разливке ее через шлак, что наиболее четко было установлено при испытании тангенциальных образцов, обусловлено, вероятно, уменьшением содержания и размеров включений, остающихся в закристаллизовавшемся металле. Такое же объяснение может быть дано наблюдаемому некоторому улучшению пластических свойств металла (по данным контроля, главным образом продольных образцов) при разливке его через слой жидкого шлака.

      С целью одновременного рафинирования стали (удаление из нее кислорода и серы и улучшения поверхности слитков) разливку стали производили через предварительно расплавленный и залитый в изложницы шлак примерно следующего состава: 50% (CaO+MgO); 48% (SiO₂+Al₂O₃); 2% Na₂O. При разливке стали через такой шлак при атмосферном давлении минимальная концентрация серы в металле получается равной 0,015%, а при разливке в вакууме 0,009% [1].

 I- разливка через шлак; II- обычная заливка

Рисунок 18 - Механические свойства стали в продольном (незаштрихованные прямоугольники) и поперечном (заштрихованные) направлении

      3.3 Обработка металла синтетическими шлаками 

      Перемешивание металла со специально приготовленным (синтетическим) шлаком позволяет интенсифицировать переход в шлак тех вредных примесей, которые удаляются в шлаковую фазу (серы, фосфора, кислорода). В тех случаях, когда основную роль в удалении примеси выполняет шлаковая фаза, скорость процесса пропорциональна площади межфазной поверхности. Если ставится задача удаления из металла неметаллических включений определенного состава, то соответственно подбирают состав синтетического шлака (например, металл, выплавленный в кислой печи, обрабатывают основным шлаком; металл, выплавленный в основной печи - кислым). В тех случаях, когда ставится задача снижения содержания серы в металле, подбирают шлак с максимальной активностью СаО и минимальной активностью FeO и т. п. Во многих случаях задача заключается, во-первых, в получении шлака заданных состава и температуры, и, во-вторых, в разработке способа получения максимальной поверхности контакта шлаковой и металлической фаз. При этом должны быть обеспечены условия, необходимые для последующего отделения шлака от металла.

      Способ обработки металла в ковше жидкими синтетическими шлаками для удаления из металла нежелательных примесей был предложен советским инженером А. С. Точинским.

      При сливе металла на находящийся в ковше синтетический шлак обе взаимодействующие фазы (сталь и шлак) интенсивно перемешиваются, шлак эмульгирует в металле и в какой-то степени эмульгирует металл в шлаке с последующим разделением фаз. Интенсивность и глубина протекания процесса определяются высотой падения струи металла и шлака, физическими характеристиками и составом шлака и др. Задача заключается в том, чтобы обеспечить в процессе обработки максимальную межфазную поверхность. Наибольшее влияние при этом имеет высота падения струи металла, а также вязкость шлака. Содержащаяся в металле сера взаимодействует с СаО шлака и переходите шлак. Поскольку синтетический шлак содержит обычно ничтожно малые количества таких оксидов, как FeO и МnО, то обработка шлаком сопровождается снижением окисленности металла; в шлак переходит также некоторое количество таких оксидных включений, которые хорошо смачиваются синтетическим шлаком, или взаимодействуют с ним.