Анализ влияния неметаллических включений на свойства стали

 
 
 
 
 
 

1 - ковш с металлом; 2 - погружной колпак из высокоглиноземистых огнеупоров;3 – отверстие для отбора проб; 4 - люк для введения ферросплавов;               5 - расплавляющийся конус из листовой стали, препятствующий попаданию шлака при опускании колпака в металл; 6 -пористая пробка для введения аргона

Рисунок 26 - Схема CAS – процесса

       На рисунке 27 представлена схема CAS - установки усложненной конструкции. На этой установке предусмотрена возможность подогрева стали за счет теплоты реакции окисления кислородом вводимого в металл алюминия. Установка названа CAS - OB. 
 
 
 
 
 
 
 

1- фурма для продувки кислородом с нагревом стали; 2 - желоб для подачи легирующих; 3 – дымоход; 4-фурма для вдувания порошков; 5 - устройство для подъема колпака; 6- струя кислорода; 7 – колпак; 8 - перемешивающий газ;

9 - пористая пробка

Рисунок 27 - Схема установки CAS-OB

      В тех случаях, когда необходимо перемешивать металл в ковше под шлаком длительное время, в крышку ковша опускают электроды и подогревают ванну. При этом исключается использование обычного шамота в качестве огнеупорного материала ковша, так как продолжительный контакт жидкоподвижного высокоосновного шлака с шамотной футеровкой, состоящей из кремнезема и глинозема, приведет к быстрому выходу футеровки из строя. Ковш футеруют основными высокоогнеупорными    материалами.

      Сочетание продувки инертным газом с заменой футеровки ковша позволяет добиться заметного снижения загрязнения металла кислородом. Если при обычной технологии для раскисленной алюминием стали произведение [Al]²·[О]³ достигает значения 10^-8 - 10^-9, то при использовании ковшей с основной футеровкой при продувке аргоном оно составляет ~10^-11.

       На рисунке 28 отражена эволюция методов продувки металла инертным газом. [11] 
 
 
 
 
 
 
 

а - ковш, снабженный затвором шиберного типа; б - продувка газа через днище; в - подача газа снизу через стенку ковша; г - продувка через ложный стопор; д - продувка металла в ковше, накрытом крышкой; е - интенсивная продувка через ряд фурм или пористое днище; ж - продувка снизу в ковше с крышкой, через которую вводят добавки; з - продувка в ковше под вакуумом.

Рисунок 28 - Совершенствование конструкции сталеразливочных ковшей и методов продувки металла инертным газом 

    3.5 Повторное окисление металла при разливке и его влияние на свойства стали 

      Получившие широкое распространение способы внепечного рафинирования больших масс стали - вакуумирование, продувка аргоном, обработка синтетическим шлаком - призваны очищать жидкий металл от первичных неметаллических включений. При этом в ряде случаев одновременно несколько увеличивается глубина раскисления стали вследствие ограничения повторного окисления металла в ковше, большего усвоения раскислителей, самораскисления за счет углерода и др. Однако в ходе разливки струя металла контактирует с кислородом окружающей атмосферы, что может приводить к увеличению содержания кислорода и неметаллических включений в стали и снижать эффективность внепечного рафинирования металла.

      Интенсивность процессов вторичного окисления изучена с помощью электрохимического метода измерения активности кислорода в металле в ковше и изложнице (кристаллизаторе) по ходу разливки. Типичный вид полученных кривых приведен на рисунке 29.

     
 
 
 

   Рисунок 29 - Изменение активности кислорода в жидком металле в сталеразливочном ковше (1) и изложницах (2) по ходу выдержки в ковше и разливки (сталь 25Г2) 

       Из этих данных следует, что при разливке металла в изложницы величина активности кислорода а_о при движении металла от сталеразливочного ковша до изложницы увеличивается вдвое.

      При разливке стали на МНЛЗ повторное окисление металла происходит в большей мере (рис. 30):

     
 
 
 
 

  Рисунок 30 - Изменение активности кислорода в жидком металле в сталеразливочном ковше (1), промежуточном ковше (2) и кристаллизаторе (3) по ходу разливки на МНЛЗ (сталь 3сп)

      Величина а_о в промежуточном ковше примерно в 2, а в кристаллизаторе в 3 раза выше, чем в сталеразливочном ковше. Содержание кислорода в металле в кристаллизаторе в 2 - 3 раза выше, чем в промежуточном ковше (сталь 3сп).

      Увеличение не только содержания кислорода, но и его активности указывает на то, что кислород, поглощаемый струей металла, не успевает за время разливки реагировать с элементами - раскислителями с образованием неметаллических включений. По всей вероятности это связано с тем, что степень пересыщения не достигает величины, обеспечивающей гомогенное зарождение включений. Процесс взаимодействия кислорода, поступившего в металл в результате повторного окисления, с элементами-раскислителями металла протекает уже в ходе затвердевания стали, образуя вторичные, третичные (кристаллизационные) и послекристаллизационные включения.

      Повторное окисление металла и образование окисных неметаллических включений в слитке можно представить с помощью диаграмм, изображенных на рисунке 31. 

    

    
 
 
 
 
 

  Рисунок 31 - Диаграмма изменения равновесной (сплошные линии) и фактической (штриховые линии) концентраций кислорода при охлаждении стали 

      Согласно термодинамическим расчетам, в ходе охлаждения металла от температуры раскисления до температуры ликвидус протекают процессы образования вторичных неметаллических включений (рис. 31а, участок БС) вследствие уменьшения равновесной с данными количествами раскислителя величины содержания кислорода. Однако трудности гомогенного зарождения включений приводят к тому, что при охлаждении металла, контактирующего с окислительной атмосферой, происходит накопление в нем кислорода (БС'). Таким образом, к моменту кристаллизации количество сверхравновесного с раскислителем кислорода увеличится. При дальнейшем охлаждении металла в двухфазной области этот кислород выделится в виде кристаллизационных неметаллических включений (СД). Защита металла от контакта с окислительной атмосферой в период его охлаждения до температуры ликвидус предотвращает накопление в нем кислорода, количество образующихся кристаллизационных неметаллических включений в этом случае меньше, чем в предыдущем (С'Д), на величину, пропорциональную количеству прореагировавшего кислорода. Таким образом, защита разливаемого металла от повторного окисления кислородом воздуха уменьшает как общее количество, так и количество кристаллизационных неметаллических включений в слитке.

      Более глубоко раскисленный металл должен содержать и меньшее количество неметаллических включений, так как исходное перед охлаждением содержание в нем кислорода должно быть ниже (AБ₁). Однако это имеет место только в том случае, когда металл при разливке защищается от контакта с окислительной атмосферой. Иначе содержание кислорода в металле перед началом его кристаллизации достигает величин, характерных для менее раскисленного металла (Б₁С'₁). Тогда в обоих случаях количество неметаллических включений будет примерно одинаковым (С'Д и С₁'Д₁). Поэтому глубоко раскисленный металл (металл с большим содержанием легкоокисляющихся элементов) требует защиты при разливке от контакта с окислительной атмосферой, иначе эффективность раскисления нивелируется протекающими процессами повторного окисления.

      Согласно принятой классификации, к наиболее нежелательным относятся кристаллизационные и послекристаллизационные включения. Являясь результатом процессов раскисления в период кристаллизации стали, эти включения остаются в металле и снижают его качество. Одним из способов борьбы с такими включениями является глубокое раскисление металла с целью получения возможно меньшего равновесного с количеством данного раскислителя содержания кислорода и защита такого металла от повторного окисления при разливке.

      Для защиты струи металла при разливке в изложницы используют обычно инертный газ аргон, который подают к струе металла с помощью специального защитного устройства, подвешиваемого к днищу сталеразливочного ковша или устанавливаемого на центровую.

      Разливка стали в инертной атмосфере значительно повышает чистоту металла. При разливке металла с защитой струи аргоном величина активности кислорода в металле а_о в изложнице в 2 - 2,5 раза ниже, чем в случае наполнения изложниц по обычной технологии. Это иллюстрируется данными рисунке 32. 
 
 
 
 

     
 
 
 

1 - 0,25 - 0,27% [Si] и 2 - 0,35 - 0,37% [Si]

  Рисунок 32 - Изменение активности кислорода в жидком металле (сталь 20ХНР) в изложницах в процессе их наполнения с защитой (А) и без защиты (Б) аргоном

      При разливке без защиты струи от вторичного окисления величина a_о возрастает непрерывно в течение практически всего времени наполнения изложницы. Связано это с непрерывным окисляющим воздействием кислорода атмосферы, окружающей струю металла, а также атмосферы, инжектируемой через центровой литник в металл, находящийся в изложнице. При защите струи аргоном имеет место кратковременное повышение a_о в самом начале наполнения изложниц металлом, после чего наблюдается непрерывное снижение величины a_о .

      Такой характер изменения a_о связан с кратковременным окислительным воздействием на первые порции металла кислорода атмосферы, находящейся в сифонных проводках и изложнице.

      Аналогично  изменению а_о при разливке стали в инертной атмосфере изменяется и количество кислорода [О], определенное методом вакуумного плавления.

      При защите струи аргоном величина [О] в стали ниже в 1,5 - 2 раза, причем в металле с большим содержанием элемента-раскислителя (в данном случае кремния) как величина а_о в процессе разливки, так и [О] ниже (рис. 33). 
 
 

     
 
 
 
 
 

1- 0,25 - 0,27% [Si]  и  2 -  0,35 - 0,37% [Si]

Рисунок 33 - Содержание кислорода в прокатанном металле (сталь 20ХНР) с защитой (А) и без защиты (Б) металла аргоном при разливке

      Такое влияние защиты струи при разливке и глубины раскисления металла на величины а_о и [О] сказалось и на содержании неметаллических включений в стали. Это связано с тем, что накопление кислорода в металле в процессе разливки приводит к образованию неметаллических включений во время кристаллизации металла, когда удаление их затруднено, и они практически все остаются в слитке.

      Металлографическое изучение неметаллических включений в стали 20ХНР показало, что металл, разлитый в инертной атмосфере, чище по оксидным неметаллическим включениям, увеличение глубины раскисления при этом повышает чистоту стали (рис. 34).

     
 
 
 
 

   а и б – средний и максимальный балл включений соответственно

   Рисунок 34 - Содержание оксидных включений в прокатанном металле (сталь 20ХНР)

      Повышение чистоты металла отразилось на механических свойствах: защита аргоном при разливке стали 20ХНР вызвала повышение ее ударной вязкости при испытании продольных образцов при температуре 20° С на 20 - 25%. Влияние содержания в металле легкоокисляющихся элементов на эффект защиты струи металла при разливке от повторного окисления. Подобное исследование выполнено с помощью измерения величины a_о при разливке стали 55С2 и стали 45, отличающихся друг от друга только содержанием кремния, т. е. влияние других элементов (С, Mn, А1 и др.) на величину a_о практически исключено. Сопоставление величин a_о свидетельствует о том, что защита от повторного окисления стали 55С2 дает больший эффект снижения величины а_о, чем у стали 45 (рис. 35). На большую величину снизилось в стали 55С2 и содержание кислорода: с 0,0024 до 0,0012%, а в стали 45 с 0,0033 до 0,0024%.

    
 
 
 

  1- сталь 55С2; 2- сталь 45

  Рисунок 35 - Изменение активности кислорода в металле в процессе наполнения изложниц с защитной струи металла аргоном (сплошные линии) и разливка без защиты металла (штриховые линии)

      Отмеченное снижение содержания кислорода в металле этих плавок вызвало уменьшение количества неметаллических включений и повышение пластических свойств, причем для стали 55С2 разница в этих показателях качества выше. Например, защита струи аргоном при разливке стали 55С2 повысила ударную вязкость металла в направлении прокатки на 25 - 30%, в то время как у стали 45 это увеличение составило лишь 7 - 10%.