Синтетический чугун.

Раздел ГРНТИ: Производство черных металлов и сплавов
В.С.Шумихин, П.П.Лузан, М.В.Жельнис.
Наукова думка, 1971 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.

Физико-химическая сущность процесса науглероживания. Науглероживание расплавленного металла —один из важнейших процессов плавки синтетического чугуна, которому посвящено большое число экспериментальных исследований. Особенно подробно изучалось науглероживание при ваграночной плавке, для условий протекания капли жидкого металла через слой раскаленного кокса, с привлечением теории конвективной диффузии. В индукционных печах частицы науглероживателя окружены жидким расплавом, который интенсивно перемешивается. В этом случае расплав служит источником тепла для частиц науглероживателя. Экспериментальные данные свидетельствуют о значительном изменении количественных зависимостей процесса науглероживания в индукционных печах промышленной частоты по сравнению с высокочастотными печами и тем более с вагранками, хотя принципиальное влияние основных факторов, естественно, сохраняется. Было обнаружено, что в ваграночном процессе колебания содержания углерода в выплавляемом чугуне происходят более плавно, чем в низкочастотной печи, что объясняется гораздо большей вариативностью условий плавки синтетического чугуна. Поэтому невнимательное отношение к проведению технологической операции науглероживания при выплавке синтетического чугуна обычно обусловливает получение некондиционного металла.

Растворение графита в жидком железе по сложившимся представлениям происходит в несколько этапов: отрыв плоских пакетов графита от поверхности твердой частицы и растворение пакетов, диффузия углерода в расплаве [3, 8, 64]. Полагают, что растворение графита в железе осуществляется путем внедрения атомов железа в межбазисные плоскости. Дальнейшее растворение графита зависит от температуры и времени.
Результаты исследования структурно-чувствительны: свойств железоуглеродистых сплавов показали, что при растворении углерода развиваются два противоположны
процесса: выделение микрогруппировок углерода и увеличение межатомных расстояний [9—14]. Это подтверждается непрерывным увеличением электросопротивления расплавов, изменением плотности, магнитной   восприимчивости     и вязкости по мере увеличения концентрации углерода.      Политермы плотности сплавов железо—углерод имеют точку перегиба, положение которой изменяется с концентрацией углерода (рис. 24 [15]). Очевидно, этот факт характеризует влияние углерода на температуру перехода от одного типа структуры ближнего порядка  к другому . Имеется в виду не фазовый переход, а изменение упаковки существующих группировок, находящихся в динамическом равновесии со средой. Наличие гистерезиса вязкости и электросопротивления в сплавах типа металл-углерод также свидетельствует о наличии в них микрогруппировок углерода [30, 52—54]. Различают динамическую микронеоднородность — присутствие короткоживущих, но постоянно имеющихся группировок атомов, время жизни которых соизмеримо с временем релаксации, и коллоидную микронеоднородность — когда диспергированная фаза существует достаточно длительное время, постепенно растворяясь в дисперсионной среде.
Результаты электронномикроскопических исследований показали, что размер участков микрогетерогенности в твердых растворах равен 10-6 - 10-7 см. На этом основании железоуглеродистые расплавы относят к системам с коллоидной  микронеоднородностью. Согласно другим представлениям в расплаве могут находиться как отдельные ионы углерода, так и плоские макромолекулы (пинакоиды). Однако пинакоиды не являются обособленной фазой — они отдают четвертый валентный электрон в электронный газ металлического расплава, образуя таким образом макроионы. В результате получается истинный, а не коллоидный раствор [27]. Эти точки зрения не противоречат фактам. Для расплавов железо — углерод эффекты, связанные с появлением неоднородности, наблюдаются при концентрации углерода свыше 2%; для системы железо — углерод — Кремний (2% кремния) они имеют место уже при содержаниях углерода свыше 1,5%. Состояние углерода в расплаве сильно зависит от степени перегрева чугуна над линией ликвидуса. Предполагаются также области сосуществования различных агрегатных состояний углерода в жидких чугунах. В расплавах, имеющих температуру на 100° С и выше температуры ликвидуса углерод находится в растворе и частично в форме полиатомарного состояния. Ближе к температуре ликвидуса возможны дисперсные образования графита из гексагональных колеи (пинакоиды).
Превращение турбостратного графита в трехмерные кристаллы графита начинается, как показал рентгеновский анализ, при достижении -среднего диаметра образования 100 А. Следовательно, при 1300—1400° С в жидкости могут находиться частицы размером того же порядка.
Графитовые образования (10—100 А), возникающие над линией ликвидуса в доэвтектических чугунах, обладают развитой поверхностью, а свойства такой системы (жидкость + дисперсные образования) зависят от свойств и размеров входящих в нее поверхностей раздела. Известно, что магнитная восприимчивость, электропроводность, плотность, акустические свойства расплава и т. л. зависят от степени его перегрева над линией ликвидуса. Пинакоиды графита являются устойчивыми образованиями. Выдержка при 1700° С не устраняет полностью микронеодпородность расплава. Таким образом, микрогетерогенность расплавов чугуна имеет «наследственное» происхождение, связанное с неполным растворением углерода в процессе плавки. На основании экспериментальных данных можно предположить, что дисперсные выделения графита начинаются выше температуры ликвидуса.