Включения и газы в сталях
Явойский В.И., Близнюков С.А., Вишкарев А.Ф., Горохов Л.С., Хохлов С.Ф., Явойский А.В.
Металлургия, 1972 г.
РАСКИСЛЕНИЕ И ВЫДЕРЖКА МЕТАЛЛА ПЕРЕД РАЗЛИВКОЙ
К концу процесса плавки расплавленная стальная ванна содержит то или иное количество кислорода, которое, как указывается в работе [65], при всех типах сталеплавильных процессов существенно выше концентраций, равновесных е углеродом. Например, результаты измерения активности кислорода в кипящей мартеновской ванне и определения содержания кислорода методом вакуум-плавления показали (рис. 95) [82], что в исследованном диапазоне концентраций углерода (0,12- 0,80%) имеет место некоторая переокисленность кипящей ванны.
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 раекиелители 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, как это показано в гл. II, оказывают такие их свойства, как температура плавления, плотность, удельная межфазная энергия иа 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.
Большинство металлургов придерживается той точки зрения, что для быстрого очищения металла от неметаллических включений наиболее правильно вести раскисление таким образом, чтобы каждая предыдущая стадия раскисления приводила к образованию жидких включении, обладающих значительной адгезией к тугоплавким продуктам раскисления последующих стадий. Это связа. но со стремлением укрупнить размер включений и тем повысить скорость их всплывания.
Одиако в последнее время все чаще появляются работы, отмечающие что на скорость удаления неметаллических включении существенное влияние оказывает перемешивание металла. На примере удаления силикатов в индукционной печи, и при изучении удаления включений глинозема из металла в изложницах отмечают что на скорость удаления неметаллических включений превалирующее влияние оказывает перемешивание жидкой ванны. В. И. Явойский с сотрудниками показали [237], что
при интенсивном перемешивании металл весьма быстро очищается от глиноземистых включений. В другой работе [82] указывается на то, что 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 иа удаление из металла окисных неметаллических включений [82].
С этим обстоятельством связано то, что на практике при предварительном раскислении стали в мартеновской печи слабые и сильные раскислители (ферромарганец, ферросилиций) вводят обычно за один прием.
По результатам большого количества исследований в настоящее время принято считать, что использование предварительного раскисления стали в мартеновской печи с целью, как полагали ранее, 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 работе [82] 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. 96).
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 еще 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. Фишер и Вальетер [238], например, показали, что 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, по данным Плекингера и Вальстера [117], представлено на рис. 97.
Согласно этим данным, после прекращения перемешивания металла, вызываемого его сливом в ковш (1— 15 мин), последующая выдержка в сталеразливочном ковше переводила лишь к незначительному изменению содержания кислорода. Авторы пришли к выводу, что в этот период частицы диаметром С10 мкм уже не удаляются. В другой работе [82] по данным оо 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. 98). 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.
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 раекислителей, 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.
В работах [66, 74] указывается, что на малоуглеродистый металл высокое раскисляющее действие оказы вает, например, сплав марганца и кремния, в котором соотношение концентраций Μn : Si составляет от 4 :1 До 7:1. В другой работе [239] 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 ранее было установлено [240], 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.
внимание на то обстоятельство, что регламентация раскисления, и использование комплексных раскислителей, и выдержка металла после раскисления всё это направлено на создание благоприятных условий для удаления из металла экзогенных и первичных неметаллических включений.