Внепечная обработка чугуна и стали

В.А. Кудрин

Металлургия, 1992 г.

Внепечная обработка стали повышает свойства стали, улучшаются показатели пластичности, уменьшается анизотропия физико-механических характеристик слитка и проката, поскольку при (такой обработке в стали снижается содержание нежелательных примесей, газов, неметаллических включений. Однако отмечено достаточно большое число случаев, когда после внепечной обработки наблюдается улучшение свойств твердого металла без заметного изменения его состава, содержания в нем газов и неметаллических включений, что явилось основанием для ряда проведенных в последние годы исследований [11, 12].

Во всех методах внепечной обработки расплавленный металл подвергается интенсивному и длительному перемешиванию, что, как это обычно принято считать, приводит к увеличению макрооднородности расплава по составу и температуре. Однако есть предположения, что длительное перемешивание должно способствовать достижению также и микроравновесного   состояния   расплавленной   стали.   Не   исключен что приближение к равновесию микроскопических состояний расплава (это эквивалентно повышению однородности его структуры ближнего порядка) вызовет изменение физических структурно-чувствительных свойств и улучшит качественные характеристики рафинированного металла. По определению физических свойств металлических расплавов до и после внепечной обработки выполнено мало исследований.

Подробные исследования по данному вопросу выполнены коллективом специалистов под руководством Б.А.Баума. Высоколегированные стали и сплавы выплавляли в электродуговых печах и продували в ковше аргоном, подаваемым через пористые трубки. Общим для всех обработанных сталей и сплавов оказалось увеличение кинематической вязкости расплава на 10—20, плотности на 3—5 и поверхностного натяжения на 7—10 %. Продувка сплава ЭИ602 аргоном привела к уменьшению параметра кристаллической решетки твердого раствора с 0,35664 до 0,35653 нм и возрастанию плотности с 8,3469 до 8,3595 г/см3, хотя концентрация газов и неметаллических включений после продувки практически не изменялась. Во всех случаях после продувки возрастает ударная вязкость и пластические свойства металла. Общим для всех обработанных сталей является не только повышение их вязкости, но и увеличение удельной работы деформации, характеризующей вязкость материала твердых образцов. Удельная работа деформации в области пластической деформации связана с трением взаимоперемещающихся плоскостей, т.е. с квазивязким сопротивлением течению. Авторы исследования заключают, что обнаруженная корреляция в изменении вязкости расплава и твердого металла при его пластической деформации связана с общностью механизмов рассеяния энергии. По мере повышения однородности расплава и соответственно уменьшения дефектности кристаллической структуры твердого образца условия для равномерного рассеяния механической энергии, сообщаемой системе, оказываются более благоприятными. Локализация энергии в отдельных микрообъемах затрудняется. Пластичность и устойчивость металла По отношению к разрушающим нагрузкам возрастает. Итак, в одних случаях установлено снижение вязкости стали после продувки, в других— ее возрастание. Возможно, одной из причин этого является существенное различие состава исследованных сталей. Не исключено, что в сталях более простого состава, выплавленных без присадки значительного количества легирующих элементов и находящихся почти в микроравновесном состоянии, преобладает эффект снижения вязкости в результате удаления неметаллических включений и газов. Для сложнолегированных сталей определяющим может явиться приближение к микроравновесному состоянию и изменение структуры ближнего порядка расплава под воздействием перемещения и образования развитой поверхности раздела металл — газ.

Проведено исследование с участием автора влияния продувки аргоном в ковше на изменение физических свойств стали 18Х2Н4МА. Сталь выплавляли в 10-т электродуговых печах Златоустовского металлургического завода (ЗЛМЗ) по технологии с окислением. Аргон подавали в металл через пористую пробку в днище ковша под давлением при расходе 0,45-0,50 М3/мин в течение 3-12 мин. На рис. 3.13 приведены типичные кривые температурной зависимости физических свойств металла до и после обработки аргоном в ковше. Образцы всех плавок до продувки металла аргоном имели практически одинаковые   (в пределах точности измерения)- качения исследованных физических свойств. Это позволяет сделать заключение о слабом влиянии изменений химического состава (в пределах марочного) на свойства стали в жидком „стоянии и сходстве структур ближнего порядка расплавов' различных плавок до продувки. Из рис. 3.12 следует, что обработка стали в ковше аргоном приводит к заметному увеличению плотности, поверхностного натяжения, кинематической вязкости расплава, а также магнитной восприимчивости твердой и жидкой стали. Рис. 3.13 свидетельствует о том, что с повышением температуры значения d, v и X уменьшаются а значения а возрастают. Последнее свидетельствует о росте межчастичного взаимодействия в поверхностном слое. Исследования показали, что изменение физических свойств расплавленной стали при одинаковом минутном расходе газа зависит от длительности продувки; на кривых всех исследованных свойств наблюдается насыщение, т.е. замедление темпа роста со временем. Наибольшие изменения физических свойств происходят в первые 3-7 мин продувки, дальнейшая продувка слабо изменяет свойства.

Химический анализ проб металла, отобранных из ковша до и после продувки, показал, что при продувке аргоном химический состав стали практически не изменяется. Содержание кислорода в исходном металле всех плавок колебалось в пределах 0,0049-0,0078, азота 0,0071-0,00193%. После продувки содержание кислорода снизилось до 0,0034—0,0067, а азота - до 0,0049-0,0175 %. Степень удаления кислорода составила 5—50, азота 6-30 %. Явной зависимости степени Удаления кислорода и азота из металла от продолжительности продувки не обнаружено, хотя газонасыщенность металла снижалась во всех случаях в большей или меньшей степени. Отмечено также закономерное снижение загрязненности стали неметаллическими включениями.

Таким образом, физические свойства расплавов всех плавок до продувки были примерно одинаковы, химический с°став металла после продувки почти не изменился, а Уменьшение газонасыщенности и загрязненности металла Должно, казалось бы, привести к снижению, а не к увеличению вязкости. Значит, только различием газонасыщенности и Загрязненности металла нельзя объяснить различие физически свойств металла до и после продувки. Это позволило сделать заключение о возможном изменении структуры него порядка расплава в результате внешнего воздействия.

Для объяснения полученных результатов можно исходит из представлений Б.А.Баума о микронеравновесных состояниях металлических расплавов. Интенсивное перемешивание расплава при продувке улучшает условия диффузии и способствует частичному разрушению существующих в расплаве неравновесных долгоживущих группировок сильно взаимодействующих частиц. Часть прочных внутренних связей в этих комплексах освобождается и принимает участие во взаимодействии с окружающими комплекс структурными единицами расплава. Это приводит к увеличению средней энергии межчастичного взаимодействия, что проявляется в повышении поверхностного натяжения расплава и энергии активации вязкого течения. Следствием этого является рост кинематической вязкости расплава. Повышение средней энергии межчастичного взаимодействия и увеличение степени однородности расплава сопровождается ростом плотности и магнитной восприимчивости.

Как уже отмечалось, магнитные свойства переходных металлов и сплавов на их основе определяются, в основном, характером ближнего порядка, дальний порядок здесь несуществен.  Следовательно, продувка металла инертным газом, оказывая определенное влияние на структуру ближнего порядка расплава, влияет и на структуру ближнего порядка твердого металла: магнитная восприимчивость как жидкого, так и твердого металла изменяется практически одинаково при продувке. Можно считать, что степень влияния продувки на структуру ближнего порядка твердого металла пропорциональна степени воздействия на расплав, т.е. степени приближения его к микроравновесному состоянию.

Качество металла также закономерно изменяется в зависимости от продолжительности продувки. Макроструктура поперечных темплетов с увеличением длительности продувки  становится более плотной и однородной, уменьшается центральная пористость и усадочная рыхлость. Загрязнение стали неметаллическими включениями снижается, включения становятся более мелкими. Анализ изломов поперечных продольных образцов на электронных микроскопах "Tesla BS540" и "Stereoscan S4-10" показал, что на плавках до продувки наряду с вязким наблюдаются значительные участки хрупкого разрушения, ответственными за которые являются достаточно крупные включения. После продувки металла газом в ковше количество включений и их размеры значительно уменьшаются. Излом становится преимущественно вязким чашечным, доля участков хрупкого разрушения снижается. В результате возрастает ударная вязкость металла. Однако заметных различий вида излома образцов металла после продувки в течение 5 и 10 мин не наблюдается.

Таким образом, продувка металла газом в ковше приводит к изменению структуры ближнего порядка расплава и его физических свойств. Эти изменения в значительной степени обусловливают повышение качества стали после продувки. Закономерное (затухающее) изменение физических свойств в зависимости от продолжительности обработки позволяет выбрать оптимальное ее значение по наибольшему увеличению плотности, поверхностного натяжения или вязкости расплава.