Влияние огнеупоров на неметаллические включения в стали

1) эндо­генные - внутреннего происхождения, образующиеся в результате протекания различных физико-химических процессов в самом металле во время его раскис­ления, кристаллизации и охлаждения;

2) экзогенные - внешнего происхождения. состоящие из огнеупорных материалов и шлака, механически увлекаемых пото­ком жидкого металла во время выпуска из печи разливки и фиксируемые в за­твердевшей стали. Наиболее опасными являются мелкие частицы огнеупоров, увлекаемых потоком жидкого металла, так как крупные частицы легко всплыва­ют;

3) экзоэндогенные - включения выделяются на экзогенных. Это убедительно доказано результатами исследований с использованием различных изотопов ("меченых атомов"). Массовая доля всех включений обычно составляет 0,01 -0,02%.

Неметаллические включения, имея меньшую плотность, всплывают. Од­нако на практике при небольших размерах включений большее значение имеют силы адгезии. Чем меньше степень смачиваемости (больше межфазная энергия: металл - включение), тем меньше силы, удерживающие включение в соприкос­новении с металлом, и тем легче оно отделяется от металла и всплывает. В каче­стве примера включений, плохо смачиваемых жидким железом, можно привести включения глинозема (σ_(Ме-Al2O3) -1Дж/м²); в качестве примера включений, хорошо смачиваемых жидким железом (и поэтому плохо отделяемых от него), можно привести включения силикатов железа (σ_{(Ме-ВКЛ.)} 0.4 Дж/м²). Включения размером 1-2 мкм поднимаются медленно, могут длительное время перемешиваться в объеме жидкого металла конвективными потоками и в конечном итоге оставать­ся в металле. Газовые пузырьки, проходящие через ванну (кипении металла, при продувке ванны инертным газом и т.п ). имеют межфазную энергию с включе­ниями меньше, чем межфазная энергия между включением и металлом, поэтому  включения "прилипают" к пузырьку газа и уносятся с ним в шлак

На скорость удаления включения из металла влияют:

1) размеры включе­ний, их состав (температура плавления) и плотность:

2) способность включений к укрупнению:

3) межфазная энергия на границе металл - включение и шлак -включение:

4) интенсивность перемешивания ванны:

5)физическая характери­стика металла.

Влияние футеровки выпускных желобов. Футеровка сталевыпускных же­лобов изнашивается значительно: 2 - 6 кг на 1 т стали. Выпуск плавки длится от 10 до 20 мин. За это время частички смытого огнеупора благодаря небольшой толщине слоя металла всплывают, так что загрязнение стали огнеупорами из футеровки желоба маловероятно.

Влияние футеровки сталеразливочных ковшей. После окончания выпуска сталь выдерживают в ковше перед разливкой. Продолжительность выдержки качественной стали составляет обычно 10—15 мин. выдержка рядовых сталей оп­ределяется временем транспортировки ковша до разливочной площадки или МНЛЗ. Выдержка стали в ковше перед разливкой и в течение разливки способ­ствует всплыванию шлаковых частиц, огнеупорных включений и продуктов раскисления, равномерному  распределению элементов раскислителей. присаженных в ковш, выравниванию температуры, выделению растворенных в стали газов.

 

Неметаллические включения всплывают вследствие разницы в плотностях включения и жидкой стали. Скорость всплывания определяется главным обра­зом размером частицы. Однако при выпуске стали и выдержке в ковше металл энергично перемешивается, в результате чего скорость перемещения частиц оп­ределяется этими потоками. Так  например, расчетная скорость всплывания частицы – SiO₂ диаметром 50 мкм равна 0,125 см/с. что ниже возможной скорости потоков в ковше во время выпуска и выдержки стали в 10—100 раз. Определяющая роль перемешивания подтверждается тем, что количество включений на различных горизонтах ковша практически одинаково. Перемешивание стали способствует укрупнению включений за счет слияния жидких и поглощения твердых жидкими, процесс термодинамически вероятен, так как он сопровожда­ется уменьшением поверхности, а  следовательно, и общей поверхностной энер­гии в системе: 

 

σ₁S₁ + σ₂S₂ > σ₃S₃

где   

σ — межфазная энергия:

S— поверхность раздела на границе металл—включение: индексы 1 и 2 относятся к исходным: а индекс 3 — к укрупненному включению.

В удалении включений большую роль играет ассимиляция их шлаком или размягченной футеровкой. Этот процесс идет тем активнее, чем выше смачиваемость включения шлаком и чем ниже она на границе металл—включение. Бесспорным доказательством роли шлака в удалении включений являются ре­зультаты обработки стали в ковше синтетическими известково-глиноземистыми шлаками.

В процессе выпуска стали в зависимости от емкости сталеплавильного агрегата металл остывает на 20—50 °С, а во время выдержки в ковше он остыва­ет на 0.3—1.5°С 7мин в зависимости от объема ковша. Внутренняя поверхность кирпича нагревается до температуры жидкой стали, при которой шамот начинает размягчаться. Тонкий размягченный слой футеровки активно взаимодействует с печным шлаком, находящимся в ковше. Наиболее активно шамотная футеровка разъедается основными железистыми шлаками. При этом шлак обогащается кремнеземом и глиноземом, что снижает его основность и вязкость. Частично изменение состава шлака происходит также за счет всплывания в шлак продук­тов раскисления и частиц футеровки желоба.

Снижение основности шлака и наличие сильных раскислителей создает условие для перехода части фосфора из шлака в металл. В результате к концу разливки его содержание в металле может возрастать. Концентрация марганца в кипящей стали обычно уменьшается, что связано с его окислением при сниже­нии температуры. В процессе разливки окисляется также до 0.02—0.03 % угле­рода. В спокойной стали частично окисляется кремний и практически полностью выгорает алюминий.

В отдельных случаях вследствие развития реакций в ковше часть металла

может оказаться бракованной из-за недопустимого изменения его химического состава. Для предупреждения развития реакций в ковше раскислители добавля­ют равномерно по мере наполнения ковша до появления шлака, а также ограни­чивают количество шлака, поступающего в ковш. Реакционные свойства шлака снижают присадкой доломита или извести во время выпуска плавки.

Расход ковшевых огнеупоров, как уже отмечалось, может быть значи­тельным так же как и длина траектории для всплывания включений. Кроме того, в ковше возникают вихревые токи, круговое движение стали. Сталь в перифе­рийной части, охлаждаясь, движется вниз, а в центральной части - вверх. При этом некоторая часть неметаллических включений остается в стали (табл. 1).

Загрязнение стали огнеупорными материалами из футеровки ковша

 

Влияние сифонного кирпича. Статистические данные показывают, что в слитках, отлитых сифонным способом, неметаллических включений меньше, чем в слитках, отлитых сверху. Считается, что сифонный пористый кирпич даже поглощает некоторую часть эндогенных неметаллических включений, образую­щихся при раскислении стали алюминием, но имеются и другие точки зрения. Неметаллические включения возникают из сифонного кирпича в результате растрескивания кирпича вследствие низкой его термической стойкости. Для сниже­ния неметаллических включений рекомендуется при разливке кремнистых ста­лей применять полукислый материал, при разливке сталей с повышенным содержанием марганца - кирпич с меньшим содержанием свободного кремнезема. Во всех случаях сифонный кирпич должен быть термостойким, для чего в его структуре желателен лишь минимум стекловидной фазы  т.е. сифонный кирпич должен быть слабообожженным пористым, либо безобжиговым.

Влияние внепечной обработки стали. Несмотря на то. что огнеупоры в процессах внепечной обработки стали интенсивно изнашиваются, участие их в образовании неметаллических включений в стали минимально, так как процессы внепечной обработки идут в направлении снижения всех видов неметаллических включений. Огнеупоры оказывают влияние и на образование эндогенных вклю­чений. При растворении огнеупора в металл переходят элементы огнеупора в виде ионов или атомов. Эти элементы, взаимодействуя с газами, образуют неме­таллические включения. Так образуются нитриды, оксиды, сульфиды. Таким об­разом, любое растворение огнеупора в стали дает неметаллические включения.