ОБРАЗОВАНИЕ И УДАЛЕНИЕ ВКЛЮЧЕНИЙ

 

Процесс образования включений в ре­зультате взаимодействия компонентов, растворенных в металле, а также выде­ление включений в результате умень­шения их растворимости в железе при понижении температуры (при кристал­лизации стали в изложнице или форме) связаны с процессом образования но­вой фазы внутри исходной.

Процесс образования новой фазы определяется, как известно, термоди­намикой (принципиальная возмож­ность протекания процесса) и кинети­кой (интенсивность, скорость протекания) процесса. Последнее прежде всего определяется интенсивностью образо­вания зародышей новой фазы. В насто­ящее время процесс этот теоретически рассмотрен не совсем полно, так как еще не до конца ясна степень влияния микронеоднородностей в расплаве на условия образования зародышей новой фазы. Однако точно установлено, что интенсивность образования зароды­шей новой фазы тем больше, чем мень­ше м.вкл (межфазное натяжение на границе металл-включение) и выше степень пересыщения. Значения м.вкл для случаев выделения оксидных включений типа FeO и MnO очень не­велики (~ 0,18 Дж/м2), и для выделения включений такого типа необходимо очень малое пересыщение. Процесс выделения включений существенно облегчается, если в расплаве имеются готовые поверхности раздела. Во мно­гих случаях одни неметаллические включения выделяются на поверхнос­ти других тугоплавких включений, уже имеющихся в расплаве; при прочих равных условиях образование зароды­шей на готовой поверхности энергети­чески более вероятно (рис. 13.1). Чем меньше угол смачивания , тем легче выделиться новой фазе, тем меньшее требуется пересыщение.

Это объясняется следующим. При гомогенном зарождении велика роль межфазного натяжения м.вкл , поэто­му преимущественно выделяются включения, хорошо смачиваемые ме­таллом (типа FeO, MnO). В случае ге­терогенного зарождения (при наличии готовых поверхностей) преимуще­ственно могут выделяться вещества, имеющие небольшие значения меж­фазного натяжения (капиллярно-ак­тивные) на границе с данной готовой поверхностью, и вещества, имеющие более близкое ориентационное

Рис. 13.1.Схема выделения зародыша крити­ческого радиуса на готовой поверхности (а) и в объеме расплава (6)

поверхностью, и вещества, имеющие более близкое ориентационное соот­ветствие с имеющейся подложкой (на­пример, А12О2). Считается, что кон­центрация взвеси в жидкой стали мо­жет составлять 106—108 частиц/см3. Чем меньше степень пересыщения, тем выше роль готовых поверхностей.

Образовавшиеся (или попавшие в металл каким-то иным способом) не­металлические включения сталкива­ются между собой, причем число столк­новений зависит прежде всего от ин­тенсивности искусственного или есте­ственного перемешивания расплава. Очень мелкие включения (<10 -4см) двигаются, кроме того, по законам случайных блужданий (броуновское движение). При столкновении частиц неметаллических включений может происходить их полное слияние (коалесценция1) или слипание в более крупный конгломерат (коагуляция2).

Движущими силами процесса ук­рупнения включений являются силы межфазного натяжения. Межфазное натяжение на границе металл — вклю­чение м-вкл значительно выше, чем на границе столкнувшихся включений вкл.вкл, т. е. металл гораздо хуже «сма­чивает» включение, чем одно включе­ние смачивает другое; силы сцепления (адгезии) между включениями выше, чем силы сцепления между включени­ем и металлом. Значения м.вкл для включений разного вида (и различных составов металла) различны. Чем больше м_вкл, тем более эффективно укрупняются эти включения. Чем меньше вкл-вкл тем этим включениям укрупниться легче.

1 От лат. coalesce — срастаюсь, соединя­юсь.

2 От лат. coagulatio — свертывание, сгуще­ние.

 

В момент случайного соприкосно­вения одного включения с другим между ними на какой-то момент со­храняется тонкая металлическая про­слойка; толщина этой прослойки мо­жет быть настолько малой, что она (прослойка) благодаря силам адгезии и к одному и к другому включению бу­дет удерживать эти включения рядом. В дальнейшем может произойти и полное их слияние. Большое влияние на протекание процессов соприкосновения и последующего укрупнения включений оказывают вязкость рас­плава и интенсивность перемешива­ния. Приближенно можно считать, что скорость слияния включений пря­мо пропорциональна межфазнъму на­тяжению м.вкл и обратно пропорцио­нальна вязкости . При очень боль­шой интенсивности перемешивания и соответственно больших скоростях движения слоев металла связи между слипшимися включениями могут быть нарушены и включения «ото­рвутся» одно от другого. Опыт пока­зал, что для укрупнения включений необходима оптимальная интенсив­ность перемешивания расплава.

Расчет скорости всплывания вклю­чений часто проводят по формуле, следующей из закона Стокса, который определяет силу сопротивления F, ис­пытываемую твердым шаром при его медленном поступательном движении в неограниченно вязкой жидкости:

F= 6 rv,

где — коэффициент вязкости жидкости; r — радиус шара и v — его скорость.

 

Закон Стокса справедлив лишь для малых значений критерия Рейнольдса Re«l. В соответствии с законом Стокса предельную скорость падения шарика малых размеров в вязкой жид­кости определяют по формуле

vnp = 2/9vr2(p -p)/ ,

где р и р' — плотность соответственно жидко­сти и вещества шарика.

 

Эту формулу часто используют в тех­нике. Поскольку неметаллические вклю­чения легче металла (см. табл. 13.1), то под действием гравитационных сил они должны всплывать. Если принять, что включения в стали твердые и име­ют форму шара, то скорость подъема включений в неподвижной жидкой ванне определяется формулой Стокса

 

где рм и рвкл — плотность металла и включе­ния; r — радиус включения; — вязкость ме­талла.

 

Во многих случаях всплывают не твердые включения, а жидкие (т. е. капли включений). Вследствие воз­никновения вихревых потоков жидко­сти, составляющей каплю включения, скорости всплывания жидких капель могут отличаться от скоростей подъе­ма твердых шариков. Для учета этого отличия используют формулу (с по­правкой к формуле Стокса) Рыбчинского — Адомара:

 

v =2/9[gr2(p' - р)/ ] [ (3 + 3 ')/(2 + З ') ],

 

где ' — коэффициент вязкости жидкости, из которой состоит всплывающая капля.

Расчет показывает, что скорость всплывания жидких включений при про­чих равных условиях выше, чем твердых.

В случае мелких включений капил­лярное давление 2 /r придает им прак­тически сферическую форму; при уве­личении размеров включений капил­лярное давление 2 /r вследствие увели­чения r уменьшается и капли начи­нают деформироваться, что необходи­мо учитывать при расчетах. Формулу Стокса выводят для условия, что подъемная сила, определяемая разно­стью плотностей и размерами (радиу­сом) включений, встречает сопротив­ление только вязкости жидкости. Со­ответственно чем меньше вязкость и больше размеры включений, тем выше скорость их всплывания. Однако на практике часто приходится сталки­ваться со случаями, когда металл очень интенсивно перемешивается. При не­больших размерах включений большое значение имеют силы адгезии. Мелкие включения, увлекаемые струями пере­мешивающегося металла, могут очень долго «витать» в расплаве, перемеща­ясь вверх и вниз с металлом. Чем меньше степень смачиваемости (больше м.вкл), тем меньше силы, удерживающие включение в соприкосновении с ме­таллом, и тем легче оно от металла от­деляется и всплывает. И наоборот, включения, которые хорошо смачива­ются металлом, плохо от него отделя­ются. В качестве примера включений, плохо смачиваемых жидких железом, можно привести включения глинозема ( м-вкл = 1 Дж/м2). Примером включе­ний, хорошо смачиваемых жидким же­лезом (и поэтому плохо отделяемых от него), могут быть включения силика­тов железа ( м_В = 0,4 Дж/м2). Включения, плохо смачиваемые металлом, иногда называют феррофобными, а хо­рошо смачиваемые — феррофилъными (т. е. «любящими» железо).

Газовые пузыри, проходящие через ванну (при кипении металла, продув­ке ванны инертным газом и т. п.), спо­собствуют флотации включений. По­верхностное натяжение вкл.г меньше адгезии включения к металлу м_вкл, т.е. вкл.г< м.вкл. В результате вклю­чение будет «прилипать» к пузырю газа и уноситься с ним в шлак.

Очень интенсивное перемешива­ние может вызвать разобщение, разру­шение образовавшихся ранее скопле­ний, конгломератов включений и тем самым ухудшить процесс их удаления. Кроме того, при чрезмерно интенсив­ном перемешивании ванны в металл могут «затягиваться» частички шлака; при этом содержание включений не уменьшается, а увеличивается. Может иметь место также ускорение процес­са эрозии огнеупоров, соответственно возрастает содержание в металле и эк­зогенных включений.

На практике для каждого конкрет­ного случая существует оптимальная интенсивность перемешивания, при которой обеспечивается всплывание включений. Важно организовать тех­нологию так, чтобы всплывающее включение в момент соприкосновения со шлаком успело им ассимилировать­ся прежде, чем нисходящие потоки металла увлекут его опять вниз. Ско­рость «захватывания» шлаком включе­ния зависит от многих факторов, в том числе от межфазного натяжения на границе шлак—включение ош.вкл. Чем меньше эта величина, т. е. чем лучше смачиваемость включения шлаком, тем легче идет процесс ассимиляции включений шлаком. Таким образом, чем больше м_ВКл, тем легче включе­ние отделяется от металла, и чем меньше ш_вкл, тем легче включение ассимилируется шлаком.

Скорость удаления включений из металла в шлак зависит также от пло­щади поверхности контакта (отноше­ния поверхности шлак—металл к массе металла), степени перемешивания ван­ны, физических свойств шлака и др.

Итак, на скорость удаления включе­ний из металла влияют: 1) размеры включений, их состав, температура плавления и плотность; 2) способность включений к укрупнению; 3) межфаз­ное натяжение на границе металл-включение и шлак-включение; 4) ин­тенсивность перемешивания ванны; 5) физические характеристики металла и шлака (температура, вязкость) и др.

Руководствуясь общими соображе­ниями, в каждом конкретном случае на практике определяют пути сниже­ния содержания включений в металле при данной технологии его производ­ства, а также способы перевода вклю­чений в такое состояние, при котором вредное их влияние на свойства метал­ла было бы минимальным.

 

 








Дата добавления: 2015-06-22; просмотров: 948;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.012 сек.