Как избавиться от неметаллических включений

Неметаллические включения в электростали. Способы удаления НВ, в том числе при ВПО (обосновать)

Неметаллическими включениями называют содержащиеся в стали соединения металлов с неметаллами. Количество неметаллических включений, их состав, размеры и характер расположения в готовом изделии оказывают существенное, а иногда решающее влияние на свойства стали. Неметаллические включения ухудшают не только механические (прочность, пластичность) и другие свойства стали (магнитную проницаемость, электропроводность и др.), так как нарушают сплошность металла и образуют полости, в которых концентрируются напряжения в металле. Неметаллические включения принято разделять на две группы:

а) включения, образующиеся в процессе реакций металлургического передела (эндогенные включения);

б) включения, механически попадающие в сталь (экзогенные включения). Эти включения представляют собой частицы загрязнений, бывших в шихте и не удалившихся из металла в процессе плавки, частицы оставшегося в металле шлака, частицы попавшей в металл футеровки желоба, ковша.

Эндогенные включения непрерывно образуются в металле в процессе плавки, разливки, кристаллизации слитка или отливки. Большая часть образовавшихся включений успевает всплыть и удалиться в шлак, но какая-то часть остается.

Основные меры по борьбе с вредным влиянием включений должны быть направлены на предоставление им возможности всплыть или вы­делиться из жидкой стали как можно раньше, в дисперсной, беспоря­дочной или округлой форме.

Всплывание неметаллических включений в расплаве происходит под действием силы/:

(5.2)

где г—радиус включения, см; р_ст—плотность жидкой стали, г/см 3 ; р_вкл — плотность включения, г/см 3 .

Скорость всплывания зависит от сопротивления среды этому про­цессу. Сопротивление среды движению малых сферических частиц опре­деляется законом Стокса:

(5.3)

где v — скорость всплывания, см/с; Т| — вязкость жидкой стали, г/(см • с); g — ускорение силы тяжести, м/с 2 .

Определяя скорость всплывания включений из условий равенства /= S, получим:

(5.4) Отсюда

(5.5)

Анализ формулы (5.5) показывает, что скорость всплывания растет пропорционально квадрату радиуса включения и уменьшению плотно­сти частиц и снижается с повышением вязкости расплава.

Известно, что с повышением температуры вязкость расплава умень­шается. Это означает более эффективное выделение неметаллических включений при повышенных температурах. Поэтому понятно стремление получать неметаллические включения в жидком состоянии, сфери­ческой формы, легкокоагулирующими, крупных размеров.

Скорость всплывания включений диаметром 0,1 мм в стали со­ставляет всего 80 см/мин, диаметром 0,01 мм — 0,8 см/мин, диаметром 0,001 мм — 0,008 см/мин, для сравнительно крупных марганцевых сили­катов диаметром 1 мм определена скорость всплывания в 1550 см/мин (данные Ю. А. Нехендзи).

Следовательно, мелкие включения диаметром около 0,01 мм прак­тически не удаляются из отливки. Только при очень длительной выдерж­ке в печи или в ковше возможно частичное всплывание мелких включе­ний, что не всегда технологически возможно.

Включения, которые не успевают удалиться и остаются в отливке после ее затвердевания, вызывают дефекты структуры и ухудшают ме­ханические свойств.

Основные меры по удалению и снижению вредного влияния неме­таллических включений следующие:

— комплексное раскисление стали;

— рафинирование, вакуумирование стали;

—продувка инертными газами и порошкообразными материалами;

— оптимальный режим заливки форм.

В каждом конкретном случае на практике определяют пути сниже­ния содержания включений в отливках при данной технологии их изго­товления, а также пути перевода включений в такое состояние, при ко­тором их негативное влияние на свойства литья было бы минимальным.

Эффективным способом уменьшения влияния неметаллических вклю­чений и повышения свойств стали и отливок из нее является модифици­рование состава и изменение морфологии включений. Этот способ на­шел широкое применение в литейном производстве.

Конечное раскисление стали алюминием, используемое практичес­ки всегда в литейном производстве, обеспечивает ее удовлетворитель­ное качество, но не является оптимальным. Образующиеся в стали ост­роугольные включения оксисульфидов, корунда и шпинелей служат кон­центраторами напряжений, способствуют образованию микротрещин, охрупчивающих металлическую матрицу, и снижают свойства отливок. Наиболее желательные формы включений — округлые или глобуляр­ные, которые гасят возникающие микротрещины. Поэтому в процессе производства стальных отливок стремятся получать глобулярные вклю­чения. Для этого широко используются редкоземельные (РЗМ) и щелоч* ноземельные (ЩЗМ) металлы: Mg, Са, Ва, Се, La, Y и др. Эти металлы обладают высоким сродством к кислороду, сере, азоту и нейтрализуют их вредное влияние. Введение таких элементов в жидкую сталь приводит к глобуляризации включений, очищению стали от них, измельчинию дендритной структуры и зерна. Все это обусловливает повышение литейных, механических и эксплуатационных свойств отливок.

Как правило, РЗМ и ЩЗМ вводят в расплав стали в виде лигатур и ферросплавов: силикокальция, ферроцерия, ЖКМК (железо—крем­ний—магний—кальций), силикобария, алюмобария и др. Применение лигатур более эффективно, так как увеличивает усвоение РЗМ и ЩЗМ и повышает эффект модифицирования.

После обработки стали силикокальцием природа включений значи­тельно меняется. Угловатые включения типа III становятся глобуляр­ными перитектическими включениями типа I. Эти комплексные окси-сульфидные включения располагаются внутри металлической матрицы дезориентированно на значительном расстоянии одно от другого. Остро­угольные кристаллические включения корунда и шпинелей находятся внутри округлых сульфидных оболочек. Механические и эксплуатаци­онные показатели отливок значительно улучшаются.

Из редкоземельных металлов для обработки расплавов стали наи­более часто применяют лантан, церий, иттрий. Характерной особеннос­тью РЗМ является их высокое химическое сродство к большей части эле­ментов, содержащихся в стали, особенно к таким нежелательным при­месям, как кислород, сера, азот, водород, фосфор, цветные металлы (РЬ, Bi, Sb, Sn и др.). РЗМ не только снижают содержание этих примесей в стали, но и переводят их из активных форм в пассивные, что способ­ствует очищению границ зерен. Включения, образуемые РЗМ (оксиды, сульфиды, нитриды), оказывают также модифицирующее влияние на структуру стали.

Однако следует отметить, что плотность включений РЗМ с примеся­ми стали незначительно меньше плотности самой стали, поэтому их уда­ление затруднено. Следовательно, наибольший эффект от обработки стали добавками РЗМ достигается при их воздействии на морфологию оставшихся включений.

Основными критериями оценки модификаторов неметаллических включений следует считать: энергию образования элементов с кислоро­дом, серой, азотом и углеродом, их растворимость в жидкой стали, дав­ление пара при температурах жидкой стали, стоимость модификаторов, плотность образуемых ими включений. Стандартная свободная энергия образования сульфидов, оксидов, оксисульфидов, нитридов и других соединений определяет интенсивность модифицирующего воздействия отдельных элементов.

При модифицировании неметаллических включений должна быть установлена стандартная технология, обеспечивающая воспроизводи­мость результатов при оптимальном сочетании степени чистоты стали, свойств отливок и их стоимости.

7.1 Возможности получения низкофосфористой высоколегированной стали. Чем определяется уровень окисленности расплава?

Задачами окислительного периода являются: 1) снижение содержания фосфора ниже допустимых пределов в готовой стали; 2) возможно полное удаление растворенных в ме­талле газов (водорода и азота); 3) нагрев металла до тем­пературы, превышающей на 120-130°С температуру ликвидуса; 4) приведение ванны в стандартное по окисленности состояние. Если плавку ведут без восстановительного периода, то в окислительный период нужно также удалить из металла серу до содержания ниже допустимого предела.

Окисление фосфора осуществляют присадками железной руды с известью. Начинать присадку руды следует после предварительного подогрева металла, чтобы сразу же после введения руды началось окисление углерода и кипение металла. Руду и известь необходимо загружать равномерными порциями, поддерживая интенсивное кипение металла. Шлак в этот период должен быть пенистым, жидкоподвижным и самотеком сходить через порог рабоче­го окна. Обеспечение самопроизвольного стекания и обнов­ления шлака в условиях непрерывного повышения темпера­туры металла необходимо для эффективного удаления фосфора.

Присаживать очередную порцию руды и извести необходимо при уменьшении интенсивности кипения металла, вызванного предыдущей порцией. Введение крупных порций нежелательно, так как это может вызвать охлаждение металла и кипение будет слабым. Избыток в ван­не непрореагировавшей руды при последующем повышении температу­ры может вызвать бурное окисление углерода и привести к выбросу металла и шлака из печи. Во избежание этого руду нужно присажи­вать так, чтобы скорость окисления углерода поддерживалась в пре­делах 0,4-0,6 %/ч в начале периода и 0,2-0,3 %/ч в конце.

Для контроля за ходом окислительных процессов регулярно через каждые 5-10 мин отбирают пробы металла, в которых контролируют содержание фосфора и углерода. При содержании фосфора 3 /ч скорость окисления углерода составляет 3-4%/ч при содержании его в пределах 0,9-1,0% и 0,7-0,8 %/ч при содержании 0,2% С, причем скорость обезуглероживания возрастает с увеличением интенсивно­сти продувки.

Окисление углерода газообразным кислородом позволя­ет сократить длительность периода, благодаря чему при расходе кислорода 4-7 м 3 /т на 5-10% увеличивается производительность печей и на 5-12% снижается расход электроэнергии. Для уменьшения угара железа продувку ванны кислородом следует начинать после нагрева метал­ла и проводить ее при включенной печи. После начала окисления углерода благодаря большому тепловому эф­фекту этой реакции температура металла быстро возрастает, поэтому в момент появления пламени печь необходимо отключить.

В процессе продувки отбирают пробы металла, в кото­рых контролируют содержание углерода. К концу продув­ки содержание углерода должно быть немного меньше нижнего предела для заданной марки, в результате чего с учетом углерода, вносимого ферросплавами и электрода­ми, обеспечивается получение заданного содержания его в металле. Однако для предотвращения переокисления ме­талла содержание углерода к концу окисления не должно быть

Источник

Удаление неметаллических включений

Кипение металла облегчает также процесс всплывания и ассимиляции в шлаке неметаллических включений.

Основные источники неметаллических включений в марте­новской стали следующие: а) шихтовые материалы — чугун, скрап; б) огнеупорная футеровка печи, желоба, ковша, ко­торая вымывается в результате механического воздействия металла; в) шлак, частички которого запутываются в метал­ле при выпуске плавки из печи; г) взаимодействие металла со шлаком (например, переход кислорода или серы из шлака в металл) или введение в металл раскислителей или леги­рующих элементов, а также выделение включений из металла при кристаллизации стали в результате уменьшения их раст­воримости при понижении температуры. Практика показывает, что последняя причина в большинстве случаев является основным источником неметаллических включений в мартенов­ской стали.

При плохом состоянии футеровки агрегата, ковша, желоба и других участков печи количество внесенных ими включений

также становится значительным. Эти включения можно легко отличить под микроскопом по их относительно большим раз­мерам и форме. Включений, вносимых шихтой, обычно немно­го; они сравнительно легко удаляются во время плавки.

При кипении ванны поднимающиеся пузырьки СО увлекают с собой неметаллические включения, существенно ускоряя про­цессы их укрупнения и всплывания; при этом поверхность раздела металл—шлак возрастает, условия контакта всплы­вающих включений со шлаком облегчаются.

Ход плавки при основном мартеновском процессе

Ход мартеновской плавки в значительной степени зависит от состава шихты и марки стали.

Ход плавки при скрап-процессе. В составе мартеновской шихты при скрап-процессе мало чугуна и много скрапа. Соотношение между количеством заваливаемого скрапа и чу­гуна определяется составом чугуна и скрапа, окислительной способностью печи и маркой выплавляемой стали. Как уже говорилось, для получения качественной стали необходимо, чтобы металл в печи некоторое время «кипел». Эффект кипе­ния вызывает реакция окисления углерода, и металл в нача­ле периода доводки и кипения (в момент расплавления) дол­жен содержать углерода значительно больше, чем в конце этого периода, перед выпуском плавки. Обычно в зависимос­ти от марки стали, емкости печи и других условий избыточ­ная величина содержания углерода составляет 0,4—0,8 %. Например, если нужно выплавить сталь, содержащую 0,4 % С, необходимо, чтобы при расплавлении содержание углерода в ней составляло 0,9 %. Избыток углерода, характеризуемый величиной 0,9—0,4 = 0,5 % С, выгорит за период доводки. За это время металл нагревается, газы и включения уда­ляются, произойдут дефосфорация, десульфурация и другие процессы.

Необходимое количество углерода поступает в шихту обычно с чугуном; лишь в исключительных случаях, когда чугуна нет или он очень дорог, углерод вводят с карбюра­торами (углем, коксом, электродным боем и др.). В этом случае процесс называют «карбюраторным».

Периоду кипения предшествуют периоды завалки и плавле­ния шихты. Во время завалки и плавления углерод шихты то­же окисляется, причем величина угара зависит от многих

факторов: продолжительности завалки и плавления, окислен-ности скрапа, содержания кремния и марганца в чугуне и др. Например, если в чугуне много кремния, то угар угле­рода будет меньше. Обычно угар углерода за время завалки и плавления составляет 30—40 %. Зная на основании опытных данных величину угара углерода, можно в каждом конкретном случае подсчитать требуемое количество чугуна для за­валки.

Например, для выплавки стали 40 (0,40 % С) необходимо, чтобы при расплавлении было около 0,90 % С. Если принять, что за время завалки и плавления угорает 35 % углерода шихты, то, чтобы при расплавлении было 0,90 % С, необхо­димо, чтобы шихта содержала 0,90 : 0,65 = 1,385 % С.

Если принять, что в чугуне 4 % С, а в скрапе 0,3% С, и обозначить количество чугуна через х, а количество скрапа (100-д:), то получим 4,0* + 0,3(100-*) = 1,385 ■ * 100, откуда х = 29,4.

Таким образом, для выплавки стали марки 40 необходимо, чтобы при данных условиях шихта содержала 29,4 % чугуна и 70,4 % скрапа. Обычно содержание чугуна в шихте при скрап-процессе в зависимости от заданной марки стали ко­леблется от 25 до 40 % от массы металлической шихты.

Применяемый при скрап-процессе чушковый чугун содержит Si и Мп. Тепло экзотермических реакций окисления примесей (Si и Мп) составляет при скрап-процессе 7—9% от общего прихода тепла в рабочем пространстве печи. Кремний и мар­ганец, находящиеся в шихте в значительных количествах, предохраняют в известной степени от окисления железо и углерод, позволяя, таким образом, вести процесс с меньшим содержанием чугуна в шихте.

В мартеновской печи при скрап-процессе чугун обычно поступает в цех в твердом состоянии — в «чушках». В боль­шинстве случаев завалку производят следующим образом: вначале заваливают железный скрап, затем чугун. Капельки чугуна, расплавляющегося под воздействием факела, стекая вниз, передают тепло нижним слоям шихты и науглероживают скрап, снижая тем самым температуру его плавления. В кон­це концов наступает момент, когда вся металлическая шихта расплавляется и начинается энергичное окисление находяще­гося в металле углерода: начинается период доводки и ки­пения. К этому моменту ванна оказывается покрытой шлаком.

Для удаления фосфора и серы основность шлака должна быть достаточно высокой. С этой целью в шихту основной мартеновской плавки вводят известняк (СаСО_э) или известь (СаО). Расход известняка (или извести) на завалку зависит от состава шихты и требований, предъявляемых к составу шлака после расплавления. Например, если шихта 100-т печи состоит из 40 т чугуна, содержащего 1,5 % Si, и 60 т скрапа, содержащего 0,25% Si, то всего кремния в шихте будет (40/100) • 1,5 + (60/100) • 0,25 = 0,75 т. Во время завалки и плавления кремний шихты окисляется практически полиостью. В данном случае образуется 0,75 • (60/28) = = 1,61т Si0₂.

Для получения шлака (после расплавления ванны) с ос­новностью (CaO)/(Si0₂), равной 2,2, необходимо ввести 1,61 • 2,2 = 3,54 т СаО. Если принять, что в известняке содержится около 50 % СаО, то в данном случае необходимо завалить в печь 3,54 :0,50 = 7,08 т известняка.

Если в шихте находится повышенное количество фосфора или пустой породы и других посторонних примесей, содержа­щих кремний или кремнезем, то расход известняка (или из­вести) соответственно возрастает. Обычно расход известня­ка при скрап-процессе составляет 5—10 % от массы металли­ческой шихты.

Известняк заваливают в нижние слои шихты вперемежку со скрапом. При нагревании СаСО_э разлагается по реакции СаСО_э —-*СаО+С0₂. СаО переходит в шлак, а пузырьки С0₂ участвуют в процессе перемешивания ванны. Кроме того, пу­зырьки С0₂, проходя через расплавляющуюся ванну, участву­ют также в процессе окисления углерода: С0₂ + [С] = 2СО.

Известняк — материал малотеплопроводный. Процесс раз­ложения известняка длительный, поэтому часто вместо из­вестняка в печь заваливают свежеобожженную известь. При этом ускоряется шлакообразование, сокращается расход теп­ла, уменьшается расход чугуна. Применяемая в мартеновских цехах известь содержит обычно 70—85 % СаО. Расход извести на завалку составляет 4—8 % от массы металлической шихты. Существенным недостатком свежеобожженной извести является необходимость ее немедленного использования. Даже при непродолжительном хранении известь начинает реагировать с влагой воздуха, что сопровождается образованием так назы­ваемой гашеной извести Са(ОН)₂.

При длительном хранении «гасится» значительная часть извести и она при этом рассыпается в порошок. Такую из­весть называют «пушонкой». Использование ее в мартеновс­кой печи нежелательно, так как при завалке ее в печь зна­чительная часть уносится продуктами сгорания в шлаковики и регенераторы и, кроме того, такая известь несет с собой значительное количество водорода. Если нельзя употреблять свежеобожженную известь, то следует применять известняк, так как он не гигроскопичен.

Таким образом, при скрап-процессе шихта обычно состоит из скрапа, твердого чушкового чугуна и известняка (или извести). Расход чугуна определяется необходимостью иметь при расплавлении определенное содержание углерода, а рас­ход известняка — определенную основность шлака.

Во время завалки и плавления окисляются часть углерода шихты, весь кремний и значительная часть марганца. Кроме того, за это же время окисляется некоторое количество же­леза. Оксиды железа, кремния и марганца вместе со всплыв­шей известью образуют основной шлак, состоящий обычно из 35-45% СаО, 20-25% Si0₂, 10-15% FeO, 13-17% MnO. Общее количество шлака после расплавления составляет обы­чно 8—10 % от массы металла. В таком основном шлаке к мо­менту расплавления находится и некоторое количество фос­фора и серы, удаленных из металла за время плавления ших­ты. Продолжительность периодов завалки и плавления 5—6 ч.

Дата добавления: 2015-06-22 ; просмотров: 1240 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник