Раскисление комплексными сплавами

При раскислении кремнием, а также кремнием и марганцем совместно образование первичных грубых, в значительной степени снижающих ка­чество стали силикатных включений предотвращается в том случае, если сталь до осаждающего раскисления подвергается раскислению углеродом под вакуумом. При раскислении алюминием предварительное раскисление углеродом под вакуумом не приводит к желаемой цели. Выделившиеся из металлического расплава частички глинозема под влиянием турбулентных потоков, развивающихся, например, при выпус­ке, большей частью объединяются в агломераты, которые быстро удаляют­ся. Однако процесс укрупнения охватывает не все частички: с понижением концентрации частичек вероятность их столкновения и соответственно образования способных к удалению агломератов уменьшается. Мелкие частички глинозема, оставшиеся в расплаве, могут при разливке стали в изложницы в силу возникших при этом мощных турбулентных потоков объединиться в крупные включения и остаться в теле слитка. Например, они захватываются растущими от края слитка к центру дендритами или уносятся подающими кристаллами стали в донную часть слитка, даже если они и достигли головной части. В готовой стали такие включения прояв­ляются как местные скопления. Из-за высоких значений межфазного на­тяжения этот процесс несравненно более сильно выражен, чем при коагу­ляции, например, жидких силикатных включений. Поэтому при раскислении алюминием задача заключается в том, чтобы до начала разливки уда­лить из металла мелкие включения глинозема. Для этого необходимо создать интенсивные турбулентные потоки, т.е. получить высокие значе­ния диссипации энергии, или уменьшить межфазное натяже­ние включений на границе с металлом, введя другие элементы-раскислители. В связи с этой второй возможностью возникает вопрос, можно ли за счет комбинации различных раскислителей получить сталь более высокой чистоты и лучших свойств, чем при раскислении одним элементом.

Комбинация кремния, марганца и алюминия

Кремний и марганец

Согласно данным лабораторных исследований в индукционной печи [83, 85] , общее содержание кис­лорода (при начальном содержании 0,10-0,11%) после добавки сплавов кремния с марганцем снижалось тем быст­рее, чём выше отношение концентраций марганца и кремния в плавочном анализе. Параллельно этому отношению изменялся размер включений и скорость их удаления.

Следует учесть, что при раскислении марганцем и кремнием в процессе кристаллизации (при понижении температуры металла вплоть до начала затвердевания) про­исходит выделение вторичных продуктов раскисления. Чем позднее про­изойдет выделение включений, тем меньше остается времени для их удаления.

По данным [108] после обработки силикокальцием предварительно раскисленной алюминием стали основная масса неметаллических включений (более 90% с размером части менее 10 мкм) имеет состав, %: 39 Al₂O₃, 26% CaO, 19 CaS, 4 MgO и1.7 SiO₂ . После горячей пластической деформации они сохраняют глобулярную форму. При НРС эти включения даже при содержании алюминия более 0,02% не способствуют зарастанию стаканов-дозаторов промковшей.

Включения глинозема приобретают полностью глобулярную форму при введении в сталь более 0,8 кг Са/т стали [129].

С ростом содержания марганца и снижением содержания кремния загрязненность стали крупными включениями повы­шается (рис. 44).

Снижение числа крупных включений с ростом кон­центрации углерода объясняется уменьшением содержания кислорода. Снижение числа крупных включений при повышении содержания раство­ренного алюминия связано с тем, что параллельно этому во включениях понижается содержание марганцовистых силикатов и растет доля глино­зема; твердые включения глинозема или включения, богатые глиноземом, удаляются быстрее, чем жидкие силикаты марганца.

Большие концентрации алюминия в стали запрещены из-за опасности зарастания стаканов-дозаторов. Считают, что остаточное содержание алюминия в металле не должно превышать 0,005%.

Кремний и алюминий

В таблице 2.1 по данным исследований Е. Плеккингера и Р. Розеггера [45]

Как следует из представленных данных, что загрязнен­ность стали неметаллическими включениями, а также содержание суммар­ного кислорода меньше в том случае, если металл раскисляли только од­ним алюминием или в виде сплава Al-Si, в котором много алюминия. Включения имели диа­метр ~ 5 мкм и содержали 67 % Аl₂О₃ и 28 % SiO₂, т.е. по своему составу соглас­но диаграммы состояния SiO₂ - Аl₂О₃ соответствовали корунду и муллиту (3 Аl₂О₃·2 SiO₂). Температура их плавления составляла около 1840°С, поэтому эти частички находились в расплавленной стали в твердом состоянии.

Следует ожидать, что они (а это подтвердилось экспериментально) с точки зрения процесса удаления ведут себя подобно глинозему. Однако в тех случаях, когда в комплексном сплаве нельзя иметь высокое отноше­ние концентрации алюминия и кремния, чтобы продукты раскисления были в твердом виде. Алюминий и кремний необходимо вводить в сталь раздельно. При этом растворенный кислород связывается вначале алюминием, а затем вводится кремний.

Как показали результаты исследований при раскислении стали силикоалюминием с содержанием алюминия 40%, а также при раздельном раскислении вначале кремнием, а затем алюминием, загрязненность оксидными включениями проб металла была не достаточно равно­мерной. В ней присутствовали крупные включения переменного состава с размером частиц от 25 до 125 мкм.

Для их удаления целесообразно использовать турбулентное перемешивание.(см. рис. 42).

Благодаря которому происходят коагу­ляция (слипание при встрече в конвективном потоке) обогащённых кремнезёмом неметаллических включений и удаление крупных час­тиц глинозема.

На рисунке 47 представлена диаграмма Si-Al-O.

Таблиц 2.1. Средний состав и размер неметаллических включений в стали раскисленной раздельно или совместно кремнием и (или) алюминием
Присадка раскислителя в ковш, кг/т		Состав включений в литых пробах, %				Содержание включений, %	Содержание общего кислорода, %	Вид включений в литых пробах	Размер включений
Si	Al	SiO2	Al2O3	FeO	MnO	В слитке **/В ковше*	В слитке**/В ковше*
2,3	-	64	11	4	20	0,48/0,054	0,038/0,037	В момент возникновения включения были жидкими. Частично слились в большие капли. В центре состоят из тёмных металлических оксидов, окруженных безцветным стеклом из кремнезёма.	Наибольший размер в литых пробах >1мм
2,2	0,35	54	24	2	16	0,076/0,025	0,036/0,026	Более или менее однородные, богатые глинозёмом стекла.	>1мм
2,2	2,0	28	67	2,6	-	0,034/0,012	0,012/0,005	Небольшие, часто круглые включения, которые частично объединились в более крупные образования.	~5мм
-	4,5	4	92	2,6	-	0,015/0,018	0,009/0,006	Мелкие включения имеющие преимущественно каплевидную форму; включения склонны к слиянию.	~3мм

*Промежуточный ковш. ** Среднее значение из 5 слитков

По данным японских исследователей [92] мощные турбулентные потоки металла, вызванные вакуумированием, приводят к тому, что при кратности обработки 6-7 суммарная концентрация кислорода снижается до 0,0030—0,0080 %.

Результаты раскисления стали по варианту В (присадка кремния плюс 0,2 кг Аl/т при выпуске) позволяют предположить, что образующиеся при этом преимущественно кристаллы муллита ведут себя при коагуля­ции примерно так же, как и глинозем (вариант раскисления Г – присадка алюминия). При рас-кислении по варианту Б (присадка только кремния при выпуске) при содержании 1 % Мn и 0,25 % Si в стали происходит образование марган­цовистых силикатов (рис. 47); в стали в свободном состоянии остается 0,008—0,009 % кислорода. Этот растворенный кислород при вакуумной обработке легко понижается до 0,005 - 0,006 %, что предопре­деляет уже не коагуляцию, а растворение силикатов марганца.

Следует отметить, что при вакуумной обработке нераскисленной стали, т.е. при раскислении только углеродом под вакуумом по варианту А, суммарное содержание кислорода после кратности обра­ботки стали 6-7 устанавливается точно так же на уровне 0,0030— 0,0080 %.

Алюминий и марганец

При раскислении алюминием даже в четко определенных условиях проведения лабораторных экспериментов получают различный ход кине­тических кривых раскисления. По мнению Е. Ферстер и Г. Рихтер [93] это явление связано с происхождением алюминия и особенно с образованием на поверхности алюминия тугоплавкой оксидной пленки между расплавом. Оболочка из глинозема, покрывающая алюминий при его окислении, яв­ляется столь прочной, что в ней, например при плавлении гранул алюми­ния в окислительных условиях, жидкий алюминий удерживается, как в чехле.

Окисная пленка глинозема препятствует равномерному распределению алюминия в расплаве и взаимодействию с растворенным кислородом. Наличием таких пленок глинозема объясняется тот факт, что гранулы алюминия раство­ряются в стальном расплаве хуже, чем, например, ферросилиций при рав­ных размерах кусков. При этом следует учитывать хорошую теплопро­водность алюминия: в зависимости от температуры металла вокруг алюминия может образоваться слой затвердевшей стали, который будет замедлять процесс растворения алюминия.

Образование тугоплавкой плёнки глинозема на поверх­ности алюминия может быть уменьшено за счёт легирования другими эле­ментами. В работе [95] исследовали раскисление стали сплавом марганец-алюминий с содержанием 25—30 % А1. Исследования проводили на большом массиве металла (более 10 тыс.т) трубной и автолистовой стали. Металл, раскисльнный сплавом марганец-алюминий, по сравнению с обычным (раскисленным в ков­ше – только алюминием) имел более равномерный состав и высокую степень чистоты по неметаллическим включениям, а также более высокую и однотипную деформируемость. Сплав марганец — алюминий оказался более предпочтительным по сравнению со сплавом ферроалюминий, так как при этом одновременно в сталь вводится обычно необходимый мар­ганец.