Механизм удаления неметаллических включении

Длительное время считали, что порядок раскисления жидкой стали дол­жен быть таков, чтобы первоначально обеспечить получение жидких неметаллических включений, применяя предварительное раскисление стали марганцем и кремнием с добавками очень малых количеств алю­миния. При этом исходили из того, что, поскольку преобладающая часть включений удаляется по закону Стокса, согласно которому ско­рость удаления пропорциональна квадрату радиуса, нужно добиваться формирования включений, способных к быстрому укрупнению и удале­нию. Этим требованиям соответствуют жидкие продукты раскисления: они легко коалесцируют, в результате чего увеличиваются размеры ча­стиц, и быстро всплывают в гравитационном поле; хорошо ассимилиру­ют твердые включения (типа AL₂О₃), которые образуются на второй стадии раскисления при введении сильных раскислителей. Такая точка зрения на процесс раскисления и механизм удаления неметаллических включений широко распространена и в настоящее время. Последующие исследования поверхностных свойств на межфазных границах металл– неметаллическое включение – шлак – газовая фаза показали, что особенности удаления продуктов раскисления связаны главным об­разом не с размером, а с типом включений. Было показано, что продук­ты раскисления сильными раскислителями (AL₂О₃) удаляются из жидкой стали быстрее, чем силикаты. Быстрое удаление включений корунда объясняли высоким межфазным натяжением AL₂Оз (σ_B-м=2000 мДж/м²) и явлением скольжения. Наряду с этим было показано, что силикаты, характеризующиеся хорошей смачиваемостью и меньшим значением σ_в-м=600-800 мДж/м², при тех же самых размерах удаляются зна­чительно медленнее.

Истинная причина более быстрого удаления из стали включений глинозема связана не с тем, что металл выталкивает неметаллические включения глинозема на поверхность, а с особенностями перехода гра­ницы раздела фаз, которые существенно различаются для разных про­дуктов раскисления. Эксперименты, проведенные лишь в условиях гра­витационного поля, показали, что скорость всплывания включений глинозема в спокойной ванне в пять – десять раз меньше скорости всплывания силикатов того же размера.

На основе исследований, проведенных в последне время в лабо­раторных и промышленных условиях по изучению поверхностных не­металлических включений, механизм удаления включения можно пред­ставить следующим образом. После введения раскислителей в жидкой «тали образуются неметаллические включения, размеры которых прибли­женно можно описать кривой нормального распределения. Процесс удаления из стали неметаллических включений включает две стадии:

1) перенос включений на межфазную поверхность металл – шлак, металл – газ, металл – футеровка;

2) переход границы раздела фаз.

Крупные включения (10–20 мкм и более) достаточно полно удаляются из металла под действием выталкивающей силы и конвективного пере­носа в течение первых минут после введения раскислителей. Даже с нижних горизонтов сталеплавильных печей включения размером 100 мкм всплывают за 1 мин, а включения размером <30 мкм – за 5–10 мин. Для частиц размером <10 мкм действие выталкивающей'силы подав­ляется конвекцией. Перенос мелких включений на границу раздела металл – шлак осуществляется в основном движущейся жидкостью, причем с увеличением интенсивности перемешивания (до некоторого пре­дела) частота столкновений и «прилипания» к границе возрастает. Кон­векция способствует также укрупнению включений. После того как включение подведено к межфазной поверхности, начинается вторая ста­дия – переход границы.

Существуют различные мнения о том, какая из дух указанных стадий является лимитирующей. Под переходом границы раздела фаз понимают преодоление пленки жидкого металла между включением и шлаковым расплавом. При этом если пленка преодолена и неметалли­ческое включение коснулось шлака, то в большинстве случаев созда­ются условия, обеспечивающие дальнейшее извлечение включения из стали. Неметаллические включения (глинозем, силикаты и др.) из числа тех, которые остались после всплывания крупных частиц, к границе раз­дела фаз доставляются конвективными потоками металла со скоростью движущегося расплава. При этом плохо смачиваемые включения (AL₂О₃, Zr0₂ и др.) разделительную пленку металла проходят беспрепятственно. Следовательно, для этих типов включений процесс удаления лимитирует­ся доставкой их на границу раздела фаз. Включения (FeO, MnO, Si0₂), хорошо смачивающиеся металлом, разделительную пленку преодолевают во времени. Включения такого типа могут накапливаться на меж­фазной границе, и вероятность их уноса вглубь металла существенно больше, чем в первом случае. Для этих типов включений в большинстве случаев реализуются условия, при которых процесс удаления лимити­руется переходом границы раздела фаз.

Таким образом, на первой стадии размер включений в основном определяет способ доставки к межфазной границе. Крупные включения всплывают сами, мелкие переносятся конвективными потоками жидко­сти. На этой стадии роль поверхностных свойств в основном проявля­ется в таких процессах, как укрупнение (слияние, слипание, агрегация), адсорбционное торможение, движение включений в концентрационном поле и др. На второй стадии удаления включений, связанном с перехо­дом границы, поверхностные свойства системы и характеристики смачиваемости, определяют термодинамические и ки­нетические закономерности перехода. Размеры включений в этом случае играют меньшую роль. Рассмотренная схема носит общий характер и не может отразить многообразия частных случаев, которые имеют место при выплавке отдельных групп сталей и сплавов, характеризующихся образованием включений различных типов.