11.1.2. Способы обеспечения чистоты стали

Большинство включений не существует в жидкой стали, а образуется при затвердевании. Очевидно, что НВ значительных размеров не могут оставаться долго во взвешенном состоянии в жидкой стали. НВ легче металла и под воздействием гравитационных сил они должны всплывать. Скорость всплывания частиц в жидкой стали выражается формулой Стокса:

, (11.1)

где:  - скорость всплывания; _ме, _вкл - плотности металла и включения; r - радиус включения;  - вязкость металла.

Формула Стокса выводится из условия, что подъемная сила, определяемая разностью плотностей и размерами включений, встречает сопротивление только вязкости жидкости. Соответственно, чем меньше вязкость жидкости и чем больше разность плотностей и особенно размер включения, тем больше скорость всплывания. Однако на практике, при интенсивном перемешивании металла, мелкие НВ, увлекаемые струями металла, могут весьма долго витать в расплаве, перемещаясь вверх и вниз вместе с металлом.

Согласно формуле Стокса успешное удаления НВ определяется условиями их укрупнения.

1. Укрупнение происходит при встрече включений. Если каждая встреча частиц является эффективной, то говорят о быстрой коагуляции. Различают:

• тепловую коагуляцию;

• градиентную коагуляцию (встреча частиц обусловлена градиентом скорости);

• турбулентную коагуляцию - встреча частиц в турбулентных потоках.

Второй и третий вид коагуляции наиболее значительные.

2. К

   

   инетикаслияния частиц. Образуются агрегации типа гантели.

Скорость всплывания гантели не меняется. Кинетику агрегации можно охарактеризовать радиусом перешейка между гантелями  . Укрупнение частиц

определяется их агрегацией (слиянием), при этом более эффективными являют-

ся встречи жидких частиц. Следовательно, продукты раскисления необходимо получать в жидком виде. Возникающие твердые продукты раскисления, плохо окисляются и плохо удаляются из стали.

Возможность получения жидких продуктов осуществляется при комплексном раскислении, например, марганцем и кремнием:

(2+n)O + Si + nMn = (MnO)_nSiO₂ . (11.2)

t_пл^(MnO)nSiO2  t _рас 1600^oC; n зависит от соотношения марганца и кремния в металле.

11.2. Происхождение и основные закономерности

РАСТВОРЕНИЯ ГАЗОВ

В обычных условиях выплавки невозможно получить сталь, не содержащую газы - азот и водород. Это связано с тем, что:

• любой материал, применяемый для плавки стали, содержит газы;

• по ходу обычной плавки неизбежен контакт металла с газовой фазой, содержащей азот, водород или водяные пары, и может растворять их.

Растворение азота и водорода подчиняется общей закономерности: равновесное содержание газа в жидкой стали пропорционально корню квадратному из парциального давления его в газовой фазе.

 = К_Г2  Р_Г2 , (11.3)

где:  - содержание газа в железе; К_Г2 - коэффициент пропорциональности (константа растворения); Р_Г2 - парциальное давление его в газовой фазе.

Процесс растворения газов в железе является эндотермическим, поэтому с повышением температуры растворимость возрастает. При температуре 1600^оС уравнение (11.3) можно представить в виде:

N = 0,044  Р_N2 ; (11.4)

H = 28,5  Р_H2 . (11.5)

Фактически содержание газов отличается от расчетных данных по сле-

дующим причинам:

• не достигается равновесия между газовой фазой и металлом по распределению водорода и азота;

• вследствие влияния на растворимость газов содержания различных примесей, при этом примеси можно делить на три группы: повышающие, снижающие и не изменяющие растворимость газов.

Важной общей закономерностью поведения газов является также следующая: растворимость газов в металле изменяется скачкообразно при переходе из жидкого состояния в твердое и при аллотропических превращениях в твердом состоянии, причем высокотемпературная модификация -Fe растворяет меньше газов, чем низкотемпературная -Fe.

Наиболее нежелательным свойством рассматриваемых газов является малая растворимость их в -Fe. Поэтому возникает опасность выделения газов из твердой стали.

Для полного устранения этой опасности необходимо иметь в стали содержание N = 0,001 - 0,0015% и менее; Н  1,0 - 1,5 см³/100 г.

Эти условия обычно не выполняются, поэтому необходимо нейтрализовать вредное влияние газов, учитывая их свойства и содержание в металле.