1. 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/см³; р_вкл — плотность включения, г/см³.

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/с².

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;

— модифицирование включений;

— 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.