Внепечная обработка стали повышает свойства стали, улучшаются показатели пластичности, уменьшается анизотропия физико-механических характеристик слитка и проката, поскольку при (такой обработке в стали снижается содержание нежелательных примесей, газов, неметаллических включений. Однако отмечено достаточно большое число случаев, когда после внепечной обработки наблюдается улучшение свойств твердого металла без заметного изменения его состава, содержания в нем газов и неметаллических включений что явилось основанием для ряда проведенных в последние годы исследований.
Во всех методах внепечной обработки расплавленный металл подвергается интенсивному и длительному перемешиванию, как это обычно принято считать, приводит к увеличению макрооднородности расплава по составу и температуре. Однако есть предположения, что длительное перемешивание должно способствовать достижению также и микроравновесного состояния расплавленной стали. Не исключено приближение к равновесию микроскопических состояний расплава (это эквивалентно повышению однородности его структуры ближнего порядка) вызовет изменение физических структурно-чувствительных свойств и улучшит качественные характеристики рафинированного металла. По определению физических свойств металлических расплавов до и после внепечной обработки выполнено мало исследований.
Подробные исследования по данному вопросу выполнены коллективом специалистов под руководством Б.А. Баума. Высоколегированные стали и сплавы выплавляли в электродуговых печах и продували в ковше аргоном, подаваемым через пористые трубки. Общим для всех обработанных сталей и сплавов оказалось увеличение кинематической вязкости расплава на 10-20, плотности на 3-5 и поверхностного натяжения на 7-10%. Продувка сплава ЭИ602 аргоном привела к уменьшению параметра кристаллической решетки твердого раствора с 0,35664 до 0,35653 нм и возрастанию плотности с 8,3469 до 8,3595 г/см3, хотя концентрация газов и неметаллических включений после продувки практически не изменялась. Во всех случаях после продувки возрастает ударная вязкость и пластические свойства металла. Общим для всех обработанных сталей является не только повышение их вязкости, но и увеличение удельной работы деформации, характеризующей вязкость материала твердых образцов. Удельная работа деформации в области пластической деформации связана с трением взаимоперемещающихся плоскостей, т.е. с сопротивлением течению. Авторы исследования заключают, что обнаруженная корреляция в изменении вязкости расплава и твердого металла при его пластической деформации связана с общностью механизмов рассеяния энергии. По мере повышения однородности расплава и соответственно уменьшения дефектности кристаллической структуры твердого образца условия для равномерного рассеяния механической энергии, сообщаемой системе, оказываются более благоприятными. Локализация энергии в отдельных микросхемах затрудняется. Пластичность и устойчивость металла по отношению к разрушающим нагрузкам возрастает.
|
|
Итак, в них случаях установлено снижение вязкости стали после продувки, в других ее возрастание. Возможно, одной из причин этого является существенное различие состава исследованных сталей. Не исключено, что в сталях более простого состава, выплавленных без присадки значительного количества легирующих элементов и находящихся почти в микроравновесном состоянии, преобладает эффект снижения вязкости в результате удаления неметаллических включений и газов. Для сложнолегированных сталей определяющим может явиться приближение к микроравновесному состоянию и изменение структуры ближнего порядка расплава под воздействием перемещения и образования развитой поверхности раздела, металл - газ.
|
|
Проведено исследование с участием автора влияния продувки аргоном в ковше на изменение физических свойств стали 18Х2Н4МА. Сталь выплавляли в 10-т электродуговых печах Златоустовского металлургического завода (ЗлМЗ) по технологии с окислением. Аргон подавали в металл через пористую пробку в днище ковша под давлением при расходе 0,45-0,50 м3/мин в течение 3-12 мин. Образцы всех плавок до продувки металла аргоном имели практически одинаковые (в пределах точности измерения) исследованных физических свойств. Это позволяет сделать заключение о слабом влиянии изменений химического состава (в пределах марочного) на свойства стали в жидком состоянии и сходстве структур ближнего порядка расплавов различных плавок до продувки. Химический анализ проб металла, отобранных из ковша до и после продувки, показал, что при продувке аргоном химический состав стали практически не изменяется. Содержание кислорода в исходном металле всех плавок колебалось в пределах 0,0049-0,0078, азота 0,0071-0,00193%. После продувки содержание кислорода снизилось до 0,0034-0,0067, а азота - до 0,0049-0,0175%. Степень удаления кислорода составила 5-50, азота 6-30%. Явной зависимости степени Удаления кислорода и азота из металла от продолжительности продувки не обнаружено, хотя газонасыщенность металла снижалась во всех случаях в большей или меньшей степени. Отмечено также закономерное снижение загрязненности стали неметаллическими включениями.
|
|
Таким образом, физические свойства расплавов всех плавок до продувки были примерно одинаковы, химический состав металла после продувки почти не изменился, а уменьшение газонасыщенности и загрязненности металла должно, казалось бы, привести к снижению, а не к увеличению вязкости. Значит, только различием газонасыщенности и загрязненности металла нельзя объяснить различие физические свойства металла до и после продувки. Это позволило сделать заключение о возможном изменении структуры, порядка расплава в результате внешнего воздействия.
Для объяснения полученных результатов можно исходить, из представлений Б.А. Баума о микронеравновесных состояниях металлических расплавов. Интенсивное перемешивание расплава при продувке улучшает условия диффузии и способствует частичному разрушению существующих в расплаве не равновесных долгоживущих группировок сильно взаимодействующих частиц. Часть прочных внутренних связей в комплексах освобождается и принимает участие во взаимодействии с окружающими комплекс структурными единицами расплава. Это приводит к увеличению средней энергии межчастичного взаимодействия, что проявляется в повышении поверхностного натяжения расплава и энергии активации вязкого течения. Следствием этого является рост кинематической вязкости расплава. Повышение средней энергии взаимодействия и увеличение степени однородности расплава сопровождается ростом плотности и магнитной восприимчивости.
Как уже отмечалось, магнитные свойства переходных металлов и сплавов на их основе определяются, в основном, характером ближнего порядка, дальний порядок здесь несуществен. Следовательно, продувка металла инертным газом, оказывая определенное влияние на структуру ближнего порядка расплава, влияет и на структуру ближнего порядка твердого металла: магнитная восприимчивость как жидкого, так и твердого металла изменяется практически одинаково при продувке. Можно считать, что степень влияния продувки на структуру ближнего порядка твердого металла пропорциональна степени воздействия на расплав, т.е. степени приближения его к микроравновесному состоянию.
Качество металла также закономерно изменяется в зависимости от продолжительности продувки. Макроструктура с увеличением длительности продувки становится более плотной и однородной, уменьшается реальная пористость и усадочная рыхлость. Загрязненном стали неметаллическими включениями снижается, включения становятся более мелкими. Анализ изломов поперечных * продольных образцов на электронных микроскопах "Tsl BS540" и "Stereoscan S4-10" показал, что на плавках наряду с вязким наблюдаются значительные участки упкого разрушения, ответственными за которые являются остаточно крупные включения. После продувки металла аргоном в ковше количество включений и их размеры значительно уменьшаются. Излом становится преимущественно вязким, доля участков хрупкого разрушения снижается. В результате возрастает ударная вязкость металла. Однако заметных различий вида излома образцов металла после продувки в течение 5 и 10 мин не наблюдается.
Таким образом, продувка металла газом в ковше приводит к изменению структуры ближнего порядка расплава и его физических свойств. Эти изменения в значительной степени обусловливают повышение качества стали после продувки. Закономерное (затухающее) изменение физических свойств в зависимости от продолжительности обработки позволяет выбрать оптимальное ее значение по наибольшему увеличению плотности, поверхностного натяжения или вязкости расплава.
Литература
1. П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев, М.Г. Крашенинников, "Физико-химические методы исследования металлургических процессов".
2. Л.А. Шварцман, А.А. Жуховицкий, "Начала физической химии для металлургов".
3. В.И. Жучков, А.С. Носков, "Растворение ферросплавов в жидком металле".
4. Д.Я. Поволоцкий, "Раскисление стали".
5. В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, "Общая металлургия".
6. http: // www. bibliotekar. ru/index. htm