Неметалічні включення у зливках

Неметалічні включення в зливках зустрічаються, як правило, у вигляді оксидів, сульфідів, нітридів (рідше фосфідів), а також у вигляді більш складних сполук – оксисульфідів, силікатів, сульфосілікатів, алюмінатів, алюмосилікатів тощо. Найбільші включення, які різко знижують механічні властивості сталі, що утворюються з конгломератів оксидів або оксисульфідів. Загальна кількість неметалевих включень у великому злитку зазвичай не перевищує 0,02-0,03% (за масою). При цьому в сталі, підданій обробці, що рафінує, в ковші, цей показник виявляється ще нижче.

На практиці рівень забрудненості стали неметалевими включеннями регламентується спеціальними стандартами та технічними умовами, у яких обумовлюються величина, хімічний склад та характер їхнього розподілу у готовому виробі. Для цього з готової продукції відбираються спеціальні зразки, на яких виконуються необхідні металографічні дослідження. Як правило, зразки відбирають із зон, найбільшою мірою уражених неметалевими включеннями. Отже, знання основних закономірностей поведінки та розподілу неметалевих включень у великих зливках є досить важливим завданням, що має пряме відношення до якості виробу.

Сучасне металографічне обладнання дозволяє ідентифікувати будь-яке неметалеве включення як за хімічним складом, так і за геометричними розмірами. Більш складним практичним завданням є коректна оцінка закономірностей розподілу неметалевих включень за даними, отриманими з відібраних зразків, оскільки ці зразки відбираються, виходячи з певних міркувань, і несуть інформацію тільки пропевних (дуже невеликих) областях злитка чи вироби. Тому на практиці оцінку розподілу неметалевих включень здійснюють за спеціальними шкалами в балах, обумовлених у відповідних технічних умовах. Це значно знижує трудомісткість металографічних досліджень та забезпечує отримання інтегральної оцінки.

За джерелами освіти включення можуть бути поділені на ендогенні та екзогенні. Включення першого типу зазвичай мають невеликі розміри і є результатом хімічних реакцій та масопереносу, що відбуваються у рідкій сталі. Екзогенні включення є продуктами взаємодії рідкої сталі зі шлаком та вогнетривами печі, жолоба, ковша, сифонних проводок. Ці включення мають великі розміри та складний склад.

Приблизна частка екзогенних та ендогенних оксидних включень, що надходять з різних джерел у злиток, становить: металева шихта – 20%; футерування печі - 0,5%, пічний шлак - 3%; футерування жолоба – 0,5%; футерування ковша - 3%; сифонний запас - 1%; продукти розкислення – 40%; продукти вторинного окиснення – 32%.

Одним із класів ендогенних неметалевих включень є оксиди – продукти взаємодії розчиненого в сталі кисню з іншими хімічними елементами. Вони мають лінійні розміри до 10-15 мкм. Згідно з загальноприйнятою класифікацією, оксидні ендогенні неметалеві включення можна розділити на три групи:

Первинні неметалеві включення, що утворилися після введення в сталь розкислювачів. Видалення цих включень в результаті спливу в рідкій сталі відбувається, головним чином, у ковші і потім продовжується в процесі кристалізації зливка.
Вторинні неметалеві включення, що формуються в процесі охолодження металу до температури ліквідусу за рахунок зсувурівноваги реакції розкислення у бік зменшення концентрації розчиненого кисню. Вторинні оксидні включення можуть випливати з рідкої серцевини зливка в його прибуткову частину.
Третинні неметалеві включення, що утворюються при затвердінні рідких ділянок металу у двофазній ділянці, що формується при затвердінні зливка. Ці включення не видаляються, оскільки їх утворення відбувається в замкнутих обсягах двофазної зони.

Іншим класом неметалевих включень є сульфіди, які формуються переважно в процесі затвердіння зливка (сульфіди заліза та марганцю). Відповідно до класифікації К. Сімса розрізняють три типи сульфідних включень:

великі глобулярні включення (перший тип);
включення, що розташовуються у вигляді рядків, сіток та евтектичних утворень (другий тип);
включення багатогранної форми, що безладно розташовані по тілу зразка (третій тип).

Сульфідні включення першого типу спостерігаються, як правило, у периферійних зонах злитків, що пояснюється високою швидкістю нарощування твердої скоринки та наявності оксидних фаз із високою розчинністю сірки. При цьому в залежності від хімічного складу оксисульфіду спочатку виділяються, як правило, оксидні фази, на яких осаджуються сульфідні фази. Внаслідок наявності кисню в сульфідній фазі вона залишається рідкою до низьких температур і набуває глобулярної форми.

Великі скупчення сульфідних включень другого типу спостерігаються в осьовій зоні верхніх горизонтів зливка. Однак ці включення виявляються практично у всіх зонах великих зливків. Характерно, наприклад, що цей вид включень має розвинену розгалужену форму в проміжній зоні зливка. Включення цієї групи набувають вигляду грубихпотовщених дендритів (але також тонких у перерізі) при переході до осьової зони, і навпаки, характеризуються слаборозвиненою гіллястою формою в периферійних шарах злитка, формуючись тут у вигляді тонких паличок, уривків дендритних осей та ін. Протяжність таких включень може бути від 3-5 мікрон до кількох сотень мікрон. При цьому такі неметалеві включення схильні розташовуватися ланцюжками, що багато разів підвищує ймовірність руйнування металу по цих ланцюжках у процесі кування.

Сульфідні включення третього типу у великій кількості спостерігаються у проміжній зоні злитка. Формування кристалічних закінчень гілок та утворення правильних багатокутників, мабуть, має місце на тих ділянках дендритних каналів, де відсутня температурний градієнт, і зростання сульфідного кристала відбувається рівномірно з усіх боків у результаті дифузійних процесів.

Введення в рідку сталь розкислювачів та легуючих елементів змінює умови утворення сульфідів. Наприклад, тугоплавкі сульфіди кальцію, магнію, церію та лантану можуть зароджуватися в рідкій сталі і видалятися з неї шляхом асиміляції шлаковою фазою.

Відомо, що азот у сталі утворює хімічні сполуки з рядом розкислювачів та легуючих елементів. Розрахунки показують, що рідкої низьколегованої сталі можуть існувати лише нітриди титану, алюмінію і цирконію. Нітриди титану в сталі являють собою непрозорі правильної квадратної та призматичної форми частинки дрібних та середніх розмірів, а нітриди алюмінію – тонкі включення світлосірого кольору голчастої форми, довжина яких коливається від 0,05 до 3мкм. Флотація та видалення нітридів при обробці в ковші утруднені внаслідок їх високої щільності та малих розмірів.

Застосування методу радіоактивних індикаторів щодохарактеру розвитку конвекції в злитках, що кристалізуються (див. гл. 2) показує, що масоперенесення домішок з дифузійного шару реалізується розвитком низхідного і висхідного конвективних потоків. При цьому в зоні, що прилягає до фронту кристалізації, виникає переміщення металу вниз, а по осі зливка - вгору. Зазначене переміщення рідкого металу супроводжується вихроутворенням та виникненням ділянок зі зниженим тиском. Чим більша швидкість конвективних потоків, тим більше розрідження і більше неметалевих включень захоплюється в зону конвекції.

Максимальна швидкість низхідного потоку нижньому перерізі вище, ніж у верхньому. Швидкість спадного потоку інтенсивно зменшується в міру віддалення від фронту затвердіння. Великий градієнт швидкості у вузькому прикордонному шарі призводить до появи певного шару розплаву інтенсивної турбулентності, що поширюється вниз за течією низхідних потоків і сприяє захопленню неметалевих включень. Враховуючи порівняно невеликі швидкості висхідних потоків у нижній частині зливка, ці включення повинні залишатися в нижній більш в'язкій зоні рідкої фази злитка.

Багато дослідників вважають, що рівноосні дендрити, які утворюють конус осадження, зароджуються переважно на силікатних включеннях (особливо на тих, що містять вільний глинозем та шпинелі). Опускаючись на дно твердне зливка, вони утворюють конус осадження, який, таким чином, пов'язується з сегрегацією неметалевих включень. Комплексні силікати, які знаходяться в донній частині злитка, найбільше концентровані на відстані 10-15% від днища злитка.

Узбуйнення твердих неметалевих частинок відбувається при їх зіткненнях за рахунок явища коагуляції (злипання). Наприклад, під час руху частинокглинозему разом із конвективними потоками вниз частота їх зіткнень різко зростає. При цьому вони спікаються і в результаті коагулюють. Слід зазначити, що інтенсивність конвекції металу найбільша початковий період кристалізації. Надалі швидкість конвективних потоків зменшується, а область їхньої циркуляції звужується та переміщається вгору. У цьому частота зустрічей включень внаслідок перемішування знижується, тобто, погіршуються умови коагуляції. Спостережуване їх укрупнення при переході від периферії до центральних ділянок зливка, ймовірно, пояснюється порівняно тривалим перебуванням цих ділянок у рідкому стані, що сприяє укрупненню включень за механізмом дифузії.

Забрудненість металу великих злитків двофазними неметалевими включеннями типу оксисульфідів та сульфосілікатів набагато нижча, ніж однофазними сульфідами або оксидами. Геометрична форма двофазних включень, як правило, глобулярна або овальна, а розташування або поодиноке, або у вигляді невеликих скупчень. Легкоплавкі включення оксисульфідів виділяються в рідкому вигляді при затвердінні злитка. Такі включення викликають ослаблення міжзеренних зв'язків, особливо при підвищенні температури (червоноламкість). Найбільше оксисульфидов зазвичай посідає верхній і середній горизонти зливка, а сульфосиликатов- на середній і донний.

Зважаючи на ту значущу роль, яку несуть неметалеві включення з точки зору забезпечення високої якості виробів з великих злитків, на практиці прагнуть зменшити їх кількість та глобулізувати їх форму ще в рідкій сталі. У цьому плані в технологічному циклі виплавки сталі передбачається обов'язкова обробка рафінуючої сталі на установці ковш-піч і при необхідності її вакуумування. При цьомуособлива увага приділяється відсіканню шлаку при випуску сталі з плавильного агрегату, а також захисті струменя сталі від вторинного окислення під час наповнення виливниці.