4 Виды неметаллических включений

Оксиды

Источниками оксидных включений в слитках является следующее:

- первичные продукты раскисления стали, которые не успели всплыть в разливочном ковше;

- окисляющиеся примеси, элементы раскислители;

- продукты вторичного окисления стали и непрерывного обновления открытой поверхности металла в изложнице.

Оксиды делятся на два вида:

- простые окислы;

- сложные окислы;

Из простых окислов самые встречающиеся закись железа, закись марганца, в присутствие титана, алюминия, хрома, кремния в стали их окислы.

Температура плавления закиси железа (вюстит) равна 1360 ⁰С, имеет кубическое кристаллическое строение, выделяется в виде глобули. Вюстит единственные оксид железа, который может встречаться в виде эндогенных включений.

Температура плавления закиси марганца (манганозит) около 1800 ⁰С, кубическая кристаллическая структура, выделяется в виде октаэдров, при содержании большого количества окиси железа в виде глобулей. Он единственный из окислов марганца, образующий включения в металле.

Температура плавления окиси алюминия (корунд) 2050 ⁰С. Имеет гексагональную кристаллическую систему. Алюминий один из наиболее распространенных раскислителей металла, поэтому окиси алюминия в свободном или связанном виде почти всегда встречается в стали.

Сложные окислы (группа шпинелей) по химическому составу очень разнообразна: насчитывают около 270 возможных разновидностей шпинелидов. При исследовании были обнаружены шпинели следующих видов: магнезиальная MgAl₂O₄; марганцевая MnAl₂O₄; железная FeAl₂O₄; хромовая FeCr₂O₄.

Сульфиды

Сульфидные включения в слитке возникают в следствие ликвации серы, из затвердевающих кристаллов зоны двухфазного состояния в пограничный диффузионный слой и возможных продуктов обработки жидкой стали редкоземельными или другими модификаторами. Сульфиды в определенном виде и количестве имеются в стали почти всех сортов. Загрязненность сульфидными включениями один из главных факторов качества стали.

Многие элементы могут взаимодействовать с серой, но самые часто встречающиеся это сложные сульфиды железа и марганца, представляющие собой твердые растворы с различным соотношением компонентов.

Железо образует с серой два соединения FeS и FeS₂. Двусернистое железо в виде включений не встречается, сернистое железо очень редко встречается, в металле с очень малым содержанием марганца.

Сернистое железо может давать с закисью железа твердые растворы и с ними эвтектику FeS·FeO.

Марганец также как и железо образует два соединения с серой: MnS и MnS₂

Двусерничтый марганец в виде включений не встречается.

В стали в свободном виде встречаются главным образом в виде твердых растворов FeS·MnS.

Сульфид железа относительно хрупок. Двойные сульфиды FeS·MnS и сульфиды марганца пластичны, легко деформируются при механической обработки и более тугоплавки, чем сульфид железа.

При наличии в стали достаточного количества окислов железа и марганца могут образоваться эвтектики O·FeS и O·FeS·MnS.

5 Распределение неметаллических включений в исследуемом слитке массой 5,9 т стали 20

Из литературных данных известно, что неметаллические включения в объеме слитка образуются и развиваются в двух местах: в объеме маточного расплава, где они служат центрами для диффузии к их поверхности растворимых примесей в стали, и на границе затвердевания, где они зарождаются в диффузионном пограничном слое, в котором ликвируют все примеси, имеющихся в затвердевающей стали.

Распределение неметаллических включений в слитке неразрывно связано с условиями кристаллизации отдельных зон и условиями развития конвективного перемешивания жидкой стали в нем. При этом различают следующие зоны распределения неметаллических включений:

- наименьшее содержание включений в корковой зоне слитка, так как минимальная загрязненность и размер имеют те области слитка, которые кристаллизовались с большой скорость;

- скопление неметаллических включений в конце зоны транскристаллизации объясняется снижением скорости кристаллизации и образованием широкого диффузионного слоя ликватов при одновременном замедлении конвективных потоков маточного расплава;

- повышение неметаллических включений, как оксидов, так и сульфидов, в зоне V- образной ликвации, возникающей вследствие чередующегося во времени образования широких диффузионных пограничных зон ликватов с повышенной концентрацией неметаллических включений;

- образование скоплений оксидных включений в донной части в конусе осаждения; одновременно в слитках небольшой массы наблюдается повышение содержания включений в головной части слитка, а иногда и в средней части слитка;

- повышенное содержание и крупные размеры сульфидов в осевых, медленно затвердевающих объемах металла;

- большое количество сульфидных включений в головной части слитка;

- скопление сульфидов в зоне V- образной ликвации стали.

На распределение оксидных включений влияют прежде всего размер и форма слитка, распределение скоростей конвективных потоков в слитке, режим раскисления и скорости кристаллизации стали.

В исследуемом слитке максимальную загрязненность по высоте имеет средняя часть слитка, уменьшаясь к донной и прибыльной частям (см. рисунок 1). У слитков небольшого сечения площадь поперечного сечения обратных восходящих потоков будет большой и неметаллические включения могут уносится в средний горизонт слитка.

Рисунок 1 – Распределение оксидов по высоте слитка

По сечению исследуемого слитка оксидные включения уменьшаются от края слитка к его оси (см. рисунок 2), что вызвано особенностями конвективных потоков. Восходящие потоки, имеющие большие значения, будут уносить эти включения, а нисходящие потоки недостаточны для значительного перемещения включений.

Рисунок 2 – Распределение оксидов по сечению слитка

На загрязненность слитка сульфидами влияют химический состав стали, интенсивность массопереноса и ликвация серы в пограничном слое, ее активность, условия смачивания сульфидов поверхности кристалла, вязкость ликвирующей фазы при температуре затвердевания, размеры и форма поперечного сечения слитка, интенсивность и распределение скоростей конвективных потоков стали, протяженность зоны двухфазного состояния, присутствие поверхностно активных веществ в стали и в пограничном слое, скорость кристаллизации.

По высоте слитка загрязненность сульфидными включениями уменьшается от донной части к прибыльной (см. рисунок 3).

Рисунок 3 – Распределение сульфидов по высоте слитка.

Во многих исследованиях содержание сульфидных включений, как правило, увеличивается от края слитка к оси. Так и в исследуемом слитке сохраняется такое распределение (см. рисунок 4).

Рисунок 4 – Распределение сульфидов по сечению слитка.

×10^-3

Список использованных источников

1 Кислинг, Р. Неметаллические включения в стали. / Р. Кислинг, Н. Ланге. – М. : Металлургия, 1968. – 123 с.

2 Шпис, Х. – И. Поведение неметаллических включений в стали при кристаллизации и деформации. / Х. – И. Шпис. М. : Металлургия, 1971. – 127 с.

3 Явойский, В. И. Газы и включения в стальном слитке. / В. И. Явойский. – М. : Металлургиздат, 1955. – 248 с.

4 Ефимов, В.А. Разливка и кристаллизация стали. / В. А. Ефимов. – М. : Металлургия, 1976 – 552 с.

17