Материал: Теория литейных процессов.

Количество водорода, накапливающееся за единицу времени в прикатодной зоне, определяется в основном плотностью тока, а выделение его в атмосферу связано с формой (состоянием) водорода в расплаве, временем пропускания тока и температурой.

Влияние температуры представляется довольно значительным, так как последняя определяет активность реакционной зоны, вязкость расплава и толщину оксидной пленки.

Повышение температуры расплава интенсифицирует конвекционные явления, способствуя тем самым захвату и уносу внутрь расплава не только мелких, но и средних по величине пузырьков водорода; усиливает процесс диссоциации молекул водорода, адсорбированных на оксидной пленке, одновременно усиливая диссоциацию паров воды, находящихся в реакционной зоне. Поскольку при повышении температуры растворимость водорода во всех алюминиевых сплавах увеличивается, диссоцированный водород переходит в расплав, насыщая его. Понижение же электропроводности расплава при повышении температуры ухудшает условия переноса водорода к катоду в электрическом поле.

Понижение давления над зеркалом жидкой ванны без наложения тока вызывает образование большого количества мелких пузырьков газа. В практических условиях рост и удаление этих пузырьков требует длительной выдержки и глубокого вакуума.

Эффективность дегазации удается значительно повысить за счет обработки расплава постоянным электрическим током в вакууме. При этом рост и всплывание пузырьков водорода ускоряется, но степень снижения газосодержания зависит от плотности тока и времени обработки.

Режим рафинирования и дегазации электровакуумированием: предел разрежения при вакуумировании, - 1,33 *10° Па; плотность тока на аноде, - 0,04 А/см-; время рафинирования, - более 15 мин.

Установлено, что при вакуумировании удаляется свободный водород, который составляет всего третью часть от обычного его содержания в расплаве, а две части водорода связаны в расплаве с неметаллическими включениями у- А120 3. Связанный водород не удаляется даже при кристаллизации под вакуумом.

Обработка алюминиевого сплава постоянным электрическим током полностью разрушает связи ионов водорода с активными окислами у-А120 3, после чего выделяется дополнительно водород. Обработкой расплава электрическим током выделяются две остальные части водорода. Таким образом, установлено, что окисел у-А120 3, имея отрицательный заряд, в основном влияет на растворимость водорода в сплаве.

Дегазация расплавов путем обработки ультразвуком. Данный метод основан на кавитационном механизме воздействия, приводящим к многочисленным местным разрывам сплошности микроскопических размеров,

в которые диффундирует растворенный газ и выделяется в молекулярной форме. Для получения упругих колебаний ультразвуковой частоты используется магнитострикционный способ. Непосредственная передача упругих колебаний в расплав производится через волновод.

8.10. Характеристика продуктов раскисления и их классификация

Образующиеся в процессе раскисления неметаллические включения (НВ) частично удаляются из металла и частично остаются в нем, оказывая существенное влияние на качество стальных изделий. Степень удаления продуктов раскисления из жидкой стали зависит от раскисляющей способности элемента-распределителя, формы и характера их распределения в объеме металла, а также от свойств неметаллических включений.

Приведем некоторые свойства, влияющие на образование включений, их рост и возможность удаления из жидкого металла.

Основными свойствами включений являются температура плавления и плотность. Как видно из табл. 8.10, плотность продуктов раскисления меньше плотности стали, что обеспечивает возможность всплывания их в результате седиментации. Температура плавления продуктов раскисления может быть выше или ниже обычной температуры жидкой стали (табл. 8.10). В расплавленном металле (1450-1650 °С) могут быть продукты раскисления, содержащие значительное количество закиси железа, а также силикаты

Источниками образования НВ в стали являются также огнеупоры и шлаки, с которыми жидкий металл соприкасается во время плавки с разливкой.

Отрицательное влияние НВ:

1.Нарушая сплошность, снижают механические свойства.

2.По сравнению с металлом имеют разные коэффициенты расширения

инеодинаковую деформируемость.

3.Снижаются усталостная прочность, износостойкость. Классифицируются неметаллические включения по следующим

признакам:

1. По источникам образования (по происхождению).

Э к з о г е н н ы е . Экзогенными (внешнего происхождения) называют включения, состоящие из огнеупорных материалов и шлака, механически увлекаемые потоком жидкого металла во время выпуска и разливки и фиксируемые в затвердевшей стали.

Наиболее опасными являются мелкие неметаллические включения, крупные включения, имеющие размеры 0,1-0,5 мм, легко всплывают.

При нормальном проведении процессов выпуска и разливки сталь экзогенными включениями поражается незначительно, их доля из общего количества включений не превышает 5-10 %.

Э н д о г е н н ы е . Эндогенными (внутреннего происхождения) называют включения, образующиеся в результате протекания различных физико­ химических процессов в самом металле во время его раскисления, кристаллизации и охлаждения в жидком и твердом состояниях.

Основные эндогенные включения являются продуктами реакции взаимодействия О, S, N с раскислителями и другими компонентами стали.

Э к з о э н д о г е н н ы е . Экзоэндогенными называются включения, когда эндогенные включения выделяются на экзогенных, например, на поверхности неметаллических включений, содержащихся в ферросплавах.

2. По моменту (времени) образования эндогенные включения принято делить на первичные, вторичные, третичные, четвертичные (по В. И. Явойскому):

п е р в и ч н ы е э н д о г е н н ы е в к л ю ч е н и я образуются в момент раскисления, когда резко изменяется состав стали и создаются благоприятные условия для протекания химических реакций с образованием неметаллических включений;

в т о р и ч н ы е в к л ю ч е н и я выделяются во время охлаждения жидкого металла от температуры раскисления до температуры кристаллизации. Это выделение связано с тем, что все реакции раскисления являются экзотермическими и при снижении температуры смещаются в сторону образования различных соединений, плохо растворимых в металле. Кроме того, при снижении температуры уменьшается растворимость продуктов реакций в жидкой стали;

т р е т и ч н ы е в к л ю ч е н и я возникают при кристаллизации стали, когда резко снижается растворимость в металле как кислорода, серы и других вредных примесей, так и продуктов их реакций с другими компонентами стали; ч е т в е р т и ч н ы е в к л ю ч е н и я выделяются во время охлаждения затвердевшей стали в результате снижения растворимости различных

химических соединений при фазовых превращениях.

3. По размерам неметаллические включения делят на макро- и микроскопические. Эта классификация условная, так как размеры неметаллических включений колеблются от 10'5 до КГ1мм.

М а к р о с к о п и ч е с к и м и считают те включения, которые можно обнаружить невооруженным глазом или при увеличении, достигаемом при использовании лупы.

Ми к р о с к о п и ч е с к и м и считаются более мелкие включения.

4.По форме и характеру расположения в объеме металла различают:

снижают свойства стали. Кристаллизуются из твердого металла, имеют температуру плавления ниже температуры плавления металла. Такими включениями являются оксиды и сульфиды железа, особенно их расплавы, смачивающие металл. Поэтому при наличии сульфидов проявляется красноломкость, когда при высоких температурах даже расплавляются оксидные и сульфидные включения железа, вызывая расслабление междендритных связей, что при горячей обработке приводит к трещинообразованию (горячеломкости). Для устранения этого отрицательного последствия необходимо обеспечить возможно низкое содержание серы и кислорода перед раскислением. В качестве раскислителя нужно использовать такие элементы и в таком количестве, чтобы предотвратить образование включений в виде оксидов и сульфидов железа.

б) В к л ю ч е н и я у и м е ю щ и е о с т р ы е г р а н и . Представляют собой большую

опасность, так как служат местом концентрации напряжений и начала разрушения изделия. Такие включения обычно возникают во время кристаллизации, когда в металле перед раскислением наблюдается высокое содержание вредных примесей, а продукты раскисления имеют температуру плавления значительно выше температуры затвердевания металла.

в) В к л ю ч е н и я о к р у г л о й ф о р м ы , имеющие относительно крупные размеры, приносят меньший вред, а в некоторых случаях могут оказаться даже полезными. Например, такие включения могут служить местом прекращения разрушения изделия, начавшегося на ближайшем участке. Они образуются в том случае, если имеют температуру плавления ниже температуры затвердевания металла и смачивают или плохо смачивают твердое железо. Такими включениями являются силикаты, поэтому кислая мартеновская сталь, в которой неметаллические включения в основном представлены силикатами

округлой формы, обладает высокими механическими свойствами и малой анизотропией свойств в продольном и поперечном направлениях.

г) В к л ю ч е н и я , р а с п о л о ж е н н ы е р а в н о м е р н о по всему объему металла и

представляющие субмикроскопические частицы, приносят наименьший вред, а в ряде случаев являются очень полезными. Например, при производстве термоупрочняемой стали необходимо обеспечить получение мелкого первичного (аустенитного) зерна. Это возможно в том случае, если в жидкой стали перед кристаллизацией содержится большое число мелких и расположенных равномерно по объему неметаллических включений, служащих центрами кристаллизации (нитриды и карбонитриды). Существует группа термоупрочняемых сталей, содержание азота в которых специально повышают до 0,015-0,03 % и более. Основную долю вредных неметаллических включений составляют оксиды и сульфиды. Эти включения приносят минимальный вред, когда они выделяются равномерно по объему металла в виде мелких глобулей. Такое рациональное выделение оксидов и сульфидов достигается при раскислении щелочно-земельными металлами (ЩЗМ), прежде всего Са.

Вопросы для самоконтроля знаний

1.Содержание газов в стали перед раскислением.

2.Влияние газов на свойства стали.

3.Влияние газов на свойства чугуна.

4.Раскисление, рафинирование и дегазация металлических сплавов.

5.Стадии рафинирования (предварительное, основное и дополнительное).

6.Важнейшие раскислители.

7.Способы раскисления (осаждающее, экстракционное-диффузионное, вакуумно­ углеродное).

8.Раскисление в сталеплавильном агрегате, в сталеразливочном ковше, в изложнице.

9.Основные задачи раскисления и требования к раскислителям.

10.Термодинамика раскисления:

раскисление марганцем; раскисление кремнием; раскисление алюминием.

11. Защита расплавов от взаимодействия с атмосферой при плавке:

защитные шлаки и флюсы при плавке никелевых, медных, алюминиевых и магниевых сплавов; нейтральные газы; вакуумирование.

12.Влияние газов на свойства алюминиевых сплавов. Источники насыщения их водородом.

13.Рафинирование (окислительное, испарительно-конденсационное, кристаллизационное).

14.Рафинирование расплава от нерастворимых оксидных включений и способы их удаления.

15.Классификация способов дегазации.

16.Адсорбционные методы дегазации:

продувка расплавов инертными газами (Аг, Не и др.); продувка расплавов активными газами (хлорирование);