Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

Инженерные решения последних лет позволили добиться заметных успехов в решении важнейшей для качества стали проблемы рафинирования от неметаллических включений. Кроме того, применительно к условиям непрерывной разливки стали решение проблемы ее рафинирования от неметаллических включений практически снимает проблему затягивания разливочных стаканов. Проблема рафинирования металла от включений традиционно решалась путем рациональной организации процессов, связанных с образованием включений (раскисление, десульфурация), и процессов, обеспечивающих абсорбцию образующихся включений шлаком. Широкое внедрение методов продувки металла инертным газом позволило организовать флотацию включений.

Метод фильтрации включений получил распространение прежде всего при производстве отливок ответственного назначения из высоколегированных сталей, особенно в случаях, когда сталь обрабатывается высокоактивными реагентами. Так, например, использование фильтров из гранул-окатышей СеО2, размещенных в разливочной воронке, позволило повысить ударную вязкость при —50 °С стали 20Л, обработанной РЗМ, на 30-50% [5].

Использование керамических фильтров (зачастую совместно с продувкой аргоном) позволило решать эту проблему с использованием фильтрации, в комплексе. В то время, как при флотации легче и быстрее удаляются более крупные (или легко укрупняющиеся) включения, метод фильтрации оказывается очень эффективным для удаления мелких включений, которые с трудом отделяются в процессе флотации.

В настоящее время комплексное использование методов флотации и фильтрации включений становится повсеместной практикой. Как известно, образовавшиеся (или попавшие в Металл каким-то иным способом) неметаллические включения сталкиваются друг с другом. Число этих столкновений зависит прежде всего от интенсивности искусственного или естественного перемешивания расплава. Очень мелкие (< 1 мкм) включения двигаются, кроме того, по законам случайных блужданий (броуновское движение). При столкновении частиц неметаллических включений может происходить их полное слияние (коалесценция) или слипание в более крупный конгломерат (коагуляция).

Движущими силами процесса укрупнения включений являются силы м'ежфазного натяжения. Межфазное натяжение на границе металл— включение см_вкл значительно выше, чем на границе столкнувшихся включений ^вкл-вкл (^м-вкл> > ^вкл-вкл)* т'е' метал11 гораздо хуже "смачивает" включение, чем одно включение смачивает другое, силы сцепления (адгезии) между включениями "выше, чем силы сцепления между включением и металлом. Большое влияние на протекание процессов соприкосновения и последующего укрупнения включений оказывает вязкость расплава и интенсивность перемешивания. Приближенно можно считать, что скорость слияния включений прямо пропорциональна межфазному натяжению м-вкл и обратно пропорциональна вязкости т).

Для расчетов' скорости всплывания включений часто используют формулу, следующую из закона Стокса. Выведенный английским физиком Д.Г.Стоксом закон определяет силу сопротивления F, испытываемую твердым шаром при его медленном поступательном движении в неограниченно вязкой жидкости F = 6 TtTjrv, где т) — коэффициент вязкости жидкости; г - радиус шара и v - его скорость. Закон Стокса справедлив лишь для малых значений чисел Рейнольдса Re« 1. В соответствии с законом Стокса предельную скорость падения шарика малых размеров в вязкой жидкости находят по форму-ле VKP = 2/9 gr2ip' — р)Ы, где р и р' — плотность жидкости и вещества шарика. Эту формулу используют для многих случаев техники (в металлургии, в гидрологии и т.д.)-Поскольку неметаллические включения легче металла, то под действием гравитационных сил они должны всплывать.  

Во многих случаях всплывают не твердые включения, а жидкие (т.е. капли включений). Вследствие возникновения вихревых потоков жидкости, составляющей каплю включения, скорости всплывания жидких капель могут отличаться от скоростей подъема твердых шариков.

В случае мелких включений капиллярное давление 2 а/г придает им практически сферическую форму, при увеличении размеров включений капиллярное давление 2 tf/r вследствие увеличения г уменьшается и капли начинают деформироваться, что необходимо учитывать в расчетах. Формула Стокса выводится из условия, что подъемная сила, определяемая разностью плотностей и размерами (радиусом) включений, встречает сопротивление только вязкости жидкости. Соответственно чем меньше вязкость и чем больше размеры включений, тем выше скорость их всплывания. Однако на практике часто приходится сталкиваться со случаями, когда металл перемешивается очень интенсивно. При небольших размерах включений большое значение имеют силы адгезии. Мелкие включения, увлекаемые струями перемешивающегося металла, могут долго "витать" в расплаве, перемещаясь вверх и вниз вместе с металлом.

Чем меньше степень смачиваемости (больше величина ам-вкл)> тем меньше силы, удерживающие включение в соприкосновении с металлом, и тем легче оно от металла отделяется, всплывает. Включения, которые хорошо смачиваются Металлом, плохо от него "отлипают", отделяются.

В качестве примера включений, плохо смачиваемых жидким *елезом, можно привести включения глинозема (<гм_вкл ~ * . 1Дж/м2);   в   качестве   примера   включений,   хорошо   смачиваемых жидким железом (и поэтому плохо отделяемых от не» го), можно привести включения силикатов железа (см_вкля я 0,4 Дж/м2). Иногда включения, плохо смачиваемые металлом, называют "феррофобными", а хорошо смачиваемые — "феррофильными".

Газовые   пузыри,   проходящие   через   ванну,   при   продувке металла   инертным  газом   способствуют   флотации   включений. . Поверхностное натяжение о^д-г меньше адгезии включения к металлу    <гм.В]сл,    т.е.    <гвкл.г <    в„.вкл.    В    результате    включение будет "прилипать" к пузырю газа и уноситься с ним ь шлак.  Применительно к условиям непрерывной разливки приходится   учитывать,   что   эффективность   флотации   включений путем  газовой  "промывки"  через   дно  промежуточного   ковша бывает невысока ввиду слияния пузырей в непрерывную струю и   соответственного   уменьшения   поверхности   контакта   газ-металл.  Кроме  того,  чрезвычайно интенсивное  перемешивание может вызвать разобщение, разрушение образовавшихся ранее скоплений,  конгломератов включений  и тем  самым ухудшить процесс   их  удаления.   Кроме   того,   при   чрезмерно   интенсивном    перемешивании   ванны   в   металл   могут    "затягиваться" частички  шлака,   при  этом  содержание  включений  не  уменьшается,   а   увеличивается.   Кроме   того,   может   иметь   место ускорение    процесса   эрозии   огнеупоров,   соответственно   возрастает   содержание   в  металле   также   и  экзогенных  включений.   На   практике   для  каждого   конкретного   случая   существует  оптимальная  интенсивность  перемешивания,  при которой обеспечивается всплывание  включений.  По данным [4]  применение вращающейся фурмы для подачи инертного газа в м«-талл в промежуточном ковше создает более равномерное распределение  по  объему ванны очень мелких пузырей,  которые эффективно   удаляют   включения   (  8.2).   Путем   сравнения результатов,  полученных  при  обычной  продувке  снизу  и  при использовании вращающейся фурмы, при обработке низкоуглеродистой   раскисленной   стали   было   установлено,   что   количество включений размером < 50 мкм при использовании вра" щающейся фурмы было  значительно снижено. Это проявилось также в существенном снижении количества внутренних и поверхностных   дефектов.   Важно   организовать   технологию   так> чтобы  всплывающее включение в  момент соприкосновения со шлаком успело им ассимилироваться прежде, чем нисходяшие потоки  металла  увлекут   его  опять  вниз.   Скорость   "захватывания" шлаком включения зависит от многих факторов, в том числе от межфазного натяжения на границе шлак — включение сгш_в1сл. Чем меньше эта величина, т.е. чем лучше смачиваемость включения шлаком, тем легче идет процесс ассимиляции включений шлаком. Таким образом, чем больше см-вкл, тем легче включение отделяется от металла, и чем меньше величина о"ш_вкл, тем легче включение ассимилируется шлаком. Скорость удаления включений из металла в шлак зависит также от площади поверхности контакта (отношения поверхности шлак — металл к массе металла), степени перемешивания ванны, физических свойств шлака и др. В случае фильтрации металла от неметаллических включений жидкий металл контактирует с твердыми поверхностями керамических перегородок, фильтров и т.п.

Таким образом, флотация и фильтрация включений при обработке металла в промежуточном ковше определяются рядом одновременно действующих факторов: 1) размерами включений, их составом (и температурой плавления) и плотностью; 2) способностью включений к укрупнению; 3) межфазным натяжением на границах металл — включение и шлак — включение; 4) интенсивностью перемешивания ванны и характером движения металла; 5) физическими характеристиками металла и шлака (состав, температура, вязкость); 6) физическими характеристиками и составом контактирующей с перемешиваемым металлом твердой поверхности футеровки ковша, перегородок, фильтровальных отверстий и т.д. Руководствуясь общими соображениями, в каждом конкретном случае на практй"ice определяют рациональные способы снижения содержания включений, а также перевода включений в такое состояние, при котором их вредное влияние на свойства металла было бы минимальным.