Неметаллические включения и процесс их удаления из стали

По своему происхождению включения разделяются на следу­ющие виды:

1. Продукты реакции раскисления и легирования. Эти вклю­чения составляют основную массу всех включений и зарождаются внутри самого металла в результате процессов, происходящих при выплавке, раскислении, разливке и кристаллизации. Их называют эндогенными.
2. Продукты разрушения огнеупорных материалов.
3. Окислы элементов и их соединения, образующиеся в ре­зультате их вторичного окисления — взаимодействии жидкой стали с атмосферой во время выпуска и разливки.

При введении в сталь элементов — раскислителей, облада­ющих сравнительно малым сродством к кислороду (марганец, кремний), в ней остается относительно много растворенного кислорода. Образующиеся в стали продукты раскисления имеют сравнительно низкую температуру плавления и находятся в расплавленной стали в жидком состоянии. При введении в сталь раскислителей, обладающих высоким сродством к кислороду (алюминий, титан), продукты раскисления имеют более высокую температуру плавления и находятся в стали в твердом состо­янии. При высоком содержании алюминия в стали кремний и марганец практически не являются раскислителями, так как со­держание кислорода в стали определяется исключительно алю­минием. Кремний и марганец становятся только легирующими примесями. Тем не менее можно снизить до ничтожных концен­траций растворенный в стали кислород и всё же получить металл с высоким содержанием кислорода, если сталь не будет освобож­дена от находящихся в ней взвешенных продуктов раскисления.

Степень очищения жидкой стали от продуктов раскисления зависит от свойств продуктов раскисления и от температуры раскисления. Долгое время считалось, что для лучшего удаления продуктов раскисления необходимо создавать условия для полу­чения их в жидком состоянии. Предполагалось, что чем выше температура плавления окисла, тем якобы менее благоприятны условия для укрупнения частиц и их удаления из жидкой стали. На основании подобных представлений была создана теория раскисления, предусматривающая введение в сталь минимального количества алюминия. Однако эта теория оказалась неправильной и была не в состоянии наметить радикальные пути улучшения качества стали, в частности, уменьшения их загрязненности не­металлическими включениями.

Анализ работ, выполненных в области раскисления стали, позволил предложить новую теорию раскисления стали. Основное положение новой теории заключается в том, что склонность неметаллических включений к укрупнению и к уда­лению их из стали определяется не столько температурой их плавления и плотностью, сколько сложными физико-химическими факторами, такими как взаимодействие включений с жидкой сталью (смачиванием). Старая теория и практика раскисления стали исходили из ошибочных представлений об условиях устойчивости дисперсных систем. Полагали, что суспензии (жидкие системы с твердыми частицами) являются весьма устойчивыми, а эмульсии (жидкие системы с жидкими дисперсными частицами) неустой­чивы и быстро коагулируют.

По данным коллоидной химии неустойчивыми являются дис­персные системы, обладающие большой свободой межфазной энергии, независимо от состояния дисперсных частичек. В свою очередь, межфазная поверхностная энергия частичек определяется степе­нью их смачивания жидкостью. Смачивание согласно современ­ным представлениям происходит вследствие физико-химического взаимодействия окислов с металлом. Чем меньшей химической прочностью обладает окисел, тем ниже температура его плавления, но тем больше его химическое взаимодействие с металлом и тем меньше величина свободной межфазной энергии на поверхности его соприкосновения с жидкой сталью. Такие химически непроч­ные включения образуются при отсутствии в стали алюминия или при очень низком содержании его (а также других энергичных раскислителей). Они хорошо смачиваются сталью и плохо отде­ляются от нее. Сталь с такими включениями образует устойчивые коллоидные системы, в которых удаление включений происходит очень медленно. Так как наряду с этим в такой стали остаётся относительно большая концентрация растворенного кислорода, то в ней всегда имеется значительное количество крупных включе­ний, образующихся при кристаллизации металла. При увеличении в стали концентрации алюминия состав неметаллических вклю­чений изменится: уменьшится содержание окислов железа и марганца и увеличится содержание глинозема.

О всплывании тугоплавких продуктов раскисления из стали свидетельствует многократно наблюдаемое различными исследо­вателями явление, при котором увеличение количества алюминия для раскисления стали не увеличивает содержание глинозема во включениях. Так, при увеличении количества алюминия, вводимого в шарикоподшипниковую сталь, с 0,5 до 2 кг/т, содержание глинозема во включениях изменяется незначительно и во всех случаях находится в пределах 70—80%. Одновременно содержа­ние неметаллических включений уменьшается с 0,008 до 0,004%. Отсюда следует, что частички глинозема хорошо удаляются из жидкой стали. В противном случае повышение количества алю­миния для раскисления стали неизбежно вызвало бы повышение содержания включений глинозема. Новая теория раскисления стали подтверждается на практике.