Исследование раскислительной способности отдельных элементов показало термодинамическую возможность образования различных продуктов раскисления, в том числе и сложных, состоящих из двух и более окислов.
Эти продукты раскисления выделяются в виде окисной фазы, образующей отдельные неметаллические включения. Возникновение новой фазы в гомогенной среде связано с образованием новой поверхности раздела и требует преодоления энергии межфазиого натяжения. Поэтому образование зародышей критического радиуса, т. е. таких зародышей, которые могут затем расти, часто очень затруднено и невозможно даже в условиях, когда концентрации компонентов превышают равновесные.
При большом межфазном натяжении зародыши новой фазы могут образовываться лишь при больших концентрационных пересыщениях по сравнению с условиями равновесия. Это может вызывать образование таких продуктов раскисления, которые в условиях равновесия не самые устойчивые.
Как отмечалось, межфазное натяжение шлака на границе с металлом увеличивается с повышением содержания Al2O3 и понижением содержания FeO. Это же относится к продуктам раскисления, образующим по существу шлаковые включения, которые, однако, могут образовываться и в твердом состоянии, когда межфазное натяжение очень возрастает.
Из-за необходимости обеспечивать меньшие пересыщения вероятность образования жидких продуктов раскисления больше, чем твердых. Они могут образовываться даже тогда, когда в условиях равновесия, более устойчивы продукты раскисления, находящиеся при данных температурных условиях в твердом состоянии. Твердые продукты раскисления образуются при значительных пересыщениях и нехватке кислорода для образования включений с содержанием FeO, достаточным для получения низкой температуры плавления.
Условия образования продуктов раскисления подробно изучали Д. Я. Поволоцкий и В. Е. Рощин. Опытные плавки проводили в печи сопротивления с графитовым нагревателем в атмосфере аргона. При температуре 1600° С в алундовом тигле расплавляли малоуглеродистую сталь (армко-железо) и в него вводили алундовые пробирки диаметром 4—6 мм, в которые помещали восстановленное водородом железо (4—5 г), содержащее 0,03—0,04% кислорода. Над железом в пробирках подвешивали на тонкой медной проволочке раскислитель.
После выравнивания температуры раскислитель опускали на поверхность железа; вследствие небольшого зазора между стенками пробирки и прутком раскислителя возникали капиллярные силы, удерживавшие его от погружения. Далее, по истечении определенной выдержки в контакте железа и раскислителя печь отключали и продували холодным аргоном для ускорения затвердевания. Пробирки при этом извлекали из металла.
2
В результате встречной диффузии кислорода, а также вследствие высокой исходной концентрации и значительно более интенсивной диффузии раскислителя получили набор включений, образовавшихся при различных концентрациях элемента и кислорода.
В железе, раскисленном, например, алюминием, у поверхности контакта с раскислителем образовалась полоса включений, состоявшая из нескольких слоев. Верхние слои, расположенные ближе к раскислителю, представляли собой кристаллы корунда (а-Al2O3) в виде зерен, дендритов и идиоморфных (характерных для данного минерала) включений (см. рисунок). В нижнем слое раскисленного металла располагались лишь глобулярные включения FeO-А12O3 (см. рисунок), которые, судя по форме, были в расплаве в жидком состоянии.
Кликните на рисунок, чтобы увеличить.
 |
Рисунок 1. Продукты раскисления, образующиеся при удалении кислорода алюминием:
а - первичные зерна корунда, Х 600; б — дендриты корунда, X 300; в — глобули переменного состава, X 600: г — идиоморфные кристаллы корунда, Х600
|
Глобулярные включения встречались и в верхних слоях, куда они всплывали. Но, как показало определение микрорентгеновским анализатором (микрозондом), при попадании этих включений в металл с более высоким содержанием алюминия, FeO в них частично или полностью восстанавливалось. В последнем случае получался глобулярный корунд.
Аналогичные результаты были получены и при раскислении другими элементами (Zr, Ti, Si): у поверхности контакта железа с раскислителем образовывались твердые окислы элемента, а в слоях металла с низким содержанием раскислителя — жидкие продукты раскисления с FeO.
Таким образом опыты показали, что в условиях значительного пересыщения металла при избытке раскислителя образуются скопления мелких твердых включений окисла элемента удаляющего кислород . При направленном питании и содержании раскислителя, достаточном для выделения продуктов раскисления в твердом виде, формируются дендритные включения. При недостатке раскислителя, т. е. повышенном содержании кислорода, образуются жидкие продукты.
В случае совместного раскисления алюминием, ферросилицием и ферромарганцем образуются еще и комплексные продукты раскисления, характеризуемые низкой температурой плавления. Поэтому при таком совместном раскислении значительная часть включений выделяется в жидком состоянии.
В реальных условиях раскисления стали в месте ввода элемента металл им значительно пересыщен, а в конце зоны проникновения раскислителя в данный момент времени наблюдается избыток кислорода и дефицит раскислителя. Таким образом, вследствие более или менее быстрого распределения раскислителя в объеме металла возникают условия для образования различной формы твердых окисных включений и жидких продуктов раскисления.
Смотрите видео на металлургическую тематику в нашем новом разделе - "ВИДЕО"
