Кинетика осадочного раскисления

Изучение кинетики процессов раскисления представляет большие трудности, поскольку с ней тесно связаны вопросы формирования продуктов раскисления, удаления их из расплавленного металла, поведения их в твердом металле в процессе его охлаждения, пластической деформации и службы металлических изделий и т.п. Таким образом, кинетика осадочного раскисления является составной частью проблемы "неметаллических включений в стали".

Процесс раскисления и растворение раскислителей в металле проходит через следующие этапы:

1. Плавление и растворение раскислителей в металле;

2. Акт химического взаимодействия кислорода, растворенного в металле, с введенными в него раскислителями;

3. Образование продуктов раскисления - зародышей новой фазы в объеме жидкого металла;

4. Рост образовавшихся зародышей продуктов раскисления (их коалесценция, коагуляция или агломерация - укрупнение за счет спекания):,

5. Удаление за счет всплывания и переход включений из металла в другую, контактирующую с ним жидкую, а иногда и твердую фазу.

Сложность всех этих процессов и широкое разнообразие факторов, оказывающих большое, а иногда и решающее влияние на кинетику той или иной из этих стадий оправдывают огромное количество исследований, посвященных неметаллическим включениям в стали. Вопрос усложняется еще и тем, что в процессе охлаждения жидкого металла и его кристаллизации происходит ряд дополнительных явлений, определяющих образование новых включений, видоизменение ранее уже существовавших, формирование многофазных включении и т.п. Большое значение имеет еще и то, что на химический состав, физические свойства, размеры и поведение отдельных включений решающее влияние часто оказывают весьма различающиеся микролокальные условия, а именно отклонения от среднего химического состава металла, температуры, гидродинамических ситуаций и т.п.

Все эти особенности невозможно предусмотреть или учесть. Поэтому большинство из правил или закономерностей, установленных на основе положений физической химии, учений о массо- и теплопереносе в расплавленном металле и т.п. не является всеобщими и исключающими всевозможные, иногда даже многочисленные отклонения, частичные, а иногда и значительные нарушения научных прогнозов и предположений. Сложность вопроса усугубляется тем, что для суждений об образовании и поведении каждого конкретного включения необходимо знать и количественно оценить целый ряд локальных условий и определяемых ими явлений. Поскольку такой подробный анализ в рамках настоящей работы невозможен, ограничился здесь рассмотрением лишь общих вопросов кинетики процессов раскисления стали.

 

Плавление и растворение в металле

Вводимых раскислителей

Плавление присаживаемых в металл раскислителей лишь в редких случаях, например, при использовании низкопроцентных слабых раскислителей, может заметно повлиять на скорость процесса раскисления. В современных условиях обычно раскисляется сталь, нагретая до температуры, определяемой условиями разливки. Это значит, что раскислитель - в том числе и раскислящие ферросплавы, имеет температуру плавления значительно ниже, чем температура подготовленной к раскислению стали. Кроме того, раскислители, в особенности сильные, обычно вводят в металл в форме относительно мелких кусков. Все это обеспечивает плавление раскислителей в течение очень короткого промежутка времени (нескольких секунд). Более длительное время требуется для распределения элементов-раскислителей в металле и выравнивание его состава во всем объеме.

Обычно здесь имеет место только замедленное конвективное движение и массоперенос раскислителей можно оценить как чисто диффузионный. Следует отметить, что значения коэффициентов диффузии и энергии активации процесса диффузии в таких "высокотемпературных" жидкостях, как расплавленное железо, очень различаются и в общем недостаточно надежны. Некоторые из этих данных [4] представлены в таблице 10, откуда видно, что коэффициент диффузии разных компонентов в расплавах на основе железа (при температурах 1550-1700 ^oC) колеблется в пределах 10^–5- 10^–4 см²/сек. Для кислорода он несколько ниже, чем для элементов-раскислителей, очевидно вследствие образования растворенным кислородом группировок Fе - 0, которые и представляют собой элементарную единицу массопереноса, в частности диффузии. Коэффициент диффузии такой укрупненной элементарной единицы, при прочих равных условиях определяется по уравнению Стокса-Эйнштейна [24].

 

 

Таблица 10 – Коэффициент диффузии и энергия активации процесса диффузии в железе

Диффундирующий элемент	Температур-ный интервал, °С	Е акт, ккал/моль	Температура t, °С	D t×105, см2/с
Al	1550-1700	–		1,55
O	1550-1680	12,0		12,2
Mn	1550-1700	16,8		15,2
Si	1550-1650	10,2		5,1
Ca	1500-1700	49,5		4,6
La	1500-1700	45,0		5,1
Ti	1550-1700	50,6		7,55
Zr	1550-1700	–		18,8
C	1550-1700	11,02-16,0		4,6-19
S	1560-1670	8,6		4,5
P	1260-1450	11,33-31,02		1,9-11,0

 

В процессе плавления кусков вводимых раскислителей вокруг них создаются объемы с относительно высокими их концентрациями. Это обусловливает образование в таких участках включении - продуктов раскисления, неравновесных со всем остальным металлом, которой часто не успевает придти в равновесие с металлом, еще остающимся в жидком состоянии. Об этом свидетельствуют, например, включения почти чистой тугоплавкой МпО (t _пл=1690 °C), равновесные только с высокомарганцовистыми сплавами. Однако они иногда встречаются даже в сталях, содержащих 0,4-0,3 % Мп. Или почти чистые кварцевые включения, наблюдаемые иногда даже в полуспокойной стали (0,05-0,08 % Si), которые равновесны при t =1550-1600 °С только с металлом с содержанием кремния [ Si ]>0,15-0,25 %.