Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


ѕосв€щаетс€ ¬.». явойскому




ј.¬. явойский, ѕ.—. ’арлашин

 

“.ћ. „аудри

 

 

ѕосв€щаетс€ пам€ти

¬ладимира »вановича явойского

 

Ќј”„Ќџ≈ ќ—Ќќ¬џ —ќ¬–≈ћ≈ЌЌџ’ —“јЋ≈ѕЋј¬»Ћ№Ќџ’ ѕ–ќ÷≈——ќ¬

 

 


”ƒ  669. 18 (073).

 

Ќј”„Ќџ≈ ќ—Ќќ¬џ —ќ¬–≈ћ≈ЌЌџ’ —“јЋ≈ѕЋј¬»Ћ№Ќџ’ ѕ–ќ÷≈——ќ¬ / ј. ¬. явойский, ѕ.—. ’арлашин, “.ћ. „аудри ћариуполь, 2003 Ц 276 с.

 нига посв€щена изучению физико-химической природы процессов, протекающих в сталеплавильных агрегатах. ѕриведены результаты собственных лабораторных и полупромышленных исследований авторов, обобщены многочисленные данные, приводимые в периодической литературе и посв€щенные проблеме совершенствовани€ рафинировани€ стали в процессах плавки и внеагрегатной обработки, а также дан общий анализ имеющихс€ сведений на основе современных физико-химических представлений.

 нига предназначена дл€ научных и инженерно-технических работников металлургического и литейного производства. ћожет быть полезна студентам и аспирантам вузов соответствующих специальностей. »л., табл., библиогр. список назв.

 

–ецензенты:

 

ƒ-р техн. наук, проф. ј.√. „ерн€тевич

 

ƒ-р техн. наук, проф. ќ.¬. Ќосоченко


ѕосв€щаетс€ ¬.». явойскому

 

¬ладимир »ванович явойский родилс€ 10 феврал€ 1910 года в г. ”стюжны ¬ологодской области в семье учителей гимназии. ¬ 1914 году семь€ из ”стюжны переехала на ”рал. «десь после окончани€ школы ¬ладимир »ванович продолжил образование в ѕермском индустриальном техникуме. ѕосле окончани€ в 1930 году работал на р€де металлургических заводов ”рала (Ќижние —ерьги, јланаевск) и одновременно заочно училс€ в ”ральском ѕолитехническом институте (”ѕ»). ¬ 1938 году после окончани€ с отличием заочного отделени€ ”ѕ» он поступил в аспирантуру на кафедру металлургии стали. »сследовани€ физико-химических основ процессов дегазации стали и отработка технологических режимов ведени€ плавки, обеспечивающих их реализацию, составили предмет его диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата технических наук, которую он успешно защитил в 1942 году и был избран ассистентом кафедры. ¬последствии в середине 50-х годов ведущие американские металлурги отмечали, что своими работами ¬.». явойский на 10-15 лет опередил исследовани€ этой проблемы в —Ўј.

¬ св€зи с начавшейс€ ¬еликой ќтечественной войной явойский был откомандирован на Ќово-“агильский металлургический завод, который срочно переводилс€ на выпуск оборонной продукции. ¬месте с ¬ладимиром »вановичем здесь работали инженеры, мастера, прославленные сталевары. Ёто содружество сталеплавильщиков разработало новую технологию производства стали, обеспечившую не только отличное качество, но и рекордно высокую в то врем€ производительность мартеновских печей. ¬ результате уже в начале 1943 года тагильские металлурги полностью обеспечивали нужды танкостроителей в металле. ¬ысокое качество складывалось не только из самоотверженного труда металлургов сталеплавильщиков, но и передового научного потенциала ученых-металлургов, одним из €рких представителей которых был ¬.». явойский.

¬ возрасте 39 лет, в 1949 году, явойский защитил докторскую диссертацию. ¬ 1950 году он был избран заведующим кафедрой металлургии стали  иевского ѕолитехнического института, которую он возглавл€л в продолжении шести лет. ѕод его научным руководством была организована научно-исследовательска€ лаборатори€ по определению содержани€ газов и неметаллических включений в стали, проведены исследовани€ физико-химических закономерностей еЄ производства.

¬ 1956 году явойский был избран на должность заведующего кафедрой металлургии стали ћосковского института стали, которую возглавл€л более 25 лет. ¬ 1956 Ц 1958 годах он работал в »ндии экспертом ёЌ≈— ќ по металлургии, где активно участвовал в организации учебного процесса в  харакпурском и Ѕомбейском технологических институтах. ¬ это врем€ ¬.». явойским был написан на английском €зыке учебник по производству стали.

— 1960 по 1961 годы ¬.». явойский работал проректором по учебной работе, а с 1961 по 1965 годы ректором ћосковского института стали и сплавов. »менно в это врем€ при его активном участии произошло объединение ћосковского института стали и »нститута цветных металлов и золота, что существенно укрепило научно- педагогический потенциал института.

Ѕлагодар€ исключительной энергии и настойчивости ¬.». явойского в ћосковском институте стали и сплавов были организованы лаборатории физико-химических исследований свойств металлургических расплавов и исследовани€ физико-химических процессов производство стали, научным руководителем которых он €вл€лс€. ƒе€тельность руководимых им лабораторий была тесно св€зана с решением задач металлургической и машиностроительной промышленности.

ѕрофессором ¬.». явойским была создана известна€ научна€ школа в области теоретической металлургии; он имел тесные научные контакты с ведущими учеными металлургами как нашей страны, так и за рубежом. ¬ 1969 году он был избран почетным доктором  ошицкой высшей школы в „ехословакии, а в 1972-м почетным членом ќбщества „угуна и стали японии.

ѕо материалам проведенных исследований профессором ¬.». явойским опубликовано свыше 550 научных статей, 16 монографий и 2 учебника. Ќаучные работы ¬.». явойского широко известны как в нашей стране, так и за рубежом. ћонографи€ Ђ“еори€ процессов производства сталиї, где впервые были отражены основные теоретические положени€ сталеплавильного производства, отмечена √осударственной премией ———– 1969 года. Ёта книга в начале 70-х годов была издана в √ермании, —Ўј и японии.

¬ 1982 году √осударственной премией ———– также были отмечены заслуги профессора явойского ¬.». в области изучени€ структуры и свойств металлургических расплавов и проблем повышени€ качества стали.

¬ 1975 году √осударственной премии ”краинской ——– был удостоен созданный авторским коллективом во главе с явойским ¬.». межвузовский учебник Ђћеталлургии сталиї, который получил широкое признание педагогической и научной общественности.

Ѕольшое внимание профессор ¬.». явойский удел€л подготовке научных кадров высшей квалификации. ѕод его научным руководством было подготовлено и защищено свыше 150 кандидатских диссертаций. ќн подготовил большое количество аспирантов дл€ »ндии, ≈гипта,  ита€, ¬ьетнама, √ермании, Ѕолгарии, „ехословакии и других стран. ¬.». явойский €вл€лс€ научным консультантом по 20 докторским диссертаци€м. ”ченые, защитившие свои докторские диссертации, работают в р€де учебных (ј.ћ. Ѕигеев, ¬.ј.  удрин, ƒ.‘. „ернега и др.) и научно-исследовательских институтах страны (¬.». Ћакомский, Ћ.ј. —мирнов, –.¬. —таров). ¬ ћ»—»и— он подготовил докторов наук сталеплавильщиков ¬.ѕ. Ћузгина, ј.‘. ¬ишкарЄва, ј.¬. явойского, ƒ.». Ѕородина, ј.√. —в€жина.

¬.». явойский был награжден орденом ќкт€брьской –еволюции, двум€ орденами “рудового  расного «намени, медал€ми за успешную подготовку специалистов дл€ √ƒ– награжден правительством этой страны орденом Ђ«а заслуги перед ќтечествомї

Ќа прот€жении многих лет профессор ¬.». явойский занималс€ активной научно-общественной работой в ¬ј  ———–,  омитете по присуждению Ћенинских и √осударственных премий ———–, в р€де научно-технических советов, €вл€лс€ членом нескольких редакционных коллегий журналов по специальности и издательства Ђћеталлурги€ї. ¬ течение р€да лет был членом коллегии ћинистерства ¬ысшего образовани€ ———–, он был председателем институтского общества советско-чехословацкой дружбы.

Ёто был человек огромной энергии, стремительной творческой мысли, неутомимый, прогрессивный, блест€щий организатор и чрезвычайно скромный. Ќесмотр€ на большую зан€тость общественными делами он продолжал вести интенсивную научно-исследовательскую и педагогическую работу. ¬ своих учениках он, прежде всего, старалс€ воспитать √ражданина, „еловека, ”ченого. » сам всегда и везде показывал образец принципиальности, честности, человечности, добросовестности и преданности делу. –ешением —овета инженерно-физического факультета  ѕ» дл€ студентов установлена стипенди€ имени профессора ¬.». явойского.

¬ладимир »ванович скончалс€ 4 сент€бр€ 1988 года. —ветла€ пам€ть о ¬ладимире »вановиче явойском всегда сохранитс€ в сердцах его учеников и последователей.

 

ѕредисловие

—овершенствование примен€емых и создание новых сталеплавильных процессов обусловливают повышенные требовани€ к уровню теоретических знаний, необходимость улучшени€ использовани€ научного потенциала, существенного расширени€ объема проводимых научных исследований и разработок, а также резкого повышени€ эффективности их практического применени€. ¬ свете этих решений необходимо удел€ть большое внимание математическому описанию металлургических процессов, составлению их точных алгоритмов. ћатематическое моделирование должно быть основано на реально построенном эксперименте. »спользование результатов математического моделировани€ в производстве стали должно обеспечить повышение качества металла.

 нига посв€щена изучению физико-химической природы процессов, протекающих в сталеплавильных агрегатах. ѕриведены результаты собственных лабораторных и полупромышленных исследований авторов, обобщены многочисленные данные, приводимые в периодической литературе и посв€щенные проблеме совершенствовани€ рафинировани€ стали в процессах плавки и внеагрегатной обработки, а также дан общий анализ имеющихс€ сведений на основе современных физико-химических представлений. ѕриводимые данные могут быть полезны металлургам, занимающимс€ производством и повышением качества обычных, углеродистых и низколегированных марок стали, независимо от того, где они работают: в научно-исследовательских организаци€х, в проектных институтах или непосредственно на производстве.

“ермодинамика большинства процессов рафинировани€ металлической ванны при выплавке стали в конвертерах и подовых сталеплавильных агрегатах, а также при ковшовых методах обработки стали исследована уже достаточно хорошо, что позволило рассмотреть кинетику отдельных процессов рафинировани€ металла. ¬ р€де случаев не удалось установить строгие математические зависимости скоростей изменени€ концентраций того или иного компонента от всех параметров, могущих оказывать на нее вли€ние. ќднако в предлагаемой книге показаны последовательные стадии рассматриваемого процесса рафинировани€, на конкретных примерах описаны методы определени€ ведущего звена процесса и рекомендованы способы воздействи€ на это ведущее звено и, следовательно, методы ускорени€ всего рассматриваемого процесса. ƒана обща€ оценка турбулентного массопереноса в объемах перемешиваемых жидких фаз (металла и шлака), а также приведена математическа€ зависимость скорости массопереноса газов Ц например, кислорода в газовой фазе, выраженна€ в критериальной форме.

јвторы выражают благодарность —мол€ной ќ.¬. и Ћевицкой “.ј. за помощь в оформлении книги.


√Ћј¬ј 1

Ќ≈ ќ“ќ–џ≈ ѕ–ќЅЋ≈ћџ —ќ¬–≈ћ≈ЌЌџ’ ѕ–≈ƒ—“ј¬Ћ≈Ќ»… O —“–ќ≈Ќ»» » —¬ќ…—“¬ј’ –ј—ѕЋј¬ќ¬ Ќј ќ—Ќќ¬≈ ∆≈Ћ≈«ј

 

‘изическа€ природа и строение расплавленных металлов давно интересует ученых, как физиков, так металлургов. Ётой проблеме посв€щено много монографий и статей, опубликованных как в ———–, так и за рубежом. ¬ соответствии с задачей монографии отметим здесь лишь некоторые классические работы, а именно ƒанилова ¬.». [1], ‘ренкел€ я.». [2], ≈сина ќ.ј. и √ельда ѕ.¬. [3], а также часть работ, опубликованных в последние годы [4Е9]. ¬ этих, а также и р€де других работ, приведены подробные данные о физических свойствах многих расплавленных металлов, в особенности сплавов железа. —ледует отметить, что достижение высокой надежности получаемых результатов измерени€ отдельных физических свойств, в особенности дл€ тугоплавких или химически высокоактивных металлов, сопр€жено с большими трудност€ми. Ќеобходимость привлечени€ дл€ решени€ этой задачи различных, часто весьма трудоемких и дорогих методов измерени€, не всегда надежные теоретические обобщени€ и математическа€ обработка полученных результатов привод€т к часто встречающимс€ расхождени€м в данных об измерени€х тех или иных свойств расплавов, полученных отдельными авторами. ќчевидно, что наиболее надежными €вл€ютс€ результаты измерений динамической в€зкости и плотности, в том числе и расплавов железа, проведенных при температурах, превышающих температуру плавлени€ не более, чем на 150-200 ∞—. Ќаименее надежными, несомненно, €вл€ютс€ данные о коэффициентах диффузии в металлических расплавах тех или иных компонентов.

¬ насто€щее врем€ исследователи на базе имеющихс€ экспериментальных данных о физических свойствах металлических расплавов, а также о химической активности отдельных их компонентов пытаютс€ создать общую модель жидкого металла, позвол€ющую математически описывать их состо€ние и в отдельных случа€х даже рассчитывать некоторые свойства расплава. Ѕольшую помощь в познании природы расплавленных металлов оказало исследование их с помощью проникающих излучений, прежде всего с помощью рентгеновского излучени€. ’от€ дл€ исследований по такой методике требуетс€ очень сложна€ аппаратура, именно они позволили получить такие важнейшие характеристики твердых и расплавленных металлов, как координационное число, среднее межатомное рассто€ние и др.

¬ подавл€ющем большинстве современных работ признаетс€, что в расплавленном металле существует Уближний пор€докФ, т. е. не беспор€дочное существование и пространственные перемещени€ отдельных атомов металла, а относительно прочные св€зи отдельных атомов со своими сосед€ми и некоторый УколлективизмФ в передвижени€х атомов металла. “акие атомные группировки в различных теори€х строени€ жидких металлов последовательно называли УмикрокристалламиФ, УквазикристалламиФ, Усибатаксически-ми группировкамиФ, УкластерамиФ т. д. —войства этих группировок, в частности их прочность, линейные размеры, врем€ пребывани€ атомов в составе той или иной группировки перед их перемещением в другую, например, соседнюю группировку определ€ли на основании измерений различных свойств металла.

ѕрирода сил, св€зывающих атомы металла между собой в отдельные группировки, различна дл€ различных условий. ¬ расплавах чистого металла это исключительно Уметаллическа€Ф св€зь. ќна же преимущественно наблюдаетс€ и в металлических расплавах. ќднако во многих жидких сплавах железа это Уковалентна€Ф св€зь, а в отдельных случа€х (например, Fe - O или Fe - S) даже очень прочна€ Уионна€У св€зь [3]. –€д исследований был посв€щен изучению химического состава, природы и физических свойств отдельных атомных группировок и их св€зи со свойствами всего металла данного состава. ƒл€ этого привлекались данные о проницаемости металла частицами тех или иных излучений и др. ѕосле работ ј. ћ. —амарина и др., многие исследователи большое внимание удел€ют предположению о возможности перестройки структуры атомных группировок того или иного расплавленного металла подобно их аллотропическим превращени€м в твердом состо€нии. Ќекоторые металлурги, в частности, считают, что при определенных температурах расплавы железа и многие сплавы на его основе могут перестраиватьс€ из g- подобного сплава в d-подобный, как это наблюдаетс€ в твердых сплавах железа при d-g и g-a превращени€х [6]. ќднако имеютс€ и весьма серьезные возражени€ против этого предположени€. јвторы не считают дл€ себ€ возможным решительно высказатьс€ Ђзаї или Ђпротивї него, поскольку этот вопрос можно решить только после накоплени€ надежных экспериментальных данных, должного анализа и их систематизации.

¬ св€зи с этим интересен факт изменени€ температурной зависимости растворимости кислорода в чистом железе при 1850 ∞—, установленный с помощью весьма прецизионной методики Ц плавки во взвешенном состо€нии [10]:

1. ¬ интервале температур 1508-1850 ∞— растворимость кислорода определ€етс€ уравнением:

 

lg [% O ]=(6629/ T)+2,939; d lg [% O ]/d T =Ц0,0018.

 

2. ¬ интервале температур 1850-2046 ∞— Ц уравнением:

 

lg [% O ]=9830/ T +4,496; d lg [% O ]/d T =+0,0018.

 

»зменение наклона пр€мых d lg [% O ]/d T в области обоих температурных интервалов, конечно незначительно. ќднако его можно истолковать и как следствие перестройки атомных группировок расплавленного железа. Ќе вдава€сь в обсуждение этого сложного и интересного вопроса, перейдем далее к не менее интересной и важной дл€ практики проблеме загр€зненности сталей цветными металлами, котора€, к сожалению, недостаточно освещена в технической литературе.

”же в 20-е годы нашего столети€ ведущих ученых-металлургов волновало постепенное загр€знение шихты сталеплавильных агрегатов неудал€емыми в процессе плавки цветными металлами и некоторыми металлоидами (As, Sb и т.п.).  ак говорил ¬. ≈. √рум-√ржимайло в 1926 г. на Ђѕервом ”ральском съезде де€телей по мартенованиюї, уже в то врем€, Ђв любом куске стали можно обнаружить все элементы системы ƒ. ». ћенделееваї. ќн с сожалением отмечал, что отказ от древесно-угольной металлургии при производстве чугуна и переход доменных печей к работе на коксе привел к тому, что даже в уральском железе содержание серы возросло Ђот следов до сотых долей процентовї. ѕризнава€ технико-экономическую необходимость этого перехода, он резко возражал против использовани€ в доменных печах стружки и Ђзасорени€ї шихты за счет этого цветными металлами.

¬ конце 30-х годов ћ.ћ.  арнаухов в своих лекци€х говорил об измеримой взаиморастворимости расплавленных металлов, наход€щихс€ в контакте друг с другом. ќн подчеркивал, что это €вл€етс€ частным случаем Ђзакона природы об измеримой общей взаиморастворимостиї и предупреждал о неизбежности загр€зненности металла посторонними Ђслучайнымиї элементами чаще всего присутствующими в твердой шихте (в скрапе).

»так, эта проблема остро сто€ла даже в те годы, когда в основном производили Ђр€довую стальї в объеме 5-15 млн. тонн в год. —ейчас же, при годовом производстве свыше 50 млн. т., когда вс€ сталь имеет вполне определенные назначени€ и, следовательно, неизмеримо возросло Ђответственноеї и Ђкачественноеї значение служебных свойств стали и первородства шихты, этот вопрос приобрел особое значение.

≈сли в шихту сталеплавильных агрегатов попадают те или иные цветные металлы и/или переходные элементы, они об€зательно в той или иной мере переход€т в раствор в расплавленном железе. ¬ св€зи с этим отметим следующее:

1. ќтчетливо выражена периодичность растворимости в железе элементов системы ƒ. ». ћенделеева от 2-го до 6-го периодов. Ёлементы, обладающие наибольшими атомными радиусами дл€ каждого из названных периодов, имеют весьма низкую растворимость в жидком железе и практически нерастворимы в твердом железе. Ёлементы, обладающие наименьшими дл€ данного периода атомными радиусами, способны к расширению склонности к аустенизации образованию (Fe g) из сплава с железом. Ќапротив, элементы со средними (дл€ данного периода) значени€ми атомных радиусов сужают Fe g-область и расшир€ют Fe d- и Fe a-области (см. рис. 1) [11].

2. ѕрактическое вли€ние оказывают уже присутствующие в этих расплавах компоненты на растворимость в них того или иного Ђпостороннегої элемента. ѕоэтому в р€де работ [9, 12] используютс€ Ђпараметры растворимостиї (Loslichkaitparameter) в тройных сплавах

 

=(d N 2/d N 3) =(d 2/d 3) или =(d 2×d 3) (1)

 

где: N 2 и N 3 Ц атомные доли исследуемого и уже растворенного в железе элементов,

2 и 3 Ц их массовые (весовые) концентрации.

3. ¬ расплавленном железе и расплавах на его основе в той или иной мере, очевидно, растворимы все элементы периодической системы. ѕри затвердевании этих расплавов образуютс€ растворы (замещени€ или внедрени€), интерметаллические соединени€ (иногда образующие отдельную фазу) и эвтектические сплавы [13].

4. ѕо ’ильденбрандту и —котту [14] смешиваемость жидких металлов определ€етс€ величинами их атомных объемов V A и V B и Ђпараметрами их растворимостиї dј и d¬, характеризующимис€ в основном конфигурацией электронных оболочек атомов металлов ј и ¬. ѕо их данным жидкие металлы ј и ¬ смешиваютс€ и образуют гомогенный расплав, если

 

(V A+ V B) (dјЦd¬RT, (2)

 

где: R Ц газова€ посто€нна€ и

Ц абсолютна€ температура.

≈сли это соотношение нарушаетс€, например, вследствие изменени€ , то полное смешение рассматриваемых металлов невозможно и происходит их расслоение.

ѕри температурах существовани€ стали в расплавленном состо€нии наибольшее значение имеет разность параметров растворимости. Ўирока€ смешиваемость двух металлов, т.е. больша€ разновидность их концентрации в гомогенном растворе может иметь место, если разность dјЦd¬£57,1Ј10 3ƒж1/2/см3/2. ѕриведем значени€ дл€ некоторых металлов: ƒж1/23/2Ј103:

  Al Ca Ce Cr Fe La Mg Mn Mo Nb Ni Pr Si Ti
d                            

≈сли металлы неспособны к их совершенному смещению, то это не исключает растворимости одного из них в другом, хот€ бы в ничтожных концентраци€х.

5. ¬ насто€щее врем€ надежно определены такие важные термодинамические характеристики, как парциальные мол€рные теплоты растворени€ отдельных элементов, растворимости и параметры их взаимодействи€ с обычными и легирующими примес€ми стали (чаще всего при 1600 ∞—, но иногда и в функции от температуры). “акие сведени€ известны даже дл€ таких весьма малорастворимых в железе элементов как Mg, Ca, Sr, Ba, Pb, P, S, Sb, As, O, H, N и др.

 


 

“аким образом, цветные металлы и металлоиды, содержащиес€ в твердых составл€ющих шихты (пакетах листового железа, стружке и т.п.) в процессе плавлени€ легко переход€т в раствор в железе. ѕри тщательном подборе шихты содержание этих примесных элементов составл€ет сотые, иногда даже дес€титыс€чные, доли процента от общего веса шихты и, тем не менее, присутствие Упримесных элементовФ имеет большое значение дл€ эксплуатационных (служебных) свойств стали. ƒело в том, что многие из этих Упримесных элементов У не могут быть удалены из стали в процессе плавки, поскольку:

1) они имеют малое Ђсродство к кислородуї;

2) упругость их паров (при очень низкой концентрации Ђпримесных элементовї) при обычных температурах плавки стали весьма незначительна, а потому их испарение не имеет практического значени€ (исключение в некоторых случа€х составл€ет, например, вакуумно-дуговой переплав металлов);

3) удаление из металла Ђпримесных элементовї в шлаковую или газовую фазу в форме химических соединений с каким-либо специально введенным металлоидом практически невозможно по р€ду причин и, в принципе, неэффективно, т.к. полное удаление нежелательного элемента (до следов) и в этом случае недостижимо;

4) разделение по плотност€м (или расслоение) жидких металлов также приводит к образованию двух сложных по составу жидкостей, но не чистых жидких металлов. “ипичный пример представл€ют сплавы Fe - Pb.

—ледовательно, при современном уровне техники практически невозможно удалить из сплавов железа случайно попавшие в них цветные металлы и некоторые примесные металлоиды. ¬ св€зи с этим встает вопрос о том, насколько отрицательно сказываютс€ очень малые количества Упримесных элементовФ на служебных свойствах металла. ¬ технике главное внимание удел€ют механическим свойствам сталей. ≈стественно, что если бы удалось обеспечить равномерное, атомно-дисперсное распределение Упримесных металловФ, содержащихс€ в стали, то 1-10 атомов примесного элемента, наход€щихс€ в окружении тыс€чи атомов основного металла практически не вли€ли бы на механические свойства стали. ќднако многочисленные исследовани€, выполненные с помощью рентгеноструктурного анализа жидких металлов и изучени€ их различных физических свойств показали, что в жидких металлах существуют микронеоднородности, обусловленные Увнутренней адсорбциейФ в участках микро-нарушений сплошности расплава [7], различие сил межатомных св€зей и другими причинами. Ёкспериментально найдено (правда, главным образом дл€ легкоплавких металлов) сосуществование кластеров различного состава радиусами в 1,5-4,3 нм (10Ц9 м), включающими от 500 до 2000 атомов, существующих в течение периодов, гораздо больших, чем тепловые колебани€ атомов в расплаве. “акие локальные скоплени€ Ђпримесных элементовї могут уже сказатьс€ на эксплуатационных свойствах металла при некоторых видах механической нагрузки на него (например, про€вл€етс€ склонность к старению, понижение ударной в€зкости и др.).

ќднако, главна€ непри€тность, доставл€ема€ присутствием случайных Ђпримесных элементовї заключаетс€ в том, что микронеоднородность такого сложного сплава чрезвычайно возрастает при его кристаллизации. Ёто обусловлено следующими причинами:

1) уменьшение растворимости примесных элементов в расплавленном металле-растворителе вследствие понижени€ его температуры и укрупнени€ атомных группировок (кластеров), €вл€ющихс€ Ђзародышамиї расслоени€ жидкого металла;

2) избирательное вымораживание (ликваци€) металла, тесно св€занна€ с его концентрационным переохлаждением;

3) адсорбци€ поверхностно-активных компонентов расплава на межфазной поверхности кристалл-жидкий металл, образующийс€ в процессе кристаллизации;

4) увеличение сродства друг к другу растворенных в металле компонентов вследствие понижени€ температуры и образование докристаллизационных и кристаллизационных включений (оксидов, сульфидов, нитридов и др.).

”величение в объемах жидкости, прилегающих к растущим кристаллам, концентраций растворенных в металле компонентов значительно ускор€ет этот нежелательный процесс.

Ќа скорость и конечные результаты таких нежелательных процессов большое вли€ние оказывает соотношение интенсивности тепло- и массопереноса в объеме кристаллизующегос€ металла. »менно поэтому, например, так различно отрицательное вли€ние Ђпримесных элементовї на механические свойства небольших образцов, выплавленных в лабораторных услови€х, и даже образцов из непораженных макроликвацией участков производственных слитков того же химического состава.

ћожно привести очень много примеров отрицательного вли€ни€ неудал€емых Ђпримесных элементовї. ќграничимс€ здесь лишь следующими:

1. Ќа одном из машиностроительных заводов длительное врем€ не могли отлить качественные валки хромистой стали дл€ холодной прокатки, поскольку в используемом скрапе была и сталь, содержаща€ никель. ¬ результате, из-за присутстви€ никел€ в готовом металле, после соответствующей термообработки не удавалось получить требуемую твердость поверхности валков;

2. Ќа другом заводе того же региона, производ€щем трансформаторную сталь, по р€ду причин не могли обеспечить требуемые низкие ваттные потери, в частности, пока не был введен строжайший контроль и отсортировка составл€ющих шихты, внос€щих Ђпримесные элементыї.

¬ дальнейшем задачей металлургии качественных сталей будет еще большее повышение их служебных свойств.

 оренным и наиболее надежным путем решени€ этой сложнейшей проблемы €вл€етс€ борьба за чистоту шихты сталеплавильных агрегатов. ќднако дл€ этого от машиностроительных заводов и механических цехов металлургических предпри€тий требуетс€ максимальное внимание к рассортировке отходов холодной и гор€чей обработки металлов.

¬есьма усложн€етс€ также работа металлозаготовительных организаций как в части рассортировки скрапа, так и в части разработки методов очистки некоторых видов скрапа (например, листового) от цветных металлов. ¬ свою очередь сталеплавильщики должны больше внимани€ удел€ть тому, чтобы стали, особенно чувствительные к неудал€емым примесным элементам, выплавл€лись на незагр€зненных Ђсвежихї или хорошо Ђпромытыхї подинах. Ёто особенно важно в тех случа€х, когда в предшествующие плавки дл€ их легировани€ специально вводились Ђнеудал€емые элементыї Ц такие как Ni, Cu и т.п.

 онечно, применение Ђпервородной шихтыї, т.е. использование в сталеплавильных агрегатах незагр€зненных отходами производства (скрапом, стружкой и т.п.) продуктов передела природных руд имеет большие перспективы. ¬ этом отношении огромный интерес представл€ет —таро-ќскольский электрометаллургический комбинат.

ƒругой, правда, еще мало исследованный, а потому в практике почти не примен€емый, способ уменьшени€ вредного вли€ни€ случайных, иногда очень малых, примесей цветных металлов, дл€ удалени€ которых нет простых и дешевых средств, состоит в следующем: эти примесные элементы обезвреживаютс€ за счет св€зывани€ их со специально вводимыми компонентами, которые сами по себе безвредны или даже полезны дл€ служебных свойств стали. Ётот метод широко примен€етс€ при борьбе с металлоидами (S, P, N). ƒалее следует разрабатывать его варианты и дл€ ослаблени€ вредного вли€ни€ некоторых цветных металлов.

¬ качестве обнадеживающего примера можно привести введение цери€ в металл, содержащий свинец, и образование соединений Ц 1180 ∞—. ќтносительно высока€ температура плавлени€ этих соединений делает их гораздо менее склонными к ликвации и к образованию более крупных группировок, по сравнению с теми, которые по одиночке образуют церий или свинец. “очно так же присадки, например солей бари€, перевод€т фосфор в практически не способное к ликвации соединение Ц 1600 ∞—. –ешающим фактором, конечно, €вл€ютс€ и другие физические свойства образующихс€ включений, а именно, их способность к всплыванию в жидком металле и ассимил€ци€ их шлаком и Ђфизическое согласиеї с твердым металлом при температурах его пластической деформации и в услови€х обычной работы готового металлического издели€.

”читыва€ общность дл€ всей отечественной металлургии задачи уменьшени€ вредного вли€ни€ загр€знени€ стали различного назначени€ Ђпримеснымиї элементами и, в особенности цветными металлами, остановимс€ на некоторых, пока не исследованных пут€х уменьшени€ этого вредного вли€ни€ уже присутствующими в расплаве примес€ми. »з сказанного выше следует, что вредное вли€ние большинства из обычно присутствующих в металле Ђпримесных элементовї не ощущалось бы при очень низких их концентраци€х (сотые и даже тыс€чные доли процента), если бы достигалось их равномерное атомное распределение во всем металле. ћикролокальные скоплени€ Ђпримесных элементовї и в некоторых случа€х образуемые ими Ђвключени€ї (расслоение расплава) создаютс€ главным образом в процессе кристаллизации металла.

ѕоэтому дл€ уменьшени€ вредного вли€ни€ Ђпримесных элементовї необходимо создать какие-либо эффективные средства, преп€тствующие образованию упом€нутых микролокальных скоплений или группировок этих атомов. Ќаиболее надежным методом борьбы с ликвационными процессами, несомненно, €вл€етс€ увеличение интенсивности теплоотвода от металла в период охлаждени€ его вплоть до температуры солидус. “ам, где это возможно, следует пользоватьс€ быстрым охлаждением. ќднако полное подавление процессов формировани€ микронеоднородности при кристаллизации сталей можно обеспечить только при больших скорост€х охлаждени€ жидкого металла (пор€дка 104-106 град/сек), что очень редко достижимо.

”же давно по€вилась иде€ механического воздействи€ на кристаллизующийс€ металл (перемешивание, встр€хивание, вращение и т.д.). ѕри оптимальных значени€х затрачиваемой удельной энергии и, в некоторых случа€х, устранени€ побочных отрицательных €влений этот путь обеспечивает значительное повышение эксплуатационных свойств металла. Ёто, например, центробежна€ отливка труб или барабанов дл€ бумагоделательной промышленности. ќпыт уральских металлургов говорит о том, что Ђтермо-временна€ обработкаї жидкого металла и продувка его аргоном в ковше перед разливкой приводит к существенным изменени€м кристаллической структуры металла и к улучшению многих физических свойств его [7, 8]. ќпыт работы ”«“ћ показал, что продувка инертным газом слитков спокойной стали (8-18 т)во врем€ их отливки и затвердевани€ очень положительно повли€ла на их структуру и уменьшила вредное вли€ние макроликвационных €влений. “ак же известны положительные результаты освоени€ в промышленности вращени€ крупных слитков в процессе отливки и некоторого периода их кристаллизации, встр€хивание изложниц или поддонов во врем€ наполнени€ металлом и т.д. –азумеетс€, во всех этих случа€х наблюдаетс€ суммарный эффект целого р€да одновременно протекающих процессов, среди которых какую-то роль играет, возможно, и разрушение микрогруппировок, кластеров Ђпримесных элементовї, в частности, атомных группировок цветных металлов.

 онечно, механическое воздействие на металл ускор€ет массоперенос и при определенных услови€х оно даже должно способствовать микроликвационным €влени€м. ќднако, при условии знакопеременных воздействий с оптимальными удельной энергией и частотой можно добитьс€ и противоположного эффекта, т.е. разрушени€ атомных скоплений, зародышей включений и т.п. ќсновани€ рассчитывать на это дают результаты модельных и производственных опытов по диспергированию всплывающих газовых пузырей и разрушению, или, наоборот, укрупнению экзогенных неметаллических включений в зависимости от режима продувки пульсирующими потоками инертного газа [17]. ¬есьма желательно и интересно уточнение наиболее выгодных параметров такой продувки.

јвторы считают, что было бы желательно и, возможно, весьма полезно изыскание методов интенсивного механического воздействи€ на жидкий металл в процессе его плавки, ковшевой обработки, разливки и, в особенности, кристаллизации. —ледует усилить работы в направлении использовани€ ультразвуковых колебаний, индуцировани€ электромагнитных сил, вибрации металла от специально вводимого дл€ этого неразрушаемого металлом тела, продувки потоками инертного газа с переменной интенсивностью, в частности, сверхзвуковыми пульсирующими стру€ми и т.п. ¬озможно, что это позволит уменьшить вредное вли€ние Ђпримесных элементовї Ц в частности, микролокальных скоплений цветных металлов и повысить те или иные служебные свойства сталей, которые интересуют потребителей. ≈стественно, что это не означает общего решени€ рассматриваемой проблемы, но исследовани€ в этом направлении представл€ютс€ многообещающими и могут быть полезными.

¬ данном случае речь идет, конечно, не о кластерах Ђатомного масштабаї, например, Fe - Cu, а о таких многоатомных группировках, которые могут существенно вли€ть на механические свойства металла и, в отдельных случа€х, могут быть даже экспериментально ощутимы. ¬ таких группировках, которые лишь условно называютс€ Ђкластерамиї, могут быть сосредоточены сотни и даже тыс€чи атомов, сгруппированных по той или иной причине. ƒостаточно вспомнить работу [15], где за счет центрифугировани€ расплавов Fe + (1¸3%) C создавали силовое поле, во много раз превышающее гравитационное, в результате чего получали неодинаковые концентрации углерода в Ђпериферийныхї и более близких к центру вращени€ участках расплавленного металла. ќценив интенсивность силового пол€, авторы [15] рассчитали, что обогащенные углеродом группировки имеют в диаметре от 100 до 1000 нм.

¬ работе [8] на базе большого производственного опыта показано значительное повышение механических свойств некоторых легированных сталей путем их существенного перегрева и выдержки в таком перегретом состо€нии перед разливкой. ѕо видимому, этот эффект, хот€ бы отчасти, можно отнести за счет повышени€ при перегреве энергии колебательного движени€ атомов металла и частичного разрушени€ образуемых ими кластеров. ≈сли учесть тепловую работу, затрачиваемую на перегрев и выдержку металла при высокой температуре, то можно, правда весьма приближенно, определить и механическую энергию, которую необходимо было бы затратить дл€ достижени€ такого же эффекта. ѕри расчете на промышленные объемы металла получаетс€ очень значительна€ цифра. Ќеобходимо учитывать еще и то, что периодом образовани€ крупных атомных группировок, о котором идет речь, €вл€етс€ врем€ приближени€ металла к его кристаллизации. ј именно в это врем€ сопротивление металла механическим воздействи€м на него резко возрастает и затраты энергии на эффективное разрушение формирующихс€ группировок должны значительно увеличитьс€. Ћишь то обсто€тельство, что дл€ образовани€ крупных группировок требуетс€ определенное врем€, может затормозить этот процесс при больших скорост€х кристаллизации металла. ќчень желательно было бы проверить эти соображени€ опытным путем.

ƒл€ проверки самой идеи возможности механического разрушени€ некоторых крупных атомных группировок в жидком металле обратимс€ к такому примеру: при раскислении металла алюминием иногда образуютс€ так называемые Ђглиноземистые (ветвистые) кластерыї, линейные размеры которых достигают 0,01-0,05 мм. —ами глиноземистые кластеры и их ветви образуютс€ при встречах микроскопических включений глинозема и при их взаимоприлипании или спекании за счет выигрыша при этом в поверхностной энергии:

 

D G =2 f sM× cos q, (3)

 

где: f Ц поверхность взаимного контакта (взаимоприлипани€)двух включений;

sM Ц поверхностное нат€жение металла;

q Ц угол смачивани€ включений металла.

–асчеты и результаты Ђхолодногої моделировани€ [16] показали, что глиноземистые кластеры размером 5×10Ц6 м разрушаютс€, если локальные скорости перемещени€ металла вблизи них составл€ют 1300-1400 см/с (13-14 м/с), а кластеры размером 50×10Ц6 м разрушаютс€ при скорост€х около 600 см/с (6 м/с). “акие скорости, естественно, недостижимы при разливке стали, но, очевидно, возможны при специальной механической обработке.

 онечно, все высказанные соображени€ €вл€ютс€ только предварительными и экспериментально не проверены. ќчевидно, этой проблемой можно будет зан€тьс€ всерьез только после того, как металловеды в достаточном объеме исследуют вопрос о вли€нии отдельных цветных металлов на служебные свойства стали и будет определена действительна€ острота проблемы загр€знени€ шихты сталеплавильных агрегатов цветными металлами.


√Ћј¬ј 2

ќ »—Ћ»“≈Ћ№Ќќ≈ –ј‘»Ќ»–ќ¬јЌ»≈ ћ≈“јЋЋј. “≈–ћќƒ»Ќјћ» ј »  »Ќ≈“» ј ќ »—Ћ»“≈Ћ№Ќџ’ ѕ–ќ÷≈——ќ¬.

 ак известно, в современных услови€х получение стали с заданными служебными свойствами, а следовательно, определенного химического состава, обеспечивают преимущественно путем удалени€ из металлического расплава отдельных его компонентов и перевода их в виде оксидов в газообразную или жидкую шлаковую фазы. Ётот процесс называетс€ "окислительным рафинированием" в отличие от экстрагировани€ из металла в другую фазу растворимых в них обоих компонентов без каких-либо химических превращений последних.

“аким образом, окислительное рафинирование состоит из р€да стадий:

1. ѕередача металлу кислорода из окисл€ющей фазы (газообразного кислорода или какой-либо газовой смеси, из высокожелезистого шлакового расплава и т.п.).

2.  омплекс окислительных реакций.

3. ”даление из металла продуктов реакций (образующихс€ оксидов) в отдельную фазу.

»так, окислительное рафинирование представл€ет собой типичный гетерогенный процессе, в котором участвуют компоненты не менее, чем двух фаз.

 





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2016-12-05; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 666 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

¬аше врем€ ограничено, не тратьте его, жив€ чужой жизнью © —тив ƒжобс
==> читать все изречени€...

1889 - | 1840 -


© 2015-2024 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.088 с.