Роль ковшевой обработки стали в формировании свойств и структуры металлического расплава

Результаты исследования свойств стали 18Х2Н4МА приведены на рис. 1 и 2 [1, 2]. Видно, что обработка стали в ковше аргоном приводит к заметному возрастанию плотности, поверхностного натяжения (оба свойства определены методом большой капли), кинематической вязкости (метод крутильных колебаний) и магнитной восприимчивости (метод Фарадея). Изменение физических свойств расплавленной стали зависит от длительности продувки (см. рис. 2); наибольшее изменение физических свойств приходится на первые 3–7 мин продувки. Дальнейшая продувка слабо изменяет свойства.

Рис. 1. Зависимость физических свойств стали 18Х2Н4МА от температуры: 1 – до обработки;

2 – после обработки

Рис. 2. Зависимость физических свойств и загрязненности стали 18Х2Н4МА от времени продувки

Ана л из про б ме т а л л а показа л , ч то п ри п ро дувке с та л и ар г о н о м е е х имический состав пра к тическ и н е изме н яе т ся. Содержание кис л о р од а в не о бр аб отан н о м ме т а л л е к о л ебалос ь в пределах 0,0049–0,0078 %, азота – 0,0072– 0,019 3 %. После про дув ки сод е р жа ние ки с лор о да п о ни з ил о сь д о 0,0034–0,0067 %, а азота – до 0 , 0 0 4 9–0,0175 %, т. е . сред н яя с тепень у д а ле н и я кислор о да состав ила 15 %, а азота – 20 % . О т ме ч е но также не ко тор о е снижен ие загряз н ен н о с т и ст а л и окси д н ы м и в ключениями.

Точно так же обработка стали 08Х18Н10 на агрегате ковш-печь приводит к заметному повышению плотности и поверхностного натяжения. Аналогичные по характеру температурные зависимости плотности и поверхностного натяжения зафиксированы и для синтезированной стали 08Х18Н10, выплавленной в лабораторной вакуумной печи из исходных чистых железа, никеля и хрома (рис. 3). Видно, что физические свойства промышленной стали после ее обработки на агре- гате ковш-печь практически полностью совпадают с таковыми синтезированной стали.

Анализ полученных результатов проведен в рамках квазихимической модели металлических расплавов, развиваемой в работах Б.А. Баума, Г.В. Тягунова, В.С. Цепелева и др. [3–5]. Согласно квазихимической модели, металлический расплав состоит из пространственных областей (кластеров), расположение атомов внутри которых характеризуется определенной упорядоченностью (ближним порядком). В результате плавления в системе образуются кластеры – динамические пространственные группировки. В сложных по составу расплавах стали помимо кластеров на основе железа существуют и качественно иные микрообласти примесных кластеров, ближний порядок в которых формируется межчастичным взаимодействием между разноименными атомами. При нагреве расплава размеры и время жизни кластеров уменьшаются. Устойчивые во времени кластеры возникают только благодаря примесям с сильным меж-

Рис. 3. Сопоставление температурных зависимостей плотности и поверхностного натяжения стали 08Х18Н10: 1 – промышленная сталь до обработки; 2 – то же, после обработки; 3 – синтезированная сталь

Физическая химия и физика металлургических систем

частичным взаимодействием. Расплав представляется микронеоднородным и микронеравновесным. Равновесному состоянию расплава соответствует наиболее равномерное из всех возможных в данной системе способов распределения частиц.

Интенсивное перемешивание расплава в процессах ковшевой металлургии с образованием развитой все время обновляющейся поверхности раздела «металл – газ» снимает диффузионные затруднения, способствует частичному разрушению существующих в расплаве неравновесных долгоживущих кластеров сильно взаимодействующих частиц и приближению расплава к микроравно-весному состоянию. Часть прочных внутренних связей в кластерах высвобождается и принимает участие во взаимодействии с окружающими кластер структурными единицами расплава. Это приводит к возрастанию средней энергии межчастичного взаимодействия и проявляется в увеличении поверхностного натяжения расплава и энергии активации вязкого течения, и как следствие этого, в росте кинематической вязкости расплава. Повышение средней энергии межчастичного взаимодействия и увеличение степени однородности расплава сопровождается ростом плотности и магнитной восприимчивости (см. рис. 1–3).

Технология выплавки стали, особенно легированной, предусматривает использование в качестве шихты исходных материалов разного состава и разного происхождения. Они и являются источником примесных атомов с сильным межчастичным взаимодействием, приводящим к возникновению долгоживущих кластеров. Синтезированнаая сталь типа 08Х18Н10 была выплавлена в вакуумной лабораторной печи из исходных чистых материалов (железа, хрома и никеля) с низким содержанием примесей. В такой стали мала вероятность возникновения кластеров сильновзаимодействую-щих примесных атомов. Подчиняясь общим температурным закономерностям изменения плотности и поверхностного натяжения (см. рис. 3), их значения превышают таковые промышленной стали до обработки на агрегате ковш-печь и совпадают со значениями плотности и поверхностного натяжения после обработки стали. Можно допустить, что выявленные значения физических свойств синтезированной стали являются предельными для данного состава расплава. Процессы ковшевой металлургии, основанные на подогреве металла и его продувке аргоном с возникновением развитой, все время обновляющейся межфазной поверхности «металл – газ», приводящие к разрушению долгоживущих кластеров сильно взаимодействующих частиц, приводят расплав к состоянию микроравновесия и микрооднородности и позволяют достичь предельных значений физических свойств расплава. Это также является одной из причин повышения качества готовой металлопродукции.

Выявленные закономерности позволяют дополнить наши представления о роли кипения металла в сталеплавильных агрегатах. Благоприятное влияние кипения металла обычно связывают с выравниванием состава и температуры металла по объему ванны, удалением газов и неметаллических включений. Однако кипение металла, вызванное образованием и удалением пузырей СО, должно приводить к такому же эффекту, а может быть даже более сильному в силу восстановительных свойств оксида СО, как и выявленное при продувке металла аргоном, т. е. переводу металлического расплава в микрооднородное и микроравновесное состояние. Во многих исследованиях зафиксирована положительная роль интенсивного кипения металла в получении металлопродукции высокого качества. Так, в нашем исследовании при выплавке легированной стали в 25-т дуговых печах завода «Красный Октябрь» отмечено длительное и равномерное кипение ванны при использовании в завалке специально изготовленных оксидо-угольных брикетов. Углерод брикетов восстанавливает оксиды железа (окалину) с образованием большого количества СО, приводящего к интенсивному кипению ванны. Прокат стали большого диаметра (до 250 мм), выплавленной по такой технологии, отличался высокой плотностью макроструктуры и повышенными сдаточными механическими свойствами. Продувка металла кислородом, связанная также с перемешиванием металла, вряд ли окажет такой же эффект, как и продувка аргоном, поскольку помимо окисления углерода идет растворение кислорода и образование в металлическом расплаве долгоживущих железо-кислородных кластеров. Последующая обработка такой стали, находящейся в микронеоднородном и микронерав-новесном состоянии, на агрегатах ковш-печь требует особого внимания и тщательных исследований строения и свойств металлического расплава.

Заключение

Обработка жидкой стали в ковше, связанная с продувкой аргоном, приводит к заметным изменениям свойств металлического расплава. Пузыри аргона, пронизывая толщу металла, приводят к разрушению долгоживущих кластеров сильно-взаимодействующих частиц и способствуют достижению микроравновесного и микрооднородного состояния металлического расплава и повышению качества стали.