Влияние бария на контактное взаимодействие стали Х18Н10Т с оксидными материалами

Применение коррозионностойких сталей в качестве связки в производстве металлокерамических композиционных материалов с участием жидкой металлической фазы, удаление неметаллических включений различного происхождения из расплава стали, ликвидация поверхностных дефектов слитка, образующихся из оксидно-нитридных пленок при разливке коррозионностойкой стали, связаны с межфазным взаимодействием металлического расплава и контактирующих с ним твердых оксидов.

Исследованию поверхностных свойств металлических и оксидных расплавов и их межфазному взаимодействию посвящено большое количество работ, результаты которых в настоящее время систематизированы в обзорных публикациях и справочных изданиях [1-10]. Не приводя в статье детальный анализ, со ссылкой на многочисленные оригинальные работы, влияния основных и примесных компонентов коррозионностойкой стали на ее поверхностные свойства отметим, что никель и титан в пределах концентраций, соответствующих марке Х18Н10Т, не изменяют поверхностные свойства стали. Из легирующих элементов наиболее сильно проявляется влияние хрома [5, 11]. Раскислители кремний и марганец при концентрациях до 1 % слабо изменяют поверхностное натяжение, которое меняется в пределах 1710... 1650 мН/м. Влияние серы и кислорода проявляется наиболее сильно, но эти вредные примеси подлежат удалению. Для раскисления стали также применяются сплавы, содержащие кальций, для которого температура кипения соответствует 1484... 1495 °C. При температуре жидкой стали кальций интенсивно испаряется, и при растворимости в железе порядка 10~2 мас.% [12] влияние кальция на поверхностные свойства железа не установлено. Интерес к влиянию бария на поверхностные свойства стали Х18Н10Т объясняется тем обстоятельством, что в практике сталеплавильного производства начали применять ферросилиций и силикокальций, содержащие барий. Температура плавления бария низкая - 710.. .729 °C, данные о температуре кипения имеют значительный разброс 1624... 1680 °C, но они показывают, что барий не достигает температуры кипения при разливке стали. Барий в железе не растворяется [13] и, введенный в сталь при разливке, концентрируется на межфазных поверхностях. При малой величине поверхностного натяжения 330 мН/м и температурном коэффициенте da /dt = -0,095, концентрируясь в поверхностном слое, барий должен изменять поверхностное натяжение стали и одновременно создавать высокий восстановительный потенциал поверхности. Работа адгезии стали к стенкам изложницы, определяемая двумя параметрами - поверхностным натяжением стали и контактным взаимодействием со стенками изложницы, вычисляется по уравнению Юнга:

w_a =cr(l + cos0), (1) где w_a - работа адгезии; ст-поверхностное натяжение; 0- краевой угол смачивания.

Форма поверхности стали в изложнице определяется значениями а и cos У. Вогнутый мениск поверхности поднимающегося при разливке металла препятствует привариванию к стенкам изложницы образующихся оксидных пленок и возникновению заворотов. Опыты по снижению поверхностных дефектов слитка за счет образования вогнутого мениска известны, но положительный эффект в них достигается путем вращения цилиндрической изложницы при заливке металла. В связи с этим представляет интерес действие на жидкую сталь новых типов раскислителей, содержащих барий, не только по прямому своему назначению, но и влиянию их на межфазное взаимодействие стали с оксидными материалами.

Поверхностное натяжение расплавов стали исследовали методом большой капли, формируемой в корундовых чашечках со сферическим углублением, а краевой угол смачивания определяли методом неподвижной капли, формирующейся на плоской подложке из оксидных материалов. Поверхностное натяжение расплава вычисляли по величине капиллярной постоянной и плотности расплава:

сг^й²/^, (2) где a - капиллярная постоянная; р - плотность расплава.

Методика эксперимента, обработка результатов и аппаратурное оформление были аналогичными изложенным в работе [3]. Для исследования зависимости поверхностного натяжения стали от величины присадки бария готовили образцы цилиндрической формы из одной партии металла следующего состава: 0,08 % С, 17,86 % Сг, 9,94 % Ni, 0,92 % Ti, 0,76 % Мп, 0,54 % Si, 0,016 % S, 0,0035 % О. В образцах одинаковой массы делали углубления (03 мм, h = 1 мм), в которые помещали навеску ферросиликобария (65 % Si, 23 % Ва) в виде кусочков. Принятая техника эксперимента исключает стекание расплава ферросиликобария, образующегося раньше расплава стали, с твердой поверхности образца. Расплавление образцов про водили в атмосфере гелия при избыточном давлении 0,2...0,3-105 Па, предварительно дважды отаа-куумировав и промыв установку гелием. Результаты измерений поверхностного натяжения стали при 1600 °C приведены к влиянию чистого бария на рис. 1 и в табл. 1.

Сравнение добавок бария и кремния на поверхностное натяжение стали можно провести, сопоставляя величины da /de, рис. 2. Влияние кремния на поверхностное натяжение стали построено по данным работ [14, 16], а бария - по результатам наших исследований. Очевидно, что при раскислении силикобарием изменение поверхностного натяжения стали определяется практически полностью количеством введенного бария. Не обнаружено изменения эффекта влияния бария на поверхностные свойства стали при введении силикокальция, содержащего барий, вместо силикобария.

Для определения влияния добавок бария на смачивание А12О3 и SiO2 расплавом стали применяли подложки из поликора и кварца. Результаты исследований представлены в табл. 2, 3 и на рис. 3.

Значение поверхностного натяжения стали Х18Н10Т исследуемого состава, полученное экспериментально, (среднее из трех измерений a = 1400 мДж/м2) сравнивали с расчетным. Для расчета поверхностного натяжения воспользовались формулой [2]:

к o- = <7Fe-20001g£^x,,               (3)

/=1

где Fj - параметр, характеризующий капиллярную активность легирующей добавки; Ор_е = 1800 мДж/м²; х, - молярная доля компонента в расплаве.

Значения параметра капиллярной активности компонентов стали для 1600 °C приведены ниже [2]:

Элемент	Ее	С	Si	Мп	Ni	Сг	Ti
F,	1	2	2,2	5,0	1,4	2,5	0,12
Элемент	V	Мо	Р		S	О	N
F,	0,6	0,45	1,5		500	1000	150

Поверхностное натяжение стали Х18Н10Т (оьт = 1396 мДж/м2), вычисленное по формуле (3) практически совпадает с экспериментальным. По формуле (3) и экспериментальным результатам, табл. 1, определено значение АВа = 1000, которое равно параметру капиллярной активности кислорода. Оценку значения параметра капиллярной активности для бария можно провести следующим образом [2-4]:

Ва, г/100 г стали

0    0,04 0,08 0,12

D, г/100 г стали

Рис. 1. Зависимость поверхностного натяжения стали Х18Н10Т для добавок бария при 1600 °C

Рис. 2. Влияние добавок бария и кремния на поверхностное натяжение стали Х18Н10Т при 1600“С

Таблица 1

Зависимость поверхностного натяжения стали Х18Н10Т от добавок бария (г/100 г стали) при 1600 °C

Добавка бария, г/100 г стали	0	0,020	0,039	0,053	0,078	0,100	0,130	0,155	0,192
<т, мН/м	1400	1345	1282	1276	1245	1192	1160	1128	1094

Таблица 2

Изменение краевого угла смачивания для пары «поликор - сталь Х18Н10Т» от добавок бария (г/100 г стали) при 1600 °C

Добавка бария, г/100 г стали	0	0,020	0,039	0,053	0,078
cos 0	-0,3746	-0,2419	-0,1908	-0,1737	-0,1045
Добавка бария, г/100 г стали	0,100	0,130	0,155	0,193	0,239
cos 9	-0,07	-0,035	0,035	0,175	0,0872

Таблица 3

Изменение краевого угла смачивания для пары «ЗЮг - сталь Х18Н1 ОТ» от добавок бария (г/100 г стали) при 1600 °C

Добавка бария, г/100 г стали 0 0,019 0,035 0,072 0,094 0,122 COS0 -0,242 -0,070 0,225 0,375 0,342 0,391 Добавка бария, г/100 г стали 0,175 0,210 0,280. 0,306 0,342 0,395 cos 6 0,485 0,454 0,515 0,530 0,560 0,588 с       кстТе-ад<й¥е

F _{= еХ}р 2'--- '           RT

где <тре и о; - поверхностное натяжение железа и добавляемого компонента, с^_е - поверхностная мольная площадь железа, R - универсальная газовая постоянная.

cos 0

□ - 8Ю2-сталь Х18Н10Т

Рис. 3. Зависимость краевого угла смачивания для различных контактных пар от добавок бария при 1600 °C

С принятыми значениями

и составляет 20,0 % при введении бария в расплав из расчета 0,1 г/100 г стали. Для сравнения определена поверхностная концентрация других раскислителей Xgj =1,2 % и х^п = 2,2 %.

Экспериментальное сравнение эффекта смачивания различных оксидных материалов сталью Х18Н10Т с постоянной добавкой бария 0,1 г/100 г стали показало, что шлаки металлургических производств и алюмосиликатные керамические материалы, основные компоненты которых представ ляют А12О3 и SiO2, занимают промежуточное положение между чистыми А12О3 и SiO2.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

• 1.    Барий обладает сильными поверхностноактивными свойствами наряду с раскислительной способностью и при его добавке в жидкую сталь во время разливки способен защитить поверхность разливаемой стали от взаимодействия с воздухом, а также усилить капиллярную пропитку алюмосиликатов коррозионностойкой сталью.

• 2.    Определен параметр капиллярной активности бария, F_Ba⁼ 1000.

• 3.    Определена минимальная добавка бария в сталь, обеспечивающая условие смачивания (cos У < л/2), для А1₂О₃и 8Ю₂ - 0,12 и 0,03 г/100 г стали, соответственно.