Pages Navigation Menu

ISSN 2227-6017 (ONLINE), ISSN 2303-9868 (PRINT), DOI: 10.18454/IRJ.2227-6017
ЭЛ № ФС 77 - 80772, 16+

Страницы: 106-108 Выпуск: № 05(5) Часть 1 () Искать в Google Scholar
Цитировать

Цитировать

Электронная ссылка | Печатная ссылка

Скопируйте отформатированную библиографическую ссылку через буфер обмена или перейдите по одной из ссылок для импорта в Менеджер библиографий.
Милохина Т. А. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ СУЛЬФИДОВ И ОКСИДОВ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СЛИТКА / Т. А. Милохина, В. И. Дождиков // Международный научно-исследовательский журнал. — 2012. — № 05(5) Часть 1. — С. 106—108. — URL: https://research-journal.org/technical/issledovanie-obrazovaniya-sulfidov-i-oksidov-v-nizkouglerodistoj-stali-pri-kristallizacii-slitka/ (дата обращения: 22.06.2021. ).
Милохина Т. А. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ СУЛЬФИДОВ И ОКСИДОВ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СЛИТКА / Т. А. Милохина, В. И. Дождиков // Международный научно-исследовательский журнал. — 2012. — № 05(5) Часть 1. — С. 106—108.

Импортировать


ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ СУЛЬФИДОВ И ОКСИДОВ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СЛИТКА

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ СУЛЬФИДОВ И ОКСИДОВ В НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СЛИТКА

Научная статья

Милохина Т. А.¹, Дождиков В. И.²

1, 2 Липецкий государственный технический университет, Липецк, Россия

Аннотация

В статье рассмотрен процесс образования оксидной и сульфидной фазы при кристаллизации непрерывнолитого слитка. Предложена методика количественной оценки неметаллических включений, образующихся в  низкоуглеродистой стали.

Ключевые слова: неметаллические включения, сульфиды, оксиды

Keywords: nonmetallic inclusions, sulfides, oxides

Образование неметаллических включений происходит в течение всего технологического процесса выплавки, разливки и охлаждения непрерывного слитка.

Наиболее интенсивно образование неметаллических включений происходит в период охлаждения стали до температуры солидус, при этом происходит формирование докристаллизационных и кристаллизационных включений, которые составляют 70-80 % от всех неметаллических включений в слитке. Таким образом, именно первичные, вторичные и третичные включения оказывают наиболее значительное влияние на механические свойства слитка.

Используемая в работе методика исследования процесса образования неметаллических включений учитывает взаимосвязи между следующими факторами этого процесса:

  1. Технология разливки, скорость охлаждения, характеристики температурного поля, доля твердой фазы в определенный период кристаллизации.
  2. Особенности постановки диффузионной задачи и термодинамическая возможность формирования того или иного вида неметаллических включений.
  3. Тип образующихся включений, момент образования и их место в структуре непрерывнолитого слитка.

Реализация этой методики может быть проиллюстрирована на примере исследования процесса образования неметаллических включений при затвердевании непрерывного слитка из низкоуглеродистой стали следующего химического состава: 0,1 % С; 1,4 % Mn; 0,8 % Si; 0,0035 % Al; 0,01 % S; 0,05 % О.

В связи с тем, что каждый элемент сплава влияет на значения температур ликвидус и солидус, для низкоуглеродистой стали значения температур определяли по формулам [4]:

TL = 1536 -83(%C) – 31,5(%S) – 32(%P) – 5(%Mn+%Cu) – 7,8(%Si) –

-3,6(%Al)  – 1,5(%Cr) – 2(%Mo) – 4(%Ni) – 18(%Ti) – 2(%V),       (1)

TS = 1536 – 344(%C) – 183,5(%S) – 124,5(%P) – 6,8(%Mn) –

– 12,3(%Si) – 4,1(%Al) – 1,4(%Cr) – 4,3(%Ni),                    (2)

Температура ликвидус исследуемой стали составила TL = 1 514 оС, а температура солидус – TS = 1 480 оС.

При построении математической модели образования неметаллических включений большую роль играют термодинамические процессы, происходящие при кристаллизации. Термодинамика сплава используется при решении концентрационной задачи и в значительной мере определяет возможность протекания диффузии и зародышеобразования при кристаллизации.

Для определения фактических концентраций элементов при охлаждении расчет проводили, используя модель микросегрегации, учитывающую полную диффузию элементов в жидкой фазе и неполную обратную диффузию – в твердой [3]:

                                     (3)

где C0 – начальная концентрация элемента в жидкой фазе, N – коэффициент равновесия элемента (определяется как отношение концентрации элемента в твердой фазе к концентрации элемента в жидкой фазе, является величиной постоянной для каждого элемента [4]);  – доля твердой фазы; Ω – параметр затвердевания, значение которого находили по формуле [4]:

                              (4)

где α – параметр обратной диффузии, (м·с)-1 :

                                                       (5)

где Ds – коэффициент диффузии примеси в твердой фазе, м2/с, определяемый по экспериментальным данным для каждого элемента [2, 6], tf – время затвердевания, сек, λs – расстояние между вторичными осями дендритов, м.

Направление прохождения химической реакции определяется изменением энергии Гиббса. На практике за стандартное состояние принимают гипотетический идеально разбавленный 1 %-ый раствор элемента в сплаве [6]. В этом случае, изменение энергии Гиббса для компонентов реакции:

                                   (6)

где Т – температура, К; R – газовая постоянная, Дж/Моль·К; K – константа равновесия; a – активность.

В то же время, согласно [5], a=|%i|×fi, где |%i| – процентное содержание компонента реакции в сплаве,  – коэффициент активности по Генри. При малых концентрациях примеси расплав рассматривали как разбавленный раствор на основе железа, поэтому активность железа принимали равной единице [6].

Учитывая взаимодействие элементов расплава друг с другом и массовые равновесные концентрации элементов, выраженные в массовых процентах через плотность расплава, получим термодинамическое уравнение, описывающее термодинамическое условие равновесия между неметаллическим включением и расплавом:

                            (8)

На основании уравнения (8) можно определить термодинамическую температуру начала образования включений простого состава вида MenRm. Результаты расчета температуры начала формирования включений представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Температура образования неметаллических включений простого состава.

Вид включения

MnO

SiO2

Al2O3

MnS

Температура, оС

1482,34

1566,05

1727,31

1486,3

Зная температуру начала образования включений каждого вида при данных термодинамических условиях, определяли возможность образования включений сравнением произведений равновесных и фактических  концентраций. Если термодинамическая возможность для образования включений существует (т.е. произведение фактических концентраций элементов больше произведения равновесных концентраций элементов, образующих включения), то находили разницу между равновесной и фактической концентрациями, что обеспечивало возможность образовывания включения определенного вида.

                    (9)

 

 Рис. 1. Изменение состава жидкой фазы при кристаллизации низкоуглеродистой стали из жидкого состояния до температуры солидус.

Из рис. 1 видно, то на последнем этапе кристаллизации концентрация марганца увеличена более, чем в полтора раза, по сравнению с исходной. Следовательно, именно в этот период происходит наиболее интенсивное сульфидообразование.

Анализ литературных источников [3, 4, 5, 6], описывающих особенности образования неметаллических включений в низколегированных сталях, подтверждает тот факт, что при раскислении стали алюминием в количестве 0,05 % и достаточно низком содержании серы (не более 0,002 %) практически все неметаллические включения (около 97%) представлены оксидами алюминия. При увеличении же содержания серы до 0,02 % и снижении концентрации алюминия большинство (от 65 до 95 %) неметаллических включений будут представлены сульфидной фазой.

Для определения количества алюминия и кислорода, израсходованных на образование Al2O3, из фактической концентрации алюминия вычитали его равновесную концентрацию для каждой из рассматриваемых температур, начиная с 1809 К. Полученная разница определяла возможность образования Al2O3 при благоприятных условиях (достаточном количестве кислорода). Такие же вычисления проводили и для кислорода. Если количество оставшегося кислорода после реакции образования Al2O3 больше равновесной концентрации кислорода для образования MnO или SiO2, то образуются включения этих видов.

Результаты расчета по предлагаемой методике для рассматриваемого примера затвердевания непрерывного слитка показали, что состав и количество образующихся включений при кристаллизации низкоуглеродистой стали до температуры солидус составит: общее количество неметаллических включений 0,52 · 10-2, %; количество оксидов (в основном оксиды Al2O3) 0,1· 10-2, %; количество сульфидов (Mns, FeS) 0,38· 10-2, %; количество оксисульфидов 0,04· 10-2, %.

Выводы: полученные данные хорошо согласуются с результатами экспериментов и аналитических расчетов, выполненных при обработке различных математических моделей образования включений.

Состав и распределение неметаллической фазы по сечению непрерывнолитого слитка низкоуглеродистой стали зависит от степени раскисления и химического состава стали. При  раскислении стали алюминием и содержании серы до 0,001 % практически вся неметаллическая фаза (95 %) представлена оксидами алюминия. По мере увеличения концентрации серы и снижения раскисленности стали увеличивается доля сульфидных включений, на которые приходится от 65 до 95 % всех включений в зависимости от концентрации марганца в стали.

Список литературы / References

  1. Малиночка Я. Н., Ковальчук Г. З., Багнюк Л. Н. // Ограненные сульфиды в сталях. – Металлы. – 1980, № 1, с. 139-144.
  2. Оксисульфидные включения в стали, содержащей марганец // Известия Вузов. Черная металлургия, 1970, № 10, с. 52-55.
  3. S. K. Choudhary, A. Ghosh, Mathematical model for prediction of composition of inclusions formed during solidification of liquid steel // ISIJ International, vol. 49 (2009), No. 12, pp. 1819 – 1827.
  4. Казачков Е. А., Расчеты по теории металлургических процессов: Уч. пособие для вузов. – М.: Металлургия,1988 г, 288 с.
  5. Нгием Т. Т., Дуб А. В., Вишкарев А. Ф., Исследование процесса образования неметаллических включений при кристаллизации рафинированной стали. // Известия ВУЗов, Черная металлургия, 1991, № 5, с. 14-18.
  6. Левченко А. В., Математическое моделирование формирования неметаллической фазы и её роли в образовании физической неоднородности литого металла. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. МИСиС, М., 2000 г.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.