CC BY
17
УДК 669.14-404
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ВЯЗКОСТЬ РАСПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА
Макуров С Л
Основной задачей металлургии на современном этапе является не просто производство стали и сплавов конкретного химического состава, а получение материалов с заданным комплексом свойств.
С практической точки зрения представляет интерес управление служебными свойствами твердого металла на основе сведений о физических свойствах жидких расплавов перед их кристаллизацией.
Вязкость расплавов, являясь структурно-чувствительным свойством, может использоваться при анализе процессов выплавки и разливки стали, а также как удобный индикатор эффективности различных физико-химических воздействий на металл.
В работе [1] отмечалось, что наиболее надежная информация по вязкости расплавов может быть получена' только прямыми экспериментальными методами.
В настоящей работе для исследования вязкости металлических расплавов использован метод, основанный на регистрации затухающих крутильных колебаний цилиндрического тигля, заполненного жидкостью [2,3].
На опытной установке исследовали влияние добавок кремния, алюминия и циркония на вязкость расплавленного железа. В качестве исходных материалов для приготовления образцов использовали порошкообразное карбонильное железо с содержанием 0,16 % кислорода, 0,022 % углерода, 0,005 % кремния, 0,001 % фосфора, 0,001 % серы. Измерения проводили в атмосфере очищенного аргона со скоростью поступления 0,4-0,5 л/мин. Образцы помещали в цилиндрические алундовые тигли диаметром 60 мм. Продолжительность нагрева образцов до 1600°С с изотермической выдержкой при этой температуре, составляла во всех случаях около 60 мин. Температуру расплава измеряли термопарой ПРЗО/6 до начала и после окончания измерения вязкости с усреднением полученных данных.
6,9
6,7
6,5
6,3
6,1
¿5.9
85.7
№ .
5.5
5.3
5.1
4.9
1>Х '"-ЧЕ
1)0 • 0,25
--- --- ---- ---
40
О Ю 20 30 Время, мин
Рнс.1. Изменение вязкости железа при 1600 °С после введения кремния (цифры у кривых - количество вводимого кремния в % по массе). Штрих-пунктирная линия - вязкость чистого железа при 1600 "С
6.7
6,5
6,3
6,1
5,9
5,7
а
СП
I
о
5,5
5,3
Кремний (чистый для полупроводников) присаживали к расплавленному железу, нагретому до температуры 1600°С, в форме гранул в количестве ОД; 0,25; 0,5; и 1,0 % по массе. Изменение коэффициента вязкости исследовали в течение 40 мин от момента присадки кремния с временным интервалом 1,5-2мин. Температура расплавленного металла в процессе измерения не изменялась более, чем на Ю°С. По окончании измерений вязкости температуру расплавленного металла постепенно повышали до 1720°С с последующим охлаждением расплава до температуры 1590-1560°С. Затем производили повторное измерение вязкости.
Полученные экспериментальные данные приведены на рис. 1 и 2 в форме зависимости коэффициента вязкости
от времени с момента присадки кремния и в форме температурной зависимости вязкости расплавов.
Из рис.1 видно, что присадка кремния к расплавленному железу приводит к резкому возрастанию вязкости расплава, причем через 2-4 минуты на кривых появляется максимум. Только в случае присадки 0,5% кремния максимум возникает в восьмую минуту.
Затем следует понижение вязкости с последующим ее повышением.. Температурные зависимости вязкости расплавов железа и железо-кремний (рис. 2) показывают, что нагрев расплавов после присадки 0,25 и 0,5 % кремния до температуры 1720 °С приводит к быстрому понижению вязкости. Вязкость расплавов, содержащих 1 % кремния с ростом температуры понижается более плавно и при температуре 1720 °С существенно выше, чем у расплавов, содержащих 0,25 и 0,5 % кремния.
5,1
4,9
4,7
4,5 1580
А—-\ ' — » А
\ \
\ \
\\ •
\
Ъ « V
N ^ V с 4
Л < ч ч ч.
N \
1600
1680 5С
1700 1720
1620 1640 1660 Температура,
Рис.2. Температурная зависимость вязкости железа от содержания кремния (сплошные линии - данные полученные при нагреве, пунктирные - при охлаждении), Содержание кремния; А - 1%, • - 0,5%, х - 0,25%. Штрих-пунктирные линии - данные работы [4]: I - чистое железо, II -1% кремния.
в 20
Время, мин
Рис.3. Изменение вязкости железа при 1600°С после введения алюминия (цифры у кривых - количество вводимого алюминия в % по массе). Штрихпунктир-ная линия - вязкость чистого железа при 1600°С по данным [5].
При последующем охлаждении расплавов, к которым добавляли 0,25 и 0,5 % кремния, возникал гистерезис вязкости, заключающийся в том, что величины коэффициента вязкости, полученные при охлаждении меньше, чем при нагреве. При охлаждении расплавов с присадкой 1.0 % кремния гистерезис вязкости проявляется слабо.
Полученные данные по влиянию кремния на вязкость жидкого железа противоположны данным работы [4],где утверждается, что присадки кремния понижают вязкость расплавов железа. Для сравнения литературные данные приведены на рис. 2 в виде штрихпунктирных линий.
Аналогичном образом исследовали влияние присадок
алюминия. Гранулированный алюминий (99,5 % алюминия) в количестве 0,05; 0,1; 0,25; 0,5 и
1,0 % от массы основного образца присаживали к расплавленному железу при температуре 1600°С. Затем в течение 45 мин производили измерение вязкости расплава с интервалом 1,5-2 мин. Изменение температуры расплава при проведении опыта не превышало 10 °С.
На рис. 3 приведена зависимость изменения вязкости расплава при 1600°С в зависимости от времени после присадки алюминия. Штрихпунктир-ной линией показана вязкость чистого железа по данным работы [5].
Полученные данные свидетельствуют о резком возрастании коэффициента вязкости сразу после присадки алюминия, что проявляется в виде острого пика на изотермах вязкости. Затем в течение 4-6 минут следует быстрое понижение коэффициента вязкости. По истечении 4-6 мин от момента присадки алюминия величина вязкости понижается с меньшей скоростью и практически не меняется в течение 30-35 мин. Для расплавов, содержащих 0,05 и 0,1 % алюминия величина коэффициента вязкости по истечении 40 мин примерно такая же, как и у чистого железа. Однако, вязкость расплавов, содержащих 0,25; 1,0 % и особенно 0,5 % алюминия, существенно ниже, чему железа.
Исследование влияния циркония на вязкость железа при температуре 1600 °С провели с одной добавкой в количестве 0,25 % по массе. Установлено, что присадка циркония к расплавленному железу способствует быстрому повышению коэффициента вязкости, который в течение двух минут достигает десятикратной величины. Затем следует быстрое понижение вязкости, и ее величина приблизительно через 10 мин после введения добавки становится примерно в 10 раз ниже, чем первоначальная вязкость железа. В дальнейшем вели-
чина коэффициента вязкости в течение 40 мин не изменяется и составляет
0.4.103 Па-с.
Полученные экспериментальные данные по влиянию легирующих элементов на вязкость расплавленного железа, можно объяснить следующими обстоятельствами. Повышение вязкости железа при введении кремния и дальнейшее незначительное ее понижение свидетельствует о сравнительно малой скорости процесса всплывания продуктов раскисления.
По-видимому, неметаллические включения (силикаты) образуют устойчивую суспензию и значительно снижают однородность расплава. Значительное понижение вязкости расплава с присадками 0,25 и 0,5 % кремния при повышении температуры до 1720 °С объясняется, главным образом, улучшением условий для всплывания силикатных включений. Последний вывод подтверждается также наличием гистерезиса вязкости у этих расплавов. Хотя их вязкость при охлаждении возрастает, однако ее величина значительно ниже, чем при нагреве. Требует более детального изучения факт слабого влияния температуры на вязкость расплавов с добавкой 1 % кремния (в этом случае практически отсутствует гистерезис вязкости).
Резкое повышение вязкости сразу после присадки алюминия к железу связано с образованием неметаллических включений и возникновением неоднородности в расплаве. По истечение некоторого времени вязкость сильно понижается. Время резкого понижения вязкости можно считать критерием скорости всплывания продуктов раскисления. Из рис. 3 следует, что количество присадки обусловливает скорость всплывания продуктов раскисления. Скорость всплывания неметаллических включений после добавки 0,25;0,5 и 1,0 % алюминия является высокой. Вязкость расплавов после раскисления достигает первона- ' чальной величины за очень короткое время (4-6) мин, а затем понижается. После присадки 0,05 и 0,1 % алюминия вязкость быстро понижается, однако не достигает первоначального значения или достигает его через сравнительно большой промежуток времени (40 мин после присадки 0,1 % алюминия).
Из приведенных данных можно заключить, что раскисление большими присадками алюминия является более эффективным, чем малыми присадками. Можно утверждать, что растворение алюминия происходит очень быстро (за время 20-30 с).В этот период активно протекает процесс образования и роста включений, которые быстро всплывают из расплавленного металла. В дальнейшем эти процессы уже не протекают так энергично, размеры включений меньше, а потому и вязкость железа понижается незначительно.
В литературе практически отсутствуют данные о влиянии циркония на вязкость железа. Объем проведенных экспериментов не позволяет сделать окончательных выводов, однако, несомненно весьма значительное понижение вязкости после присадки 0,25 % циркония к расплаву железа.
Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для совершенствования технологии раскисления стали и при разработке составов комплексных раскислителей для совершенствования технологии раскисления стали.
Перечень ссылок
1. Шакуров СЛ. Исследование вязкости расплавов на основе железа методом крутильных колебаний тигля // Вестник Приазовского государственного технического университета: Сб. научн. тр. вып. 2,- Мариуполь. 1997.
С. 40-42.
2. Шеидкоеский Е.Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов. -М.: ГИТТЛ, 1955,- 184 с.
3. Schenk Н., Frehberg M.G., Hofiman К. Beitrag zur Messung der Viskosität metallischer Schmelzen bei hohen Temperaturen//Ach. für das Eisenhüttenwesen. -1963,- Bd.34.- № 2.-S. 93-98.
4. Каплун А.Б., Крутько М.Ф. Вязкость расплавов Fe-Si в области малых концентраций кремния // Изв. АН СССР. Металлы. 1979. -N3. С. 78-80.
5. Арсентьев H.H., Коледое Л.А. Металлические расплавы и их свойства. - М.: Металлургия, 1976.-376 с.
