Оценка расчетных методов определения вязкости жидкой стали Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006 р. Вип.№16

УДК 669.18.046.546.2

Макуров С. Л.1, Епишев М.В.2 ОЦЕНКА РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОЙ СТАЛИ

Дана оценка точности расчетных методов определения вязкости сложнолегированной

стали и возможности их применения в металлургической практике

Исследование влияния легирующих и примесных элементов на структуру жидкой стали имеет немаловажное значение для процессов выплавки и разливки стали. Формируя структуру сплава уже в жидком состоянии, легирующие элементы определенным образом воздействуют на матрицу расплава (железо). Познание закономерностей этого процесса позволяет более рационально проводить легирование стали не только с целью минимального угара легирующих элементов, но и их оптимального распределения, сначала, между структурными составляющими расплава - кластерами и разупорядоченной зоной, а затем и в твердой фазе.

Накопленный в последние годы богатый экспериментальный материал по структуре и свойствам металлических расплавов подтверждает гипотезу об их микронеоднородном строении [1]. Наиболее на наш взгляд, удобной и адекватно описывающей закономерности, наблюдающиеся в металлических расплавах, теорией является квазихимический вариант модели микронеоднородного строения расплавов [2]. Учитывая неравноценность взаимодействия отдельных компонентов расплава между собой, эта теория, в известном приближении, позволяет учесть, хотя бы качественно, влияние легирующих элементов на структуру расплавленной стали и выявить закономерности ее влияния на такие структурно-чувствительные свойства (СЧС) стали как вязкость, плотность, электропроводность и др.

Отличие в химической связи между отдельными компонентами расплава проявляется в их различной кластеризующей способности. Расчетами, основанными на термодинамике малых систем Хилла [3], выявлено, что в расплавах на основе железа кластеризующая способность атомов убывает в последовательности: О, 8, С, В, Сг, N1. Причем кластеры в расплавах с металлическими компонентами имеют большие размеры, но их концентрация меньше, чем в расплавах с металлоидами. Это, на первый взгляд, противоречит утверждению авторов работы [4] о том, что атомы О и N располагаются преимущественно в разупорядоченной зоне, сильно влияя, тем самым, на структурные свойства расплава. Но противоречие "снимается" результатами работы [5], в которой найдено, что атомы кислорода до концентраций 0,003 % [О] формируют комплексы с атомами железа. При дальнейшем же увеличении содержания кислорода его атомы размещаются между комплексами БехО (разупорядоченная зона), упрочняя связь между ними и повышая вязкость расплава железа. Процесс формирования и объединения комплексов завершается при достижении концентрации 0,02 % [О].

Очевидно, что различное содержание не только кислорода, но и других микропримесей в расплавах на основе железа оказывает влияние на результаты эксперимента по определению СЧС. Так, несмотря на богатый экспериментальный материал, нет однозначного ответа на вопрос о влиянии легирующих элементов на вязкость жидкого железа [2, 4, 6, 7, 10 и др.]. Ясность в сложившуюся ситуацию, на наш взгляд, должно внести развитие теории влияния легирующих элементов на структуру, а значит и свойства расплавленных сталей. В этом направлении авторы работ [2, 4, 8-11 и др.] достигли определенных успехов.

Особенно следует отметить работы Б.А. Баума с сотрудниками, которые на основе изучения СЧС разрабатывают не только теорию строения жидкой стали, но и режимы ее температурной обработки для получения более высококачественного литого металла.

Основными легирующими элементами в стали являются N1, Мп, Со, Сг, Мо, V, 81, Т1. Обычно считается, что элементы, стабилизирующие феррит в твердой фазе, стабилизируют 5-подобные кластеры в расплавах на основе Бе, а элементы, стабилизирующие аустенит, - у-

1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.

2 ГТГТУ, аспирант

подобные кластеры. Это положение подтверждается результатами исследований кинематической вязкости бинарных расплавов Бе с W, Мо, Сг, №>, V, № и Со в количестве 1 % (атомн.), опубликованнымив работе [11]. Расплав чистого железа претерпевает полиморфное превращение 8<н>у в кластерной зоне вблизи температуры 1650 °С. Элементы W, Мо, Сг, № и V (стабилизируют б-Бе) повышают температуру полиморфного превращения Бе, а N1 и Со (стабилизируют у-Ре)-понижают ее.

Однако, подобные теоретические разработки носят, как правило, лишь описательный характер, не получая достаточных теоретических разработок, которые бы позволили с удовлетворительной точностью рассчитывать СЧС жидкой стали, в частности - вязкость расплавов легированной стали.

Цель настоящей работы - дать сравнительную оценку точности методов расчета вязкости расплавов легированных сталей с целью их использования в практике металлургии.

С этой целью нами был осуществлен расчет вязкости расплавов легированных хромистых и хромоникелевых сталей по двум методам, а результаты расчетов были сравнены с экспериментальными данными [4] и результатами работы [12].

Первый расчетный метод основан на формуле Андраде [13]:

?7 = 5,7 • 1(Г5 (МТш У2 У~/ъ ехр

(2,72 • 1СГ2 Тш +14,77)

т -т

пл

Т Т

, Па с,

(1)

где М и V - соответственно атомная масса и атомный объем металла при температуре плавления; Тш - температура плавления металла, К; Т - температура расплава, К.

Так как при сплавлении металлов их атомный объем изменяется незначительно, то для расчета вязкости расплавов легированных сталей в формуле (1) предположили, что V - это средневзвешенный атомный объем расплава, а М - его средневзвешенная атомная масса.

Второй метод основан на теории жестких сфер. В работе [14] получена формула для оценки влияния содержания компонентов расплава на его кинематическую вязкость:

(

дх.

(

0

1

1,87

У

Ъц. 1 —1,87/^

Л

/и0 -0,524^- ДК*

<1 "1 ' -у 0 •

Л

1 ^

3 к0

(^-^-(М-ТЦ), (2)

где xi - мольная доля /-того компонента; /и - коэффициент упаковки жестких сфер; /;" и [л® - коэффициенты упаковки жестких сфер чистых /-того компонента и растворителя соответственно; А К/' и К(' - соответственно избыточный парциальный объем и парциальный объем компонента / в бесконечно разбавленном растворе, м3/моль; 1У\'' - объем чистого растворителя, м3/моль; Mi и Мх - молярная масса /-того компонента и растворителя соответственно; кг/моль.

В этой же работе рассчитаны параметры | Э1п V,

дх .

для различных компонентов жидкои

стали.

Для расчета кинематической вязкости расплавов легированной стали на основе теории жестких сфер мы осуществили следующие преобразования формулы (2):

П у/

д 1п V = У] ——дх.

,=1 дх,

(3)

В первом приближении можно считать, что параметр [ 91п V переходя к конечным величинам, получим:

дх .

не зависит от хъ тогда

. . д 1п V

Д 1п V = >--х.

,=1 дх,

Так как А1пу = 1пу — 1п V „ . где V и V, - кинематическая вязкость сплава и чистого

спи Ье. ' ^ с.гт Не

железа соответственно, то

или

V =у„ ехр1

спя ге 1

Лаз = ПРе ехр

(5)

(6)

Результаты расчетов по уравнениям (1) и (6) приведены на рисунках 1-4, где они сопоставлены с экспериментальными данными и результатами расчета по эмпирическим уравнениям, полученным из экспериментальных данных по вязкости бинарных расплавов [12].

7,00 6,50 6,00 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00

2

— * -О ^ *---X 1

• ^

4

1500

1600

1700

1800

7,50 7,00 6,50 6,00 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00

ф ^ г * 3

г- ^^^^

* 4

1500

1600

1700

1800

Гемпература, С

Температура, С

Рис. 1 - Зависимость динамической вязкости стали Х25СЗН от температуры: 1 - эксперимент; 2 - расчет по [12]; 3 - по формуле (1); 4 - по формуле (6)

Рис. 2 - Зависимость динамической вязкости стали Х18Н25 от температуры: 1 - эксперимент; 2 - расчет по [12]; 3 - по формуле (1); 4 - по формуле (6)

го

с:

л

ь

о

с; СП

0 10 20 30

Содержание хрома, % (масс.)

6,50 6,00 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50

К- 1

2

А--- ♦ ~- 3 ---

-▲ 4

0 10 20 Содержание никеля, % (масс.)

30

Рис. 3 - Зависимость динамической вязкости хромистой стали при 1650 "С от содержания хрома: 1 - эксперимент; 2 - расчет по [12]; 3 - по формуле (1); 4 - по формуле (2)

Рис. 4 - Зависимость динамической вязкости хромоникелевой стали при 1650 "С от содержания никеля (Сг-18 %): 1 - эксперимент; 2 - расчет по [12]; 3 - по формуле (1); 4 - по формуле (2)

Из результатов расчетов следует, что вышеописанные методы уступают по точности расчетам по эмпирическим формулам. Таким образом, уровень развития количественной

теории структуры расплавов легированной стали и ее влияния на СЧС в настоящее время не позволяет получить достаточной точности уравнения типа "состав-свойство".

Выводы

1. Сравнение результатов расчетов вязкости расплавов сложнолегированных сталей с экспериментальными данными показало, что расчетные методы, основанные на известных моделях жидких расплавов, обеспечивают точность 6 - 30 % (нижний предел для низколегированных сталей, а верхний - для высоколегированных), что не позволяет их использовать в практических расчетах.

2. Для практических целей металлургического производства можно использовать экспериментальные данные или эмпирические уравнения, полученные с применением таких данных.

Перечень ссылок

1. Фундаментальные исследования физикохимии металлических расплавов. Памяти академика A.M. Самарина / Под ред. Н.П. Лякишева- М.: ИКЦ "Академкнига", 2002.-469 с.

2. Жидкая сталь /Б.А. Баум, Г.А. Хасин, Г.В. Тягуное и др.-М.: Металлургия, 1984.-208 с.

3. Расчет кластерной структуры расплава, ее влияние на образование наноаморфных твердых фаз и их структурную релаксацию при последующем нагреве / М.Х. Шоршоров, А.Е. Гвоздев, J1.B. Афанаскин, Е.А. Гвоздев // Металловедение и термообработка металлов,- 2002.-№6,-С.12-16.

4. Ершов Г. С. Структурообразование и формирование свойств сталей и сплавов/ Г. С. Ершов, Л.А.Позняк- К.: Наукова думка, 1993,- 381 с.

5. Влияние кислорода на структуру ближнего порядка расплавленного железа / Ю.А. Базин, Б.А.Баум, Е.А. Клименков, С.А. Маршев//Изв. АН СССР. Металлы.-1979.-№ 5,- С. 45-48.

6. Арсентьев П.П. Металлические расплавы и их свойства /77.77. Арсентьев, Л.А. Коледов, - М.: Металлургия, 1976,- 376 с.

7. Макуров С. Л. Влияние содержания легирующих элементов на вязкость расплавов нержавеющих сталей / С.Л. Макуров II Изв. вузов. Черная металлургия,- 1997,- №8,- С.8-11.

8. Скребцов A.M. Аномалии свойств Fe-C расплавов как показатель изменения их микростроения I A.M. Скребцов // В1сник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Мариуполь, 1999. - Вип. 7. - С. 84-93.

9. Скребцов A.M. Новые способы определения характеристик разупорядочения кластеров металлического расплава / A.M. Скребцов II Изв. вузов. Черная металлургия,- 2003,- № 9- С.3-6.

10. Баум Б.А. Металлические жидкости I Б.А. Баум - М.: Наука, 1979,- 120 с.

11. Ершов Г. С. Физико-химические основы рационального легирования сталей и сплавов / Г. С. Ершов, Ю.Б.Бычков.- М.: Металлургия, 1982,- 360 с.

12. Макуров С.Л. Метод расчета вязкости расплавов высоколегированных сталей / С.Л. Макуров, М.В. Епишев // В1сник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Мариуполь, 2005. - Вип. 15. - С. 46-49.

13. Вертман A.A. Свойства расплавов железа / A.A. Вертман, A.M. Самарин - М.: Наука, 1969,-280 с.

14. Островский О.И. Свойства металлических расплавов/ О.И. Островский, В.А. Григорян, А.Ф. Вишкарев,- М.: Металлургия, 1988,- 304 с.

Статья поступила 28.02.2006