Неметаллические включения углеродистой стали   

   Кислород, азот, водород и сера, всегда присутствую­щие в металле в виде неметаллических включений, яв­ляются крайне нежелательными примесями.

   Рис. 14 Характерные неметаллические включения, обнаруженные в 18-т слит­ках малоуглеродистой стали, 600: а — сталь 08кп, оксисульфидное включение с преобладанием оксидной фазы (темная фаза — закись железа, светлая фаза — твердый раствор MnS*FeS*FeO), внутри включения видны зерна железной шпинели; б — сталь 08кп, силикатное включение (темная фаза — железомарганиовистый силикат, свет­лая— твердый раствор FeO*MnO); в — сталь 08пс, скопление включений же­лезной шпинели FeO*Al2O3; г — сталь 08Ю, сульфидные включения твердого раствора MnS*FeS*Al2S3

   В работе установлено, что наиболее характерными включениями в слитке кипящей стали являются сульфиды, закись же­леза и марганца   (оксиды), оксисульфиды, силикаты  и оксиснликаты (рис. 14). Травлением уетановлено. что сульфиды представляют собой твердый раствор MnS • FeS-FeO [микротвердость 2776 Мн/м² (283 кГ/мм²)] с преобладанием сернистого марганца. Только в центре слитка наблюдаются включения с преобладанием суль­фида железа.

   Увеличение твердости этих включений до 3384 Мн/м² (345 кГ/мм²), а также результаты травления в насыщен­ном растворе хлористого олова в спирте свидетельству­ют о возрастании содержания FeO в сульфидных вклю­чениях и понижении содержания MnS. Химический ана­лиз, последовательное травление и измерение микро­твердости [4169 Мн/м² (425 кГ/мм²)] показали, что во включениях твердого раствора (FeMn)O преобладает закись железа. Размеры сульфидных и оксидных вклю­чений возрастают от 2—15 мкм в зоне сотовых пузырей до 40—65 мкм в центральной зоне слитка.

   Оксисульфиды, состоящие из оксидной и сульфидной составляющих, образуют самую большую группу включе­ний в слитке стали 08кп. Большинство силикатов, обна­руженных в кипящей стали, являются двухфазными включениями оксисиликатов, в которых избыточная ок­сидная фаза состоит из закисей железа и марганца, а силикатная — из силикатов железа и марганца. Размер силикатных включений изменяется от 3—17 мкм в кор­ковой зоне до 80—200 мкм в центральной зоне нижней части слитка.

   Характерная особенность включений кипящей стали, раскисляемой в ковше алюминием (130 г/т), состоит в наличии в закиси железа и оксисульфидных включениях мелких включений железной шпинели (54,9% AI2O3; 35,6% FeO; 8,5% MgO).

   Химический (табл. 11) и металлографический (рис. 15) анализы неметаллических включений показали, что самое высокое содержание неметаллических включе­ний наблюдается в осевой зоне (0,1157%, или 9,84 бал­ла), а минимальное —в корковой зоне (0,0314%, или 2,66 балла)  верхней части слитка кипящей стали.

   В общем количестве оксидных неметаллических включений примерно 63—65% их составляют неустойчи­вые закиси железа FeO и марганца МпО, 17% —силика^: ты и 17%—железная шпинель. Оксиды, сульфиды и оксисульфиды наблюдаются главным образом в центральной зоне верхней и средней частей слитка, силика­ты — в корковой зоне и нижней части слитка.

   Введение в низкоуглеродистый кипящий металл фер­росилиция существенно изменяет количество оксисульфидных и силикатных включений и их распределение. Наиболее характерные включения в слитке в этом слу­чае следующие: силикаты четырех видов (стекловидные, кристаллические, силикооксиды и силикосульфиды), сульфиды, оксиды и оксисульфиды.

   Таблица II

   Содержание неметаллических включений и кислорода в 18-т слитках

   В верхней части слитка сульфиды представляют со­бой твердый раствор MnS-FeS с преобладанием суль­фида марганца. В средней части слитка, где имеется за­кись железа, сульфиды представляют собой твердый раствор MnS • FeS • FeO. Размер сульфидных включений в слитке не превышает 20 мкм.

   Введение в металл ферросилиция приводит к образованию в центральной зоне слитка большого количества крупных (до 300 мкм) стекловидных силикатов сложно­го состава (nFeO • mMnO-pSi0₂) и силикосульфидов размерами 5—40 мкм. Максимальное количество неме­таллических включений наблюдается в осевой зоне сред ней части слитка (0,0917% или 8,56 балла), а не в верх­ней, как в слитке без присадок ферросилиция.

   Количество неустойчивых включений в слитке после присадки ферросилиция резко уменьшается, а количест­во силикатных включений возрастает (табл. 11 и рис. 15). Еще более сильное влияние на характер и количество неметаллических включений в слитке малоуглеродистой стали оказывает алюминий. Наиболее характерные включения в полуспокойной и нестареющей стали— гли­нозем, шпинель, сульфиды и силикаты. Наиболее характерным видом сульфидов в слитках с алюминием явля­ются включения светло-серого цвета, имеющие непра­вильную форму и представляющие собой твердый раствор MnS • FeS-AI2O3. Размеры этих включений из­меняются в пределах 2—15 мкм.

   Рис. 15.  Распределение  неметаллических  включений  по  сечению  и  высоте

   18-т слитков:а — 08пс;  б — 08Ю;  в. с;  с. с.   и н. с. — соответственно верх,  середина  и  низ слитках

   В слитке стали 08пс встречаются также серые суль­фидные включения округлой формы, являющиеся твер­дым раствором MnS • FeS. Изредка серые сульфиды рас­полагаются по границе первичного зерна.

   Присадка алюминия в малоуглеродистую кипящую сталь в количестве 0,4—0,9 кг/т снижает общее содер­жание неметаллических включений в металле и приводит к более равномерному распределению последних по се­чению слитка. Среднее содержание неметаллических включений равно 0,0261% (4,17 балла) в стали 08пс и 0,0198% (3,33 балла) в стали 08Ю.

   Самым распространенным видом включений в слит­ке стали 08пс является железная шпинель, а в слитке стали 08 с алюминием — глинозем. Силикатные вклю­чения наблюдаются главным образом в корковой зоне слитков.

   Высокое содержание крупных силикатных включений в слитке с добавкой кремния и резкое снижение коли­чества неметаллических включений в слитках с добавкой алюминия свидетельствуют о том, что скорость удаления включений из стали в шлак определяется главным об­разом не размерами и плотностью их, а более низкой адгезией (прочность связи между металлом и включени­ем) у глинозема по сравнению с силикатом.

   В слитке стали 08кп содержание кислорода возраста­ет от низа к верху его. Присадка в изложницу ферроси­лиция практически не изменяет среднее содержание кислорода в слитке, но приводит к существенному пере­распределению его. Максимальное содержание кислоро­да в этом случае наблюдается в средней, а минимальное в верхней части осевой зоны слитка. Введение в излож­ницу алюминия в указанных выше количествах позво­ляет снизить среднее содержание кислорода в слитках до 0,013—0,012%. Резкое снижение содержания кисло­рода в стали после введения алюминия также свиде­тельствует о том, что глиноземистые включения хорошо удаляются из металла в шлак в период формирования слитков.