Однородность слитка алюминотермических сплавов

Однородность слитка является одной из существенных характеристик качества алюминотермических сплавов. Изучение распределения элементов по сечению слитка необходимо для разработки мероприятий по совершенствованию технологии плавки, для разработки рациональной системы отбора проб, обеспечивающей соответствие химического состава пробы среднему содержанию контролируемых элементов в слитке, для оценки возможных отклонений концентрации элементов при введении в металл кусков легирующего сплава из разных участков слитка и т. д.

Для изучения распределения элементов по сечению слитка алюминотермических сплавов определяли химический состав проб, отобранных от различных участков ряда слитков промышленной выплавки, и оценивали среднее для всех исследованных слитков отклонение содержания элементов в точках отбора проб от усредненного химического состава металла.

В связи с различиями в условиях застывания металла непосредственно в плавильном агрегате (плавка «на блок») и при выпуске металла в специальный кристаллизатор, исследование выполняли раздельно для каждой технологической схемы затвердевания металла.

При выплавке феррониобия без выпуска жидкого металла в слитке сплава наиболее неоднородно распределена сера, отклонение содержания которой от средней концентрации достигает почти 70% (отн.), затем следует углерод (60%), титан, алюминий и фосфор — примерно 50% (отн.) для каждого элемента.

Наиболее равномерно по сечению слитка распределены кремний и ниобий, для которых отклонения от средней концентрации не превышают 10—15% (отн.).

При переходе от нижних слоев слитка к верхним содержание ниобия, кремния и титана закономерно увеличивается, а содержание алюминия уменьшается.

В радиальном направлении неравномерность распределения элементов проявляется меньше, чем в вертикальном; в центральной части слитка содержание ниобия и кремния несколько выше, а алюминия и титана ниже, чем в периферийных участках. Для распределения углерода, серы и фосфора, тенденций, общих для всех изучавшихся слитков феррониобия, не установлено.

Полученные данные свидетельствуют, что в слитке феррониобия не удается проследить ликвации элементов, обусловленной различной плотностью входящих в состав металла компонентов или различиями в температурах их кристаллизации. Действительно, при наличии ликвации, определяемой этими причинами, в верхней части слитка можно ожидать повышенных концентраций алюминия, который имеет минимальную по сравнению с другими компонентами плотность и существенно уменьшает температуру плавления основных составляющих сплава — железа и ниобия; напротив, для наиболее тугоплосского и тяжелого элемента ниобия — можно было бы ожидать преимущественного группирования в нижней части слитка.

Более вероятной, чем ликвационные процессы, причиной, определяющей по крайней мере некоторые закономерности распределения компонентов по объему слитка, следует, по-видимому, признать неодинаковый химический состав металла, образующегося на различных стадиях алюминотермического процесса, и недостаточное усреднение расплава при проведении плавки «на блок».

В начальный период алюминотермической плавки вследствие неблагоприятных кинетических условий получаемый металл имеет пониженное содержание трудновосстановимых элементов (в случае выплавки феррониобия к ним следует отнести кремний и титан) и повышенное количество непрореагировавшего алюминия; невосстановленные на этой стадии процесса трудновосстановимые окислы переходят в шлаковый расплав.

В ходе дальнейшего протекания плавки металлические капли, содержащие определенное количество алюминия, проходя через слой жидкого шлака, который обогащен трудновосстановимыми окислами, довосстанавливают их, что приводит к повышению концентрации соответствующих элементов и снижению содержания алюминия от нижних к верхним слоям металлического расплава. Так как по сравнению с окислами железа восстановление алюминием пятиокиси ниобия протекает значительно сложнее, характер распределения ниобия в объеме слитка также соответствует изложенной выше схеме восстановления трудновосстановимых окислов.

Определенную роль в распределении элементов верхней части слитка по его радиусу могут играть процессы взаимодействия металлической и шлаковой фаз после проплавления шихты. Этим может быть объяснено то, что в центральной части слитка, которая наибольшее время находится в контакте с жидким шлаком, наблюдается пониженное содержание алюминия и титана. Si также может являться восстановителем Nb и Fe, однако его активность заметно понижается вследствие образования прочных силицидов ниобия.

Наиболее вероятно в жидком расплаве присутствие силицида ниобия Nb5Si3, плавящегося конгруэнтно при температуре 2753 К. Соотношение между массовыми долями ниобия и кремния в этом силициде составляет 5,5, т. е. оно близко к соотношению массовых долей ниобия и кремния в феррониобии, что может явиться причиной практически одинаковых тенденций в распределении этих элементов в объеме металлического слитка.

Изучение распределения элементов по сечению слитка бедного ферротитана (до 22% Ti; 2—4% Si; 4—5% Al) показало, что наиболее неоднородно распределен кремний — максимальное отклонение от среднего содержания в плавке свыше 40% (отн.), затем идут алюминий и титан (около 30%).

Содержание титана и кремния увеличивается от нижних слоев к верхним в отличие от алюминия, содержание которого максимально в нижней части слитка. От краев слитка к его центру содержание титана и кремния уменьшается, а алюминия — увеличивается.

Распределение титана, кремния и алюминия по высоте слитка низкокремнистого ферротитана качественно совпадает с результатами, полученными при изучении слитка феррониобия, что позволяет предполагать близкий для обоих случаев механизм образования неоднородности. Однако в отличие от слитка феррониобия, в слитке низкопроцентного ферротитана неоднородность по высоте значительно меньше, чем радиальная, что не может быть связано только с условиями протекания алюминотермической плавки.

Существенное развитие неоднородности в радиальном направлении, по-видимому, является следствием ликвационных процессов во время кристаллизации металлической фазы. Поскольку при проведении плавки «на блок» под жидким металлом в плавильном агрегате расположен значительный слой магнезитового порошка (как правило, нагретого во время предыдущих плавок), а сверху слой шлака, высота которого в 2—2,5 раза превышает высоту слоя металла, то основной теплоотвод от жидкого металла осуществляется через боковые стенки плавильного агрегата, т. е. в периферийных областях слитка низкопроцентного ферротитана должны кристаллизоваться преимущественно тугоплавкие компоненты расплава. В рассматриваемом процессе максимальную температуру кристаллизации имеет силицид титана Ti5Si3, плавящийся конгруэнтно при 2399 К, чем можно объяснить повышенные концентрации титана и кремния у краев слитка. Наоборот, наиболее легкоплавкий алюминий, по-видимому, кристаллизуется в последнюю очередь, вследствие чего его концентрация максимальна в центральной части слитка.

То обстоятельство, что химическая неоднородность в радиальном направлении выражена в слитке низкопроцентного ферротитана более заметно, чем в слитке феррониобия, может быть объяснено прежде всего относительно низкой температурой плавления этого сплава (—1570 К) и, как следствие, существенной жидкоподвижностью перегретого расплава.

При выплавке ферротитана с переплавом титановых отходов (30% Ti; 3—5% Si; 6—8% Al) наиболее неоднородно распределены углерод и сера (80% отн.), затем идут кремний (60%) и алюминий (до 30%); концентрация титана в отдельных пробах меняется незначительно — отклонение от средней величины не превышает 5%.

По высоте и радиусу слитка содержание титана практически не меняется. Содержание алюминия несколько увеличивается от нижних слоев слитка к верхним и от краев к центру. Наоборот, содержание кремния максимально в нижних и периферийных областях слитка.

Существенно более равномерное распределение титана в этом сплаве по сравнению с низкопроцентным ферротитаном, по-видимому, может быть связано в первую очередь с растворением отходов титановых сплавов теплом, аккумулированным жидким металлом. Плотность титана ниже плотности металла, образующегося в результате алюминотермических реакций, что способствует выравниванию концентрации титана в объеме жидкого металла.

Увеличение содержания алюминия и уменьшение содержания кремния в верхних слоях центральной части слитка могут быть до некоторой степени следствием осаждения капель сплава с повышенным содержанием алюминия, железа и титана, переходящих в сплав из шлакового расплава после проплавления железотермитной смеси.

В том же направлении влияет и характер восстановления окислов различной прочности во время плавки ферротитана. Если при производстве низкопроцентного сплава, проводившемся при значительном недостатке восстановителя, нижние слои сплава имели повышенное содержание железа и алюминия, то при выплавке обычного ферротитана вследствие значительного увеличения количества восстановителя в шихте картина процесса может оказаться качественно иной.

В начальной стадии процесса в связи с увеличенным количеством восстановителя в шихте наряду с железом может преимущественно восстанавливаться и кремний (более легко восстановимый, чем титан), вследствие чего нижние слои сплава должны обогащаться этим элементом. Поскольку при наличии большого избытка восстановителя в шихте сплав, образующийся во второй половине плавки, содержит все возрастающее количество алюминия, который не может быть израсходован на восстановление окислов из шлакового расплава, концентрация алюминия должна не уменьшаться, а, наоборот, возрастать от нижних слоев слитка к верхним.

В слитке ферровольфрама наиболее неоднородно распределен кремний (до 100% отн.), затем следует алюминий (60%), углерод (40%), сера (30%), молибден (25%) и вольфрам (20%).

Содержание вольфрама несколько уменьшается от низа слитка к верху, а содержание молибдена, кремния и алюминия, наоборот, максимально в верхних горизонтах. Увеличение содержания вольфрама в нижней части слитка можно объяснить как его большой плотностью, так и невысокой прочностью окисла этого элемента. Следует отметить, что для большой группы легирующих элементов, входящих в состав алюминотермических ферросплавов и лигатур, существует определенная корреляция между плотностью металла и прочностью его окислов (рис. 84), что должно усиливать неравномерность распределения легирующих компонентов в объеме металла.

Распределение молибдена и, особенно кремния, качественно соответствует рассмотренному выше механизму формирования химической неоднородности слитков алюминотермических сплавов. Повышенная по сравнению с другими сплавами неоднородность алюминотермического ферровольфрама является прямым следствием весьма высоких температур его кристаллизации.

Наиболее интересной особенностью кристаллизации слитка металлического хрома является изменение характера распределения алюминия в металле при варьировании количества восстановителя в шихте.

При содержании остаточного алюминия в металле, равном 0,1—0,3%, его средняя концентрация в нижней части слитка заметно выше, чем в верхней, что, как уже отмечалось, может свидетельствовать об определенном недостатке восстановителя в шихте. Наоборот, при содержаниях остаточного алюминия в хроме выше 0,6% верхние слои металла в большей степени обогащены алюминием вследствие того, что в слиток переходит избыточный восстановитель с каплями металла, образующимися во второй половине плавки.

Подобная картина распределения алюминия свидетельствует о том, что при определенных условиях изменение содержания алюминия по высоте слитка может хотя бы качественно характеризовать соотношение между массой восстановителя и восстанавливаемых окислов в шихте. Очевидно, существует такое количество восстановителя в шихте, которое обеспечивает равномерное распределение алюминия по высоте слитка.

Выпуск расплава после окончания восстановительных реакций существенно повышает однородность алюминотермических сплавов по сравнению с выплавкой в стационарном плавильном агрегате (табл. 37). Особенно важным следствием выпуска расплава является резкое снижение неоднородности распределения легирующих элементов (за исключением ферросиликоциркония — до 1—3% отн.).

Однако уменьшение неоднородности распределения различных компонентов при работе с выпуском сплава неодинаково. В наибольшей степени повышается однородность распределения основных компонентов, уровень концентрации которых до начала выпуска определялся неравномерностью химического состава сплава, получаемого на различных стадиях алюминотермической плавки. Повышение однородности распределения этих элементов является следствием нарушения первоначальной упорядоченности химического состава жидкого расплава.

С уменьшением концентрации элементов в сплаве гомогенизирующий эффект слива сплава уменьшается (см., например, данные для металлического хрома в табл. 37), поэтому неоднородность распределения таких примесей, как углерод, фосфор и сера, остается почти на том же уровне, что и при выплавке «на блок».