Исследование современных представлений о природе формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. Сообщение 2

В Cообщении 2 (Cообщение 1, «Металл и литье Украины» № 1–2, 2019) продолжены аналитические исследования по важным и мало изученным аспектам формирования отложений в огнеупорах разливочных систем. Поскольку отложения состоят, в основном, из коралло-подобных кластеров, дендритных и близких к ним пласт...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2019
Main Authors:	Писарский, С.Н., Смирнов, А.Н.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2019
Series:	Металл и литье Украины
Subjects:	Процессы непрерывной разливки стали
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166617
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Исследование современных представлений о природе формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. Сообщение 2 / С.Н. Писарский, А.Н. Смирнов // Металл и литье Украины. — 2019. — № 3-4 (310-311). — С. 10-17. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-166617
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1666172025-02-09T09:54:30Z Исследование современных представлений о природе формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. Сообщение 2 Дослідження сучасних уявлень про природу формування відкладень в вогнетривах при розливаннi сталі. Повідомлення 2 The study of modern concepts about the nature of deposits in refractories during casting of steel. Report 2 Писарский, С.Н. Смирнов, А.Н. Процессы непрерывной разливки стали В Cообщении 2 (Cообщение 1, «Металл и литье Украины» № 1–2, 2019) продолжены аналитические исследования по важным и мало изученным аспектам формирования отложений в огнеупорах разливочных систем. Поскольку отложения состоят, в основном, из коралло-подобных кластеров, дендритных и близких к ним пластинчатых структур, а также, учитывая многообразие и в ряде случаев противоречивость представлений по механизмам их формирования, в статье проанализированы факторы и закономерности формирования этих морфологических типов. У Повідомленні 2 (Повідомлення 1, «Металл и литье Украины» № 1–2, 2019) продовжено аналітичні дослідження з важливих і мало вивчених аспектів формування відкладень в вогнетривах систем розливання. Оскільки відкладення складаються, в основному, з корало-подібних кластерів, дендритних та близьких до них пластинчастих структур, а також, з огляду на різноманіття і в ряді випадків суперечливість уявлень щодо механізмів їх формування, в статті проаналізовано чинники і закономірності формування цих морфологічних типів. Report 2 (Report 1, “Metall i lit’e Ukrainy”, № 1–2, 2019) continued analytical studies on important and poorly studied aspects of the deposit formation in refractories for casting systems. Since the deposits consist mainly of coral-like clusters, dendritic and lamellar structures close to them, and taking into account the diversity and in some cases the inconsistency of ideas on the mechanisms of their formation, the article analyzed the factors and regularities of these morphological types formation. 2019 Article Исследование современных представлений о природе формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. Сообщение 2 / С.Н. Писарский, А.Н. Смирнов // Металл и литье Украины. — 2019. — № 3-4 (310-311). — С. 10-17. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 2077-1304 DOI: https://doi.org/10.15407/pmach2019.03.010 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166617 669.74.047 ru Металл и литье Украины application/pdf Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Процессы непрерывной разливки стали Процессы непрерывной разливки стали
spellingShingle	Процессы непрерывной разливки стали Процессы непрерывной разливки стали Писарский, С.Н. Смирнов, А.Н. Исследование современных представлений о природе формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. Сообщение 2 Металл и литье Украины
description	В Cообщении 2 (Cообщение 1, «Металл и литье Украины» № 1–2, 2019) продолжены аналитические исследования по важным и мало изученным аспектам формирования отложений в огнеупорах разливочных систем. Поскольку отложения состоят, в основном, из коралло-подобных кластеров, дендритных и близких к ним пластинчатых структур, а также, учитывая многообразие и в ряде случаев противоречивость представлений по механизмам их формирования, в статье проанализированы факторы и закономерности формирования этих морфологических типов.
format	Article
author	Писарский, С.Н. Смирнов, А.Н.
author_facet	Писарский, С.Н. Смирнов, А.Н.
author_sort	Писарский, С.Н.
title	Исследование современных представлений о природе формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. Сообщение 2
title_short	Исследование современных представлений о природе формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. Сообщение 2
title_full	Исследование современных представлений о природе формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. Сообщение 2
title_fullStr	Исследование современных представлений о природе формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. Сообщение 2
title_full_unstemmed	Исследование современных представлений о природе формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. Сообщение 2
title_sort	исследование современных представлений о природе формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. сообщение 2
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2019
topic_facet	Процессы непрерывной разливки стали
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166617
citation_txt	Исследование современных представлений о природе формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. Сообщение 2 / С.Н. Писарский, А.Н. Смирнов // Металл и литье Украины. — 2019. — № 3-4 (310-311). — С. 10-17. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.
series	Металл и литье Украины
work_keys_str_mv	AT pisarskijsn issledovaniesovremennyhpredstavlenijoprirodeformirovaniâotloženijvogneuporahprirazlivkestalisoobŝenie2 AT smirnovan issledovaniesovremennyhpredstavlenijoprirodeformirovaniâotloženijvogneuporahprirazlivkestalisoobŝenie2 AT pisarskijsn doslídžennâsučasnihuâvlenʹpropriroduformuvannâvídkladenʹvvognetrivahprirozlivannistalípovídomlennâ2 AT smirnovan doslídžennâsučasnihuâvlenʹpropriroduformuvannâvídkladenʹvvognetrivahprirozlivannistalípovídomlennâ2 AT pisarskijsn thestudyofmodernconceptsaboutthenatureofdepositsinrefractoriesduringcastingofsteelreport2 AT smirnovan thestudyofmodernconceptsaboutthenatureofdepositsinrefractoriesduringcastingofsteelreport2
first_indexed	2025-11-25T13:05:21Z
last_indexed	2025-11-25T13:05:21Z
_version_	1849767678552571904
fulltext	10 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 3-4 (310-311) ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ их спекания с поверхностью огнеупора (массива от- ложений) [1, 2]. Другие полагают, что формирование дендритных включений происходит по механизму ко- агуляции (агрегации) индивидуальных включений [3]. В отношении кластеров, в том числе коралло-подоб- ных, предполагается, что они могут формироваться в результате трансформации по механизму Остваль- довского созревания как скоплений (агрегатов) из отдельных включений, так и дендритов [4, 5, 6]. От- мечается также, что механизм кластеризации вклю- чений Al2O3 в стали изучен недостаточно [5]. Таким образом, уточнение основных физико-химических за- кономерностей формирования различных морфоло- гических типов кристаллических включений в стали и отложениях представляется, на наш взгляд, необ- ходимым этапом на пути к разработке новой модели формирования отложений. Морфология кристаллов, согласно современным физическим представлениям [7], зависит от: 1) их кристаллографической структуры, определяемой химическим составом; 2) условий роста (эволюции) В Сообщении 1 была обоснована необходимость разработки новой физико-химической модели формирования отложений в огнеупорах при раз- ливке стали. Для определения ее контуров не- обходимо уточнить представления по ряду вопросов, связанных с формированием включений различных морфологических типов. Это обусловлено тем об- стоятельством, что, как отмечалось в Сообщении 1, коралло-подобные кластеры, наряду с дендрит- ными и пластинчатыми структурами, составляют основу отложений, но при этом они отличаются от одноименных морфологических типов включений, присутствующих в стали. Кроме того, нередко суще- ствующие представления по механизмам формиро- вания различных морфологических типов включений в стали и в отложениях являются, на наш взгляд, не- корректными. Например, некоторые исследователи полагают, что: 1) морфология включений в составе отложений зависит от чистоты стали по включениям и условий разливки; 2) изменение морфологии вклю- чений в составе отложений происходит в процессе УДК 669.74.047 С.Н. Писарский1, инженер машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), e-mail: serge.pisarsky@gmail.com А.Н. Смирнов2, д-р техн. наук, проф., вед. науч. сотр., e-mail: stalevoz@i.ua 1Standart Metallurgical Company, Лагос, Нигерия 2Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев, Украина Исследование современных представлений о природе формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. Сообщение 2 В Cообщении 2 (Cообщение 1, «Металл и литье Украины» № 1–2, 2019) продолжены аналитические исследования по важным и мало изученным аспектам формирования отложений в огнеупорах разливочных систем. Поскольку отложения состоят, в основном, из коралло-подобных кластеров, дендритных и близких к ним пластинчатых структур, а также, учитывая многообразие и в ряде случаев противоречивость представлений по механизмам их формирования, в статье проанализированы факторы и закономерности формирования этих морфологических типов. Показано, что при формировании кристаллических структур пластинчатого типа важную роль играет явление ингибирования отдельных граней кристаллов поверхностно-активными в железе примесями. Принимая во внимание результаты промышленных исследований и численного моделирования процессов нуклеации и роста включений Al 2 O 3 при раскислении стали, в Сообщении 2 обоснован вывод о том, что дендритные и пластинчатые структуры в отложениях не могут быть результатом осаждения ни продуктов раскисления, ни вторичного окисления стали. Они могут формироваться непосредственно на межфазной поверхности «огнеупор (отложения) – расплав» в огнеупорах разливочных систем по механизму кристаллизационного роста. В отношении коралло-подобных кластеров с учетом имеющихся критических замечаний к известному «кавитационному» механизму кластеризации кристаллических Al 2 O 3 -содержащих включений в стали, предложены качественно новые подходы для разработки новой модели кластеризации. В ее рамках получает удовлетворительные объяснения ряд характерных особенностей формирования и пространственной структуры таких кластеров (контакт включений анизометрической формы преимущественно по вершинам, ребрам, боковым кромкам многогранников и пластинчатых включений; низкая склонность к коагуляции сферических включений; высокая прочность кластеров, препятствующая их разрушению в турбулентых потоках и др.). Показано, что процесс кластеризации является составной частью формирования отложений. Результаты выполненных исследований позволили уточнить контуры предлагаемой к разработке новой физико- химической модели явления формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. Ключевые слова: разливка стали, формирование отложений, включения, дендриты, пластинчатые включения, ингибирование, кластеризация, адсорбционно-сольватный фактор, анизометрия, кристаллизационный рост, переконденсация. 11ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 3-4 (310-311) ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ наличии соответствующих равновесных условий они способны дорастать или перекристаллизовываться до полногранных кристаллов. Пластинчатые, так же как и дендритные включе- ния, являются продуктами кристаллизационного ро- ста. Можно предположить, что пластинчатые вклю- чения имеют сходную с дендритами природу образо- вания, то есть являются разновидностью дендритной морфологии, а наблюдаемое между ними морфоло- гическое отличие обусловлено различием в условиях формирования. В частности, доказано, что это связа- но с сильным ингибированием роста граней в одном из кристаллографических направлений поверхност- но активными (ПА) примесями в железе (кислород, сера, азот и др.) [10, 11]. Интенсивность ингибирова- ния той или иной грани кристаллического включения определяется величиной ее поверхностной энергии, зависящей от особенностей атомной структуры по- верхности граней. Максимальная адсорбция ПА- примеси и, соответственно, минимальная скорость роста будет наблюдаться на гранях с минимальным поверхностным натяжением. Установлено также, что перемешивание расплава усиливает действие ПА- примесей и способствует образованию пластинчатых включений [11]. Кластеры из кристаллических включений в ста- ли при определенных условиях, например, при на- рушении режима продувки металла в ковше, могут приобретать макроскопические масштабы (до 3 мм), что заметно ухудшает ее качество и может, вероятно, являться причиной формирования отложений [4; 12; 13, с. 160]. Крупные кластеры могут попадать в не- прерывнолитую сталь в результате их периодическо- го отрыва от поверхности разливочных огнеупоров, поскольку этот морфологический тип в составе отло- жений занимает значительную долю. Последнее об- стоятельство хорошо согласуется с известной склон- ностью Al2O3-содержащих включений интенсивно об- разовывать кластеры на межфазных границах [14, с. 14; 5]. Формирование кластеров, таким образом, яв- ляется, предположительно, одним из этапов форми- рования отложений. Тогда исследования механизма кластеризации можно считать составной частью раз- работки новой физико-химической модели форми- рования отложений. В этой связи следует отметить, что многие исследователи отмечают, что понимание механизма кластеризации кристаллических включе- ний Al2O3 в стали является критически важным, а ис- следования в этом направлении – приоритетными [5, 11, 15, 16]. В отсутствие же удовлетворительных мо- дельных представлений по процессам кластеризации при рассмотрении вопросов, связанных с кластерами в стали, некоторые исследователи вынужденно ис- пользуют положения фрактальной теории. Известно, что коралло-подобные кластеры, явля- ясь продуктом коагуляции кристаллических индиви- дов, также как дендритные и пластинчатые включе- ния, формируются в условиях развитой турбулент- ности и значительных химических пересыщений [10], то есть в неравновесных условиях. Учитывая, что размер большинства индивидуальных включений, из и 3) наличия примесей в маточном растворе. Кри- сталлы при росте приобретают ту или иную форму в результате взаимодействия между процессами теп- ло- и массопереноса, а также кинетическими явле- ниями на поверхности раздела фаз. Условия роста определяются величиной химического пересыщения и соотношением реагентов, интенсивностью и на- правленностью массообменных процессов в зоне реакции. При определенных условиях (значительные градиенты пересыщения и температуры, наличие вектора диффузии, присутствие примесей, анизо- тропная форма кристалла, вязкость маточной фазы и др.) равновесная форма кристалла теряет смысл, и возникают его неравновесные формы, в частности дендритные. Значительное пересыщение в этих ус- ловиях обеспечивается у вершин и ребер кристалла и меньше – по центру граней. Зарождение на верши- нах и ребрах новых слоев роста опережает их раз- растание по граням, отчего возникают незаросшие промежутки в теле кристалла. При их опережающем росте происходит также оттеснение примесей от вер- шин и ребер на грани кристалла, что также тормозит рост последних. Применительно к морфологии включений в стали многие из указанных показателей зависят от техно- логических и других факторов ее производства, на- пример, от вида и количества используемых раскис- лителей, последовательности их ввода, активности кислорода в стали на выпуске, интесивности продув- ки металла и длительности выдержки плавки в ковше и др. [3, 6, 8]. Экспериментально подтверждено, что продукты раскисления стали алюминием могут иметь дендрит- ную морфологию при одновременном соблюдении 3-х условий [9, с. 60]: – высокой степени химического пересыщения ме- талла реагентами; – наличия определенного соотношения их концен- траций; – существования вектора диффузии реагентов. Для сравнения отметим, что формирование идио- морфных включений требует пониженного содержа- ния растворенного кислорода в стали при высокой степени химического пересыщения компонентов ре- акции и равномерном по всем направлениям подво- де их к растущему кристаллу. Для дендритных форм роста характерно проис- ходящее по определенным законам расщепление ребер или вершин скелетного кристалла, что может быть обусловлено наличием различного рода при- месей и дефектов на поверхности граней [7]. Изна- чальная кристаллографическая закономерность ро- ста кристалла при дендритном росте утрачивается. Следствием этого является формирование кристал- лографически разупорядоченных субиндивидов, об- разующих индивидуальный кристалл. Они ветвятся и разрастаются в направлении наиболее интенсивного массопереноса к их поверхности питающего матери- ала. Дендриты, представляя энергетически неустой- чивые системы с высокой поверхностной энергией, стабильны только в момент их формирования. При 12 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 3-4 (310-311) ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ которых образованы кластеры в стали, находится в диапазоне 1–4 мкм [6], а также рост скорости образо- вания кластеров с ростом степени турбулентности по- токов, можно считать, что коагуляция при кластериза- ции является преимущественно ортокинетической [9, с. 77]. Можно предположить, что коралло-подобные кластеры в стали формируются в зонах с изотропной турбулентностью при отсутствии определенного на- правления турбулентной диффузии. Напротив, в от- ложениях коралло-подобные кластеры могут форми- роваться в условиях, когда направление набегающих потоков к поверхности разливочных огнеупоров в локальных зонах изменяется незначительно. Эти от- личия в условиях формирования коралло-подобных кластеров обуславливают указанные в Сообщении 1 некоторые различия в строении коралло-подобных кластеров в стали и в отложениях. При этом следует учитывать, что локальные тур- булентные характеристики потока в различных обла- стях огнеупоров из-за существования зон отрывных, обратных течений и других особенностей могут за- метно отличаться, что не может не влиять как на мор- фологические особенности включений уже в соста- ве отложений, так и на скорость их формирования. Известно, например, что для зон отрывных течений, где гидродинамические параметры потоков очень не- стабильны, характерно наиболее интенсивное фор- мирование отложений [12, 14]. Для объяснения различной склонности к класте- ризации разных морфологических типов кристалли- ческих Al2O3-содержащих включений в стали иссле- дователями из Левенского университета (Бельгия) было предложено использовать «кавитационный» механизм [15, 16]. Суть «кавитационного» ме- ханизма состоит в том, что в несмачивающихся дисперсных системах жидкость может самопроиз- вольно выталкиваться из зазора между двумя разъ- единяемыми частицами, образуя кавитационную полость с разрежением. Предложенный механизм, на наш взгляд, является достаточно дискуссион- ным. Важно, в частности, отметить, что возникно- вение кавитационной полости, препятствующей нарушению коагуляционного контакта между пло- хо смачиваемыми сталью включениями, возможно только на этапе их разъединения. То есть этап их сближения и формирования коагуляционного кон- такта включений остается вне поля зрения. Кроме того, при расчетной оценке кавитационного эффек- та используются схемы контакта включений разной морфологии по вариантам «сфера-сфера», «пло- скость-сфера», «плоскость-плоскость», где под плоскостью подразумевается грань идиоморфного или пластинчатого включения. В реальности же контакт, например сферических с идиоморфными или пластинчатыми включениями происходит, как правило, по вершинам и ребрам многогранников и боковым кромкам пластинчатых включений (рис. 1). Этот факт авторами «кавитационного» механизма кластеризации включений в стали, к сожалению, не принят во внимание. Особенности контактирования Al2O3-содержащих включений в стали [3, 11, 15]: a, б – сфера-полиэдр; в – поли- эдр-полиэдр; г – пластинчатое включение-полиэдр и пластинчатое-пластинчатое включения (пластинчатые включения показаны стрелками) Рис. 1. a в б г 13ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 3-4 (310-311) ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ Кроме того, в расчетных оценках прочности кон- такта авторы не учитывают фактор динамического воздействия со стороны потоков. Поскольку фор- мирование кластеров, как отмечалось выше, про- исходит в условиях интенсивной конвекции и раз- витой турбулентности как при раскислении стали на выпуске, так и при формировании отложений в разливочных огнеупорах, то необходимость учета фактора гидродинамики при выполнении расчетов по «кавитационному» механизму кластеризации пред- ставляется достаточно обоснованным замечанием. В модельных представлениях по кластеризации кристаллических включений в стали, сопровождаю- щейся образованием характерных пространствен- ных структур, на наш взгляд, следует исходить из следующих базовых принципов: 1. На поверхности кристаллических включений в стали, являющихся в ней диспергированной фазой, имеются адсорбционные слои и смачивающие (соль- ватные) пленки [13, с. 167–169; 17; 9; 18, с. 184], что придает стали свойства структурированной жидкости, не подчиняющейся законам Эйнштейна и Ньютона для течения жидкостей. Адсорбционно-сольватный фактор крайне характерен для дисперсных систем [19, 20, 21]. Средняя расчетная толщина таких пленок для включений Al2O3 в стали при T = 1550 °C состав- ляет, например, 46 мкм [22]. Эти пленки имеют высо- кую устойчивость и являются своего рода барьером, который препятствует непосредственному контакту и быстрой коагуляции включений [18, c. 183; 21]. 2. Al2O3-содержащие включения в стали имеют преимущественно анизометрическую форму вслед- ствие бочковидного объемного, иногда уплощенного габитуса кристаллов корунда (гексаэдрические бипи- рамиды, в том числе усеченные, призмы и пластины псевдогексагонального облика [7]), что способствует их кластеризации и формированию характерной для коралло-подобных структур в стали пространствен- ной конфигурации. 3. Грани кристаллов энергетически неравноцен- ны, что обусловлено различиями в атомной структу- ре и количестве ненасыщенных электронных связей поверхности граней, определяющих величины их поверхностных энергий. Из-за анизотропии каждая грань, согласно закону Г. Вульфа, имеет характерную для нее поверхностную энергию [21]. Равновесная форма кристаллов является результатом стремле- ния к минимуму их поверхностной энергии. 4. С течением времени происходит трансформа- ция первичных кластеров по механизму Оствальдов- ского созревания из структур коагуляционного типа в структуры конденсационно-кристаллизационного типа, сопровождающаяся их упрочнением. Наличие на преимущественно лиофилизирован- ной поверхности анизометрических кристаллов отно- сительно лиофобных участков выступает в качестве существенного условия образования разветвленных пространственных структур из них, поскольку точеч- ные контакты и формирование первичных кластер- ных цепочек возникают именно по этим лиофобным участкам. Центры точечных контактов возникают на участках с высокой кривизной поверхности, а имен- но по ребрам, углам, а также торцевым участкам кристаллов, где имеются максимумы поверхностной энергии, а действие адсорбционно-сольватного фак- тора ослаблено [21]. В то же время у сферических Al2O3-содержащих включений, которые демонстриру- ют в стали высокую устойчивость к кластеризации, сольватная оболочка однородна по всей поверхно- сти включения, что создает сплошной и равномер- ный экранирующий эффект и не способствует обра- зованию стабильных контактов между включениями. На первом этапе формирования кластеров (агре- гатов) из кристаллических включений в стали они представляют структуры коагуляционного типа, где первичный контакт между включениями, обуслов- ленный вандерваальсовыми силами, характеризует- ся относительно невысокой прочностью. На втором этапе, предположительно, происходит их трансфор- мация из структур коагуляционного типа в более прочные структуры конденсационно-кристаллизаци- онного типа. Упрочнение достигается в результате зарастания узких перешейков в местах первичных коагуляционных контактов включений вследствие пе- реконденсации, обусловленной действием эффекта Гиббса–Томсона (Кельвина), с образованием более прочных химических связей. При этом происходит утрата исходной геометрии входящих в них включе- ний разной морфологии. В частности, растворяются вершины и ребра кристаллов, утолщаются области их контактов, и формируется характерный для корал- ло-подобных кластеров облик (рис. 2). Упрочнение кластеров нивелирует фактор гидродинамики, что способствует заметному увеличению их размеров по сравнению с первичными агрегатами. Насколько нам известно, такой механизм кластеризации кристалли- ческих Al2O3-содержащих включений в стали предло- жен впервые. Таким образом, в соответствии с преобладающи- ми морфологическими типами включений и структур, присутствующих в отложениях, формирование по- следних происходит по механизмам: 1) кластериза- ции (коагуляция в сочетании с последующей пере- конденсацией) индивидуальных включений с различ- ной морфологией, образовавшихся непосредственно в процессе разливки; 2) кристаллизационного роста Типичная структура коралло-подобного кластера Al2O3-содержащих включений в стали [5] Рис. 2. 14 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 3-4 (310-311) ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ 1. Rackers, K.G., Thomas, B.G. Clogging in continuous casting nozzles. 78th Steelmaking Conference Proceedings, USA. 1995. Vol. 78. P. 723-734. URL: http://ccc.illinois.edu/publications.html. 2. Smith, J.D., Peaslee, K.D., Van Aken, D.C. Steelmaking nozzles that resist clogging. Final report. University of Missouri at Rolla. USA. Jule 2006. 275 p. 3. Dekkers, R., Blanpain, B., Wollants, P. et al. Non-metallic inclusions in aluminium killed steels. Ironmaking and Steelmaking. 2002. Vol. 29. No. 6, P. 437. 4. Thomas, B.G. et al. Tundish Nozzle Clogging – application of computational models. 18rd PTD Conf. Proc., USA. 2001. Vol. 18. URL: http://ccc.illinois.edu/publications.html. 5. Zhang, L., Thomas, B.G. Inclusions in continuous casting of steel. XXIV National Steelmaking Symposium, Mexico. 2003. P. 138–183. URL: http://ccc.illinois.edu/publications.html. ЛИТЕРАТУРА (конденсациии). Первый механизм распространяется на кластерные структуры, второй – на дендритные и пластинчатые структуры. Некоторые исследователи считают, что преимущественным механизмом фор- мирования отложений является механизм кристал- лизационного (диффузионного) роста включений [10]. В процессе эволюции отложений, вероятно, мо- жет происходить срастание (зарастание) присутству- ющих в отложениях структур разных морфологиче- ских типов. Согласно хорошо согласующихся с данными экс- периментальными исследованиями результатов численного моделирования процессов нуклеации и роста включений Al2O3 при раскислении стали, бази- рующегося на термодинамическом анализе и класси- ческой теории гомогенного зарождения и роста но- вой фазы, длительность формирования включений с размерами несколько десятков мкм, характерных для дендритов, составляет до 100 с [6]. Этот период времени заметно превосходит длительность нахож- дения металла в разливочных огнеупорах. Следова- тельно, дендритные и пластинчатые включения, ха- рактерные для отложений и формирующиеся по ме- ханизму кристаллизационного роста, не могут быть ни продуктами раскисления, ни вторичного окисления стали, например на участке «промковш-кристалли- затор». Они, очевидно, могут формироваться непо- средственно на межфазной поверхности «огнеупор (отложения) – расплав» в разливочных огнеупорах, где должны быть значительное химическое пересы- щение реагентов и вектор их диффузии. Время формирования небольших (до 2–5 мкм) включений, в том числе идиоморфных, согласно упо- мянутым выше результатам моделирования, не пре- вышает 6 с [6]. Учитывая, что: 1) диапазон (2–5) мкм полностью соответствует размерам входящих в кла- стеры индивидуальных кристаллов; 2) длительность коагуляции и срастания включений размером 10 мкм между собой не превышает 0,03 с [1], можно заклю- чить, что к морфологическим типам включений, ко- торые способны формироваться непосредственно в разливочных огнеупорах, например, в рециркуляци- онных зонах погружных стаканов, можно отнести: 1) мелкие одиночные включения; 2) кластеры, состоя- щие из таких включений. Учитывая фактические тем- пературы разливки и размер включений (до 2–5 мкм), входящих в состав кластеров, время формирования и коагуляции (спекания) включений будет меньше указанных выше временных интервалов – соответ- ственно, 6 и 0,03 с. Это предположение хорошо согласуется с резуль- татами промышленных исследований, которые, как отмечалось ранее, показали: 1) заметную склонность Al2O3 включений к кластеризации на межфазных гра- ницах; 2) присутствие коралло-подобных кластеров в стали практически сразу после присадки алюминия на выпуске плавки [3, 10]. Выводы В работе, на основании уточненных представле- ний о закономерностях формирования различных морфологических типов включений, присутствующих в стали и отложениях, а также результатов промыш- ленных исследований и численного моделирования процессов нуклеации и роста включений Al2O3 при раскислении стали, обосновано предположение о том, что формирование отложений может проис- ходить по двум механизмам: 1) кластеризации ин- дивидуальных включений, образовавшихся в не- посредственно в процессе разливки; 2) кристалли- зационного роста преимущественно дендритных и пластинчатых структур непосредственно на межфаз- ной поверхности «огнеупор (отложения) – расплав». Учитывая, что процесс кластеризации кристал- лических включений Al2O3 в стали можно считать со- ставной частью формирования отложений, авторами впервые предложены базовые принципы механизма кластеризации кристаллических Al2O3-содержащих включений в стали. Их использование дает возмож- ность объяснить особенности формирования и стро- ения таких кластеров. С учетом полученных выводов уточнены контуры предлагаемой к разработке (Сообщение 1), в допол- нение к существующим, новой физико-химической модели явления формирования отложений в огне- упорах при разливке стали. Основные результаты и принципиальные отличия по новой модели будут представлены в следующих номерах журнала. 15ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 3-4 (310-311) ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ 1. Rackers, K.G., Thomas, B.G. (1995). Clogging in continuous casting nozzles. 78th Steelmaking Conference Proceedings, USA, vol. 78, pp. 723–734 URL: http://ccc.illinois.edu/publications.html [in English]. 2. Smith, J.D., Peaslee, K.D., Van Aken, D.C. (2006). Steelmaking nozzles that resist clogging. Final report. University of Missouri at Rolla, USA. 275 p. [in English]. 3. Dekkers, R., Blanpain, B., Wollants, P. et al. (2002). Non-metallic inclusions in aluminium killed steels. Ironmaking and Steelmaking, vol. 29, no. 6, p. 437 [in English]. 4. Thomas, B.G. et al. (2001). Tundish nozzle clogging – application of computational models. 18rd PTD Conf. Proc., Baltimore, USA, vol. 18, URL: http://ccc.illinois.edu/publications.html [in English]. 5. Zhang, L., Thomas, B.G. (2003). Inclusions in continuous casting of steel. XXIV National Steelmaking Symposium, Mexico, pp. 138–183 URL: http://ccc.illinois.edu/publications.html [in English]. 6. Zhang, L., Pluschkell, W., Thomas, B.G. (2002). Nucleation and growth of alumina inclusions during steel deoxidation. 85th Steelmaking Conference, USA, vol. 85, ISS, pp. 463–476, URL: http://ccc.illinois.edu/publications.html [in English]. 7. Cherkasova, T.Yu. (2014). Basics of crystallography and mineralogy: a tutorial. Tomsk Polytechnic University. Tomsk: TPU Publishing House, 207 p. [in Russian]. 8. Van Ende, M.-A., Guo, M., Proost, J. et al. (2011). Formation and morphology of Al2O3 inclusions at the onset of liquid Fe deoxidation by Al addition. ISIJ Int, vol. 51, no. 1, pp. 27–34 [in English]. 9. Povolotskiy, D.Ya. (1972). Deoxidation of steel. Moscow: Metallurgiya, 208 p. [in Russian]. 10. Dekkers, R., Blanpain, B., Wollants, P. et al. (2003). A morphological comparison between inclusions in aluminium killed steels and deposits in submerged entry nozzle. Steel Research, vol. 74, no. 6, pp. 351–355 [in English]. 11. Zheng, L., Malfliet, A., Wollants, P. et al. (2015). Effect of interfacial properties on the clustering of alumina inclusions in molten iron. ISIJ Int., vol. 55, pp. 1891–1900 [in English]. 12. Development of submerged entry nozzles that resist clogging. (2002). Final Report. AISI. Pittsburgh, USA, 229 p. [in English]. 13. Grigoryan, V.A., Belyanchikov, L.N., Stomakhin, A.Ya. (1987). Theoretical foundations of the electric steel melting processes. Moscow: Metallurgiya, 272 p. [in Russian]. 14. New strategies for clogging prevention for improved productivity and steel quality (2012). Final report. Luxembourg: Publications Office of the EU, 182 p. [in English]. 15. Zheng, L., Malfliet, A., Wollants, P. et al. (2016). Effect of alumina morphology on the clustering of alumina inclusions in molten iron. ISIJ Int, vol. 56, iss. 6, pp. 926–935 [in English]. 16. Zheng, L. (2016). Effect of interfacial properties on the characteristics of non-metallic inclusions in steel. Ph.D. Thesis, Leuven Catholic University, Belgium, 232 p. [in English]. REFERENCES 6. Zhang, L., Pluschkell, W., Thomas, B.G. Nucleation and growth of alumina inclusions during steel deoxidation. 85th Steelmaking Conference, USA. 2002. Vol. 85, ISS. P. 463–476. URL: http://ccc.illinois.edu/publications.html. 7. Черкасова Т.Ю. Основы кристаллографии и минералогии: учебное пособие. Томский политехнический университет. Томск: ТПУ. 2014. 207 с. 8. Van Ende, M.-A., Guo, M., Proost, J. et al. Formation and morphology of Al2O3 inclusions at the onset of liquid Fe deoxidation by Al addition. ISIJ Int, 2011. Vol. 51. No. 1. P. 27–34. 9. Поволоцкий Д.Я. Раскисление стали. М.: Металлургия. 1972. 208 с. 10. Dekkers, R., Blanpain, B., Wollants, P. et al. A morphological comparison between inclusions in aluminium killed steels and deposits in submerged entry nozzle. Steel Research. 2003. Vol. 74. No. 6. P. 351–355. 11. Zheng, L., Malfliet, A., Wollants, P. et al. Effect of interfacial properties on the clustering of alumina inclusions in molten iron. ISIJ Int. 2015. Vol. 55. P. 1891–1900. 12. Development of submerged entry nozzles that resist clogging. Final Report. AISI. Pittsburgh. USA. Oct. 2002. 229 p. 13. Григорян В.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. М.: Ме- таллургия. 1987. 272 с. 14. New strategies for clogging prevention for improved productivity and steel quality. Final report. Luxembourg: Publications Office of the EU. 2012. 182 p. 15. Zheng, L., Malfliet, A., Wollants, P. et al. Effect of alumina morphology on the clustering of alumina inclusions in molten Iron. ISIJ Int. 2016. Vol. 56. Iss. 6. P. 926–935. 16. Zheng, L. Effect of interfacial properties on the characteristics of non-metallic inclusions in steel. Ph.D. Thesis, Leuven Catholic University, Belgium. 2016. 232 p. 17. Дубоделов В.И., Смирнов А.Н., Ефимова В.Г. и др. Гидродинамические и физико-химические процессы в промежуточ- ных ковшах для непрерывного литья стали. Киев: Наукова думка. 2018. 264 с. 18. Явойский А.В., Харлашин П.С., Чаудри Т.М. Научные основы современных сталеплавильных процессов. Мариуполь: ПГТУ. 2003. 276 с. 19. Баум Б.А., Хасин Г.А., Тягунов Г.В. и др. Жидкая сталь. М.: Металлургия. 1984. 208 с. 20. Писарский С.Н., Смирнов А.Н., Рябый Д.В. и др. Оценка технологических возможностей стабилизации скорости раз- ливки открытой струей на современной сортовой МНЛЗ. Металл и литье Украины. 2018. № 3–4. С. 28–33. 21. Вережников В.Н. Избранные главы коллоидной химии. Воронеж: ИПЦ ВГУ. 2011. 188 с. 22. Новохатский И.А., Шульте А.Ю., Ярошенко И.В. Формы существования и всплываемость оксидных дисперсий в жид- ких металлах. Изв. вузов. Черная металлургия. 2001. № 9. С. 3–7. Поступила 04.04.2019 16 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 3-4 (310-311) ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ Summary Received 04.04.2019 S.N. Pisarskii1, Engineer of continuous casting machine (CCM), e-mail: serge.pisarsky@gmail.com; A.N. Smirnov2, Doctor of Engineering Sciences, Prof., Leading Researcher, e-mail: stalevoz@i.ua 1Standart Metallurgical Company, Lagos, Nigeria 2Physico-technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine Анотація С.М. Писарський1, інженер машини безперервного лиття заготовок (МБЛЗ), e-mail: serge.pisarsky@gmail.com; О.М. Смірнов2, д-р техн. наук, проф., пров. наук. співр., e-mail: stalevoz@i.ua 1Standart Metallurgical Company, Лагос, Нігерія 2Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, Україна Дослідження сучасних уявлень про природу формування відкладень в вогнетривах при розливаннi сталі. Повідомлення 2 У Повідомленні 2 (Повідомлення 1, «Металл и литье Украины» № 1–2, 2019) продовжено аналітичні дослідження з важливих і мало вивчених аспектів формування відкладень в вогнетривах систем розливання. Оскільки відкладення складаються, в основному, з корало-подібних кластерів, дендритних та близьких до них пластинчастих структур, а також, з огляду на різноманіття і в ряді випадків суперечливість уявлень щодо механізмів їх формування, в статті проаналізовано чинники і закономірності формування цих морфологічних типів. Показано, що при формуванні кристалічних структур пластинчастого типу важливу роль відіграє явище інгібування окремих граней кристалів поверхнево-активними в залiзі домішками. Беручи до уваги результати промислових досліджень і чисельного моделювання процесів нуклеації і зростання включень Al 2 O 3 при розкисленні сталі, у Повідомленні 2 обґрунтовано висновок про те, що дендритні і пластинчасті структури в відкладеннях не можуть бути результатом осадження ні продуктів розкислення, ні вторинного окислення сталі. Вони можуть формуватися безпосередньо на міжфазній поверхні «вогнетрив (відкладення) – розплав» в вогнетривах систем розливання за механізмом кристалізаційного зростання. Відносно корало-подібних кластерів з урахуванням наявних критичних зауважень до відомого «кавітаційного» механізму кластеризації кристалічних Al 2 O 3 -містних включень в сталі, запропоновано якісно нові підходи для розробки нової моделі кластеризації. В її рамках отримує задовільні пояснення ряд характерних особливостей формування та просторової структури таких кластерів (контакт включень анізометричної форми переважно по вершинах, ребрах, бічних крайках багатогранників і пластинчастих включень; низька схильність до коагуляції сферичних включень; висока міцність кластерів, що перешкоджає їх руйнуванню в турбулентних потоках та ін.). Показано, що процес кластеризації є складовою частиною формування відкладень. Результати виконаних досліджень дозволили уточнити контури пропонованої до розробки нової фізико-хімічної моделі явища формування відкладень в вогнетривах при розливанні сталі. Ключові слова Розливання сталі, формування відкладень, включення, дендрити, пластинчасті вклю- чення, інгібування, кластеризація, адсорбцiонно-сольватний фактор, анізометрія, кристалізаційне зростання, переконденсація. 17. Dubodelov, V.I., Smirnov, A.N., Yefimova V.G. et al. (2018). Hydrodynamic and physico-chemical processes in tundishes for continuous casting of steel. Kyiv: Naukova dumka, 264 p. [in Russian]. 18. Yavoyskiy, A.V., Kharlashin, P.S., Chaudri, T.M. (2003). Scientific bases of modern steelmaking processes. Mariupol’: publishing house PSTU, 276 p. [in Russian]. 19. Baum, B.A., Khasin, G.A., Tiagunov, G.V. et al. (1984). Liquid steel. Moscow: Metallurgiya, 208 p. [in Russian]. 20. Pisarskii, S.N., Smirnov, A.N., Ryabyy, D.V. et al. (2018). Estimation of technological possibilities of the speed stabilization of casting by open jet on modern billet CCM. Report 1. Metall i lit’e Ukrainy, no. 3–4, pp. 22–27 [in Russian]. 21. Verezhnikov, V.N. (2011). Selected chapters of colloidal chemistry. Voronezh: publishing house of VSU. 188 p. [in Russian]. 22. Novokhatskiy, I.A., Shul’te, A.Yu., Yaroshenko, I.V. (2001). Forms of existence and floating of oxide dispersions in liquid metals. Izv. vuzov. Chernaya metallurgiya, no. 9, pp. 3–7 [in Russian]. 17ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2019. № 3-4 (310-311) ПРОЦЕССЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ Steel casting, formation of deposits, inclusions, dendrites, lamellar inclusions, inhibition, clus- tering, adsorption-solvation factor, anisometry, crystallization growth, recondensation.Keywords Report 2 (Report 1, “Metall i lit’e Ukrainy”, № 1–2, 2019) continued analytical studies on important and poorly studied aspects of the deposit formation in refractories for casting systems. Since the deposits consist mainly of coral-like clusters, dendritic and lamellar structures close to them, and taking into account the diversity and in some cases the inconsistency of ideas on the mechanisms of their formation, the article analyzed the factors and regularities of these morphological types formation. It has been shown that the phenomenon of inhibition of individual crystal faces by surface-active impurities in iron plays an important role in the formation of the plate type crystalline structures. Taking into account the results of industrial studies and numerical modeling of the nucleation and growth of Al 2 O 3 inclusions during the steel deoxidation, in Report 2 the conclusion is substantiated that dendritic and lamellar structures in deposits cannot be the result of deposition neither of the deoxidation product nor products of secondary oxidation of steel. They can be formed directly on the interfacial surface “refractory (deposits) – melt” in refractories for casting systems by the mechanism of crystallization growth. With regard to coral-like clusters, taking into account the available criticisms of the well-known “cavitation” clustering mechanism of crystalline Al 2 O 3 -containing inclusions in steel, qualitatively new approaches are proposed for developing a new clustering model. Within its framework, a number of characteristic features of the formation and spatial structure of such clusters are given satisfactory explanations (contact of inclusions of anisometric shape mainly along vertices, edges, lateral edges of polyhedrons and lamellar inclusions; low tendency to coagulation of spherical inclusions; high strength of clusters preventing their destruction in turbulent flows etc.). It is shown that the clustering process is an integral part of the formation of deposits. The results of the studies have permit to clarify the contours of the proposed for the development of a new physicochemical model of the phenomenon of the deposit formation in refractories during steel casting. The study of modern concepts about the nature of deposits in refractories during casting of steel. Report 2

Исследование современных представлений о природе формирования отложений в огнеупорах при разливке стали. Сообщение 2

Institution

Similar Items