Właściwości dodatków wpływające na ich przyswajanie

Temperatura topnienia dodatków

Temperatura topnienia dodatków wprowadzanych do stali odgrywa pierwszorzędną rolę w procesie ich asymilacji, decydując o tym czy dodatek będzie się roztapiał czy rozpuszczał.

Znaczenie tego parametru jest tak istotne, że w szeregu rozważaniach, stanowi on podstawę podziału dodatków stopowych na klasy i tym samym oddzielnego rozpatrywania mechanizmu przyswajania dodatków w poszczególnych klasach. Generalnie podział ten opiera się na wzajemnej relacji temperatury kąpieli metalowej i temperatury topnienia dodatku. Zasadniczo dodatki dzieli się na dwie podstawowe klasy, a mianowicie:

I klasa - dodatki o temperaturze topnienia niższej niż temperatura krzepnięcia stali II klasa - dodatki o temperaturze topnienia wyższej niż temperatura krzepnięcia stali W rzeczywistości podział ten nie jest tak jednoznaczny ze względu na spotykane w publikacjach odmienne kryteria podziału dodatków. Oprócz wspomnianego kryterium różnicującego dodatki w zależności od tego czy temperatura topnienia dodatku jest niższa czy wyższa od temperatury krzepnięcia stali [36, 60, 61] stosuje się podział uzależniony od tego czy temperatura topnienia dodatku jest wyższa czy niższa od rzeczywistej temperatury stali w kadzi [51, 62, 63] i bierze pod uwagę reakcje egzotermiczne. W bardziej precyzyjnym ujęciu pierwszego kryterium pod uwagę bierze się relację pomiędzy temperaturą likwidus dodatku, a temperaturą solidus kąpieli [64].

Pierwsze kryterium, bazujące na temperaturze krzepnięcia stali, jest bardziej arbitralne i pozwala jednoznacznie przypisać dodatki do poszczególnych klas, przynajmniej dla danej grupy gatunkowej stali. Drugie jest mniej jednoznaczne i powoduje, że ten sam dodatek może należeć do różnych klas w zależności od stopnia przegrzania stali ponad temperaturę krzepnięcia, ale lepiej oddaje rzeczywisty charakter przyswajania (topienie, rozpuszczanie).

W praktyce różnica pomiędzy oboma podziałami ma znaczenie tylko dla grupy dodatków o temperaturze topnienia zbliżonej do temperatury topnienia stali, a dla pozostałych nie ma specjalnego znaczenia i czasami ci sami autorzy w zależności od publikacji posługują się obydwoma definicjami, a nawet zdarza się, że wykazują brak konsekwencji, używając obu definicji w jednej publikacji [65]. Stosuje się również podział na trzy klasy, który uwzględnia zachodzenie reakcji egzotermicznych.

Bardziej szczegółowe omówienie podziału na klasy i różnice w sposobie przyswajania dodatków w poszczególnych klasach przedstawiono, w powiązaniu z opisem mechanizmu roztapiania i rozpuszczania dodatków stopowych, w rozdziale 4.1.2 Należy nadmienić, że stosuje się również inne podziały dodatków. Sformułowano na przykład podział oparty na relacjach pomiędzy temperaturą topnienia dodatku, a temperaturą krzepnięcia stali

i rzeczywistą temperaturą stali. Wydzielono trzy grupy obejmujące dodatki łatwo topliwe, trudnotopliwe i bardzo trudnotopliwe [66]. Pierwsza obejmuje dodatki o temperaturze topnienia niższej niż temperatura krzepnięcia stali, do której się je wprowadza. Do grupy drugiej zaliczono dodatki, których temperatura topnienia leży pomiędzy temperaturą krzepnienia stali, a jej rzeczywistą temperaturą w kadzi, a do trzeciej grupy dodatki o temperaturze topnienia wyższej niż temperatura ciekłej stali. Jak z powyższego wynika jest to podział w którym pierwsza grupa jest zdefiniowana jednoznacznie lecz do drugiej lub trzeciej grupy mogą być przypisywane te same dodatki w zależności od przegrzania stali i tym samym też nie są jednoznacznie sklasyfikowane.

Właściwości termofizyczne dodatków oraz reakcje egzotermiczne zachodzące

podczas ich roztapiania i rozpuszczania

Własności termofizyczne, obejmujące przewodność cieplną i ciepło właściwe oraz ciepło topnienia i przemian polimorficznych, wpływają w mniejszym lub większym stopniu na czas oraz sposób roztapiania lub rozpuszczania dodatków stopowych.

Przewodność cieplna odgrywa wśród własności termofizycznych wiodącą rolę, wpływając na proces przyswajania dodatków stopowych. W zależności od tego parametru roztapianie może przebiegać w różny sposób oraz w innym czasie [36, 51, 61, 63, 67, 68]. Generalnie wyższa przewodność cieplna sprzyja szybszemu roztapianiu się dodatków [68].

Ciepło topnienia i przemian polimorficznych oraz ciepło właściwe także rzutują na proces roztapiania. Ich znajomość jest konieczna do wyznaczenia czasu roztapiania [61, 67].

Przykładowo różnica pomiędzy dodatkami krzemomanganu a żelazokrzemu w przyroście entalpii związanej z podgrzaniem ich do temperatury 1500 °C powoduje, że FeMn roztapia się o ok. 30% dłużej [61].

Wpływ własności termofizycznych na proces roztapiania należy rozpatrywać łącznie, gdyż np. duże ciepło właściwe dodatku może nie utrudnić szybkiego nagrzania go, jeżeli jest powiązane z dobrą przewodnością cieplną.

Oprócz własności termofizycznych znaczący wpływ na sposób i czas przyswajania wprowadzanych do ciekłej stali dodatków mogą mieć reakcje egzotermiczne. Wprowadzane do ciekłej stali dodatki stopowe mieszają się z nią tworząc z żelazem związki międzymetaliczne. W wielu przypadkach procesowi temu towarzyszy wydzielanie ciepła.

Efekt egzotermiczny o różnym stopniu nasilenia towarzyszy tworzeniu związków międzymetalicznych pomiędzy żelazem i wieloma metalami wprowadzanymi do stali. Należą do nich między innymi: kobalt, nikiel, krzem, chrom, molibden, wanad, niob, tantal, tytan i wolfram [51, 62, 69].

Ogólnie reakcje tworzenia takich związków międzymetalicznych na bazie żelaza można opisać równaniem [69]:

x Fe + y Me = Fe

Me

(7)

Wprowadzanie żelazostopów w odróżnieniu od czystych pierwiastków powoduje z reguły mniejszy efekt cieplny. Wynika to z tego, że wprowadzany żelazostop zawiera już pewną, (zależną od składu) ilość związku międzymetalicznego.

Możliwa jest również sytuacja, że wprowadzany żelazostop ma skład odpowiadający

ściśle związkowi międzymetalicznemu i jego mieszaniu z żelazem nie będzie towarzyszył

Oprócz wprowadzania dodatków stopowych w postaci kawałkowej stosuje się również sprasowane lub wprowadzane w drucie rdzeniowym mieszaniny proszków dwóch różnych pierwiastków lub stopów. Dodatki te mogą przyjmować postać sprasowanych brykietów [71, 72, 73] lub też stanowić wypełnieniu drutu rdzeniowego [51, 63]. Stosowanie takich sproszkowanych dodatków ma na celu uzyskanie maksymalnego efektu egzotermicznego, a co za tym idzie skrócenie czasu koniecznego na roztopienie i tym samym szybsze przyswojenie wprowadzanego składnika stopowego.

Innego typu reakcje egzotermiczne mogą wystąpić w specjalnie przygotowanych mieszankach stanowiących np. wypełnienie drutów rdzeniowych, w których zachodzi reakcja redukcji tlenków. W wyniku tych reakcji nie tylko wydziela się duża ilość ciepła, ale przede wszystkim powstaje materiał, który ma stanowić dodatek stopowy [74, 75]. Ze względu na podobieństwo do opisanych poprzednio reakcji mikroegzotermicznych, dodatki takie można zaliczyć do tej samej grupy, jako pewna ich odmiana.

Właściwości fizyczne dodatków i ich wpływ na szybkość przyswojenia

Z własności fizycznych należy wymienić wielkość, kształt i gęstość, jako te, które mają istotny wpływ na czas przyswajania dodatków wprowadzanych do ciekłej stali.

Kawałki o większych rozmiarach, ale o tym samym kształcie będą wymagały dłuższego czasu na całkowite roztopienia lub rozpuszczenie niż małe [45, 46, 51, 76, 77], a ponadto wielkość wpływa również na przebieg roztapiania (np. mniejsze kawałki ulegną całkowitemu roztopieniu zanim zaniknie otaczające je warstwa zakrzepłej stali, a większe mogą ulec w tym czasie tylko częściowemu roztopieniu) [60, 61].

Kształt decyduje o stosunku powierzchni kontaktu kawałka dodatku z ciekłą stalą do masy tego kawałka. Wynika z tego, że dodatki o kształcie kuli będą się rozgrzewały i topiły wolniej niż płaskie lub o nie regularnym kształcie [64]. Także jakość powierzchni odgrywa pewna rolę w procesie roztapiania dodatków. Chropowata lub zanieczyszczona powierzchnia może utrudnić transport ciepła, pomiędzy dodatkiem i warstwą zakrzepłej stali, co sprzyja szybkiemu zanikowi tejże warstwy i tym samym przy nie zmienionych pozostałych warunkach w końcowym efekcie skraca czas roztapiania [60].

Pośredni wpływ na roztapianie dodatków stopowych ma ich gęstość, gdyż decyduje o zanurzeniu dodatku w ciekłej stali [69, 76].

Niezależnie od fizycznych własności komponentów żelazostopu, ilość masy w jednostce objętości zależy również od porowatości danego materiału. Niższe stopień zagęszczenia materiału dodatku będący wynikiem porowatości prowadzi do skrócenia czasu roztapiania (mniejsza masa do roztopienia). Z drugiej strony porowaty materiał charakteryzuje się mniejszym przewodnictwem cieplnym, co wydłuża czas roztapiania. Zachodzi tym samym wzajemne znoszenie się wpływów dwóch czynników [68].

Porównanie czasów roztapiania żelaza gąbczastego i zwartego prowadzi do wniosku,

że w tym przypadku silniejsze oddziaływanie ma zmniejszenie masy, gdyż żelazo gąbczaste roztapia się szybciej – rys. 22.

Rys. 22. Całkowity czas roztapiania kul żelaznych o różnej porowatości w funkcji początkowego promienia [68]

W bardziej szczegółowych i mających znaczenie teoretyczne rozważaniach uwzględnia się także wpływ gęstości wprowadzanego dodatku po roztopieniu na rozkład (przepływ) jego fazy ciekłej wywołany grawitacją i siłami wyporu w warunkach konwekcji naturalnej [67, 58]. Brany pod uwagę jest także współczynnik rozszerzalność cieplnej [58, 60, 67] i stężeniowy współczynnik rozszerzalności [58, 67].