I. Физическата природа на металните включвания и еволюцията на системите за класификация
Металните включвания в стоманата, като „микроскопични маркери“ на металургичния процес, не само отразяват цялата история на процеса на топене, но също така се превръщат в „невидими убийци“, ограничаващи приложението на висококачествени стомани. В почти вековното -развитие на металургията, разбирането за включванията е претърпяло когнитивна промяна от „вредни и трябва да бъдат премахнати“ към „контролируеми и оптимизирани за употреба“. Изследванията в съвременната технология за чиста стомана показват, че пълното премахване на включванията не е нито икономично, нито практично; научната цел е те да бъдат контролирани в границите на безопасен размер и благоприятна морфология.
Според съвременната класификационна система, основана на механизмите на образуване, металните включвания са се развили в четири-измерна система, обхващаща „ендогенна-екзогенна-интерфейсна реакция-вторично утаяване.“ Екзогенните метални фрагменти, като най-типичните макроскопични дефекти, имат процес на образуване, изпълнен с променливи на процеса. Когато към разтопената стомана се добавят добавки от-сплав-с висока точка на топене (като фероволфрам, феромолибден), на повърхността на блока се образува евтектичен разтопен филм от Fe-W или Fe-Mo. Дебелината на този филм определя скоростта на топене. Проучванията показват, че когато размерът на блока от сплав надвиши критичен размер (Dc=30 mm), скоростта на топлопреминаване на повърхностния разтопен филм е по-ниска от вътрешната скорост на топлопроводимост, създавайки феномен на "студено ядро" с температурен градиент над 200 градуса /cm. Това неразтопено ядро запазва оригиналната си кристална структура по време на последващо втвърдяване, с несъответствие на константата на решетката от 7-12% в сравнение с матрицата, образувайки естествен източник на концентрация на напрежение.
Включванията в процеса на заваряване са повторение на металургичния процес-в микроскопичен мащаб. При процеса на заваряване TIG, когато плътността на заваръчния ток падне под критична стойност (120A, съответстваща на плътност на тока от 85 A/mm²), разтопената капка, образувана на върха на волфрамовия електрод, е ограничена от баланса между повърхностното напрежение и гравитацията. Изчислителните симулации на динамиката на флуидите показват, че капчици с диаметър, по-малък от 1,5 mm, показват нестабилни осцилаторни траектории в полето на потока на аргоновия екраниращ газ. Някои капчици се отклоняват от основната посока на потока в граничния слой на заваръчната вана и се улавят от бързо втвърдяващия се заваръчен метал. Тези уловени волфрамови частици имат уникални микро-характеристики: повърхностен оксиден слой с дебелина около 50-200nm и наличие на метастабилна -W фаза вътре поради бързо охлаждане, с твърдост до 1,3 пъти по-голяма от тази на конвенционалната -W фаза.
Кате-специфичните структури, като продукти от процеса на втвърдяване, имат по-сложни механизми на образуване. Образуването на "студени затвори" включва свързването на кинетиката на окисление и динамиката на флуида. По време на изливането оксидният филм, образуван върху стоманената повърхност (главно FeO), се разкъсва и се улавя поради турбулентния поток. Експерименталните данни показват, че когато скоростта на изливане надвишава 0,8 m/s, вероятността от фрагментация на оксидния филм се увеличава три пъти. Тези оксидни фрагменти претърпяват сложни процеси на редукционно-разтваряне в стопената стомана. Непълно редуцираните части образуват богати на-кислород ядра, заобиколени от градиентни зони на състава, където градиентът на вариация на въглеродното съдържание от ядрото навън може да достигне 0,5% на 100µm.
II. Съвременната еволюция на технологията за откриване на включвания
Ограниченията на традиционните металографски тестове стават все по-очевидни в областта на съвременните материали. Съвременната технология за откриване се развива към „много-мащабни, много-модални и-на място динамични“ посоки. Основен пробив в технологията за ултразвуково изпитване е прилагането на технологията с фазова решетка. Чрез масиви от сонди с 64-128 елемента разделителната способност на откриване може да скочи от милиметър до под{10}}милиметрово ниво. Най-новите изследвания показват, че комбинирането на фокусирани сонди с технология за синтетична апертура подобрява степента на откриване за включвания на ниво 100µm-от традиционните 30% на 85%, като същевременно позволява триизмерна пространствена локализация.
Технологията за електронен микроскопски анализ претърпя революционни промени. Сканиращата електронна микроскопия с полеви емисии, комбинирана с картографиране на енергийно дисперсионна спектроскопия (EDS), може да завърши анализа на разпределението на елементите върху няколко квадратни милиметра в рамките на минути. По-усъвършенстваната техника на дифракция на обратно разсейване на електрони (EBSD) може да разкрие връзката на кристалографската ориентация между включванията и матрицата, което е от решаващо значение за разбирането на пътищата на разпространение на пукнатини. Експериментите са установили, че когато съществуват специфични връзки на ориентация (като куб-кубна ориентация) в интерфейса на матрицата на включване-, междуфазната енергия намалява с 35% и трудността на образуването на пукнатини се увеличава съответно.
Пробивите в технологията за характеризиране-в атомен мащаб предоставят нови перспективи за разбиране на природата на включванията. Томографията с атомна сонда (APT) може да реконструира три-измерното елементно разпределение с атомна резолюция. Скорошен APT анализ на интерфейса между включванията на TiN и матрицата разкри преходна зона с дебелина 2-3 nm на интерфейса. В тази зона концентрациите на Ti и N показват градиентни промени, придружени от сегрегация на елементи като C и Si. Тази микроструктура обяснява защо някои интерфейси показват изключителна устойчивост на разпространение на пукнатини.
Развитието на технологията за онлайн наблюдение променя традиционния пост{0}}режим на проверка. Система за проверка на повърхността на заготовки за непрекъснато леене, базирана на лазер-индуцирана пробивна спектроскопия (LIBS), може да анализира повърхностния състав в реално-време със скорост от 100 точки в секунда. Линейно сканираща CCD повърхностна система за инспекция, инсталирана по време на горещо валцуване, използва алгоритми за машинно обучение за идентифициране на повърхностни аномалии, причинени от включвания, с точност на идентификация над 95%. Тези-данни в реално време осигуряват ценен времеви прозорец за корекции на процеса, позволявайки преминаване от „пасивно откриване“ към „активен контрол“.
III. Физикохимични принципи на контрол на включването
Ядрото на контрола на включването се крие в разбирането на тяхното поведение в разтопена стомана. Докато законът на Стокс описва плаващото поведение на идеални сферични частици, поведението на включванията в действителната разтопена стомана е много по-сложно. Първо, коефициентът на съпротивление за не-сферичните частици е 1,5-3 пъти по-голям от този на сферичните, което води до съответно по-ниска плаваща скорост. Второ, градиентите на скоростта, причинени от конвекцията на разтопена стомана, генерират ефекта на Магнус, причинявайки странично изместване на въртящите се частици. Изчислителните симулации на динамиката на флуидите показват, че в резервоара действителната траектория на включване на Al2O3 с диаметър 50 µm е 40-60% по-дълга от идеалната траектория.
Физическата основа на технологията за електромагнитно пречистване се крие в разликата в електрическата проводимост между включванията и разтопената стомана. Когато се прилага променливо магнитно поле (честота 50-1000 Hz) към разтопена стомана, индуцираните токове се генерират по различен начин в стоманата и включенията. Теоретичните изчисления показват, че за оксидни включвания с проводимост по-малка от 1% от разтопената стомана диференциалната електромагнитна сила може да бъде 10-100 пъти гравитационната сила. Стоманена мелница, прилагаща въртящо се магнитно поле с честота 200 Hz и плътност на магнитния поток от 0,1 T, подобри скоростта на отстраняване на 20-50 µm включвания с 40%. Той също така установи значителен ефект на фрагментация върху групирания Al2O3, намалявайки средния размер на клъстера от 150 µm на 80 µm.
Оптимизирането на процесите на дезоксидация включва баланс между термодинамика и кинетика. Al2O3, генериран от традиционното дезоксидиране на алуминий, е твърд и склонен към образуване на клъстери. Третирането с калций може да трансформира Al₂O₃ в ниска{2}}точка на-топене (<1500°C) calcium aluminates. Experimental data indicates that when the Ca/Al mass ratio reaches 0.12-0.15, the proportion of liquid inclusions exceeds 80%. The more advanced magnesium-calcium composite treatment technology, by forming MgO·Al₂O₃ spinel phase, reduces its contact angle in molten steel by 15° compared to Al₂O₃, making it easier to coalesce and float.
Контролирането на повторното окисляване е основното предизвикателство на съвременната технология за чиста стомана. Контактът между разтопената стомана и въздуха само за 0,1 секунди може да увеличи съдържанието на кислород с 5-10 ppm. Използването на уплътнителна система с дълга дюза и потопена входна дюза, комбинирана с аргонова завеса, може да ограничи повторното окисляване до 1 ppm. Последните разработки в технологията за интелигентно управление включват наблюдение в реално време на кислородната активност и температурата на разтопената стомана за динамично регулиране на потока на защитния газ. Това намали потреблението на аргон на тон стомана с 30%, като същевременно намали продуктите от повторно окисление с 50%.
