Глобулярные включения встречались и в  верхних слоях, куда они всплывали. Но, как показало определение микрорентгеновским анализатором (микрозондом), при попадании  этих включений в металл с более высоким содержанием алюминия, FeO в них частично или полностью восстанавливалось. В последнем случае получался глобулярный корунд.

    Аналогичные результаты были получены и при раскислении  другими раскислителями (Zr, Ti, Si): у  поверхности контакта железа с раскислителем образовывались твердые окислы раскислителя, а в слоях металла с низким содержанием раскислителя — жидкие продукты раскисления с FeO.

    Таким образом опыты показали, что в  условиях значительного пересыщения  металла при избытке раскислителя образуются скопления мелких твердых включений окисла раскислителя . При направленном питании и содержании раскислителя, достаточном для выделения продуктов раскисления в твердом виде, формируются дендритные включения. При недостатке раскислителя, т. е. повышенном содержании кислорода, образуются жидкие продукты раскисления.

    В случае совместного раскисления  алюминием, ферросилицием и ферромарганцем образуются еще и комплексные  продукты раскисления, характеризуемые  низкой температурой плавления. Поэтому  при таком совместном раскислении значительная часть включений выделяется в жидком состоянии.

    В реальных условиях раскисления стали  в месте ввода раскислителя металл им значительно пересыщен, а в  конце зоны проникновения раскислителя в данный момент времени наблюдается избыток кислорода и дефицит раскислителя. Таким образом, вследствие более или менее быстрого распределения раскислителя в объеме металла возникают условия для образования различной формы твердых окисных включений и жидких продуктов раскисления.

    Удаление продуктов раскисления

    Удаление  включений продуктов раскисления  происходит в результате перехода их в шлак или на футеровку, с которой  контактирует металл. Доставка включений  к поверхностям этих фаз осуществляется в результате их всплывания или массопереноса с потоками металла. 
Скорость всплывания частиц сферической формы определяется формулой Стокса:

• W = 2gr²*(Рм — Рш)/9n

    где g—ускорение силы тяжести; 
r — радиус частицы; 
Рм и Рш — соответственно плотность жидкого металла и шлака; 
n — вязкость металла.

    Необходимо, однако, отметить, что формула Стокса применима только для случая всплывания в спокойной жидкости, когда ее массоперенос не влияет на траекторию движения частиц.

    Д. Я. Поволоцким и В. Е. Рощиным были проведены опыты со всплыванием  продуктов раскисления различными раскислителями в железе, расплавленном в алундовых пробирках диаметром 4—5 мм для предупреждения конвективного перемешивания. Эти опыты показали, что скорость всплывания жидких продуктов раскисления, имеющих сферическую форму, удовлетворительно описывается формулой Стокса.

    Согласно  формуле Стокса, решающее влияние  на скорость всплывания оказывает радиус частиц. Поэтому для более быстрого очищения стали от продуктов раскисления  желательно получать по возможности  крупные глобулярные включения. Расчеты показывают, что крупные жидкие частицы, находящиеся в расплавленной стали, всплывают достаточно быстро. Так, скорость всплывания жидких глобулярных включений nFeO-mAl₂O₃ разных размеров и плотностей характеризуется данными, приведенными в таблице.

    Следовательно, в сталеплавильных печах даже из нижних горизонтов металлической  ванны включения размером 100 мкм  всплывают в течение до 1 мин, а  размером 30 мкм — в течение 5—10 мин. В сталеплавильных ковшах это  время соответственно в 2—4 раза больше.

    Укрупнение частиц продуктов раскисления происходит главным образом вследствие их соединения. Оно осуществляется в результате коалесценции (слияния) жидких частиц, коагуляции (спекания) твердых частиц, адгезии (прилипания) жидких и твердых частиц. Наиболее интенсивно укрупнение происходит в результате коалесценции жидких частиц, между которыми при соударениях получается относительно большая поверхность контакта. Поэтому жидкие включения достигают относительно больших размеров (до 30— 100 мкм и более) и быстро всплывают.

    Удаление  крупных продуктов раскисления  имеет важное значение при раскислении  всеми раскислителями, в том числе  и сильными (Al, Zr, Ti), чистые окислы которых  тугоплавки, но вместе с FeO образуют легкоплавкие включения. Об этом свидетельствует, например, быстрое снижение общего содержания кислорода после присадки алюминия в неперемешиваемую ванну, а также наличие крупных глобулярных продуктов раскисления алюминием лишь в первые минуты раскисления.

    Твердые включения, в частности корунда, плохо укрупняются и, имея малые размеры (3—8 мкм), медленно всплывают. К тому же частицы корунда, имея неправильную форму, при всплывании «парят», двигаясь не по вертикали, а по сложным траекториям. С уменьшением размеров степень парения уменьшается, но увеличивается влияние броуновского движения. Вследствие этого скорость всплывания твердых включений корунда незначительна и их всплывание не имеет практического значения.

    Подвод  включений корунда и других мелких твердых частиц неправильной формы  к поверхности раздела металла со шлаком или с футеровкой печи осуществляется главным образом в результате массопереноса их с потоками металла. Поэтому удаляются они интенсивно лишь при перемешивании. Преимущественно это происходит в ковше во время выпуска металла из печи и в меньшей мере во время разливки стали.

    Подводу включений корунда способствует их сложная неопределенная форма, благодаря которой инерционное перемещение частиц в глубь металла под действием центробежных сил при поворотах заторможено и они не отклоняются от направления потока.

    Включения, доставленные к поверхности шлака  или футеровки, остаются на ней в результате эффекта «зацепления». Затем они шлаком ассимилируются (поглощаются или растворяются), а к твердой поверхности прилипают, привариваются.

    Возможность зацепления частиц и их поглощения шлаком или прилипания к стенке зависит  от поверхностных свойств включений. Вероятность этих процессов увеличивается с повышением межфазного натяжения на границе включения с металлом. Как отмечалось, для окисных систем, характерных для обычных продуктов раскисления, межфазное натяжение с металлом увеличивается с повышением содержания Al₂O₃. Поэтому высокоглиноземистые включения и особенно корунд наиболее легко переходят в шлак и на футеровку.

    Таким образом, крупные (более 20—30 мкм) включения  жидких продуктов раскисления удаляются  преимущественно в результате всплывания и их ассимилирования шлаком. Такие включения образуются при раскислении любыми раскислителями и в большей мере при комплексном раскислении. Количество продуктов раскисления, образовавшихся в жидком состоянии, зависит от типа раскислителя, его концентраций и наличия кислорода в месте реакции.

    Удаление  мелких (до 10 мкм) включений, особенно твердых, происходит в результате массопереноса  их к поверхности шлака и стенок, где они ассимилируются или прилипают. Из продуктов раскисления обычно применяемых раскислителей (ферромарганец, ферросилиций, алюминий) наиболее интенсивно таким образом удаляются высокоглиноземистые включения, особенно корунд.

    Легирование стали.

    Легирование— добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объемное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование.

    В разных отраслях применяются разные технологии легирования.

    В металлургии легирование производится в основном введением в расплав  или шихту дополнительных химических элементов (например, в сталь — хрома, никеля, молибдена), улучшающих механические, физические и химические свойства сплава. Для изменения различных свойств (повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного слоя металлов и сплавов применяются так же и разные виды поверхностного легирования. Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции и металлических изделий.

    Прочность, вязкость, жаро- и хладостойкость, а  также коррозионная стойкость углеродистых сталей являются недостаточными для  многих высоконагруженных деталей  машин и строительных конструкций; инструменты из углеродистой инструментальной стали тверды, но не выдерживают повышенной скорости резания, так как размягчаются при нагреве уже до температуры 250 ⁰C, кроме того, они хрупкие. Прокаливаемость углеродистой стали также невелика в связи с большой критической скоростью закалки, в результате этого на мартенсит закаливается только поверхностный слой заготовки, а внутренние слои закаливаются лишь на троостит или сорбит, а у заготовок больших размеров остаются вовсе не закалёнными. Таким образом, углеродистая сталь часто не отвечает повышенным требованиям машиностроения и инструментального производства.

    Вводимые  в сталь легирующие элементы улучшают ее механические, физические и химические свойства. Для легирования стали  применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан, алюминий, медь и другие элементы. Марганец считается легирующим компонентом при массовом содержании более 1 %, а кремний - более 0,8 %. Большинство легированных сталей приобретают высокие физико-механические свойства лишь после термической обработки.

    Легированную  сталь классифицируют по следующим  признакам:

• числу введённых легирующих элементов;
• суммарному массовому содержанию легирующих элементов;
• характеру взаимодействие легирующих элементов с железом и с углеродом;
• структуре в отожженном и нормализированным состояниях;
• качеству;
• назначению и применению.

    Число введённых легирующих элементов. Если введён один легирующий элемент, то сталь называют по этому элементу, такую сталь называют также тройной, так как она содержит железо, углерод и легирующий элемент (постоянные примеси не считаются). Из тройных легированных сталей применение находят хромовая, марганцевая и кремнистая стали.

    Если  сталь легирована двумя, тремя и  более элементами, то она является сложнолегированной (комплексно-легированной) и её называют по введённым легирующим элементам (например, хромомарганцевой, хромомолибденовой, хромоникелевой, сернистомарганцевой, хромокремнистованадиевой). Хром, кремний и марганец присутствуют в большинстве легированных сталей, остальные легирующие элементы вводят (за исключением сплавов с особыми свойствами) чаще всего в сочетании с ними. При комплексном легировании получение нужных свойств достигается полнее и при меньшем общем массовом содержании легирующих элементов.

    Суммарное массовое содержание легирующих элементов. По этому признаку сталь делится на низколегированную (суммарное содержание их менее 2,5 %, среднелегированную (от 2,5 до 10 %) и высоколегированную (более 10 %).

    Взаимодействие  легирующих элементов  с железом и  углеродом. С железом легирующие элементы образуют у-, так и a- твёрдые растворы, т. е. они могут входить в состав аустенита и феррита, упрочняя их. При этом легирующие элементы оказывают различное влияние на устойчивость аустенита: одни (например, никель) расширяют этот интервал и при достаточном массовом содержании определяют аустенит устойчивом даже при комнатной температуре (такие стали называют аустенитными). Другие (например, хром) уменьшают устойчивость аустенита и могут совсем устранить аустенитное превращение; при достаточном содержании таких элементов (например, более 13 % Cr) аустенита не существует и сталь вплоть до плавления остаётся ферритной. Аустенитные и ферритные стали заколки не принимают, так как они не имеют фазовых превращений в твёрдом состоянии.

    По  отношению к углероду легирующие элементы разделяют на две группы: 1) элементы, образующие с углеродом  устойчивые химические соединения, - карбиды (хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, цирконий, титан); карбиды могут быть простыми, например, Cr₄C, MoC, и сложными легированными - [(Fe, Cr)₇] C₃; (Fe, W)₄C и др. Они твёрже карбида железа и менее хрупкие; 2) элементы, не образующие в стали карбидов и входящие в твёрдый раствор - феррит (никель, кремний, кобальт, алюминий, медь); они оказывают графитизирующее действие.