Очистка расплава от неметаллических включений

В металлургии: методы, технологии и вызовы

Очистка расплава от неметаллических включений (НВ) — важнейший этап в металлургическом производстве, напрямую влияющий на качество конечной продукции. Особенно критично это в производстве высококачественных сталей, сплавов для авиации, медицины и энергетики, где присутствие даже микроскопических включений может стать причиной хрупкости, трещинообразования или разрушения изделия.

📌 Что такое неметаллические включения?

Неметаллические включения (НВ) — это частицы неметаллической природы, случайно или преднамеренно попадающие в расплав металла. Они могут быть:

оксидными (Al₂O₃, SiO₂, CaO, MgO и др.),
сульфидными (MnS, FeS и др.),
нитридными (TiN, AlN),
карбидными (TiC, NbC),
шлаковыми остатками,
а также вторичными продуктами химических реакций при взаимодействии металла с атмосферой или футеровкой.

Они ухудшают механические свойства сплава, снижают пластичность, вызывают неоднородность и могут стать зародышами коррозии и трещин.

🔬 Источники возникновения неметаллических включений

НВ могут образовываться:

Во время плавки – за счёт реакции металла с кислородом, азотом, серой.
Из-за загрязнённой шихты – например, оксидов или пыли на поверхности металлолома.
Из футеровки – эрозия огнеупоров приводит к попаданию частиц в расплав.
Во время легирования – добавление ферросплавов может спровоцировать реакцию с примесями.
При переливе металла – вспенивающийся шлак и турбулентный поток захватывают неметаллические компоненты.

🧪 Классификация включений

Включения бывают:

первичные — образуются в жидкой фазе;
вторичные — появляются в процессе кристаллизации и охлаждения.

Также различают:

вредные включения — снижающие свойства металла (высокотвёрдые, крупные, остроугольные);
безвредные — округлые, мягкие, пластичные, равномерно распределённые (например, сферические сульфиды при модификации).

⚙ Методы очистки расплава

1. Шлакоудаление и управление шлаком

Используется в доменном, мартеновском, индукционном и дуговом производстве.
Включает формирование активного шлака, способного захватывать неметаллические примеси и изолировать расплав от воздуха.
Применяются флюсы на основе CaO–Al₂O₃, CaF₂ и других активных компонентов.

2. Фильтрация расплава

Используются керамические фильтры (из Al₂O₃, ZrO₂) для механической очистки.
Эффективна при литье цветных металлов (например, алюминия) и стали.
Может быть пористой, сетчатой, пенистой структуры.

3. Вакуумирование (вакуум-обработка)

Удаление газов и летучих компонентов при пониженном давлении.
Применяется в производстве высококачественных сталей и сплавов (вакуумная дегазация, VOD, RH-OB и др.).

4. Модифицирование включений

Добавление кальция, бора, титана, церия и других элементов, которые «переводят» вредные остроугольные включения в пластичные сферические формы.
Например: Ca → модификация Al₂O₃ → сферические Ca-aluminates.

5. Электромагнитная фильтрация

Используется в цветной металлургии (например, в алюминии).
Магнитное поле заставляет включения двигаться к стенкам канала и оседать.

6. Газовая продувка (аргон, азот)

Вдувание инертного газа через донную продувку или погружные фурмы.
Пузыри газа поднимаются вверх и захватывают неметаллические частицы.
Особенно популярна аргоновая продувка стали в ковше.

7. Центрифугирование

Основано на разделении по плотности.
Неметаллические включения, будучи легче, смещаются к центру, металлическая масса – к периферии.
Используется при производстве специальных сплавов.

🧭 Современные технологии и инновации

Современные металлургические предприятия активно используют комплексные системы:

Ladle Metallurgy Furnace (LMF) — модификация, раскисление и газоудаление вне основной печи.
Vacuum Arc Remelting (VAR) — переплав под вакуумом дуговым способом.
Electroslag Remelting (ESR) — электрошлаковый переплав с высокой степенью очистки.

Используются системы компьютерного контроля включений (например, SEM/EDS, автоматизированные анализаторы), которые позволяют в реальном времени мониторить количество и форму включений.

⚠ Проблемы и ограничения

Несмотря на достижения, полное удаление НВ затруднено по ряду причин:

термодинамическая устойчивость некоторых соединений (например, TiN);
высокая температура и агрессивная среда;
ограниченные свойства фильтрующих материалов;
невозможность вмешательства в поздние стадии кристаллизации без нарушения структуры металла.

📉 Влияние НВ на свойства металла

Прочность и вязкость снижаются при присутствии твёрдых включений.
Усталостная прочность резко падает, особенно при наличии острых или нитевидных НВ.
Свариваемость и прокаливаемость ухудшаются.
Коррозионная стойкость зависит от электропроводности и состава включений.

🧭 Будущее: куда движется отрасль?

Ожидаемые направления развития:

нанофильтрация и нановолоконные фильтры;
моделирование образования включений с помощью ИИ;
оптимизация шихты и футеровок для минимизации источников загрязнения;
интеллектуальное управление шлаками и онлайн-контроль включений.

Очистка расплава от неметаллических включений — это многоуровневый и критически важный процесс, в котором задействованы термодинамика, механика, химия, металлургия и автоматизация. Современные методы позволяют значительно снизить содержание НВ, но полностью избавиться от них пока невозможно. Залог успеха — это комплексный подход: от правильного подбора шихты до контроля кристаллизации и фильтрации на финишных стадиях.

Чем выше требования к металлу — тем серьёзнее должна быть система очистки. А значит, будущее за высокоточной металлургией, опирающейся на науку, технологии и системный контроль качества.

По вопросам приобретения систем защиты металла от вторичного окисления и получения подробной консультации по свойствам продукции, условиям поставки и заключению договора просим вас обратиться к менеджерам:

+74872701242
zakaz@vulkantm.com