I. Fizinė metalų inkliuzų prigimtis ir klasifikavimo sistemų raida
Metalo intarpai pliene, kaip „mikroskopiniai metalurginio proceso žymekliai“, ne tik atspindi visą lydymo proceso istoriją, bet ir tampa „nematomais žudikais“, ribojančiais aukščiausios klasės plieną{0}}. Per beveik šimtmetį{2}}tęsusią metalurgijos raidą, inkliuzų supratimas pasikeitė iš „kenksmingo ir turi būti pašalintas“ prie „kontroliuojamo ir optimizuojamo naudoti“. Šiuolaikinės švaraus plieno technologijos tyrimai rodo, kad visiškai pašalinti inkliuzus nėra nei ekonomiška, nei praktiška; mokslinis tikslas yra juos kontroliuoti saugaus dydžio ir palankios morfologijos ribose.
Pagal šiuolaikinę klasifikavimo sistemą, pagrįstą formavimosi mechanizmais, metaliniai inkliuzai išsivystė į keturių{0}}dimensijų sistemą, apimančią „endogeninę-egzogeninę-sąsajos reakciją-antrinius kritulius“. Egzogeniniai metaliniai fragmentai, kaip tipiškiausi makroskopiniai defektai, turi formavimo procesą, užpildytą proceso kintamaisiais. Kai į išlydytą plieną dedama aukštos -lydymosi- temperatūros lydinių priedų (pvz., ferotungframo, feromolibdeno), bloko paviršiuje susidaro eutektinė išlydyta Fe-W arba Fe-Mo plėvelė. Šios plėvelės storis lemia lydymosi greitį. Tyrimai rodo, kad lydinio bloko dydžiui viršijus kritinį matmenį (Dc=30mm), paviršiaus išlydytos plėvelės šilumos perdavimo greitis yra mažesnis nei vidinis šilumos laidumo greitis, todėl susidaro „šaltos šerdies“ reiškinys, kurio temperatūros gradientas viršija 200 laipsnių / cm. Ši neišlydyta šerdis išlaiko savo pirminę kristalų struktūrą vėlesnio kietėjimo metu, o gardelės pastovus neatitikimas 7-12%, palyginti su matrica, sudarydamas natūralų įtempių koncentracijos šaltinį.
Suvirinimo proceso inkliuzai yra mikroskopinis{0}}metalurginio proceso pasikartojimas. TIG suvirinimo procese, kai suvirinimo srovės tankis nukrenta žemiau kritinės vertės (120 A atitinka 85 A/mm² srovės tankį), volframo elektrodo gale susidarantį išlydytą lašelį riboja paviršiaus įtempimo ir gravitacijos pusiausvyra. Skaičiavimo skysčio dinamikos modeliavimas rodo, kad mažesni nei 1,5 mm skersmens lašeliai pasižymi nestabiliomis virpesių trajektorijomis argono apsauginių dujų srauto lauke. Kai kurie lašeliai nukrypsta nuo pagrindinės tekėjimo krypties į suvirinimo baseino ribinį sluoksnį ir juos sulaiko greitai kietėjantis suvirinimo metalas. Šios sugautos volframo dalelės turi unikalių mikro-ypatybių: apie 50-200 nm storio paviršiaus oksido sluoksnį ir dėl greito aušinimo viduje yra metastabili -W fazė, kurios kietumas iki 1,3 karto didesnis už įprastos -W fazės kietumą.
Konkrečios išlietos struktūros, kaip kietėjimo proceso produktai, turi sudėtingesnius formavimo mechanizmus. „Šaltų uždarymų“ susidarymas apima oksidacijos kinetikos ir skysčio dinamikos susiejimą. Pilant ant plieno paviršiaus susidariusi oksido plėvelė (daugiausia FeO) plyšta ir dėl turbulentinio srauto įstringa. Eksperimentiniai duomenys rodo, kad pylimo greičiui viršijus 0,8 m/s, oksidinės plėvelės skilimo tikimybė padidėja tris kartus. Šie oksido fragmentai patiria sudėtingus redukcijos{6}}tirpimo procesus išlydytame pliene. Nevisiškai redukuotos dalys sudaro deguonies{8}} turtingas šerdis, apsuptas kompozicijos gradiento zonų, kur anglies kiekio kitimo gradientas nuo šerdies į išorę gali siekti 0,5 % 100 µm.
II. Šiuolaikinė įtraukimo aptikimo technologijos raida
Tradicinių metalografinių bandymų apribojimai tampa vis akivaizdesni pažangių medžiagų srityje. Šiuolaikinės aptikimo technologijos tobulėja link „daugia-masto, daugiarūšio-modalinio ir in-situ dinaminio“ krypčių. Pagrindinis ultragarsinių bandymų technologijos laimėjimas yra fazinės matricos technologijos taikymas. Naudojant zondo matricas su 64-128 elementais, aptikimo skiriamoji geba gali šoktelėti nuo milimetro iki mažesnio{10}}milimetro lygio. Naujausi tyrimai rodo, kad sufokusuotų zondų derinimas su sintetinės diafragmos technologija pagerina 100 µm{13}}lygio inkliuzų aptikimo greitį nuo tradicinių 30 % iki 85 %, tuo pačiu leidžiant trimatę erdvinę lokalizaciją.
Elektroninės mikroskopinės analizės technologija patyrė revoliucinius pokyčius. Lauko emisijos skenavimo elektronų mikroskopija kartu su energijos dispersijos spektroskopijos (EDS) kartografavimu gali atlikti elementų pasiskirstymo analizę keliuose kvadratiniuose milimetrais per kelias minutes. Pažangesnė elektronų atgalinės sklaidos difrakcijos (EBSD) technika gali atskleisti kristalografinės orientacijos ryšį tarp inkliuzų ir matricos, kuri yra labai svarbi norint suprasti plyšių plitimo kelius. Eksperimentais nustatyta, kad kai įtraukimo-matricos sąsajoje egzistuoja specifiniai orientacijos ryšiai (pvz., kubo -kubo orientacija), sąsajos energija sumažėja 35 %, o įtrūkimo atsiradimo sunkumas atitinkamai padidėja.
Atominio{0}}masto apibūdinimo technologijos proveržis suteikia naujų perspektyvų suprasti inkliuzų prigimtį. Atominio zondo tomografija (APT) gali atkurti trijų-dimensijų elementų pasiskirstymą su atomine skiriamąja geba. Neseniai atlikta TiN inkliuzų ir matricos sąsajos APT analizė atskleidė 2–3 nm storio pereinamąją zoną sąsajoje. Šioje zonoje Ti ir N koncentracijos rodo gradiento pokyčius, kartu su elementų, tokių kaip C ir Si, atskyrimas. Ši mikrostruktūra paaiškina, kodėl tam tikros sąsajos pasižymi išskirtiniu atsparumu įtrūkimų plitimui.
Internetinės stebėjimo technologijos plėtra keičia tradicinį post{0}}fakto tikrinimo režimą. Nepertraukiamo liejamo ruošinių paviršiaus tikrinimo sistema, pagrįsta lazerine -sukelta skilimo spektroskopija (LIBS), gali analizuoti paviršiaus sudėtį realiuoju laiku 100 taškų per sekundę greičiu. Karšto valcavimo metu įdiegta linijinė-nuskaitymo CCD paviršiaus tikrinimo sistema naudoja mašininio mokymosi algoritmus, kad nustatytų paviršiaus anomalijas, kurias sukelia intarpai, o identifikavimo tikslumas viršija 95 %. Šie realaus laiko-duomenys suteikia vertingą laiko langą proceso koregavimui, leidžiantį pereiti nuo „pasyvaus aptikimo“ prie „aktyvaus valdymo“.
III. Fizikiniai ir cheminiai įtraukimo kontrolės principai
Įtraukimo kontrolės esmė yra suprasti jų elgesį išlydytame pliene. Nors Stokso dėsnis apibūdina idealių sferinių dalelių plūduriuojančią elgseną, inkliuzų elgesys išlydytame pliene yra daug sudėtingesnis. Pirma, ne-sferinių dalelių pasipriešinimo koeficientas yra 1,5–3 kartus didesnis nei sferinių, todėl plūduriavimo greitis yra atitinkamai mažesnis. Antra, išlydyto plieno konvekcijos sukelti greičio gradientai sukuria Magnuso efektą, sukeldami besisukančių dalelių šoninį poslinkį. Skaičiavimo skysčių dinamikos modeliavimas rodo, kad 50 µm skersmens Al2O3 intarpo tikroji trajektorija yra 40–60 % ilgesnė nei idealus kelias.
Fizinis elektromagnetinio valymo technologijos pagrindas yra inkliuzų ir išlydyto plieno elektrinio laidumo skirtumas. Kai išlydytam plienui taikomas kintamasis magnetinis laukas (dažnis 50-1000 Hz), indukuotos srovės pliene ir inkliuzuose susidaro skirtingai. Teoriniai skaičiavimai rodo, kad oksidų inkliuzams, kurių laidumas mažesnis nei 1 % išlydyto plieno, diferencinė elektromagnetinė jėga gali būti 10-100 kartų didesnė už gravitacinę jėgą. Plieno malūnėlis, taikęs besisukantį magnetinį lauką, kurio dažnis 200 Hz, o magnetinio srauto tankis 0,1 T, 20–50 µm intarpų pašalinimo greitį pagerino 40%. Jis taip pat nustatė reikšmingą susiskaidymo poveikį sugrupuotam Al2O3, sumažindamas vidutinį klasterio dydį nuo 150 µm iki 80 µm.
Deoksidacijos procesų optimizavimas apima termodinamikos ir kinetikos pusiausvyrą. Al2O3, susidaręs tradicinės aliuminio deoksidacijos metu, yra kietas ir linkęs formuotis klasterius. Apdorojimas kalciu Al₂O3 gali paversti žemu -lydymosi- tašku (<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.
Reoksidacijos kontrolė yra pagrindinis šiuolaikinės švaraus plieno technologijos iššūkis. Išlydyto plieno ir oro kontaktas tik 0,1 sekundės gali padidinti deguonies kiekį 5-10 ppm. Naudojant sandarinimo sistemą su ilgu antgaliu ir panardintu įleidimo antgaliu kartu su Ar dujų uždanga, reoksidacija gali būti apribota iki 1 ppm. Naujausi pažangiosios valdymo technologijos pokyčiai apima išlydyto plieno deguonies aktyvumo ir temperatūros stebėjimą realiuoju laiku, kad būtų galima dinamiškai reguliuoti apsauginių dujų srautą. Tai sumažino argono suvartojimą vienai tonai plieno 30%, o reoksidacijos produktus sumažino 50%.
