» » Теория раскисления металлов
17.05.2015

По завершении процесса удаления примесей при окислительном рафинировании расплавленный металл насыщен своим окислом в силу того, что это необходимо для возможно полного окисления примесей.
Если рафинируемый металл способен растворять свой окисел в значительных количествах, то такой насыщенный кислородом металл непригоден для использования и должен быть освобожден от кислорода — раскислен. Один из способов раскисления состоит в восстановлении растворенного окисла особым реагентом — раскислителем. Pacкислителем служит элемент с большим сродством к кислороду, растворяющийся в расплавленном рафинированном металле.
Реакция раскисления состоит в том, что растворенный раскислитель взаимодействует с растворенным же окислом, образуя нерастворимый окисел раскислителя, всплывающий на поверхность жидкого металла:
Теория раскисления металлов

Реакция раскисления закончится, как только будут равными упругости диссоциации обоих окислов.
Диссоциация окисла раскислителя описывается уравнением (V, 21):
Теория раскисления металлов

как диссоциация свободного окисла в присутствии растворенного металла. Диссоциация окисла раскисляемого металла описывается уравнением (V, 20):
Теория раскисления металлов

как диссоциация растворенного окисла в присутствии свободного металла.
Приравнивая правые части последних уравнений, получим выражение, связывающее две переменные величины: [MexOy]кон — конечную концентрацию окисла основного металла и [R]кон — конечную концентрацию раскислителя. Решая последнее уравнение относительно [MexOу], получим окончательную формулу, описывающую равновесие реакции раскисления
Теория раскисления металлов

Разбор последней формулы позволяет сделать следующие выводы:
1. Для обеспечения заданной низкой концентрации растворенного окисла основного металла в ванне должен оставаться определенный избыток раскислителя.
2. Этот избыток тем меньше, чем выше сродство раскислителя к кислороду, т. е. чем меньше величина
На практике ставится вопрос о расходе раскислителя для получения заданной концентрации [MеxОу]кон. При раскислении часть раскислителя идет на создание необходимой конечной концентрации его в раскисленной ванне [R]кон, другая часть тратится на восстановление MexOy по реакции
Теория раскисления металлов

Первую величину находят непосредственно по формуле (V, 33) для [R]кон она определяется только заданной конечной концентрацией [MexOy]кон. Для расчета второй части расхода нужно знать начальную концентрацию MexOy в ванне до раскисления [МеxОy]нач. По разности начальной и конечной концентраций МехОу находят количество восстановленного МехОу, затем по уравнению реакции рассчитывается соответствующий расход раскислителя на восстановление МехОу:
Теория раскисления металлов

Полный расход раскислителя находят суммированием обеих статей расхода:
Теория раскисления металлов

Если концентрации даны в молярных долях, то рассчитанная величина Rполн дает расход раскислителя в молях на 1 моль раскисляемого металла.
Практически раскислители, кроме доступности и дешевизны, должны удовлетворять следующим требованиям:
1) иметь много большее сродство к кислороду, чем раскисляемый металл;
2) быстро растворяться в раскисляемом металле;
3) не давать газообразных продуктов раскисления;
4) остаток раскислителя в готовом металле не должен ухудшать качества этого металла,
5) окисел раскислителя должен быть мало растворим в раскисляемом металле, и легко отделяться от него.
Весьма ценно, если раскислитель образует жидкий окисел, так как жидкий продукт легче отделится и всплывет на поверхность расплавленной ванны. Поэтому часто ведут раскисление двумя раскислителями одновременно, так как смесь их окислов плавится легче, чем отдельные окислы. Раскисленный металл не может находиться в равновесии с рафинировочным шлаком: избыток раскислителя будет восстанавливать примеси из шлака и переводить их в металл, т. е. уничтожать эффект предшествующего рафинирования. Поэтому, если раскисление ведут под слоем шлака, необходимо применять быстродействующий раскислитель и возможно быстрее отделять металл от шлака после раскисления.
На практике для раскисления стали применяют марганец и кремний в форме сплавов с железом (ферромарганец и ферросилиций) и алюминий в форме технического металла или силикоалюминия. Для никеля пользуются магнием, одновременно понижающим содержание серы в металле вследствие образования трудноплавкого MgS. Медь раскисляют углеродом — древесным углем, хотя и образующим газообразные продукты, но не растворимом в расплавленной меди. При необходимости более полно раскислить медь применяют марганец в форме сплава с медью — купромарганца.
Металлы, не растворяющие в заметных количествах свои окислы (свинец, цинк, олово), конечно, не нуждаются в раскислении после окислительного рафинирования.
Раскисление сопровождается определенным загрязнением отрафинированного металла за счет остающегося в металле неиспользованного раскислителя и главным образом за счет неметаллических включений (мельчайших кристаллов окисла раскислителя), не всплывших на поверхность металла за сравнительно короткий промежуток времени от ввода раскислителя до начала розлива металла в слитки. Неметаллические включения особенно опасны для ответственных сортов конструкционного металла, так как они сильно понижают предел выносливости.
Свободным от этого недостатка является процесс диффузионного раскисления отрафинированного металла. Процесс диффузионного раскисления состоит во взаимодействии насыщенного своим окислом металла со специально приготовленным жидким синтетическим шлаком, свободным от окисла раскисляемого металла, но способным хорошо растворять, а еще лучше химически связывать этот окисел. При контакте металла с таким шлаком окисел, растворенный в отрафинированном металле, распределяется между металлом и шлаком с концентрациями, пропорциональными растворимости окисла в каждом из фаз, в результате чего достигается удаление растворенного окисла из металлической фазы, т. е. раскисление металла.
Один из вариантов такого процесса осуществляют в разливочном ковше, куда вливают одновременно предварительно заготовленный синтетический шлак и нераскисленный металл, так чтобы интенсивнее перемешивались обе фазы, после чего раскисленный металл разливают в слитки непосредственно из ковша.