» » Раскисление стали
29.04.2015

При всех способах производства стали — мартеновском, конвертерном, электросталеплавильном — содержание кислорода по мере выгорания примесей (Si, Mn, С) непрерывно повышается В конце плавки содержание растворенного кислорода в жидком металле определяется в основном концентрацией углерода; максимальных значений концентрация кислорода достигает при низком содержании углерода. По достижении заданного содержания углерода во избежание вредного влияния кислорода (в форме включений закиси железа и в растворенном виде) на свойства твердого металла и с целью получения качественного слитка в конце плавки сталь подвергается раскислению. При раскислении сталь очищается от кислорода (снижение концентрации растворенного кислорода) и возможно полно удаляются из металла продукты раскисления. Оставшийся в металле кислород в неактивной форме в гораздо меньшей степени влияет на свойства готовой стали.
В металлургической практике применяются следующие способы раскисления стали, а) осаждающее раскисление; б) диффузионное раскисление; в) раскисление синтетическими шлаками; г) раскисление в вакууме.
При осаждающем раскислении — наиболее распространенном способе — снижение концентрации растворенного в жидком металле кислорода достигается связыванием его элементами-раскислителями (Mn, Si, Ti, Zr, Al, Ca), обладающими большим сродством к кислороду, чем железо.
При присадке раскислителя (E) в металле происходит следующее взаимодействие:
х[О] + у[Е] = ЕyOxг.ж.т

с образованием окисла элемента-раскислителя в газообразном, жидком или твердом состоянии, нерастворимого в стали. Степень понижения концентрации растворенного кислорода обусловлена раскислительной способностью элемента-раскислителя, зависящей от концентрации растворенного в жидком железе кислорода, который находится в равновесии с определенной концентрацией элемента-раскислителя,
С увеличением сродства элемента-раскислителя к кислороду растет его раскислительная способность (рис. 57).
Термодинамические данные реакции раскисления приведены в табл. 14.
Раскисление стали
Раскисление стали

Образующиеся продукты раскисления в силу их меньшего удельного веса в той или иной степени удаляются из металла. Полнота очищения жидкой стали от продуктов раскисления зависит от величины, состава и свойств частиц, способности их к укрупнению, смачиваемости металлом, от вязкости и температуры металла. Наиболее благоприятные условия для укрупнения частиц и их всплывания из жидкой стали создаются при образовании жидких легкоплавких продуктов раскисления, что обычно свойственно окислам элементов (Mn, Si) с низкой раскислительной способностью. С повышением раскислительной способности элементов (Al, Ti, Zr) повышается температура плавления частиц, это затрудняет получение стали с низким содержанием кислорода. Целесообразно применение комплексных раскислителей (Si—Mn, Si—Ca, Al—Mn—Si, Si—Al—V—Zr, Al—Si—Ca и др.), при действии которых образуются сравнительно легкоплавкие, способные к укрупнению и быстрому всплыванию продукты раскисления.
Наиболее широко в качестве раскислителей применяются марганец, кремний (в виде ферросплавов) и алюминий.
Марганец является сравнительно слабым раскислителем, однако он применяется при раскислении всех сталей и незаменим при производстве кипящей стали. При раскислении марганцем в зависимости от его содержания в жидкой стали образуются растворы хMnO*уFeO в твердом или жидком состоянии. По мере повышения остаточного марганца в металле возрастает содержание MnO в продуктах раскисления вплоть до образования свободной MnO.
Кремний — более сильный раскислитель. Продуктами раскисления кремния при повышении содержания его в стали являются жидкие силикаты железа вплоть до твердого кремнезема.
При совместном раскислении марганцем и кремнием образуются силикаты марганца и железа, состав которых зависит от соотношений концентраций Mn, Si и кислорода В присутствии марганца раскисли тельная способность кремния повышается.
Алюминий — весьма активный раскислитель. При введении алюминия в избытке, что обычно и делают на практике, образуются твердые мелкодисперсные частицы глинозема. При недостаточной концентрации алюминия в металле образуются частицы FeO*Al2O3.
Диффузионное раскисление, основанное на законе распределения закиси железа между металлом и шлаком, сводится к раскислению шлака. Уменьшение концентрации FeO в шлаке за счет его раскисления вызывает диффузию кислорода из металла в шлак до равновесного распределения между обеими фазами при данной температуре:
Раскисление стали

Для раскисления шлака на его поверхность задают порошкообразные раскислительные смеси — кокс, древесный уголь, богатый ферросилиций, алюминий При диффузионном раскислении металл не загрязняется продуктами раскисления, но для его осуществления необходима восстановительная атмосфера и длительное время, что сопряжено с понижением производительности печи. Этот способ раскисления широко применяется при выплавке высококачественной стали в электродуговых печах, где без особых затруднений можно создать восстановительную атмосферу.
Раскисление стали синтетическими шлаками (кислыми или основными с малым содержанием FeO) также основано на экстрагировании FeO из металла, согласно закону распределения. По этому способу раскисления сталь выливают в ковш с жидким синтетическим шлаком. Благодаря эмульгированию шлака раскисление протекает с большой скоростью. При обработке стали синтетическими основными шлаками кроме раскисления возможна десульфурация металла.
Практика раскисления. В зависимости от степени раскисленности стали различают кипящую, полуспокойную и спокойную сталь (рис. 58).
Кипящая сталь — частично раскисленная (марганцем и углеродом при кипении) сталь, застывающая в изложницах с обильным выделением газов, являющихся в основном (до 90% CO) продуктами взаимодействия растворенных в жидком металле углерода и кислорода. От интенсивности газовыделения зависит строение и качество слитка кипящей стали (рис. 58, а). Кипящую сталь выплавляют в мартеновских печах и конвертерах; она содержит от 0,02 до 0,27% углерода (редко — до 0,35%) и до 0,6% марганца. Основным раскислителем кипящей стали служит углеродистый 75%-ный ферромарганец, который вводят в печь или в ковш. Экономически более целесообразно раскисление в ковше, при этом снижается расход ферромарганца (до 25%) и сокращается продолжительность плавки (на 5—15 мин). Угар марганца при раскислении в ковше 20—40%, при раскислении в печи—-35—70%.
Полуспокойная сталь по степени раскисленности занимает промежуточное место между кипящей и спокойной. Количество раскислителей, добавляемых в металл, недостаточно для полного предотвращения выделения газов, поэтому в слитке полуспокойной стали (рис. 58, б) наблюдаются газовые пузыри и слаборазвитая усадочная раковина. Слитки полуспокойной стали обладают большей химической однородностью, чем слитки кипящей стали.
Раскисление стали

Полуспокойную сталь выплавляют в мартеновских печах и конвертерах; она содержит 0,1—0,3% С, 0,35—0,85% Mn и до 0 15% Si. Раскисляют полуспокойную сталь либо в печи (ферромарганцем, доменным ферросилицием), а затем в ковше (ферросилицием, карбидом кремния, алюминием, ферротитаном), либо только в ковше. Иногда до бавляют небольшое количество алюминия (0,018—0,05 кг/т) в изложницу. Полуспокойную сталь получают также в бутылочных изложницах, в которых можно регулировать кипением металла.
Спокойная сталь раскисляется избытком сильных раскислителей, исключающих возможность взаимодействия растворенного кислорода с углеродом во время охлаждения и затвердевания металла в изложнице. Для слитка спокойной стали характерна сравнительно малая сегрегация, плотное строение и наличие усадочной раковины, сосредоточен ной в прибыльной части (рис 58, в). По химическому составу спокойная сталь весьма разнообразна, выплавляются углеродистые (до 2,0% С) и легированные стали. Спокойную сталь выплавляют в мартеновских, электродуговых печах и в конвертерах.
Практика раскисления спокойной стали весьма разнообразна. При всех методах стремятся получить хорошо раскисленную сталь с минимально возможным содержанием оксидных включений, при наличии которых сильно ухудшается качество металла. Загрязненность стали оксидными включениями зависит от способа и последовательности введения раскислителей.
В качестве раскислителей применяют углеродистый и малоуглеродистый ферромарганец, зеркальный чугун, доменный и 45%-ный ферросилиций, оиликомарганец, алюминий, ферроалюминий, силикокальций, силикоалюминий, альсикаль карбид кремния, силикоцирконий и др. Предварительное раскисление производят в печи слабыми раскислителями, более сильные вводят в ковш. Иногда сталь раскисляют в ковше без предварительного раскисления кремнием в печи.
Для уменьшения загрязненности стали оксидными включениями и для более равномерного их распределения в последнее время вводят в ковш через специальные трубки алюминий, силикокальций или альсикаль. Предложен также метод раскисления стали в ковше жидким алюминием.