Что значит раскисление стали

Виды стали по степени раскисления

Ранее мы рассматривали структуру стали (система железо-углерод), деформацию и разрушение металлов, влияние на ее свойства различных примесей и т.д.

В данной публикации будем рассматривать виды стали по степени раскисления.

Общая информация

Итак, сталь это сплав Fe + C, ( С – не более 2%)+ другие элементы. Сталь подразделяют на углеродистую и легированную учитывая хим.состав, и исходя из применения на-конструкционные и инструментальные. Изготавливают и специальные стали со специфическими характеристиками для использования в агрессивных средах, к таким сталям относят жаро-, коррозионно-, кислото-стойкую стали.

Качество стали определяется по способу производства и количеству плохих примесей и подразделяются на рядовые, качественные, повышенного и высокого качества.

Химический состав сталей обыкновенного качества

Существует типизация по характеру застывания в изложнице и геометрической форме слитка (форма изложницы). Выделяют спокойную, полуспокойную и кипящую.

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь выплавляется без добавления каких-либо легирующих элементов и бывает обычной и качественной.

Стали обычного качества принято делить на следующие группы:

Сталь из группы Б подразделяется на 2 категории:

Подразделяется на шесть категорий.

Обозначается группа В следующим образом: марка стали, степень раскисления, номер категории. Имеют одинаковый состав со сталью 2 категории группы Б.

Маркировка стали

Рассматривая, на примере, маркировку стали Ст5пс (конструкционная углеродистая сталь обычного качества).

Если после цифры определяющей марку стали стоит буква Г- значит сталь содержит повешенное количество марганца.(Ст25Г2С)

Степени раскисления стали

Существует 3 степени раскисления стали.

Процесс раскисления позволяет восстановить окись железа и связать растворенный кислород, уменьшив, таким образом, его вредное влияние.

Кипящая сталь

Скопление серы в определенных участках может послужить причиной появления кристаллизационной трещины по шву. На этих участках сталь менее устойчива к старению и является наиболее хрупкой в минусовые температуры. Содержание кремния в кипящей стали не превышает 0,07%.

Процесс раскисления позволяет восстановить окись железа и связать растворенный кислород, уменьшить его вредное влияние, поддерживая при этом долгое время высокую температуру стали, что способствует максимальному газо и шлакоудалению, а так же, получению микрозернистой структуры, благодаря образованию участков кристаллизации. За счет образование этих очагов происходит улучшение качества стали.

Ликвацией называется образование неоднородной химической структуры стали, возникающая в момент кристаллизации. Различаю две разновидности ликвации: внутрикристаллическую и дендритную. Впервые данное явление обнаружено русскими металлургами Н. В. Калакуцким и А. С. Лавровым в 1866 году.

Спокойная сталь

Полученная в результате раскисления сталь называется спокойной. Содержание кремния в спокойной стали не менее 0,12%, а наличие неметаллических включений и шлаков минимально.

Слитки спокойных сталей имеют плотную однородную структуру, а соответственно и улучшенные показатели по механическим свойствам.
Спокойная сталь отлично подходит для сваривания, а также обладает лучшей сопротивляемостью к ударным нагрузкам. Является более однородной.
Она подходит для возведении опорных металлоконструкции (благодаря ее стойкости к хрупкому разрушению), которые подвергаются сильным нагрузкам.

Спокойная сталь отлично подходит для сваривания, а также имеет лучшее сопротивление ударным нагрузкам и более однородна.

Полуспокойная сталь

Она является полураскисленной и кристаллизуется без кипения, выделяя при этом достаточное количество газа и имеет меньшее количество пузырьков, чем кипящая сталь. Поэтому, полуспокойная сталь имеет средние показатели качества (максимально приближенные к спокойной), и иногда заменяет спокойную.

Показатели качества полуспокойной стали ближе к спокойной.

Полуспокойная сталь затвердевает без кипения, но с выделением большого количества газа. В таком слитке содержание пузырей меньше, чем кипящей, но больше, чем в спокойной.

Источник

Спо­собы раскисления стали

Во всех способах производства стали — мартеновском, конвертерном, электросталеплавильном —по ходу плавки по мере выгорания примесей (кремния, марганца и углерода) имеет место постепенное повышение содержания кислорода. В конце окислительного периода плавки содержание растворенного кислорода в жидком металле определяется в основном концентрацией углерода, причем максимальных значений кислород достигает при низком содержании углерода. Задачей раскисления является снижение концентрации растворенного кислорода и возможно полное удаление из металла продуктов раскисления. Оставшийся в металле кислород в неактивной форме в гораздо меньшей степени сказывается на ухудшении свойств готовой стали.

В металлургической практике применяются следующие способы раскисления стали:

Осаждающее раскисление является наиболее распространенным способом, при котором снижение концентрации растворенного в жидком металле кислорода достигается связыванием его элементами-раскислителями (Mn, Si, Ti, Zr, Al, Ca, РЗМ), обладающими большим сродством к кислороду, чем железо.

При присадке раскислителя Е в металле имеет место взаимодействие х [O] + у [Е] = E_yO_X (г, ж, тв) с образованием окисла элемента-раскислителя в газообразном, жидком или твердом состоянии, нерастворимого в стали. Степень понижения концентрации растворенного кислорода обусловлена раскислительной способностью элемента-раскислителя, обычно определяемой концентрацией растворенного в жидком железе кислорода, находящегося в равновесии с определенной концентрацией элемента-раскислителя. С увеличением сродства элемента-раскислителя к кислороду растет его раскислительная способность.

Термодинамические данные реакций раскисления приведены в табл.

Образующиеся продукты раскисления в силу их меньшей плотности в той или иной степени удаляются из металла. Полнота очищения жидкой стали от продуктов раскисления зависит от величины, состава и физико-химических свойств частиц, способности их к укрупнению, 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 свойственно окислам элементов (марганца, кремния) с низкой раскислительной способностью. С повышением раскислительной способности элементов (алюминия, титана, циркония) обычно повышается температура плавления частиц; целесообразно применение комплексных раскислителей Si—Mn, Si—Ca, Ca—Al, Al—Mn—Si, 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 х MnO • у FeO в твердом или жидком состоянии. По мере повышения остаточного марганца в металле возрастает 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 концентрации марганца, кремния и кислорода. В присутствии марганца раскислительная способность кремния повышается.

Алюминий является весьма активным раскислителем. При введении алюминия в избытке, что обычно имеет место в практике раскисления, образуются твердые мелкодисперсные частицы глинозема. При малой добавке алюминия в металл образуются частицы FeО-Аl₂O₃.

Диффузионное раскисление, основанное на законе распределения закиси железа между металлом и шлаком, сводится к раскислению шлака. Уменьшение концентраций FeO в шлаке за счет его раскислении вызывает диффузию кислорода из металла в шлак до равновесного распределения между обеими фазами при данной температуре.

Раскисление шлака практически осуществляется путем введения на его поверхность порошкообразных раскислительных смесей, содержащих кокс, древесный уголь, ферросилиций, алюминий. При диффузионном раскислении металл не загрязняется продуктами раскисления, но для его осуществления необходимы восстановительная атмосфера и длительное время, что сопряжено с понижением производительности печи. Этот способ раскисления применяется при плавке высококачественной стали в электродуговых печах, где без особых затруднений можно создавать восстановительную атмосферу.

Раскисление стали синтетическими шлаками (кислыми или основными с малым содержанием FeO) также основано на экстрагировании FeO из металла в соответствии с законом распределения. При этом способе раскисления сталь выливается в ковш с жидким синтетическим шлаком. Благодаря эмульгированию шлака раскисление протекает с большой скоростью. При обработке стали синтетическими основными шлаками, кроме раскисления, возможно обессеривание металла.

Практика раскисления. В зависимости от степени раскисленности стали различают кипящую, полуспокойную и спокойную сталь.

Кипящая сталь — частично раскисленная (марганцем и углеродом) сталь, застывающая в изложницах с обильным выделением газов, являющихся в основном (до 90% СО) продуктом взаимодействия растворенных в жидком металле углерода и кислорода. Интенсивность газовыделения предопределяет строение и качество слитка кипящей стали. Кипящую сталь выплавляют в мартеновских печах и конвертерах с содержанием углерода от 0,02 до 0,27 и редко до 0,35% и содержанием марганца до 0,6%. Основным раскислителем кипящей стали является углеродистый 75%-ный ферромарганец, который вводится 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 составляет 20—40%, при раскислении в печи до 35—70%.

Полуспокойная сталь по степени раскисленности занимает промежуточное место между кипящей и спокойной сталью. Количество раскислителей, добавляемых в металл, недостаточно для полного предотвращения выделения газов, поэтому в слитке полуспокойной стали наблюдаются газовые пузыри и слаборазвитая усадочная раковина.

Полуспокойная сталь выплавляется в мартеновских печах и конвертерах, она содержит 0,1—0,3% С; 0,35—0,85% Mn и до 0,15% Si. Раскисление полуспокойной стали производится частично в печи (ферромарганцем, доменным ферросилицием) и затем в ковше (ферросилицием, карбидом кремния, алюминием, ферротитаном) или же только в ковше. Иногда добавляют небольшое количество алюминия (0,02—0,5 кг/т) в изложницу, вводя его в центровую в процессе разливки.

Спокойная сталь раскисляется избытком сильных раскислителей, исключающим возможность взаимодействия растворенного кислорода с углеродом во время охлаждения и затвердевания металла в изложнице.

Многообразные по химическому составу марки спокойной стали производятся в мартеновских и электродуговых печах и конвертерах.

Практика раскисления спокойной стали весьма различна. Во всех методах стремятся получить хорошо раскисленную сталь с минимально возможным содержанием оксидных включений, наличие которых сильно сказывается на качестве металла. На загрязненность стали оксидными включениями определенным образом влияет способ и последовательность введения раскислителей. В качестве раскислителей применяются углеродистый и малоуглеродистый ферромарганец, зеркальный чугун, доменный и 45%-ный ферросилиций, силикомарганец, алюминий, ферроалюминий, силикокальций, силикоалюминий, альсикаль, карбид кремния, силикоцирконий и др. Предварительное раскисление производится в печи слабыми раскислителями, более сильные вводятся 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 применяют введение алюминия, силикокальция или альсикаля в ковш при помощи специальных трубок. Предложен также метод раскисления стали в ковше жидким алюминием.

Источник

Стали кипящие, полуспокойные и спокойные: отличия и сходства

Существует несколько параметров, по которым можно разделить все стальные сплавы на классы или категории. Наряду с химическим составом и сферой применения не менее важна степень раскисления металла. По этому показателю выделяют стали нераскисленные (кипящие), раскисленные (спокойные), а также «средний» вариант – полураскисленные (полуспокойные).

Что такое раскисление

Под раскислением понимают процесс удаления из стального расплава растворенного в нем кислорода, ухудшающего механические свойства будущего металла и потому являющегося вредной примесью. В химическом плане он означает отъем атомов кислорода из оксида железа, что по сути является восстановлением железа (из оксидов). Потому назвать раскисление «восстановлением» также будет верно. Термин применим преимущественно к сталям, также процесс важен для некоторых других сплавов с большим содержанием железа.

Зачем нужно удалять кислород?

В несвязанном состоянии кислород существенно ухудшает технические характеристики стальных черных сплавов, в первую очередь – их вязкость. Но даже в связанном виде кислород приносит металлу вред: его окислы чаще всего непрочные и выступают концентраторами напряжений. Их наличие в структуре сплава заметно уменьшает его выносливость. Кислород также уменьшает сопротивляемость стали хрупкому разрушению.

Методы раскисления

Процесс запускается добавлением в расплав веществ, которые характеризуются лучшим взаимодействием с кислородом, чем железо. Такими веществами может выступать алюминий, образующий устойчивое соединение Al2O3, этот оксид выделяется в расплавленном металле в виде отдельных твердых зерен. Раскисляющими элементами также являются:

Современная металлургия использует несколько технологий раскисления. Описанный выше метод с добавлением алюминия, углерода, кальция, кремния или марганца – это осаждающий метод. Если эти же вещества применяются в других пропорциях и воздействуют не столько на основной массив расплава, сколько на образующиеся шлаки – это раскисление диффузионное (экстракционное).

Шлаки также могут выступать раскисляющими веществами. Особенно часто для этого используются шлаки с большим содержанием оксидов кальция и алюминия CaO и Al2O3. Процесс протекает в дуговой печи, куда добавляются нужные объемы шлака. Эта технология дополнительно снижает содержание серы в готовом продукте. Этого же (десульфуризации) можно добиться методом ЭШП – электрошлаковым переплавом: расплав переливается в специальную шлаковую ванну и подвергается воздействию высокой температуры. Кроме обессеривания, такая технология позволяет очистить продукт и от некоторых других нежелательных неметаллических добавок.

Еще одна распространенная технология – вакуумно-углеродное восстановление. В этом случае весь процесс происходит в условиях вакуума, а раскислителем выступает углерод, восстановительные свойства которого выражены значительно сильнее в разреженном пространстве.

Кипящая сталь

Ее нельзя назвать полностью раскисленой. В момент разливки расплава в формы вещество буквально кипит, что вызвано обильным выделением газов. Кипение продолжается и в изложницах: химическое взаимодействие содержащихся в сплаве углерода и кипения вызывает обильное образование и выход на поверхность пузырей оксида углерода СО.

Этот вариант стали наиболее насыщен газообразными элементами и потому максимально неоднороден. Последнее свойство вызывает неравномерность застывания металла в изложницах: химические элементы распределены по объему слитка в разных пропорциях, потому и физические свойства разных частей отливки могут серьезно различаться.

В головной (самой верхней, с усадочной раковиной) части отливки скапливается максимум углерода, а также нежелательных включений (серы, фосфора). Чтобы получить продукцию должного качества, часть слитка (до 5% от общего веса) приходится удалять. Иначе скопление серы в этой части изделия:

Такая сталь достаточно хрупкая, плохо сваривается, восприимчива к коррозии. Раскисление ее любым из способов позволяет связать растворенный в расплаве кислород, одновременно поддерживая продолжительный высокотемпературный режим. Длительное воздействие на металл высокой температуры стимулирует газоудаление и связывание шлаков. Кроме того, это гарантирует образование множественных участков кристаллизации и как результат – микрозернистой структуры. Это способствует повышению качества готовой продукции.

Несмотря на то, что эксплуатационные характеристики кипящей стали ниже аналогичных параметров спокойных и полуспокойных сплавов и потому она не применяется для производства ответственных деталей, такая сталь имеет и некоторые достоинства. Например, она довольно пластична, содержит минимум неметаллических включений (после удаления некондиционной части слитка). Кроме того, стоимость ее выплавки ниже, чем стоимость производства аналогов. Узнать такой металл можно по литерам «кп» в его маркировке.

Закупоренная сталь

Это вариант кипящего стального сплава, кристаллизация которого после разливки в формах происходит при так называемом закупоривании, которое может быть:

Закупоривание призвано прервать кипение вещества, что повысит однородность материала в слитке. Несмотря на это, закупоренная марка стали технически все равно относится к кипящим.

Спокойная сталь

Корректно проведенный процесс раскисления делает сплав спокойным. В изложницах он застывает с равномерной кристаллизацией. Кипения, а также выделения газовых продуктов или искр не наблюдается. Для обозначения спокойных сплавов в маркировку добавляют литеры «сп». Если марка относится к нелегированным, эти литеры можно не указывать.

Такой сплав обладает плотной однородной структурой, что гарантирует получение высоких механических показателей. Он отлично сваривается, имеет хорошую сопротивляемость к ударным, вибрационным и прочим подобным нагрузкам. Сталь спокойного типа устойчива к хрупкому разрушению и потому балки и другие изделия из нее подходят для обустройства несущих конструкций, подвергающихся серьезным нагрузкам.

Полуспокойная (полураскисленная) сталь

Это промежуточная вариация между кипящей и спокойной, по техническим характеристикам чаще всего приближающаяся к последней и даже способная заменить ее. Она кристаллизуется с выделением достаточного количества газа, но количество и размеры пузырьков незначительны, активного кипения не наблюдается. Такая сталь обозначается буквами «пс» в маркировке после указания химического состава.

Источник

Классификация сталей по степени раскисления

Раскислители: виды и функции

В качестве раскислителей используют ферросилиций в количестве 0,12-0,3% по массе, ферромарганец, алюминий – до 0,1%, титан.

Негативное последствие раскисления – образование усадочной раковины больших размеров. Для ее удаления приходится отрезать от слитка спокойной стали до 16% по массе. Из-за такой потери металла, а также затрат на раскисляющие добавки стоимость спокойной стали существенно превышает цену кипящего металла.

Раскисляющие добавки, соединяясь со свободным кислородом, находящимся в сплаве, решают следующие задачи:

Раскисление стали — Знаешь как

Сталь, выплавленная любым способом, содержит растворенный кислород, значительно ухудшающий ее прочностные и пластические свойства. Для снижения его содержания сталь раскисляют. В практике сталеварения применяют несколько способов раскисления.

Осаждающее раскисление

Наиболее распространенный способ снижения растворенного кислорода, достигаемого связыванием его элементами-раскислителями: Мn, Si, Ті, Al, Са, РЗЭ, что возможно за счет их большего, чем у железа сродства к кислороду. При присадке раскислителя R

в металле имеет место взаимодействие

с образованием нерастворимых продуктов раскисления, которые должны отделиться (осадится) в газообразную или шлаковую фазу. Оставшиеся в стали продукты раскисления порой оказывают меньший вред, чем растворенный кислород, но они засоряют металл неметаллическими включениями, при накоплении которых сталь становится непригодной к дальнейшему использованию. Поэтому необходимо обеспечить условия для удаления продуктов раскисления, что зависит от их величины, способности укрупняться, вязкости металла, плотности частиц.

Укрупнение продуктов раскисления и способность всплывать создаются и усиливаются при образовании жидких легкоплавких образований. С этой точки зрения и особенно в связи с тем, что сильные раскислители так же, как и их продукты раскисления, трудноплавки, целесообразно применять комплексные раскислители. Комплексные раскислители—это сплавы, в которые входят несколько раскислителей, пропорционированных так, что продукты раскисления получают заданные свойства, благоприятствующие их отделению из стали. К комплексным раскислителям относятся силикомарганец, силикокальций, АМС (сплав алюминия, марганца и кремния) и т. д.

Раскисляющая сила раскислителей определяется изобарным потенциалом образования окисла или остаточными концентрациями раскислителя и растворенного кислорода в стали.

Раскисление марганцем (в виде ферромарганца) производят перед выпуском металла из печи. Марганец — слабый раскислитель, поэтому раскисление им является предварительным. Продукты раскисления — МnО — образуют в металле комплексы xMnO. •y

FeO•
z
SiO2 с более низкой температурой плавления и высокой жидкоподвижностью.

Кремний — более сильный раскислитель. Продукты раскисления— SiО2 — плавятся при температуре 1710° С, поэтому вначале образуются включения твердого кремнезема. Последующее сплавление SiО2 с FeO и МnО дает легкоплавкие силикаты mSKVFeO’&MnO, хорошо укрупняющиеся и легко всплывающие. Доменным бедным ферросилицием раскисляют металл в печи. Окончательное раскисление кремнием производится на выпуске, когда в струю дают богатый ферросилиций.

Алюминий имеет высокое сродство к кислороду. Продукты раскисления представляют собой твердые мелкодисперсные частицы Аl2O3. Алюминий вводят вковш, и частично им раскисляют металл при разливке в изложницы.

Диффузионное раскисление стали

Основано на распределении кислорода или закиси железа между металлом и шлаком и раскислении шлака по уравнению:

Источник

Раскисление металла в восстановительный период

Раскисление стали

Высокая концентрация кислорода, растворенного в стали (повышенная активность кислорода), полученная после окончания окислительных процессов, не дает возможности получить качественный слиток, так как понижение температуры металла в процессе кристаллизации приводит к возобновлению реакции окисления углерода [С] + [О] → СО_газ и образованию газовых пузырей, как правило, остающихся в слитке и не всегда заваривающихся при обработке давлением. Неиспользованный при протекании этой реакции кислород выделяется из металлического расплава в конце кристаллизации в виде пленок оксида железа FеО по границам зерен и резко ухудшает механические свойства стали. Это вызывает необходимость проведения раскисления металла. Раскислением называют технологическую операцию, приводящую к снижению концентрации растворенного кислорода (или активности кислорода) в стали до пределов, обеспечивающих требуемое качество готового металла. Содержание растворенного в металле кислорода можно уменьшить или за счет снижения общего содержания кислорода, или путем связывания растворенного кислорода в прочные соединения, не растворяющиеся в стали. Известны следующие способы раскисления стали: осаждающее (ранее не совсем точно называвшееся глубинным) раскисление; экстракционное, или диффузионное, раскисление (раскисление шлаком); раскисление обработкой вакуумом и электрохимическое раскисление. В практике сталеплавильного производства применяют первые два способа, в последнее время все чаще используется и раскисление обработкой вакуумом.

При осаждающем раскислении в металлический расплав вводят элементы-раскислители, обладающие большим химическим сродством к кислороду, чем железо. В результате протекания реакции между растворенным кислородом и раскислителем образуется практически не растворимый в железе оксид, плотность которого меньше плотности жидкой стали, т. е. растворенный кислород переводится в нерастворимый оксид и в расплаве образуется своеобразный «осадок» из нерастворимых оксидов. Полученный «осадок» всплывает или каким-либо другим способом удаляется в шлак. Отсюда и название способа – осаждающее раскисление. Так как раскислители обычно вводят (или пытаются вводить) в глубину металлического расплава, то данный способ раскисления иногда называют глубинным раскислением. В общем виде осаждающее раскисление можно изобразить следующей схемой:

где R – элемент-раскиcлитель.

В металлургической практике для осаждающего раскисления стали чаще всего используют (как наиболее дешевые и доступные) марганец в виде ферромарганца, кремний в виде ферросилиция, алюминий, углерод в различном виде. Иногда для раскисления стали используют более дорогие сплавы щелочно-земельных металлов (чаще кальция) и редкоземельных металлов (с преобладанием церия). Все реакции раскисления такими раскислителями идут с выделением тепла, поэтому глубина протекания реакции раскисления увеличивается при понижении температуры (равновесие реакции раскисления сдвигается вправо, в сторону образования дополнительного количества оксида раскислителя). Оксиды элементов-раскислителей, образующиеся в процессе раскисления, в отечественной специальной литературе принято называть продуктами раскисления. Продукты раскисления, образующиеся в жидком металле в процессе технологической операции раскисления, принято называть первичными продуктами раскисления. В течение всего времени существования научно обоснованных технологий сталеплавильного производства специалисты стремились проводить осаждающее раскисление так, чтобы первичные продукты раскисления возможно более полно и возможно быстрее удалялись из металла. Этой проблеме были посвящены многие исследования, результаты которых позволили металлургам быстро и почти полностью удалять из металла первичные продукты раскисления. Но в процессе кристаллизации стали при понижении температуры реакции осаждающего раскисления продолжают идти, при этом образуются «новые» (вторичные) продукты раскисления, которые уже практически не могут удалиться из кристаллизирующего очень вязкого металла и остаются в стали. Поэтому после осаждающего раскисления готовая сталь всегда содержит некоторое количество неметаллических включений – продуктов раскисления, что и является главным недостатком данного способа раскисления. Но благодаря простоте осуществления операции и большой скорости удаления растворенного кислорода из металла осаждающее раскисление остается основным способом раскисления стали.

Для уменьшения количества и размеров вторичных (кристаллизационных) продуктов раскисления очень важно понизить концентрацию растворенного кислорода при раскислении жидкого металла до возможно более низких значений. Остаточная концентрация растворенного кислорода в металле зависит от температуры, концентрации элемента раскислителя и раскислительной способности элемента- раскислителя. Раскислительной способностью элемента-раскислителя принято называть концентрацию растворенного кислорода [O]_р (или активность кислорода a_[O]), соответствующую конкретной концентрации элемента-раскислителя, при которой он находится в равновесии с кислородом при данной температуре. Данные о раскислительной способности различных раскислителей получают в лабораторных исследованиях, так как в производственных условиях достичь равновесия реакций раскисления не удается. Обычно сравнение раскислительной способности раскислителей проводят при температуре 1600 °С. Для практических нужд удобнее всего использовать данные о раскислительной способности, представленные графически в координатах [O]_р – [R] или a_[O] – [R], lga_[O] и т.д. Следует отметить, что данные о раскислительной способности тех или иных раскислителей, полученные разными исследованиями, часто сильно различаются. Это объясняется тем, что применяется различное оборудование, различные методики исследования; а также различной исходной концентрацией растворенного кислорода и различным составом продуктов раскисления.

Кислород — постоянный спутник железа и стали. Максимальная растворимость кислорода в жидкой стали при температуре ее плавления не превышает 0,22%. С повышением температуры растворимость кислорода в жидкой стали увеличивается. Кислород в стали частично находится в виде раствора, входя, главным образом, в состав неметаллических включений: оксидов — FeO, MnO, SiO₂, Al₂O₃, CaO и ряда их соединений между собой и серой (так называемые силикаты, алюминаты, шпинели, оксисульфиды и пр.).

Кислород ухудшает механические свойства стали, снижает ее ударную вязкость при низких температурах, уменьшает временное сопротивление (прочность на разрыв), повышает неоднородность металла. Комбинированные кислородные и сернистые соединения образуют легкоплавкие неметаллические включения, располагающиеся по границам зерен. В процессе обработки давлением (прокатка или ковка) в таком металле при высоких температурах возможно образование трещин и рванин (явление красноломкости).

Форма, количество и состав кислородных включений в готовой стали зависят от способов раскисления металла, внепечной обработки, разливки и условий затвердевания расплава, а также от характера процессов выплавки стали (основной или кислой). Раскисление стали проводят таким образом, чтобы уменьшить в ней содержание кислорода и неметаллических включений и понизить их вредное влияние на качество металла. Для этого применяют следующие методы раскисления стали: диффузионное — воздействие на металл шлаком с низким содержанием оксидов железа; осадочное — воздействие на металл непосредственно элементами-раскислителями; комбинированное — одновременное воздействие на металл шлаком и элементами- раскислителями.

При равновесии отношение содержания кислорода в железе [О] к содержанию монооксида железа в шлаке (FeO) является постоянной величиной и зависит от основности шлака и температуры. При основности шлака, равной 2, и температуре 1600 °С данное отношение составляет величину 0,005. Если содержание (FeO) в шлаке ниже равновесного, то обеспечивается переход кислорода в виде FeO из металла в шлак. Другими словами, обработкой ванны безжелезистым шлаком можно добиться снижения содержания кислорода в металле.

Присадка в печь порошкообразных материалов — кокса, ферросилиция, алюминия — обеспечивает взаимодействие элементов-рас- кислителей с (FeO) шлака и снижение его концентрации ниже 0,5%. Если конечное содержание (FeO) в шлаке 0,5%, то конечное содержание кислорода в металле в условиях равновесия, определяемое из соотношения [О]кон/0,5 = 0,005, составит: [0]кон = 0,0025%.

Практически равновесие между шлаком и металлом в восстановительный период плавки (доводки) не достигается и содержание кислорода в металле перед выпуском из электропечи колеблется в пределах 0,003—0,012%. При этом уменьшение содержания кислорода в металле происходит, в основном, за счет диффузии кислорода из металла в шлак, поэтому такой способ раскисления называют диффузионным. Диффузионное раскисление ванны металла имеет место при выплавке стали в дуговых печах емкостью до 25 т. Процесс осуществляют под «белым» *(серым) или карбидным шлаком. Белый шлак получают раскислением основного шлака коксом, а затем порошками ферросилиция и алюминия. Карбидный — в результате интенсивного раскисления известкового шлака порошком кокса.

Современные большегрузные дуговые печи оборудуют высокопроизводительными установками для отсоса и очистки отходящих газов, которые при работе создают интенсивный газообмен в рабочем пространстве.

С учетом этого восстановительный шлак требуемых состава, консистенции и раскисленности наводят на жидкой ванне в печи за 15-20 мин до выпуска плавки в ковш путем интенсивной присадки порошков кокса, ферросилиция и алюминия. Период доводки металла (корректировка химического состава стали, нагрев металла и др.) проводят в течение минимального времени под известковым шлаком с основностью 3—4.

Диффузионный способ рафинирования металла позволяет существенно снизить загрязненность стали продуктами раскисления — неметаллическими включениями, так как взаимодействие происходит в шлаке и на поверхности раздела металл-шлак. Однако процесс малопроизводителен. Формирование восстановительного основного шлака к моменту выпуска плавки из большегрузной печи позволяет существенно повысить эффективность взаимодействия фаз в момент слива шлака и металла и тем самым обеспечить высокую степень рафинирования стали от кислорода и серы.

Раскисление стали путем непосредственного ввода в жидкий металл раскислителей в виде кусков или порошка называют глубинным или осадочным. Оно имеет место в металле на разной глубине в зависимости от удельного веса материала-раскислителя, размеров его кусков и способа ввода в металл. Эффект осадочного раскисления металла возрастает с уменьшением температуры плавления веществ- раскислителей и с повышением их растворимости в железе. Сочетание процессов осадочного раскисления металла с диффузионным взаимодействием элементов-раскислителей с кислородом относят к комбинированным методам.

Способы раскисления металла

В восстановительный период электроплавки раскисление металла осуществляют диффузионным способом, при котором реакция раскисления, т. е. связывание кислорода в прочные оксиды, протекает не в металле, а в шлаке, и металл, следовательно, не загрязняется продуктами раскисления. Это основное преимущество диффузионного раскисления перед глубинным. Другим преимуществом диффузионного раскисления является более слабое развитие реакции окисления металла шлаком во время и после выпуска металла из печи. Этим, в частности, объясняется незначительный угар легирующих элементов и раскислителей в электропечах,

К недостаткам диффузионного раскисления относятся:

Несмотря на отмеченные недостатки дуффузионного раскисления, его преимущества, связанные с возможностью получать хорошо раскисленный металл с низким содержание серы и неметаллических включений столь очевидны при производстве качественной и высококачественной стали, что этот способ находит широкое распространение при выплавке стали в электропечах.

Однако для уменьшения отрицательного влияния диффузионного раскисления металла в последнее время получила распространение технология, сочетающая преимущества диффузионного и глубинного раскисления. В этом случае перед началом диффузионного раскисления в металл присаживают кусковые раскислители: ферромарганец, ферросилиций, алюминий и т.д.

Иногда глубинное раскисление применяют и для окончательного раскисления металла.

Для диффузионного раскисления металла широко используют углерод, который дают на шлак чаще всего в виде коксика или электродного боя. При достаточно большом расходе коксика или электродного боя и высоком содержании CaO в шлаке в зоне дуг под электродами образуется карбид кальция по реакции

Карбид кальция, обладая большим сродством к кислороду, взаимодействует с оксидами железа шлака:

Под карбидным шлаком (>2% CaCr) содержание FeO в шлаке может быть снижено до 0,5%, чему соответствует равновесное содержание кислорода в металле 0,0012% в металле при 1600° С. Подобное содержание кислорода в металле не может быть достигнуто даже при 0,3% Ti. Особенностью углерода как раскислителя является малое влияние температуры на его сродство к кислороду. Относительная дешевизна коксика и электродного боя и хороший эффект раскисления ими объясняет широкое применение их для диффузионного раскисления шлака.

В зависимости от содержания карбида кальция и шлаке, а следовательно, и степени его раскисления шлак восстановительного периода разделяют на белый (до 2% CaC₂) и карбидный (>2% CaC₂). Под белым шлаком выплавляют конструкционные стали с содержанием углерода ниже 0,35%, под карбидным шлаком — средне- и высокоуглеродистые стали.

Иногда рафинирование металла в окислительный период проводят под известково-глиноземистым, известково-шамотным или магнезиально-глиноземистым шлаками.

Диффузионное раскисление под белым шлаком

После скачивания окислительного шлака в ванне наводят шлак из извести и плавикового шпата в соотношении 3:2 и в количестве 2—4% от массы металла. Жидко-подвижный шлак образуется через 10—15 мин и на него задают восстановительную смесь из извести, плавикового шпата и молотого просеянного кокса или древесного угля с размером частиц не более 0,5—1,0 мм в соотношении 8:2: 1.

В результате раскисления шлака углеродом кокса содержание FeO в нем примерно через 40 мин снижается до 1,5%, и проба шлака после остывания принимает серый цист вместо черного в начале восстановительного периода, когда в шлаке содержится относительно много оксидов железа.

Вследствие возможности науглероживания металла дальнейшее его раскисление проводят кремнием. В шлаковую смесь вводят мелкоизмельченный ферросилиций марок ФС45 и ФС75. Состав шлаковой смеси следующий: четыре части извести, одна часть плавикового шпата, одна часть кокса и одна часть ферросилиция. Раскисление шлака кремнием длится

20 мин. Около 50% Si, вводимого из шлака ферросилицием, усваивается металлом.

Раскисление шлака кремнием иногда производят с начала восстаковительного периода, что устраняет науглероживание металла. Однако содержание кремния в металле возрастает, он реагирует с растворенным в металле кислородом и образующиеся продукты раскисления частично остаются в металле. Поэтому загрязненность металла неметаллическими включениями при такой технологии может возрасти.

Белый шлак имеет обычно следующий состав 55— 65% CaO, 10—20% SiO₂, до 1% FeO, 0,4% MnО, 12— 16% MgO, 2-3% Al₂O3, 5-10% CaF₂, 1% CaS, до 2% CaC₂. Проба белого шлака при остывании рассыпается, что связано с присутствием в нем силиката кальция 2 CaO • SiO₂, который при 675° С меняет свою модификацию, увеличиваясь при этом в объеме.

Для получения относительно раскисленного металла необходимо выдерживать металл под белым шлаком

1 ч, периодически присаживая некоторое количество раскислительной смеси с коксом или ферросилицием. Хороший белый шлак пенится в печи, густой шлак затрудняет нагрев металла и протекание диффузионных процессов. Поэтому необходимо непрерывно поддерживать нормальную консистенцию шлака, своевременно увеличивая в смеси количество плавикового шпата.

Иногда увеличение вязкости шлака вызывается повышением содержания MgO в шлаке в результате разрушения откосов и подины. В этом случае шлак необходимо скачать и навести новый. Жидкий шлак исправляют присадкой извести.

Диффузионное раскисление под карбидным шлаком

При проведении восстановительного периода под карбидным шлаком металл вначале покрывают шлаковой смесью того же состава, что и при раскислении под белым шлаком. После образования равномерного слоя жидкоподвижного шлака в печь дают смесь из извести, плавикового шпата и молотого кокса в соотношении 3:1:1. Общее количество шлака в восстановительный период составляет 4% в электропечах большой емкости и 7—8% в печах малой емкости (от массы металла).

Карбид кальция образуется в зоне дуг с большим поглощением тепла, поэтому печь хорошо уплотняют и к ней подводят повышенную мощность. Печь не открывают в течение 20—30 мин. Внешним признаком образования карбидного шлака является выбивание из-под заслонок черного дыма.

Карбид кальция из зоны дуг разносится по всему объему шлака. Он является сильным раскислителем, взаимодействуя с FeO по реакции (CaC₂) + 3(FeO) = 3[Fe] + 2 <СО>+ (CaO). Карбид кальция частично восстанавливает кремний из оксида кремния шлака. Поэтому в процессе раскисления металла карбидным шлаком на 0,05—0,1% возрастает содержание кремния в металле. Карбидный шлак плотно прилипает к ложке, а при замачивании ошлакованного инструмента в воде чувствуется специфический запах ацетилена.

Раскисление под карбидным шлаком продолжается не менее 1 ч. Для поддержания в шлаке необходимого содержания карбида кальция в печь периодически задают молотый кокс с известью и плавиковым шпатом, если необходимо уменьшить вязкость шлака.

Существенным недостатком ведения плавки под карбидным шлаком является заметное науглероживание металла в печи и во время выпуска, а также прилипание карбидного шлака к металлу, что приводит иногда к появлению в готовом металле относительно крупных шлаковых включений. Для устранения этого явления карбидный шлак примерно за 30 мин до выпуска переводят в белый. Для этого в печь присаживают известь с плавиковым шпатом, при этом увеличивается общее количество шлака и снижается содержание в нем карбида кальция. Иногда дополнительно открывают рабочее окно, способствуя таким образом, окислению карбида кальция. Если и после этого шлак остается карбидным, то часть шлака (∼1/3) удаляют из печи и забрасывают в печь шлаковую смесь из извести, плавикового шпата и шамотного боя.

Карбидный шлак имеет следующий химический состав: 55-65% CaO, 10-15% SiO₂, до 0,5% FeO, до 0,3% MnO, 6—10% MgO, 2-3% Al₂O₃, 1—2% CaS, 2— 4% CaC₂, 8—12% CaF₂.

Основное отличие карбидного шлака от белого по составу заключается в несколько более низком в первом шлаке содержании оксидов железа и марганца, а также повышенном содержании карбида кальция.

Раскисление под известково-глиноземистым шлаком

При выплавке нержавеющих и им подобных сталей диффузионное раскисление металла в восстановительный период проводят под известково-глиноземистым или шамотным шлаком. В этом случае устраняется возможность науглероживания металла. Например, на Златоустовском металлургическом заводе после скачивания окислительного шлака наводится новый шлак из извести и отработанного флюса электрошлакового производства (

40% Al₂O₃) в соотношении 2:1 в количестве

2% от массы металла. Для раскисления известково-глиноземистого шлака применяют порошкообразный ферросилиций, алюминий и силикокальций.

Глубинное и диффузионное раскисление металла

После скачивания окислительного шлака на открытое зеркало металла присаживают кусковые раскислители: ферромарганец, ферросилиций, силикомарганец, алюминий и т.д. Расход раскислителей должен обеспечить содержание марганца в металле на нижнем пределе в заданной марке стали, введение 0,15—0,2% кремния и 0,05—0,1% алюминия. Затем загружают шлаковую смесь и после ее расплавления шлак обрабатывают раскислительными смесями с постепенно уменьшающимся количеством порошка кокса. При такой обработке образуется слабокарбидный или белый шлак, содержащий

Раскисление алюминием

Раскисление кремнием

Кремний – достаточно сильный и сравнительно недорогой раскислитель (рис. 3.7), поэтому он применяется в производстве стали. При раскислении жидкого металла кремнием в зависимости от окисленности металла и концентрации кремния в стали образуются или жидкие силикаты железа (мало [Si] и много [О]), или твердый кремнезем SiO₂ (много [Si] и мало [О]). При наличии основного шлака раскислительная способность кремния возрастает. Однако удаление образующихся при раскислении силикатов из металла несколько затруднено, так как они хорошо смачиваются железом. Обычно для раскисления стали кремнием используют ферросилиций и силикомарганец различных марок.

Раскисление стали в кислой электропечи

В кислой электропечи углеродистую сталь обычно выплавляют без диффузионного раскисления в печи. Диффузионное раскисление применяют лишь иногда при выплавке легированной стали.

Раскисление углеродистой стали

В окислительный период металл частично раскисляется восстановившимся кремнием. В конце окислительного периода в ванну присаживают ферромарганец. Повышение содержания марганца в металле способствует восстановлению кремния до 0,2—0,3% по реакции

2 [Mn] + (SiO2) = [Si] + 2 (MnO). (160)

За 7—10 мин до выпуска в ванну присаживают ферросилиций для получения заданного содержания кремния; за 3—5 мин до выпуска вводят ферромарганец для окончательного корректирования содержания марганца в металле.

При расчете необходимого количества ферросилиция необходимо учитывать угар кремния (5—10%) и марганца (15—20%). Иногда ферромарганец при выплавке углеродистой стали присаживают в ковш. Угар марганца в этом случае не превышает 10%. Окончательно металл раскисляют алюминием в количестве 160 —200 г/т при отливке слитков и 1—1,5 кг/т при использовании жидкой стали для фасонного литья. Причем 0,5—0,6 кг/т присаживают во время выпуска, остальное при разливке.

Раскисление легированной стали

При выплавке легированной стали в электропечах содержание серы и фосфора в шихте не должно превышать 0,04%. При выплавке стали, содержащей никель и молибден, в завалку используют содержащие указанные элементы отходы, что уменьшает расход легирующих присадок. Расплавление ведут как при выплавке углеродистой стали. После расплавления отбирают пробу металла на полный химический анализ (С, Cr, Ni, Mo, Cu, S, P) и, если содержание серы и фосфора не превышает заданного, в ванну загружают при необходимости никель и ферровольфрам.

После проведения чистого кипения иногда проводят операцию «перекипа», для чего в ванну присаживают чугун или углеродистый ферромарганец (5—7 кг/т). После этих присадок ванна бурно вскипает, что способствует удалению газов.

Легированную сталь выплавляют иногда с удалением 60—80% окислительного шлака, что уменьшает угар легирующих элементов. Для наведения нового шлака в печь загружают смесь из 1—2% кварцевого песка и 0,5—1 % извести или известняка.

Раскисление легированной стали в кислой электропечи может осуществляться либо диффузионным, либо глубинным методами. Если плавку проводят без диффузионного раскисления металла, то после окончания чистого кипения в ванну присаживают для предварительного раскисления силикомарганед (2—4 кг/т) или ферромарганец и ферросилиций. После тщательного перемешивания ванны присаживают феррохром. Не позже чем за 10 мин до выпуска присаживают ферросилиций для легирования стали. Ферромарганец для легирования присаживают непосредственно перед выпуском. При выпуске из печи металл окончательно раскисляют силикокальцием (1,5—2,5 кг/т), алюминием и ферротитаном.

В случае диффузионного раскисления металла после проведения чистого кипения и «перекипа» на шлак задают коксик в количестве 0,2% от массы металла и иногда молотый ферросилиций. Вязкость шлака регулируют присадками извести или известняка. После присадки кокса ванну выдерживают в течение 5—10 мин. Получив результаты анализа, проводят предварительное раскисление металла силикомарганцем (4 кг/т) или ферросилицием и ферромарганцем. Легирование металла проводят после предварительного раскисления. Ферросилиций присаживают за 10 мин до выпуска, а ферромарганец — непосредственно перед выпуском. Окончательно металл раскисляют при выпуске алюминием (1 кг/т) и силикокальцием (2—3 кг/т).

Ниже приведена длительность плавок различных сталей в кислых электропечах емкостью 7 т по данным одного из уральских машиностроительных заводов.

Производительность кислой электропечи на 15—30% выше производительности основной печи.

Раскисление металла обработкой в вакууме

Раскисление металла обработкой вакуумом основано на том, что равновесие реакции

в вакууме сдвигается:

в сторону образования дополнительных количеств монооксида углерода в результате снижения Р_со, а концентрация растворенного кислорода (активность кислорода) в металле при этом уменьшается. Иногда такой способ называют углеродное раскисление в вакууме, или вакуумно-углеродное раскисление. Раскисление металла углеродом в вакууме эффективно и протекает достаточно быстро лишь при обработке нераскисленного металла, лучше при высоком содержании углерода в стали и при хорошем перемешивании металла. После вакуумноуглеродного раскисления проводят окончательное осаждающее раскисление металла. Внепечное раскисление металла углеродом в вакууме в настоящее время довольно широко применяется в практике сталеплавильного производства, особенно в случае выплавки высококачественных сталей, где необходима низкая степень загрязненности оксидными неметаллическими включениями.

Источник