Раскисление стали

Окислительные условия ведения плавки в сталеплавильных агрегатах, наличие окислительных шлаков, а также взаимодействие металла с атмосферой при выпуске и разливке - все это, вместе взятое, приводит к тому, что кислород, растворенный в стали, к моменту его выпуска имеет определенную, часто повышенную активность.

Влияние кислорода на свойства стали:

1. Кислород - основная причина старения стали, то есть кислород, избыточный по отношению к ферриту (a-Fe) в виде FeО выделяется в процессе кристаллизации. Выделение избыточной фазы из переохлажденного раствора сопровождается появлением большого количества зародышей зерен, фаза становится мелкодисперсной, выделяется по границам ферритных зерен, изменяя свойства сплава: пластичность, предел текучести, стойкость к коррозии снижаются; предел прочности возрастает. Изменение всего комплекса свойств стали называется старением металла.

2. Кислород, избыточный по отношению к аустениту (g-Fe), выделяется из металла в процессе кристаллизации, обогащая жидкую фазу, и взаимодействует с примесями Si, Al, Mn, образуя SiO₂, Al₂O₃, MnO, то есть является причиной загрязнения стали неметаллическими включениями, которые ухудшают механические свойства стали.

3. В условиях кристаллизации, избыточный кислород взаимодействует с углеродом. Это взаимодействие приводит к газовыделению. С понижением температуры динамическая вязкость возрастает. Образующиеся пузыри газа {СО} не могут полностью удалиться из стали, и остаются в металле, определяя макроструктуру слитка, что делает невозможным получение плотной макроструктуры.

4. На завершающих стадиях охлаждения избыточный к a-Fe кислород выделяется в виде FeО по границам аустенитных зерен. При этом образуется эвтектика FeS-FeO с температурой плавления 910^оС (температура плавления эвтектики FeS-Fe - 988^оС), которая является причиной красноломкости стали, следовательно, избыточный кислород усиливает явление красноломкости стали.

Заключительным этапом любого сталеплавильного процесса является снижение концентрации кислорода до пределов, исключающих вредное влияние кислорода на свойства стали. Эта операция получила название раскисление.Существует три способа раскисления:

1. Осаждающее.

2. Диффузионное (экстракционное).

3. Раскисление в вакууме.

Осаждающее раскислениеполучило наибольшее распространение.Его суть заключается в снижении концентрации растворенного в металле кислорода путем перевода его в прочные конденсированные оксиды по схеме [О] + [Эл] = (ЭлО) и последующее их удаление из металла. Элементами чаще всего являются металлы активные к кислороду (Al, Si, Mn)

[О] + [Ме] = (МеО), (7.4‑1)

где [Ме] – элемент-раскислитель; (МеО) – продукт раскисления. Константа равновесия реакции (7.4-1) определяется

. (7.4‑2)

Следовательно, . (7.4‑3)

Эта равновесная концентрация кислорода в металле с продуктами раскисления и элементом-раскислителем получила название раскислительная способность. Чем ниже содержание кислорода в металле (¯ [О]), тем выше раскислительная способность. Из выражения (7.4-3) видно, что раскислительная способность определяется активностью продукта раскисления, константой равновесия реакции и концентрацией элемента раскислителя.

Константа равновесия зависит от температуры и сродства элемента-раскислителя к кислороду. Оценка раскислительной способности элементов лежит в основе решения первой задачи раскисляющего осаждения. Вторая задача – наиболее полное удаление из металла продуктов раскисления (неметаллические включения). Способы удаления неметаллических включений смотри в разделе 7.5. (способы обеспечения чистоты стали).

Комплексное раскисление стали. Металл раскисляют сильными и слабыми раскислителями в таком соотношении, чтобы они образовывали легкоплавкие соединения. Например, температура плавления оксида (MnO) составляет примерно 1600 ^оС, температура плавления соединения (MnO×SiO₂) – 1270 ^оС, при выполнении условия легкоплавкости: [Mn]/[Si] ≥ 3-3,5.

При комплексном раскислении повышается раскислительная способность каждого из раскислителей. Это обусловлено снижением активности каждого оксида в продуктах раскисления. Так, при одновременном раскислении кремнием и марганцем область жидких сплавов FeO-MnO-SiO₂ расширяется. Раскислительная способность алюминия увеличивается также в присутствии марганца. На этом принципе основано применение ряда комплексных раскислителей и лигатур. Применение комплексных лигатур объясняется также быстрым удалением комплексных продуктов раскисления из металла, благоприятной формой оставшихся в металле оксидных включений, меньшим их отрицательным влиянием на служебные свойства стали и т.п.

Диффузионное (экстракционное) раскислениеосновано на изменении условий равновесного распределения кислорода между металлом и шлаком. Поскольку кислород в виде FeO достаточно хорошо растворяется и в шлаке, и в металле, то согласно закону распределения Нернста-Шилова при Т = const

[FeO]/ (FeO) = const = L_FeO. (7.4‑4)

В условиях постоянства этой величины добиться снижения содержания кислорода в металле можно за счет снижения концентрации [FeO] в металле следующими способами:

1. За счет увеличения количества шлака, что экономически не выгодно.

2. Перевод [FeO] в другие соединения нерастворимые в металле, например 2(FeO) + [Si] = (SiO₂) + 2[Fe] (7.4‑5)

или (FeO) + [C] = [Fe] + {CO}. (7.4‑6)

Здесь оксид (SiO₂) не растворяется в металле, а оксид {CO} не растворяется ни в металле, ни в шлаке. Раскисляя шлак, добиваются раскисления металла. В качестве раскислителей, вводимых в шлак, используют кокс, электродный бой, ферросилиций, алюминий и др.

Переход [FeO] ® (FeO) происходит до установления постоянства коэффициента распределения. Этот переход при нарушении равновесия осуществляется диффузией. Поэтому раскисление называется диффузионным.

Основное достоинство – процесс не связан с загрязнением металла продуктами раскисления, следовательно, обеспечивается более высокое качество стали.

Недостаток – процессы диффузионного распределения между металлом и шлаком носят затяжной характер. Поэтому на раскисление требуются большие затраты времени. В результате, низкая производительность процесса и высокая стоимость стали. По этому способу раскисляются стали высокого качества

Раскисление в вакууме основано на возрастающей раскисляющей способности углерода при снижении внешнего давления

[С] + [О] = {СО}, (7.4‑7)

. (7.4‑8)

Условие протекания реакции: Р_со ³ Р_в . Соотношение (7.4-8) характеризует раскисляющую способность углерода в зависимости от внешнего давления. При снижении Р_в содержание кислорода [О] также понизится.

Достоинство данного способа раскисления заключается в том, что раскисление металла не сопровождается загрязнением металла неметаллическими включениями, следовательно, обеспечивается высокое качество металла.

Недостаток – необходимо дорогостоящее оборудование.

Диффузионное раскисление в вакууме применяется для получения специальных высококачественных сталей (трансформаторная сталь)