Глубинное, или осаждающее, раскисление

Этот метод заключается в переводе ра­створенного в стали кислорода в не­растворимый оксид путем введения в металл определенного элемента-раскислителя. Элемент-раскислитель должен иметь большее химическое сродство к кислороду, чем железо. В результате реакции образуется мало­растворимый в металле оксид, плот­ность которого меньше плотности ста­ли. Полученный таким образом «оса­док» всплывает в шлак (отсюда назва­ние метода «осаждающий»). Этот метод раскисления часто также назы­вают «глубинным», так как раскислители вводят в глубину металла. В качестве раскислителей обычно применяют марганец (в виде ферромарганца), кремний (в виде ферросилиция), алюминий, сплавы РЗМ (цезия, лантана и др.) и ЩЗМ.

Раскисление осуществляется по следующим реакциям:

[Мn] + [О] = (МnО),

[Si] + 2[0] =(SiO₂),

2[А1] + 3[O]=А1₂O_3(ТВ),

2[Се] + 3[О] = Се₂Оз(_ТВ) и т.д.

Все эти реакции идут с выделением тепла. Равновесие реакции осаждаю­щего раскисления сдвигается влево при повышении и вправо при пони­жении температуры. Практически это означает, что по мере понижения тем­пературы стали (при ее кристаллиза­ции в изложнице или в литейной фор­ме) реакции раскисления продолжают идти и образуются все новые и новые количества оксидов, которые не успе­вают всплыть и удалиться из металла. В связи с этим при данном методе рас­кисления невозможно получить сталь, совершенно чистую от неметалличес­ких включений, что является его недо­статком. Однако этот метод получил широкое распространение как наибо­лее простой и дешевый.

При введении в металл элемента-раскислителя активность растворен­ного в металле кислорода уменьшает­ся. Активность кислорода, соответствующая определенной концентра­ции элемента-раскислителя, при ко­торой он находится в равновесии с кислородом при данной температуре, называется раскислительной способнос­тью элемента-раскислителя. При из­менении температуры раскислительная способность изменяется, иногда очень существенно. Обычно сравне­ние элементов-раскислителей по их раскислительным способностям про­водят при 1600 °С.

В общем случае реакция глубинно­го, или осаждающего, раскисления имеет вид

где R — условное обозначение элемента-рас­кислителя.

При раскислении обычно имеют дело с очень малыми значениями кон­центраций элемента-раскислителя [R]и кислорода [О], поэтому

Если в результате реакции образу­ется чистый оксид то

и или . Значения произведения равновесных концентраций раскислителя и кисло­рода удобны для сравнения раскисли­тельной способности используемых элементов. Графически эти соотно­шения часто представляют в логариф­мических или полулогарифмических координатах (рис. 22). Если то

откуда

Рис. 21. Раскислительная способность элементов R в чистом железе (а) и влияние растворен­ных элементов на активность кислорода (б)

т. е. в логарифмических координатах зависимость [О] от [R]должна быть выражена прямой линией. Если эта линия криволинейна или на ней име­ется перелом, значит, изменяется со­став продуктов раскисления. Так, на­пример, при низких концентрациях углерода продуктами реакции раскис­ления являются СО и СО₂; при рас­кислении кремнием состав продуктов раскисления по мере повышения кон­центрации кремния изменяется:

(FeO)₂·SiО₂ → (FеО)_n·(SiO₂)→SiO₂→SiO

при взаимодействии кислорода с хро­мом состав образующихся продуктов по мере повышения концентрации хрома также изменяется:

FeO·Сr₂О₃→ Сr₂О₃ → Сr и т. д.

Значения раскислительной способ­ности отдельных раскислителей, по разным данным, часто существенно расходятся. Это объясняется тем, что практически при любом способе про­изводства стали существует какой-то внешний источник поступления кис­лорода и этот кислород оказывает оп­ределенное влияние на протекание ре­акции раскисления. Например, реакцию раскисления алюминием записы­вают обычно в виде

2[О]+3[А1]=А1₂О₃. Однако, если в газовой среде присутствует кислород, необходимо учитывать и возможность образования соединений типа FеА1₂О₄ (герцинит):

Fе_ж+1/2O_2(г)+2А1₂O₃= FеА1₂О₄+2[А1]+3[О].

Полученные при этом численные значения раскислительной способнос­ти алюминия зависят от парциального давления кислорода .В большин­стве случаев образующиеся при рас­кислении оксиды для упрощения обо­значают MnO, SiO₂, A1₂O₃ и т. д.