Электрохимическое раскисление металлических расплавов

Для организации электрохимичес­кого раскисления используют элект­рохимическую ячейку с твердым оксидным электролитом. Если жидкий металл является катодом, то на грани­це раздела жидкий металл — твердый электролит растворенный в металле кис­лород ионизируется: и под действием электрического поля внедряется в кристаллическую решет­ку твердого электролита. Пройдя че­рез твердый электролит, анионы кис­лорода разряжаются, отдавая электро­ны аноду на границе его с твердым электролитом: ; далее, очевидно, происходит молизация кис­лорода:

О+О→О₂. Достоинство дан­ного метода состоит в том, что при этом не происходит загрязнения ме­талла продуктами раскисления. Недо­статком является то, что процесс этот медленный, при окислительной ат­мосфере в агрегате интенсивность пе­рехода кислорода из атмосферы в ме­талл выше интенсивности его отвода и удаления.

Легирование стали

Легированной называют такую сталь, в составе которой помимо обычных примесей содержатся легирующие примеси либо содержание кремния и марганца в которой повышено против обычного количества. Легированные стали могут выплавляться и без искус­ственного введения в них легирующих элементов, например, если в качестве шихтовых материалов используют чу­гун, полученный из руд, содержащих легирующие примеси. Такие чугуны называют природнолегированными. Так, в составе железных руд Орско-Халиловского месторождения содержатся значительные количества хрома и ни­келя. При переплаве этих руд в домен­ных печах получается чугун, содержа­щий < 3 % Сr и 0,7—0,9 №. Известно также Кремиковское месторождение железных руд в Болгарии. В составе этих руд много оксидов марганца, и выплавляемый из них чугун содержит до 4 % Мn.

Однако в большинстве случаев ле­гирующие элементы вводят в металл в виде разных добавок. Легирующими могут быть как элементы, не встреча­ющиеся в обычной стали, так и эле­менты, которые в каких-то количе­ствах содержатся во всякой стали (С, Mn, Si, S, Р). По степени растворимо­сти в железе легирующие добавки можно разделить на группы:

1. Металлы, полностью раствори­мые в железе, — А1, Се, Mn, Cr, Ni, V, Си, Со, Si, Ti, Sb, Be.

2. Металлы, частично растворимые в железе, — W, Mo, Zr.

3. Металлы, практически не раст­воримые в железе, — Pb, Ag, Bi.

4. Металлы, растворимость кото­рых при температурах сталеварения точно не установлена, так как они при высоких температурах испаряются, — Са, Cd, Li, Mg, Na, Hg, Zn.

5. Неметаллы, частично раствори­мые в железе, — С, S, P, N, As, Se, В.

Ряд легирующих элементов образу­ет в железе растворы, близкие к иде­альным. Это Mn, Co, Ni, Cr, Mo, A1, из которых только кобальт и марганец действительно образуют практически идеальные растворы; при образовании остальных растворов приходится учи­тывать теплоту смешения. Однако ча­сто легирующие добавки вводят в ме­талл в небольших количествах; они образуют с железом растворы, кото­рые можно считать бесконечно разбав­ленными, т. е. растворами, подчиняю­щимися закону Генри.

На производстве сталь часто леги­руют не одним элементом, а не­сколькими. При этом необходимо учитывать влияние всех компонентов сплава.

При определении технологии леги­рования принимается во внимание прежде всего химическое сродство того или иного легирующего элемента к кислороду. Химическое сродство к кислороду таких элементов, как Мо, Ni, Си, Со, меньшее, чем у Fe. Во вре­мя плавки данные элементы не окис­ляются и поэтому обычно вводятся в металл вместе с шихтовыми материа­лами или по ходу плавки без опасения получить значительный их угар. Дру­гая группа легирующих элементов (Ti, V, Cr, Si, Mn, A1) имеет химическое сродство к кислороду более высокое, чем Fe. Эти элементы под воздействи­ем кислорода газовой фазы, оксидов железа шлака и кислорода, растворен­ного в металле, окисляются, поэтому их вводят в металл обычно в конце плавки (часто в ковш) в предваритель­но раскисленную ванну. Кроме того, принимают специальные меры по предотвращению окисления металла при разливке (закрытие струи, защита струи подачей инертного газа и др.). При определении технологии легиро­вания принимают во внимание также массу материалов, которые необходи­мо ввести в металл для получения в нем заданных концентраций легирую­щих элементов.

Обычно легированные стали по со­держанию легирующих примесей де­лят на три группы: 1) низколегирован­ные; 2) сред нелегированные; 3) высо­колегированные. При производстве низколегированной стали количество вводимых в металл добавок сравни­тельно невелико и введение их особых затруднений не вызывает. Для произ­водства низколегированной стали ши­роко используют сталеплавильные аг­регаты всех типов: мартеновские и ду­говые печи, конвертеры. При произ­водстве средне- и высоколегированных сталей масса вводимых при легирова­нии материалов значительно больше и появляется опасность чрезмерного ох­лаждения плавки. В связи с этим стали этих групп выплавляют или в обычных агрегатах, но при условии расплавле­ния и нагрева легирующих добавок в специальном вспомогательном агрега­те, или в дуговых, или в плазменных печах с введением легирующих доба­вок в печь и последующим подогре­вом металла либо с использованием специальных агрегатов: подогревае­мых ковшей или конвертеров с аргоно–кислородной или кислородно-ва­куумной продувкой. В данном случае при проведении расчетов, связанных с введением легирующих добавок, необ­ходимо учитывать количество тепла, которое выделяется или поглощается при образовании раствора.

Обычно легирующие добавки вво­дят в металл или в виде чистых мате­риалов (бруски никеля, меди, алюми­ния, куски серы, графитовый порошок и т.д.), или в виде сплавов с же­лезом (ферромарганец, ферросили­ций, феррофосфор, феррованадий и т. п.). Усвоение легирующего элемен­та, введенного в виде сплава с желе­зом, несколько выше, однако необхо­димо учитывать, что при этом возрас­тает масса вводимых в металл холод­ных материалов.

Кроме указанных выше способов для легирования используют ввод до­бавок в виде соединений (оксидов, карбидов, нитридов и т. д.). Так, на­пример, при производстве никельсодержащей коррозионностойкой стали широко используют способ вдувания в струе газа в металл порошка оксида никеля NiO; при производстве стали, содержащей ванадий, для легирования используют дешевый шлак, содержа­щий оксиды ванадия, и т. д. Легирую­щие добавки — дорогостоящие приме­си, поэтому стоимость легированной стали высока. Однако производство легированной стали экономически оправдано из-за получения особых свойств стали и обеспечения возмож­ности уменьшить массу металличес­ких конструкций, повысить их долго­вечность и надежность. Учитывая вы­сокую стоимость легированной стали, все мероприятия, приводящие к сни­жению расхода легирующих добавок или к использованию более дешевых материалов, экономически эффектив­ны. К таким мероприятиям прежде всего можно отнести использование легированных отходов (т. е. отходов легированной стали). Содержащиеся в стальных отходах алюминий, титан, кремний при переплаве почти не со­храняются, однако такие легирующие примеси, как никель, кобальт, медь, молибден, удается при переплаве ис­пользовать полностью. Такие приме­си, как марганец, хром, вольфрам, ва­надий, при переплаве можно исполь­зовать, если вести плавку без окисле­ния.