Раскисление стали при легировании

Такие раскислители, как марганец, кремний, алюминий, иногда вводят в сталь в количествах, значительно больших, чем требуется для раскисления. Это делается для получения стали с особыми свойствами, т. е. для вып­лавки высокомарганцовистой, высо­кокремнистой и другой стали. В этих случаях процессы раскисления и леги­рования протекают одновременно. Кроме Mn, Si и А1 некоторые легиру­ющие также обладают большим хими­ческим сродством к кислороду, чем Fe, т. е. являются раскислителями. К таким легирующим элементам отно­сятся Сг, V, Nb, В, Ti, Zr. Однако даже в тех случаях, когда раскислительная способность этих элементов невелика (Cr, V, Nb), они принимают участие в процессе раскисления и образования соответ­ствующих продуктов раскисления, и это необходимо учитывать. Если тре­буется определить активность кисло­рода в стали, в которую введены раз­личные раскислители и легирующие элементы, то нужно учесть влияние каждого компонента расплава.

Прямое легирование

Получение ферросплавов и лигатур является наиболее энерго-, трудо- и материалоемким производством в чер­ной металлургии. При этом операции загрузки шихты, плавления и восста­новления, разливки, грануляции, дробления, упаковки ферросплавов не только требуют больших затрат труда, но и сопровождаются потерями метал­ла¹ и интенсивным пылевыделением. При разработке технологических при­емов получения легированных сталей приходится учитывать, с одной сторо­ны, высокую температуру плавления ряда ферросплавов, а с другой —за­метные колебания их плотности. В связи с этим металлурги ведут активный поиск путей создания технологий легирования, которые по­зволяли бы проводить прямое легиро­вание из сырых материалов, минуя стадии производства ферросплавов. В ряде случаев такие пути уже найдены. В качестве сырых материалов, используемых для прямого легирования. Особенно велики потери марганца; об­щие потери марганца в процессе обогащения и выплавки марганцевых сплавов превышают 50%

применяют конвертерный ванадиевый шлак (18-19 % V₂O₂), молибденовый концентрат (82-90 % МоО₃), хромо­вую руду (45-53 % Сr₂О₃), ниобиевый концентрат (38-43 % Nb₂O₃) и др. Эти материалы вводят в металл раз­личными способами (на дно сталеразливочного ковша при выпуске, на шлак в печь, путем вдувания в глубь металла в печи или в ковше и т. п.). Материалы вводят обычно или в виде порошка, или в виде брикетов, в со­став которых кроме основного мате­риала вводят сильные восстановители (алюминий, кальций и т. п.), с тем чтобы в момент контакта материала с расплавленным металлом протекали реакции восстановления: например, 3V₂O₅ + 10А1=6[V]+5А1₂О₃, МоО₃+2А1=[Мо]+А1₂О₃ и др.

Для таких элементов с относитель­но невысоким химическим сродством к кислороду, как Мn, Сг, некоторое повышение содержания легирующих может быть обеспечено путем взаимо­действия смесей или шлаков с желе­зом (в пределах, ограниченных кон­стантой равновесия). Например, для реакции

(MnO)+Fe=(FeO)+ [Mn]

т. e.

При введении в ванну марганецсодержащих добавок повышается и соответственно возрастает содержа­ние марганца в металле. Сквозное из­влечение ценных легирующих эле­ментов при прямом легировании обычно выше, чем при использова­нии ферросплава. Недостатком мето­да являются нестабильность получае­мых результатов, большие колебания степени восстановления в зависимос­ти от условий выплавки, особеннос­тей выпуска из агрегата данной плав­ки, количества и состава попавшего в ковш шлака и т. п. Однако этот недо­статок практически исчезает по мере развития методов внепечной обработ­ки, особенно методов, включающих предотвращение попадания конечно­го шлака в ковш, длительное переме­шивание металла со шлаком, подо­грев металла и шлака в процессе пе­ремешивания и т. п.

Наиболее рационально в качестве восстановителя использовать углерод:

С + МnО = Мп + СО,

3С + Сr₂О₃ = 2Сr + 3СО,

3С + V₃O₃ = 2V + 3СО,

2С + NbO₂ = Nb + 2CO,

5С + Nb₂O₅ = 2Nb + 5СО и т. д.

При наличии в ванне углерода об­работка металла вакуумом или инерт­ными газами сдвинет вправо равнове­сие реакции (МeО) + [С] = СО_Г + [Me]:

На этом основано, например, пря­мое легирование металла хромом, ни­обием и др. Учитывая высокую эконо­мичность прямого легирования, ме­таллурги изыскивают возможности использования всех материалов — от­ходов различных производств — в слу­чае, если эти материалы содержат за­метное количество ценных легирую­щих примесей.

В некоторых случаях для упроще­ния технологии и повышения степени использования ферросплавов приме­няют так называемые экзотермичес­кие смеси, экзотермические ферро­сплавы или экзотермические брикеты. В состав экзотермических смесей для изготовления брикетов входят обыч­но: порошок материала, содержащего лигатуру (порошок феррохрома, фер­ромарганца, ферровольфрама и т. п.); руда (марганцевая, хромовая и т. п.); связующие добавки (например, жид­кое стекло), а также небольшие коли­чества сильного восстановителя (на­пример, порошка алюминия) и силь­ного окислителя (например, натрие­вой селитры NaNO₃).

Выделяемого при взаимодействии экзотермических смесей тепла достаточно не только для быстрого рас­плавления материала, но и для ком­пенсации затрат тепла на восстанов­ление входящих в состав смеси ок­сидов. Эффективность применения экзотермических ферросплавов оп­ределяется некоторым снижением расхода ферросплавов и дополни­тельным восстановлением компо­нентов из руд. При этом, однако, приходится учитывать дополнитель­ные затраты на дробление, смеше­ние, брикетирование, а также на хра­нение взрывоопасных окислителей. Обычно экзотермические ферро­сплавы применяют на агрегатах не­большой емкости при обработке не­больших масс металла.

Глоссарии

Раскисление металлов – процесс удаления из расплавленных металлов (главным образом стали и др. сплавов на основе железа) растворённого в них кислорода, который является вредной примесью, ухудшающей механические свойства металла. Для Р. м. применяют элементы (или их сплавы, например Ферросплавы), характеризующиеся большим сродством к кислороду, чем основной металл. Так, сталь раскисляют алюминием, который образует весьма прочный окисел Al₂O₃, выделяющийся в жидком металле в виде отдельной твёрдой фазы. Степень раскисления, т. е. конечное содержание кислорода в металле [О]. например при реакции R + О = RO (_T), где R и О — раскислитель и кислород в металлическом растворе, определяется концентрацией раскислителя [R], температурой и прочностью окисла RO.

Раскисление марганцем – Марганец является сравнительно слабым раскислителем. При 1600 градусах и концентрациях марганца 0,2 и 0,8 процентов жидкое железо содержит 0,15 и 0,1 процент кислорода. При введении марганца в сталь образуются продукты раскисления, состоящие из FeO и MnO. Концентрация MnO в шлаковом расплаве зависит от содержания марганца в металле и температуры.

Раскисление кремнием –Кремний – более сильный раскислитель, чем марганец. При малых содержаниях кремния в стали и высоком содержании кислорода продуктом раскисления является не чистый кремнезем, а силикаты различного состава.

Раскисление алюминием –Алюминий является очень сильным раскислителем и в связи с этим широко применяется в практике сталеварения для раскисления стали. Раскислительная способность алюминия экспериментально определялась многими исследователями. Трудности экспериментального изучения раскислительной способности алюминия связаны со сравнительно большой погрешностью определений малых концентраций кислорода и раскислителя в расплаве, а также низкого окислительного потенциала в газовой фазе.

Легирование (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объемное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование.