Основные принципы получения заданного содержания марганца в стали

Обычно содержание марганца в металле заключительного периода плавки ниже уровня, который предусмотрен химическим составом выплавляемой стали. Поэтому необходимое содержание марганца в стали обеспечивается дополнительным вводом в металл некоторого количества марганца в составе ферросплавов (ферромарганца, силикомарганца, металлического марганца и др.). Ферросплавы можно вводить в ванну сталеплавильного агрегата перед выпуском плавки, в ковш по ходу выпуска, во время обработки в ковше вакуумом или инертным газом.

Ферромарганец является удобным материалом для введения в ковш, т. к. имеет низкую температуру плавления (~ 1500^оС), высокую плотность и хорошо растворяется в жидком железе.

При выплавке углеродистой и низколегированной стали в результате присадки ферромарганца происходит незначительное понижение температуры металла. Растворение в жидком металле при 1600 – 1620^оС 1% холодного ферромарганца сопровождается охлаждением расплава на 16 – 17^оС. В процессе растворения обычно происходит окисление некоторого количества марганца, которое сопровождается выделением тепла и нагревом металла.

При вводе марганца в ковш возможный нагрев металла в результате окисления 0,1% марганца кислородом атмосферы составляет 8 – 10^оС. При подаче ферромарганца в ванну сталеплавильного агрегата окисление происходит в результате взаимодействия с оксидами железа шлака. При этом возможный нагрев металла составляет 2 – 3^оС.

При выплавке углеродистой стали расход ферромарганца обычно не превышает 1% от массы металла. Угар марганца при окислении в ковше обычно составляет 10 – 20%. Следовательно, в этом случае охлаждение металла в результате ввода ферромарганца не должно превышать 5 – 10^оС, что сравнимо с точностью измерения температуры стали термопарами погружения. Поэтому при производстве углеродистой стали ферромарганец обычно вводят в ковш, не опасаясь существенного охлаждения металла.

Подача ферромарганца в ковш возможна и при выплавке низколегиро-ванного металла (1 – 2% Mn), но при этом температура металла в конце окислительного рафинирования должна быть на 10 – 20^оС выше обычной.

При производстве стали с более высоким содержанием марганца он может быть введен в ковш в виде предварительно нагретых ферросплавов или жидкой лигатуры, а также в ванну сталеплавильного агрегата.

Нагрев ферросплавов до 800 – 900^оС позволяет вводить ферромарганец в ковш в количестве до 4% без заметного охлаждения металла.

В мартеновских цехах легирование стали марганцем может проводиться в печи непосредственно перед выпуском плавки. При этом масса разовой присадки ферросплавов не должна превышать 1 – 2% от массы металла. Следующая присадка проводится через 15 – 20 минут, в течение которых ферросплавы плавятся и марганец равномерно распределяется в объеме металла. При подаче ферромарганца в кипящую ванну его угар обычно составляет 20 – 40%. С целью уменьшения потерь марганца подачу ферросплавов целесообразно проводить после предварительного раскисления ванны.

В некоторых случаях требуется получать содержание марганца в стали не более 0,2 – 0,3%. При этом может возникнуть ситуация, когда в заключительном периоде плавки концентрация марганца в металле будет выше заданной. В этом случае уменьшение содержания марганца в металле достигается путем обновления шлака.

Окисление и восстановление фосфора

 Роль фосфора в сталеплавильных процессах

В рудах фосфор всегда сопутствует железу, иногда в больших количествах. В доменной плавке фосфор практически полностью восстанавливается и переходит в чугун. В зависимости от содержания фосфора чугуны принято подразделять на малофосфористые, содержащие не более 0,15 – 0,2% P, и высокофосфористые, в которых содержание фосфора может достигать 2 – 2,5%.

Отрицательное влияние фосфора на свойства стали проявляется уже при содержании его более 0,005 – 0,010%. Отрицательное воздействие фосфора на свойства стали связано в первую очередь с тем, что он имеет неограниченную растворимость в жидком железе, но плохо растворяется в твердом железе, особенно в аустените. При кристаллизации и дальнейшем охлаждении стали избыточное количество фосфора выделяется из пересыщенного раствора в виде фосфидов, температура плавления которых ниже температуры кристаллизации металла. Фосфидные включения хорошо смачивают металл и располагаются преимущественно по границам зерен литой стали. Это приводит к уменьшению пластичности металла, особенно ударной вязкости при низких температурах (хладноломкость стали). По этой причине особенно строгие требования к содержанию фосфора предъявляются в сталях, предназначенных для работы в условиях крайнего Севера.

При повышенном содержании фосфора ухудшается свариваемость стали. Это приводит к плохому завариванию пустот в слитках и заготовках при обработке давлением, увеличению головной обрези слитков и расслоению металла в готовом прокате.

Фосфор, совместно с серой и кислородом, повышает анизотропию прочностных свойств проката. Низкая прочность металла в поперечном направлении в сравнении с прочностью в продольном нежелательна для сталей, предназначенных для изготовления сосудов высокого давления, трубопроводов и др.

Сталь с высоким содержанием фосфора обладает также так называемой синеломкостью, т.е. хрупкостью при температурах 500 – 600^оС.

Повышенное содержание фосфора характерно для некоторых конструк-ционных сталей, предназначенных для обработки резанием на станках-автоматах (автоматные стали). Обычно они применяются для изготовления болтов, гаек и других деталей не ответственного назначения. Примером может служить сталь А12 состава, % мас.: 0,08 – 0,16 C; 0,6 – 0,9 Mn; 0,15 – 0,35 Si; 0,08 – 0,2 S; до 0,15 P. При обработке резанием такие стали не образуют стружки в виде длинных спиралей, а обрабатываемая поверхность получается более чистой.

При производстве тонких листов методом горячей пакетной прокатки в стали также предусматривается повышенное содержание фосфора (до 0,045 – 0,050%). Это уменьшает свариваемость листов при прокатке и увеличивает выход годной продукции.