Основные принципы получения заданного содержания кремния в стали

При выплавке стали в агрегатах с основной футеровкой кремний металлической шихты полностью окисляется, поэтому все предусмотренное маркой выплавляемой стали количество кремния вводят в металл в заключительном периоде плавки.

Кремний и ферросплавы с высоким его содержанием имеют низкие температуры плавления, а растворение их в расплавах железа не приводит к существенному понижению температуры металла. По этой причине основное количество кремния целесообразно вводить в сталь в составе высококремнистых ферросплавов, которые подают в ковш по ходу выпуска плавки. Угар кремния при этом обычно составляет 10 – 30%.

В некоторых случаях ферросилиций вводят в металл в сталеплавильном агрегате. Например, при выплавке стали в мартеновских печах кремний вводят в ванну перед выпуском плавки для так называемого предварительного раскисления. Для предварительного раскисления целесообразно использовать низкокремнистые ферросплавы (15 – 20% Si), плотность которых больше плотности шлака. При предварительном раскислении в металл вводят 0,1 – 0,2% кремния, угар кремния при этом обычно составляет 40 – 60%.

В некоторых случаях во время раскисления и легирования стали возможно не только окисление, но и восстановление кремния. Обычно оно наблюдается при обработке металла с малым содержанием кремния большими количествами алюминия, титана и других сильных раскислителей. Источником SiO₂ для восстановления кремния могут служить печной шлак или шамотная футеровка сталеразливочного ковша.

По этой причине легирование стали большими количествами алюминия и титана рекомендуется переносить из печи в ковш.

Восстановление кремния из кислой футеровки сталеразливочного ковша получает сильное развитие при длительном перемешивании металла во время вакуумирования или продувки нейтральным газом. В связи с этим при вакуумировании и продувке нейтральным газом металла с высоким содержанием титана и алюминия целесообразно отказаться от использования ковшей с шамотной футеровкой, заменив их ковшами, футерованными доломитом, магнезитом и др.

При длительной вакуумной обработке восстановление кремния из кислой футеровки сталеразливочного ковша возможно также и в результате реакции с растворенным в металле углеродом, который в условиях глубокого вакуума становится сильным раскислителем.

Окисление и восстановление марганца.

Роль марганца в сталеплавильных процессах

Металлический марганец очень хрупок, поэтому в чистом виде он имеет ограниченное применение. В основном он используется для получения сплавов, важнейшим из которых является сталь.

Марганец как раскислитель в количестве 0,25 – 0,5% содержится в кипящей, полуспокойной и спокойной стали почти всех марок.

В кипящей стали марганец обычно является единственным раскислителем. Раскислительная способность марганца относительно не высока, но обычно бывает достаточной для раскисления кипящей стали. При наличии в металле кремния, алюминия, титана и других сильных раскислителей присутствие в расплаве указанного количества марганца не оказывает существенного влияния на его окисленность.

Основное положительное влияние марганца состоит в уменьшении вредного влияния на свойства стали серы. Марганец, имея высокое химическое сродство к сере, образует сульфид MnS, который при кристаллизации металла выделяется из раствора в виде тугоплавких, хаотически расположенных включений. Для выделения серы из металла в виде сульфидов марганца отношение концентраций марганца и серы в стали должно отвечать условию [Mn]/[S] > 20 – 22.

Марганец является одним из самых дешевых и распространенных легирующих элементов.

Марганец расширяет область устойчивого существования  -Fe, т.е. повышает устойчивость аустенита и увеличивает степень его переохлаждения. Благодаря этому наличие в стали марганца резко уменьшает критическую скорость закалки. Поэтому марганцовистая сталь прокаливается значительно глубже, чем простая углеродистая.

Растворяясь в феррите, марганец повышает прочностные характеристики стали (пределы прочности и текучести), особенно при содержании углерода 0,1 – 0,5%. Но при этом несколько уменьшается пластичность металла (относительное удлинение и ударная вязкость).

Повышая износостойкость и упругость металла, марганец широко применяется для легирования конструкционных, пружинно-рессорных, износостойких и других марок стали.

Чаще всего применяются низко- (0,8 – 1,8% Mn) и высоколегированные (10 – 15% Mn) стали, в которых в качестве легирующего элемента могут присутствовать также хром, никель и др. Марганец в легированных сталях часто является заменителем более дорогого и дефицитного никеля.

В конструкционных сталях марганец может быть единственным легирующим элементом (0,8 – 1,8%), но значительно чаще используется легирование металла марганцем в сочетании с кремнием, хромом и другими элементами.

Из высоколегированных сталей наиболее широкое распространение получила сталь 110Г13Л или сталь Гатфильда (1,0 – 1,2% C, 12 – 14% Mn). Этот металл обладает высокой износостойкостью, благодаря высокой вязкости и пластичности внутренних слоев металла при высокой твердости поверхностного слоя. Она используется для изготовления деталей, работающих в условиях ударно-адразивного изнашивания: зубья ковшей экскаваторов, шары шаровых мельниц и др. Сталь Гатфильда плохо поддается обработке давлением и резанием, поэтому изделия из нее в основном получают в литом виде.

В некоторых марках стали марганец является нежелательной примесью. Наличие в структуре металла карбидов марганца уменьшает пластичность стали, особенно при комнатной температуре. Поэтому, например, в низкоуглеродистой стали, предназначенной для получения изделий методом глубокой штамповки без нагрева (автомобильные кузова и др.) и в стали для изготовления канатов содержание марганца не должно превышать 0,2 – 0,3%.