2.7 Раскисление стали

Цель раскисления:

При выплавке стали в открытых сталеплавильных агре­гатах к концу плавки металл в значительной мере насыщается кислородом. Для того чтобы исключить влия­ние этого кислорода на последующее окисление примесей, сталь раскисляют. Для этого в металл вводят элементы раскислители, соединяющиеся с кислородом зна­чительно легче, чем углерод и железо. В качестве раскислителей наибольшее распространение получили кремний, марганец и алюминий.

Методы раскисления стали:

1. глубинное;

2. диффузионное;

3. обработкой синтетическими шлаками;

4. обработкой вакуумом.

Глубинный метод раскисления:

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. Поученный таким образом «оса­док» всплывает в шлак. В качестве раскислителей обычно применяют марганец (в виде ферромарганца), кремний (в виде ферросилиция), алюминий, сплавы РЗМ (цезия, лантана и др.) и ЩЗМ.

Дифузионный метод раскисления:

Данный тип раскисления основан на использовании закона распределения. Поскольку кислород достаточно хоро­шо растворяется и в шлаке, и в метал­ле, можно принять, что при отсут­ствии кипения отношение активнос­тей кислорода в металле и шлаке при постоянной температуре является по­стоянным.Таким обра­зом, раскисляя шлак. добиваются раскисления металла. В качестве раскислителей, вводимых в шлак, используют (в виде чистых ма­териалов или в составе различных вос­становительных смесей) кокс, элект­родный бой, ферросилиций, алюми­ний и др.

Данный метод раскисления позво­ляет получить менее загрязненную включениями сталь и повысить сте­пень использования таких легковос­становимых (из шлака) примесей, как марганец, хром, ванадий и т. п. Одна­ко в агрегатах с окислительной атмос­ферой использование этого метода не­рационально, так как основная доля вводимых на шлак восстановительных смесей не расходуется на восстановле­ние оксидов железа шлака, а под воз­действием окислительной атмосферы окисляется.

Продукты раскисления стали и их удаление:

Продукты раскисления выделяются в виде окисной фазы, образующей отдельные неметаллические включения. Возникновение новой фазы в гомогенной среде связано с образованием новой поверхности раздела и требует преодоления энергии межфазиого натяжения. Поэтому образование зародышей критического радиуса, т. е. таких зародышей, которые могут затем расти, часто очень затруднено и невозможно даже в условиях, когда концентрации компонентов превышают равновесные. При большом межфазном натяжении зародыши новой фазы могут образовываться лишь при больших концентрационных пересыщениях по сравнению с условиями равновесия. Это может вызывать образование таких продуктов раскисления, которые в условиях равновесия не самые устойчивые. Как отмечалось, межфазное натяжение шлака на границе с металлом увеличивается с повышением содержания Al2O3 и понижением содержания FeO. Это же относится к продуктам раскисления, образующим по существу шлаковые включения, которые, однако, могут образовываться и в твердом состоянии, когда межфазное натяжение очень возрастает. Из-за необходимости обеспечивать меньшие пересыщения вероятность образования жидких продуктов раскисления больше, чем твердых. Они могут образовываться даже тогда, когда в условиях равновесия, более устойчивы продукты раскисления, находящиеся при данных температурных условиях в твердом состоянии. Твердые продукты раскисления образуются при значительных пересыщениях и нехватке кислорода для образования включений с содержанием FeO, достаточным для получения низкой температуры плавления.Таким образом опыты показали, что в условиях значительного пересыщения металла при избытке раскислителя образуются скопления мелких твердых включений окисла элемента удаляющего кислород . При направленном питании и содержании раскислителя, достаточном для выделения продуктов раскисления в твердом виде, формируются дендритные включения. При недостатке раскислителя, т. е. повышенном содержании кислорода, образуются жидкие продукты. В случае совместного раскисления алюминием, ферросилицием и ферромарганцем образуются еще и комплексные продукты раскисления, характеризуемые низкой температурой плавления. Поэтому при таком совместном раскислении значительная часть включений выделяется в жидком состоянии. В реальных условиях раскисления стали в месте ввода элемента металл им значительно пересыщен, а в конце зоны проникновения раскислителя в данный момент времени наблюдается избыток кислорода и дефицит раскислителя. Таким образом, вследствие более или менее быстрого распределения раскислителя в объеме металла возникают условия для образования различной формы твердых окисных включений и жидких продуктов раскисления.

Удаление продуктов раскисления происходит в результате перехода их в шлак или на футеровку, с которой контактирует металл. Доставка включений к поверхностям этих фаз осуществляется в результате их всплывания или массопереноса с потоками металла. Поэтому для более быстрого очищения стали от продуктов раскисления желательно получать по возможности крупные глобулярные включения. Включения, доставленные к поверхности шлака или футеровки, остаются на ней в результате эффекта «зацепления». Затем они шлаком ассимилируются (поглощаются или растворяются), а к твердой поверхности прилипают, привариваются. Возможность зацепления частиц и их поглощения шлаком или прилипания к стенке зависит от поверхностных свойств включений. Вероятность этих процессов увеличивается с повышением межфазного натяжения на границе включения с металлом.

Раскисление шлаком:

При такой обработке раскисление ме­талла происходит в том случае, если активность оксидов железа в данных шлаках ничтожно мала. Активность кислорода в металле, как и при диф­фузионном раскислении, снижается по мере уменьшения активности кис­лорода в шлаке.

При обработке синтетическими шлаками на выпуске металла в ковш из конвертера или печи добиваются возможно более полного перемешива­ния металла со шлаком. Обязательным требованием, которое предъявляют в этих случаях к шлаку, является отсут­ствие в нем оксидов железа . Для обработки металла используют обычно высокоосновные шлаки. При обработке металла такими шлаками создаются благоприятные условия и для десульфурации, и для снижения окисленности металла.

Окисные неметаллические включения в стали:

Окисные неметаллические включения оказывают отрицательное влияние на некоторые свойства стали. При обработке давлением скопления окисных включений, а часто и сами включения вытягиваются в направлении течения металла и поэтому оказывают существенное влияние на свойства в поперечном направлении течению металла при ковке или прокатке. Влияние это является следствием нарушения однородного напряженного состояния металла и концентрации напряжений возле включений, играющих роль надрезов, особенно при угловатой форме или острых краях. Так как концентрация напряжений вызывает возникновение объемного напряженного состояния, включения ухудшают свойства металла, характеризующие его пластичность (относительное удлинение и относительное сужение) и ударную вязкость. Наиболее сильно влияние включений обычно проявляется на ударной вязкости, особо чувствительной к надрезам металла и концентраторам напряжений. Понижение ударной вязкости, например при наличии строчечных включений в плоскости излома, может достигать 30—70%. Строчечные неметаллические включения могут вызывать расслаивание металла под действием внешних нагрузок. Это вызывает быстрый износ и забраковывание стальных изделий. Глобулярные окисные неметаллические включения, расположенные на контактной поверхности, понижают износостойкость и усталостную прочность стали. В условиях быстро меняющихся нагрузок включения выкрашиваются, вызывая откалывание и усиленный износ подшипников, а также их разрушение вследствие резкого падения усталостной прочности при наличии дефектов поверхности, возле которых концентрируются напряжения и начинается усталостное разрушение. Окисные неметаллические включения вызывают возникновение в стали ряда специфических дефектов — пористость, точечную неоднородность, волосовины и др.