8. Опишите механизм шлакообразования при производстве стали. Какие факторы оказывают влияние на скорость наведения шлака?

Шлакообразование и требования к шлаку Параметры шлакового режима — состав, вязкость, количество шлака и скорость его формирования оказывают сильное влияние на результаты плавки. Требования к шлаку. Шлаковый режим должен обеспечить достаточно полное удаление фосфора и серы из металла во время продувки. С этой целью основность шлака должна быть достаточно высокой (от 2,5 до 3,7), а вязкость невелика, так как в густых шлаках замедляются процессы диффузии компонентов, участвующих в реакциях дефосфорации и десульфурации. Скорость формирования шлака. В связи с кратковременностью продувки чрезвычайно важно обеспечить как можно более раннее формирование шлака. В кислородно-конвертерном процессе с верхней подачей дутья имеются благоприятные условия для шлакообразования (растворения извести): 1) высокая температура в шлаковой зоне ванны (до 2000°С), вызываемая взаимодействием струи кислорода с металлом; 2) интенсивное перемешивание ванны под действием струи кислорода и выделяющегося из ванны СО; 3) возможность изменения содержания оксидов железа в шлаке изменением положения кислородной фурмы относительно поверхности ванны. Формирование основного шлака сводится к растворению загружаемой в конвертер кусковой извести в жидкой шлаковой фазе—продуктах окисления составляющих чугуна (SiO2, MnO, FeO). Известь тугоплавка (температура плавления СаО составляет 2570 °С), поэтому для ее растворения необходимо взаимодействие СаО с окислами шлаковой фазы с образованием легкоплавких химических соединений. Для ускорения шлакообразования в конвертер в начале продувки обычно присаживают плавиковый шпат (CaF2), а также обогащают шлак оксидами железа за счет продувки при повышенном положении фурмы, и иногда за счет присадок железной руды, агломерата, окатышей, боксита. Шлаковый режим. После начала продувки в конвертер вводят первую порцию шлакообразующих — примерно 1/2—2/3 их общего количества. В эту порцию обычно входят известь и плавиковый шпат; иногда вместо плавикового шпата применяют боксит, агломерат, окатыши, железную руду. Оставшееся количество шлакообразующих вводят одной или несколькими порциями в течение 1/3 длительности продувки. Иногда для ускорения шлакообразования часть извести (20-40%) загружают в конвертер перед заливкой чугуна. Общий расход извести составляет 5—8 % от массы плавки; его определяют расчетом так, чтобы обеспечивалась требуемая основность шлака. Расход плавикового шпата обычно составляет 0,15—0,3 % и иногда достигает 1 %. Кроме плавикового шлака, разжижающего первичные шлаки, для ускорения формирования шлака продувку начинают при повышенном положении фурмы для насыщения шлака оксидами железа.  По ходу продувки состав шлака изменяется: в результате растворения извести содержание СаО в шлаке возрастает, а содержание SiO2, MnO и FeO снижается. Заметно уменьшается содержание FeO в период наиболее интенсивного окисления углерода (середина продувки), когда сильное развитие получает реакция окисления углерода за счет окислов железа шлака. В конце продувки, когда углерода в металле мало, начинает окисляться железо и содержание FeO в шлаках возрастает.

Шлаки сталеплавильных процессов.

Роль шлаков в процессе производства стали исключительно велика. Шлаковый режим, определяемый количеством и составами шлака, оказывает большое влияние на качество готовой стали, стойкость футеровки и производительность сталеплавильного агрегата. Шлак образуется в результате окисления составляющих части шихты, из оксидов футеровки печи, флюсов и руды. По свойствам шлакообразующие компоненты можно разделить на кислотные (SiO2; P2O5; TiO2; V2O5 и др.), основные (CaO; MgO; FeO; MnO и др.) и амфотерные (Al2O3; Fe2O3; Cr2O3; V2O3 и др.) оксиды. Важнейшими компонентами шлака, оказывающими основное влияние на его свойства, являются оксиды SiO2 и CaO.

Шлак выполняет несколько важных функций в процессе выплавки стали:

1. Связывает все оксиды (кроме СО), образующиеся в процессе окисления примесей чугуна. Удаление таких примесей, как кремний, фосфор и сера, происходит только после их окисления и обязательного перехода в виде оксидов из металла в шлак. В связи с этим шлак должен быть надлежащим образом подготовлен для усвоения и удержания оксидов примесей; 2. Во многих сталеплавильных процессах служит передатчиком кислорода из печной атмосферы к жидкому металлу; 3. В мартеновских и дуговых сталеплавильных печах через шлак происходит передача тепла металлу; 4. Защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи.

Изменяя состав шлака, можно отчищать металл от таких вредных примесей, как фосфор и сера, а также регулировать по ходу плавки содержание в металле марганца, хрома и некоторых других элементов. Для того, чтобы шлак мог успешно выполнять свои функции, он должен в различные периоды сталеплавильного процесса иметь определенный химический состав и необходимую текучесть (величина обратная вязкости). Эти условия достигаются использованием в качестве шихтовых материалов плавки расчетных количеств шлакообразующих — известняка, извести, плавикового шпата, боксита и др.

9.В какой форме газы присутствуют в жидком и твердом металле?

Газовые поры в отливке и их предотвращение.

Раковины часто возникают от газов, содержащихся в жидком металле. В жидком металле всегда присутствуют газы (азот, водород, кислород), растворенные  или образовавшиеся в  результате химических реакции между отдельными его компонентами. Атомарный водород растворяется в железе. Азот находится в металле в виде химических соединений с железом, кремнием, титаном и другими элементами, однако эти соединения могут разлагаться и выделять газообразный азот. Растворимость азота и водорода в железе (таблица) уменьшается с понижением температуры и при переходе железа из жидкого в твердое состояние. Например, при затвердевании железа (t = 1535" С) скачкообразно падает растворимость водорода с 23,4 до 7,85 смя/100 г. Кислород, растворимость которого в жидком железе увеличивается примерно пропорционально повышению температуры и при 1600° С составляет 0,22%, находится в железе в виде химического соединения — закиси железа FeO.

Состояние железа	Температура	Растворимость водорода см3 на 100грамм	Растворимость азота см3 на 100грамм
Твердое	1535	7,85	24,5
Жидкое	1540	23,4	31,2
Перегретое	1600	27,0	35,0

Основной причиной возникновения раковин от газов, растворенных в металле, является скачкообразное падение растворимости газа в металле в период затвердевания. Такое понижение растворимости приводит к тому, что из закристаллизовавшейся    твердой фазы газы переходят в расплав, который непрерывно ими обогащается. Степень обогащения незакристаллизовавшегося расплава газом зависит от скорости распространения газа в металле и скорости кристаллизации. В наибольшей степени остаточный   расплав  обогащается водородом. Зародышами газовых пузырьков в расплаве могут быть мельчайшие чрезвычайно медленно всплывающие пузырьки любого газа, различные неметаллические включения, грани растущих кристаллов металла, неровности стенок формы и т. п. Образующиеся в затвердевшем металле мелкие газовые пузырьки, не успевшие удалиться из отливки, образуют групповые раковины, поражающие большой объем отливки или отдельные ее части. Такой дефект называют газовой пористостью. В сталях всегда содержится закись железа FeO, образующаяся в результате окисления металла при плавке. Закись железа реагирует с углеродом, содержащимся в расплаве. Образующийся газообразный окисел СО также практически не растворим в металле и в процессе плавки свободно выходит из него в виде газовых пузырей. Однако если реакция между закисью железа и углеродом происходит в металле, залитом в форму, то при его быстром затвердевании пузыри СО не успевают удалиться из отливки и образуют в ней раковины (рис. 24). Именно поэтому при заливке форм плохо раскисленной сталью, содержащей значительное количество FeO, затвердевающий металл начинает вспучиваться и выходить из выпоров и прибылей, а количество газовых пузырей, образующихся в отливке, весьма велико. Закись железа может реагировать также с водородом, растворенным в металле, и образовывать водяные пары, которые, как и окись углерода, не растворимы в металле и способствуют возникновению раковин. Чугун отличается повышенным содержанием кремния, марганца и углерода, являющихся раскислителями, и закиси железа в нем значительно меньше, чем в стали. Следует отметить, что газовые раковины, образовавшиеся в результате механического проникновения газа в металл с поверхности форм и стержней, могут увеличиваться в объеме при выделении из расплава растворенных газов. Установлено, что в окисленном металле чаще образуются газовые раковины.

Способы предотвращения газовых раковин. 

Для предупреждения газовых раковин, образующихся при механическом проникновении газов в металл (вскипе), следует уменьшать газотворность смесей, увеличивать скорость отвода газов из форм и стержней, способствовать удалению из отливки внедрившихся газовых пузырей до момента ее полного затвердевания. Уменьшение газотворности смесей и скорости газообразования в формах и стержнях достигается различными способами. Прежде всего необходимо устанавливать оптимальный состав формовочных и стержневых смесей. При этом смеси должны содержать минимальное количество газотворных материалов — воды, органических связующих, противопригарных добавок, глины, извести, слюды, асбеста и т. п. Наиболее газотворна вода, поэтому содержание ее в смесях должно быть ограничено. Некоторые связующие материалы гигроскопичны и впитывают влагу из окружающей среды после сушки. Повышенной гигроскопичностью обладают сульфитно-спиртовая барда, жидкое стекло, декстрин, крепители KB, КВС, СП, ДП, формовочные глины и другие материалы. Стержни па сульфитно-спиртовой барде способны впитать до 3—4% влаги при выдержке собранных форм перед заливкой 3—6 ч или полуформ 2—3 суток. Стержни на основе крепителей с высокой гигроскопичностью необходимо устанавливать в форму полностью остывшими, а формы заливать сразу же после сборки. Для сложных стержней применение смесей на гигроскопичных крепителях нецелесообразно. Радикальным способом снижения газовыделения при заливке является высушивание и прокаливание стержней и форм. При этом из них почти полностью удаляется вода и частично удаляются летучие продукты из связующего материала. Для стержней из самотвердеющих жидкостекольных и наливных смесей, содержащих в исходном состоянии до 5% влаги, рекомендуется обязательная сушка. При подсушке стержней и хорошей их вентиляции вскипы не происходят. Образованию газовых раковин в отливках может способствовать краска, обладающая повышенной газотворной способностью, особенно нанесенная толстым слоем. Окрашенные стержни надо подсушивать. Краски, сушка которых происходит при сгорании растворителя, не должны содержать больше 6—8% связующих материалов (в пересчете на сухой остаток). Слишком обильная смазка моделей разделительным составом и связанное с этим повышение газотворной способности поверхностных слоев формы приводят к появлению мелких газовых раковин в отливках. Поэтому разделительный состав следует наносить тонким слоем, но чаще. Повышение скорости отвода газов из форм и соответственно снижение давления газа достигается прежде всего уменьшением длины пути фильтрации газов. Для этого необходимо уменьшать расстояние от отливки до стенок и лада опок, предусматривать вентиляционные каналы в форме и стержне. Особенно это важно для форм, уплотненных при повышенном удельном давлении, так как такие формы обладают пониженной газопроницаемостью и, следовательно, в них повышается давление газа. Большое значение имеет тщательная вентиляция стержней. Так, при проверке исполнения технологической инструкции по изготовлению сложных стержней водяной рубашки головки блока двигателя ДТ-54 было выявлено, что многие стержни выполняются без вентиляционного канала, а в тех случаях, когда канал был выполнен, не были установлены пробки, закрывающие его от попадания металла. Заливка форм с такими стержнями сопровождалась длительными вскипами (6—20 сек), а отливки имели газовые раковины (рисунок). При тщательном выполнении вентиляционного канала в стержне и форме газовые раковины в отливках не образуются. Радикальным решением проблемы ликвидации брака по газовым раковинам от форм и стержней является использование оболочковых форм и стержней. В этом случае давление газа на границе металл—форма (стержень) не превышает 5 Г/см2 и значительно меньше критическое, равного 12—20 Г/см2. Должно быть обеспечено надежное удаление газов из стержней через форму. Для этого необходимо, чтобы вентиляционный канал в форме был продолжением вентиляционного канала стержня и чтобы обеспечивалась надежная защита знака стержня и вентиляционного канала от попадания металла. При заливке знака стержня или вентиляционного канала в форме может произойти длительный вскип (с выбросом металла из формы), и как следствие в отливке образуются групповые газовые раковины. Большое значение для хорошего газоотвода имеет увеличение газопроницаемости смесей. Она увеличивается при уменьшении влажности смесей, а также при снижении содержания в них глины и крепителей. Крупные пески повышают, а мелкие понижают газопроницаемость смеси; особенно резко снижается газопроницаемость при наличии в смеси мелких пылевидных частиц (маршалита, молотого угля). Снижение газопроницаемости наблюдается при добавке отработанной смеси; поэтому использование ее для изготовления сложных стержней нецелесообразно. С повышением плотности набивки газопроницаемость песчано-глинистых форм резко падает, а газопроницаемость стержневых смесей изменяется в меньшей степени. Пескодувно-пескострельная набивка обеспечивает наиболее равномерное уплотнение смеси и повышенную газопроницаемость стержней. При высушивании форм и стержней их газопроницаемость увеличивается. Особенно существенно увеличивается при этом газопроницаемость глино-опилочных смесей, в которых выгорают опилки. Для обеспечения хорошего газоотвода при исправлении форм и стержней отломившиеся части следует приклеивать не по всей поверхности излома, так как склеивающее вещество имеет плохую газопроницаемость (рис. 26), а по краям излома. Центральная часть должна обеспечивать свободный отвод газов. Вероятность образования газовых раковин уменьшается при создании специальных полостей в стержнях, которые, даже если они не соединяются специальным каналом со знаком стержня, снижают давление газа. Наиболее удобно создавать подобные полости в разъеме стержня.