27. Применение нейтральных газов для обработки жидкой стали в ковше.
Наиболее часто для продувки в ковше применяют аргон. Его подают через погружаемую фурму («ложный стопор»),через пористую огнеупорную пробку в днище ковша или через пористые швы в днище ковша. Широкое применение для продувки получили огнеупорные пористые пробки.
Продувку стали в ковше проводят для:
Выравнивания, установления точных заданных значений и корректировки температуры металла
Ускорения расплавления и равномерного распределения в объеме ковша легирующих компонентов и раскислителей
Выравнивания и точной корректировки химического состава стали
Для более полного удаления из стали кислорода, неметаллических включений, повышения степени чистоты стали
Для уменьшения концентрации водорода и азота в металле
28. Растворимость кислорода в стали и предельная растворимость кислорода в расплаве, способы получения стали с низким содержанием кислорода.
Кислород является неизбежной примесью железа и стали. Технологический процесс производства стали связан с окислением железа, примесей чугуна и других шихтовых материалов. Одновременно с окислением железа и примесей идет растворение кослородаав расплавленном железе (стали). По содержанию растворенного кислорода стали делят на 3 класса: кипящие, полуспокойные и спокойные. Кипящие стали не раскисляют сильными раскислителями кремнием и алюминием, содержание растворенного кислорода в них составляет 0,04-0,04%. Сталь при разливке ее в слитки и кристаллизации «кипит» за счет выделения пузырей оксида углерода, образующихся при взаимодействии углерода и кислорода, растворенных в стали, по реакции: [C]+[O]={CO}
Застрявшие между кристаллами пузыри СОпри прокатке завариваются и не образуют дефектов.
Полуспокойные стали раскисляют кремнием до содержания в стали 0,06-0,08 % кремния, при этом содержание кислорода не превышает 0,020-025%. При кристаллизации сталь изза пониженного содержания кислорода кипит вяло. Количество пузырей СОв слитке существенно меньше, чем в слитке кипящей стали.
Спокойную сталь раскисляют сильными раскислителями – кремнием до концентраций 0,17-0,37% для большинства марок стали и алюминием с расходом 0,5-1 кг/т. Содержание кислорода снижается до 0,003-0,007%. При кристаллизации такой стали кипение отсутствует, пузыри СО не образуются.
В настоящее время основную массу стали разливают на установках непрерывной разливки. Кипение стали в кристаллизаторе недопустимо. Поэтому стали для непрерывной разливки подвергают раскислению с использованием сильныхраскислителей (кремния и алюминия).
Растворимость кислорода в расплавленном железе в контакте с газообразным кислородом описывается законом квадратного корня Сивертса только в том случае, если составы расплавов железо-кислород находятся в гомогенной области Ж (L1) диаграммы состояния и на поверхности расплава железа не возникает оксидная фаза. Растворимость кислорода может быть описана уравнением: 0,5{О2}=[O]
Ко – константа равновесия реакции растворения кислорода
А – активность кислорода, растворенного в железе
Ро2 – парциальное давление кислорода в газовой фазе, атм
Предел растворимости кислорода в жидком железе достигаетсяуже при очень низких давлениях газообразного кислорода. Так, при обычно учитываемой температуре 1600 градусов цельсия (1873 К) растворимость кислорода 0,23 % достигается уже при давлении кислорода 0,61*10^-3 Па. Отсюда следует, что путем вакуумировния при давлениях 10^2 – 0,1 Па, реально достигаемых в вакуумных агрегатах для обработки стали, удалить растворенный кислород не представляетсявозможным. Удаление кислорода из расплавленной стали при вакуумировании происходит только за счет реакции с углеродом с образованием СО. Содержание кислорода в жидком железе, равновесноее с железооксидным шлаком (вюститом), может быть описано уравнением:
(FeO)=[Fe]+[O]
lg[O](FeO)=-6320/T+2,734
При температуре 1600 в железе может раствориться 0,23% кислорода при концентрации кислорода в вюстите около 22,5%.
В период продувки в расплавах Fe-C-O содержание кислорода определяется концентрацией углерода и составляет 0,01-0,15%. Эти концентрации ниже предела растворимости кислорода в расплавленном железе, но выше, чем равновесные с концентрацией углерода.
Способы раскисления
Осаждающее (ранее не совсем точно называемое глубинным)
Экстракционное или диффузионное (раскисление шлаком)
Раскисление обработкой вакуумом
Электрохимическое раскисление
При осаждающем раскислении в металлический расплав вводят элементы-раскислители, обладающим большим химическим сродством к кислороду, чем железо. В результате протекания реакции между растворенным кислородом и раскислителем образуется практически не растворимый в железе оксид, плотность которого меньше плотности жидкой стали. Т.е. растворенный кислород переводится в нерастворимый оксид и в расплаве образуется своеобразный «осадок» из нерастворимых оксидов. Полученный «осадок» всплывает или каким либо другим способом удаляется в шлак. Отсюда и название способа – осаждающее. R – элемент-раскислитель
В металлургической практике для осаждающего раскисления стали чаще всего используют (как наиболее дешевые и доступные) марганец в виде ферромарганца, кремний в виде ферросилиция, алюминий, углерод в различном виде. Иногда для раскисления стали используют более дорогие сплавы щелочно-земельных металлов (с преобладанием церия). Все реакции раскисления такими раскислителями идут с выделением тепла, поэтому глубина протекания реакции увеличивается с понижением температуры (равновесие реакции раскисления сдвигается вправу, в сторону образования дополнительного количества оксида раскислителя – продукта раскисления).
Экстракционное (диффузионной) раскисление металла шлаком основано на использовании закона распределения, в соответствии с которым отношение активностей кислорода в двух несмешивающихся жидкостях (металле и шлаке) есть величина постоянная при постоянной температуре.
Раскисление металла обработкой в вакууме основано на том, что равновесие реакции образования СЩ в вакууме сдвигается в строну образования дополнительных количеств монооксида углерода в результате снижения давления СО, а концентрация растворенного кислорода в металле при этом уменьшается (вакуумно-углеродное раскисление).
Электрохимическоераскисление стали пока остается на стадии лабораторных и полупромышленных экспериментов. Отсутсвие продуктов раскисления в стали, но малая скорость раскисления и невозможность применения в ближайшее время для раскисления более или менее больших количеств.