13. Розкислення та легування сталі

Наприкінці процесу виплавки сталі в сталеплавильному агрега­ті в металі є певний вміст розчиненого кисню, що залежить в основ­ному від вмісту вуглецю, а також інших домішок, температури ванни та окислюваності шлаку. Під час випуску металу із сталеплавильного агрегату відбувається вторинне окислювання внаслідок контакту І киснем повітря, якщо вміст кисню в металі менший за врівноважений з оксидами заліза. Оскільки розчинений кисень спричинює червоноламкість сталі під час обробки тиском, застосовується розкислення ви­плавленої сталі введенням у метал елементів, що мають більшу спорід­неність із киснем, ніж залізо (марганець, кремній, алюміній тощо). Із цих елементів складаються феросплави (феромарганець, феросиліцій, силікомарганець тощо), або використовують у вигляді технічно чистого металу (алюміній).

Феросплави використовують не лише для розкислення, а й для легування сталі. Вони присаджуються в сталь, найчастіше під час випус­ку її зі сталеплавильного агрегату, оскільки при цьому метал протя­гом певного часу випуску майже не містить сталеплавильного шлаку, який перешкоджає використанню елементів феросплавів для розкислення сталі.

Якщо температура плавлення феросплаву менша за температуру сталі, то завдяки теплопереносу до кусків феросплаву зі сталі, який відбувається на один порядок швидше, ніж розчинення феросплаву масо-переносом, куски феросплаву плавляться й елемент-розкислювач перехо­дить до розчину.

Якщо температура плавлення феросплаву перевищує температуру сталі, кусок феросплаву нагрівається за рахунок тепло переносу до температури сталі, але залишається твердим, а елемент-розкислювач потрапляв до розчину за рахунок розчинення феросплаву в металі. Оскіль­ки швидкість процесів масо переносу набагато менша за швидкість тепло переносу, розкислення і легування тривають довше й іноді потребують додаткових заходів для своєчасного переходу елементів феросплаву в розчин. Для цього найчастіше застосовується позапічна обробка сталі шляхом вдування в неї аргону або інших нейтральних газів, які спричи­нюють перемішування сталі та її рух відносно кусків феросплавів, тобто штучну конвекцію, яка прискорює розчинення.

Радикальним способом усунення перешкод для розчинення феросплавів, особливо з високою температурою розплавлення, є попереднє розплавлення феросплавів в електродугових або індукційних печах із подальшим змішуванням лігатури, розплаву феросплаву або суміші феросплавів, з рідкою сталлю при випусканні зі сталеплавильного агрегату. У цьому разі елементи феросплавів розчиняються в сталі майже миттєво.

Залежно від густини феросплаву елементи, що містяться в ньому, застосовуються по-різному.

Якщо густина феросплаву перевищує густину сталі, його куски од­разу потопають у сталі і весь час контактують лише з нею, розплавлюю­чись або розчиняючись. Завдяки цьому елемент феросплаву майже повніс­тю переходить до розчину, використовується лише для розкислення та легування сталі.

Якщо ж густина феросплаву менша за густину сталі, його куски спливають на поверхню металу і контактують як із повітрям, так і з шлаком, коли він потрапляє на цю поверхню. Завдяки окислювальному ха­рактеру повітря і шлаку частина елементу феросплаву окислюється, а продукти окислення переходять до шлаку. Де призводить до втрат елемен­та, так званого угару, який залежить від спорідненості елементу з киснем і температури плавлення феросплаву. У деяких випадках кількість угару може бути дуже великою, наприклад для алюмінію досягає 80-90%.

Для запобігання угару елементів феросплаву використовують штучні засоби, які примушують феросплав входити до металу незалежно від співвідношення густини феросплаву і сталі. Після того як потріб­ний елемент опинився в розчині металу, відбувається процес розкислен­ня, тобто хімічна взаємодія елементу з розчиненим киснем.

У загальному випадку цю реакцію можна подати у вигляді рів­няння:

Згідно з виразом для константи рівноваги реакції (1.102) залиш­ковий вміст кисню в сталі:

Продукти розкислення мають певну температуру плавлення. Якщо вона менша за температуру сталі, вони перебувають у вигляді рідини, а якщо перевищує її - у твердому стані. У першому можливі варіанти, а в останньому найчастіше . Якщо продукти розкислення утворюються внаслідок реагування з киснем лише одного елементу, то їх вміст у розплаві оксидів цього елементу спочатку становить май­же 100% і лише з часом унаслідок порушення рівноваги реакції:

до них приєднуються оксиди заліза, а поступово зменшується. При одночасному розкисленні кількома елементами продукти роз­кислення спочатку є сумішшю кількох оксидів, а активність кожного з них менша, ніж у пертому випадку.

Розкислювальні властивості елементу визначаються насамперед його константою рівноваги, що залежить від температури. Оскільки реакції розкислення екзотермічні, зниження температури сприяє збіль­шенню і зменшенню вмісту залишкового кисню.

Для даного елементу збільшення його вмісту за рівнянням (1.101) зменшує врівноважену з ним концентрацію кисню в сталі. Але в деяких випадках унаслідок великого впливу тієї самої концентрації на коефіцієнт активності кисню це зменшення відбувається лише до визначеної концентрації елементу, а потім вміст залишкового кисню починає збільшуватись. Звичайно ця гранична концентрація перевищує концентрацію елементу в сталі, що використовується.

Залежно від необхідного типу сталевого зливка (киплячий, напівспокійним або спокійний) потрібний ступінь розкислюваності ста­лі змінюється, що потребує використання відповідних елементів-розкислювачів. Для отримання киплячої сталі використовують марганець, для напівспокійної – марганець і кремній, для спокійної – марга­нець, кремній і алюміній. При цьому враховується також вміст у сталі вуглецю та інших елементів, здатних розкислювати сталь. Роз­кислення сумішшю елементів (комплексні феросплави і лігатури) роз­кислювачів знижує вміст залишкового кисню внаслідок зменшення ак­тивності оксидів кожного з них у продуктах розкислення згідно з рівнянням (1.103).

Сам процес розкислення відбувається в певній визначеній послідовності. Після надходження елементу-розкислювача в розчин і досяг­нення потрібного пересичення останнього продуктами розкислення за реакцією (1.102), створюються зародки нової фази у вигляді цих про­дуктів. На їх поверхні відбувається реакція розкислення. Оскільки ванна металу має великі розміри, зародки нової фази утворюються май­же одночасно у великій кількості місць ванни на відстані один від одного 10²...10³ мкм. Кожний зародок стає центром тяжіння до нього атомів елементу і кисню навколишнього об’єму металу й вони дифундують у металі до поверхні зародку, на якій взаємодіють згідно з ре­акцією (1.102). Продукти взаємодії у вигляді оксиду елементу зали­шаються на поверхні взаємодії, а зародок збільшується за розміром, перетворюючись на неметалеве включення. У результаті в сталі утво­рюється велика кількість неметалевих включень, розмір яких залежить від типу розкислювача, його концентрації, початкового вмісту розчи­неного кисню тощо.

У переважній більшості випадків густина оксидів включень мен­ша за густину сталі. Оскільки вони мають малий розмір, то спливають у режимі, коли швидкість спливання визначається в’язкістю сталі і за­лежить від розміру спливаючого тіла в другому ступені. Включення розміром 10¹..10² мкм спливають зі швидкістю 10^-3...10^-2см/с і протя­гом розкислення, позапічної обробки і розливання сталі, що тривають разом близько години, не всі включення встигають спливти на поверх­ню ванни металу.

Кількість неметалевих включень, що містяться в металі в даний момент, залежить від співвідношення швидкості їх утворення та спли­вання.

На початку розкислення, коли розчиненого кисню в металі міс­титься багато і швидкість утворення продуктів розкислення велика, а швидкість відокремлення включень менша за останню, кількість вклю­чень збільшується. З часом вміст розчиненого кисню зменшується, що зменшує швидкість утворення включень. Тому оскільки вони продовжують спливати на поверхню металу, кількість включень у металі починає зменшуватись.

Звичайно кількість включень у сталі досягає максимуму через 3...5хв. після початку розкислення, а більша частина включень всти­гає спливти з металу протягом 10хв. Тому розливну сталі починають через певний час після випуску і розкислення.

Під час позапічної обробки сталі та її розливки, якщо на по­верхні. Металу є пічний шлак, його кисень може надходити до сталі за умови,що залишковий кисень менший за врівноважений із цим шлаком,який називається ковшовим. Унаслідок відбувається додаткове окислення елементів, розчинних у сталі, яке називають вторинним на відміну від угару елементів під час розкислення. Це змінює склад сталі і має враховуватися при її розкисленні та легуванні. Щоб запобігти вторинному окисленню елементів, вживають заходів щодо обмеження по­трапляння пічного шлаку на випуску до ковша.

Під час позапічної обробки шляхом продувки металу аргоном або іншим нейтральним газом відбувається укрупнення неметалевих включень, що прискорює їх спливання зі сталі і зменшує їх залишко­вий вміст. Одночасно, якщо в ковші є ковшовий шлак, прискорюється вторинне окислення і створюються нові неметалеві включення.

При вакуумуванні сталі внаслідок зменшення тиску порушується рівновага реакцій розчиненого вуглецю з неметалевими включеннями:

що призводить до порушення останніх.

Водночас може порушитись реакція взаємодії:

якщо залишковий після розкислення вміст кисню досить великий. У цьо­му разі вуглець спричинює зменшення вмісту розчиненого кисню, тобто відіграє роль розкислювача.