книги из ГПНТБ / Хан Б.Х. Раскисление, дегазация и легирование стали

тяжение на границе алюмосиликатного шлака с жидким желе­ зом и 1повержност1ное натяжение расплавов системы закись марган­ ца—кремнезем—глинозем [69]. Они сообщают, что межфазное на­

тяжение на границе шлак — жидкое железо повышается с увели­ чением содержания кремнезема и глинозема в шлаке и с умень­

шением концентрации закиси марганца. Из этих данных следует,

что для увеличения межфазного натяжения на границе жидкая

сталь — включение и создания благоприятных условий для укрупнения и всплывания включений следует увеличивать кон­ центрацию кремнезема и глинозема в продуктах раскисления и уменьшать концентрацию закиси марганца.

Форма частиц неметаллических включений, которая обуслов­ лена температурой плавления образующихся при раскислении

окисных соединений, оказывает влияние на жидкотекучесть стали. При одной и той же температуре стали остроугольные включения неправильной формы в большей степени снижают

жидкотекучесть стали, чем глобулярные включения *.

Температура жидкой стали имеет огромное значение для по­

лучения металла, чистого от всех видов неметаллических вклю­ чений. Если металл мало перегрет над температурой ликвидуса, процессы смешивания, коагуляции и всплывания примесей за­

родных включений (окислов). Однако, чтобы правильно вести этот процесс, следует учитывать, что одновременно протекают процессы и уменьшения, и увеличения содержания в стали кислородных включений.

Увеличение засоренности раскисленной стали оксидами не случайное, а обычное явление, почти всегда имеющее место в практике разливки стали. Это происходит, во-первых, вследствие вторичного окисления раскисленной стали кислородом воздуха (на поверхности рассеяной струи жидкой стали, на ее открытой поверхности в изложницах при медленной разливке, при под­ качке в центровую при сифонной разливке и проч.).

Во-вторых, сталь непременно засоряется окислами при разливке с «ко­ рочкой», образующейся на открытой поверхности жидкой стали в изложни­ цах. «Корочка» представляет собою образовавшиеся или всплывшие из стали окислы, которые в случае перемешивания с жидкой сталью попадают в нее в вице крупных или мелких частичек и загрязняют ее.

■ Недопонимание важности этого распространенного явления ведет к не­ правильному практическому проведению процессов раскисления стали. На­ пример, надо понимать, что тугоплавкие продукты раскисления с большим со­ держанием глинозема и с малым содержанием закиси марганца быстрее всплывают из стали, чем легкоплавкие, но могут легко и в большей степени запутываться в стали в случае их перемешивания со сталью.

Снижение количества алюминия, вводимого для раскисления стали, ведет к увеличению засоренности стали «эндогенными» оксидами, но уменьшает за­

соренность стали «экзогенными» включениями.

Для одновременного снижения содержания тех и других включений, надо раскислять сталь большим количеством алюминия, но разливать сталь «без корочки». Прим. ред.

РАСКИСЛИТЕЛИ

Почти все раскисляющие элементы вводятся в жидкий металл

в виде ферросплавов и лишь немногие — в относительно чистом виде.

Основное требование, предъявляемое к ферросплавам,—высо­ кая концентрация легирующего элемента (или элементов в комплексном сплаве) и минимальное содержание в них вредных

примесей (серы и фосфора). Желательно, чтобы ферросплавы

содержали минимальное количество углерода, однако это связа­

но с их удорожанием, вследствие чего применение малоуглеро­ дистых сплавов не всегда экономически целесообразно. Ферро­ сплавы не должны быть загрязнены шлаками ферросплавного

процесса.

Очень важными свойствами ферросплавов являются удельный вес и температура плавления, с которыми связана их способ­ ность проникать в металл через шлаковый покров и способность плавиться и растворяться в жидкой стали. При раскислении ферросплавы присаживаются в металл в кусках определенного размера, поэтому необходимо, чтобы они сравнительно легко

дробились и измельчались.

Наиболее распространенными раскислителями являются мар­ ганец, кремний, алюминий, кальций, титан,которые применяются

в сталеплавильном производстве в виде сплавов с железом и другими элементами-раскислителями, а некоторые из них и в чи­ стом виде.

Марганец для раскисления стали наиболее часто применя­ ют в виде высокоуглеродистого ферромарганца. Этот сплав вы­ плавляют в доменных и электрических печах путем восстановле­ ния марганцевой руды твердым углеродом. Кроме доменного ферромарганца, в сталеплавильном производстве используют зеркальный чугун, выплавляемый в доменных печах, а также мало- и среднеуглерод1истый ферромарганец, получаемый в

электрических печах путем окисления силикомарганца марганце­ вой рудой или путем восстановления марганцевой руды ферро­

силицием.

В табл. 22 приведен состав некоторых сплавов, содержащих марганец.

Для выплавки высоколегированных сталей с содержанием углерода меньше 0,1% и для безуглеродистых сплавов применя­

ют металлический марганец, получаемый путем восстановления высокомарганцовистого шлака ферросилицием в электрических печах или восстановлением марганцевой руды алюминием. Осо­ бо чистый марганец получают путем электролиза марганцевых

солей в жидких растворах. Содержанием марганца в алюмотер-

этому быстро усваиваются жидкой сталью, даже если вводятся в

металл, покрытый слоем шлака.

Кремний для раскисления спокойных сортов стали приме­ няют в виде ферросилиция. Состав основных марок ферросили­

ция приведен в табл. 23.

92 Раскисление стали

Доменный ферросилиций ранее широко использовался для предварительного раскисления стали в мартеновских печах. Боль­ шой удельный вес доменного ферросилиция позволяет вводить его в ванну в виде чушек, получаемых на чугуноразливочной машине. Электротермический ферросилиций имеет малый удель­

ный вес и его в раздробленном виде вводят в ковш под струю ме­

талла. Позднее введение ферросилиция в ковш приводит к боль­ шому угару кремния, вследствие окисления шлаком. Добавки

электротермического ферросилиция с содержанием кремния 75 и 90% не снижают температуру жидкой стали, а наоборот, разо­ гревают металл. Доменный ферросилиций выплавляют из руд с. высоким содержанием кремнезема. Электротермический фер­ росилиций получают в электропечах. Сырьем для его производ­

ства служат кварциты и стружка углеродистых сталей. В каче­ стве восстановителя используют коксик.

Кроме ферросилиция и ферромарганца, для-раскисления ста­ ли используют комплексные кремнемарганцовистые сплавы — силикомарганец и силикошпигель. Силикошпигель выплавляют в доменных печах. Примерный его состав: 9—13% Si, 18—24% Мп,

не более 0,20% Р и 0,03% S. Силикомарганец изготовляют в элек­ тропечах путем восстановления марганцевой руды, богатых мар­ ганцем шлаков и кварцитов. Восстановителем служит углерод. Для раскисления стали в настоящее время применяют три марки

легче ферромарганца, но все же хорошо проникает сквозь шлак и поэтому его применяют обычно для раскисления стали в печи. При раскислении стали силикомарганцем уменьшают количество

ферросплавов, вводимых в металл. Продуктами раскисления яв­ ляются в этом случае жидкие силикаты марганца, которые легко укрупняются и быстро всплывают из металла. Особенно хорошо

происходит укрупнение включений при отношении марганца к

кремнию в сплаве, равном 6ч-7 (в стандартном силикомарганце это отношение составляет 3,54-4,5). Силикомарганец с высоким отношением марганца к кремнию целесообразно применять при

выплавке кремнемарганцовистых или марганцовистых сталей с повышенным содержанием марганца и для обычных сталей в

случае работы на маломарганцовистых чугунах. Если марганец по ходу плавки восстанавливается до 0,35—0,4%, то при выплав­

ке углеродистых сталей приходится вводить небольшое количе­ ство сплава. Эффект от введения малого количества сплава по­

лучается ничтожным Алюминий для раскисления стали применяют либо в виде

металлического алюминия, либо в виде комплексных сплавов алюминия с кремнием (силикоалюминий) или с кремнием и марганцем (сплавы АМС, симанал). Наиболее чистый (первич­ ный) алюминий употребляют при выплавке легированных алю­

минием и ответственных по назначению марок стали. Для вы­ плавки обычных марок качественной стали используют менее

чистый (вторичный) алюминий.

Состав алюминия, применяемого для раскисления, приведен

Содержащиеся в алюминии цинк, олово и другие примеси при введении в жидкую сталь частично испаряются и окисляют­ ся, образуя газообразные окислы, которые создают вокруг кус­ ков алюминия паровую рубашку. Образование паровой рубаш­ ки уменьшает контакт алюминия с металлом и приводит к его плохой усвояемости жидкой сталью. Алюминий следует вводить в струю металла во время выпуска в кусках весом 2—3 кг. Для больших печей вес кусков может быть увеличен до 5—7 кг и даже

больше. Алюминий, применяемый для легирования, вводят в

сталь в жидком и твердом виде.

94 Раскисление стали

20% Мп, примерно 20% А1, остальное — железо. Сплавы алю­

миния с марганцем и кремнием имеют низкую температуру плав­ ления, легко дробятся. Комплексный сплав силикоалюминий, со­ держащий около 20% алюминия и 40% кремния, находит все более широкое применение при производстве стали.

Титан применяют как раскислитель и как легирующий эле­ мент. Его вводят в сталь в виде ферротитана. Состав ферроти­

Ферротитан изготовляют алюмотермическим способом и по­ этому он содержит много алюминия и кремния, что необходимо

учитывать при раскислении и легировании стали ферротитаном.

Ферротитан обычно вводят в ковш во время выпуска металла.

Ввиду малого удельного веса ферротитана куски его плавают

на поверхности металла в ковше и окисляются кислородом воз­ духа. Использование титана при введении его в ковш составляет в среднем 50%.

Кальций применяют в сталеплавильном производстве глав­

Кроме этого, в сплаве содержится около 10% железа и 0,15—

0,20% 'мапния. Силикокальций в количестве 1—3 кг на тонну ста­ ли вводят в ковш во время выпуска плавки. При раскислении стали силмкокальцием следует учитывать содержащиеся в нем кремний и алюминий. Силикокальций легко дробится и хорошо усваивается жидкой сталью. Температура кипения кальция 1487°. При введении силикокальция в ковш кальций испаряется и поэтому из ковша поднимается белый дым, представляющий

собой мельчайшие частички окиси кальция, алюминия и крем­ ния. Остаточное содержание кальция в стали получается нич­ тожным и химическим анализом обычно не обнаруживается. Кальций входит также в состав комплексного раскислителя КМК

(13% Мп, 70% Si и 15,5% Са).

Ванадий используют в металлургии в виде феррованадия

(содержание ванадия не менее 35%).

Ванадий является весьма слабым раскислителем, а стоимость его высока. Поэтому его применяют только в качестве легирую­ щего элемента.

20 до 50% Si. Цирконий является сильным раскислителем, но стоит очень дорого, и поэтому на практике для раскисления при­ меняется редко.

В последние годы для раскисления и модифицирования ста­ ли все шире используют сплавы редкоземельных элементов [70].

Эти сплавы имеют разнообразный химический состав и известны под общим названием мишметалла. Примерный состав наибо­ лее распространенного мишметалла следующий: 50—52% Се; 12—14% La; 14—17% Nd; 8% Рг; другие редкоземельные эле­ менты— около 3%, остальное.— железо. Сплавы редкоземель­ ных элементов получают из отходов титано-магниевых руд (мо­ нацита) химико-металлургическим способом.

Все элементы-раскислители, вводимые в сталь, частично сое­ диняются с кислородом, серой, азотом и другими примесями, а оставшаяся часть растворяется в металле, придавая ему необхо­ димые технологические и механические свойства. Подробное

влияние легирующих элементов на свойства стали рассматривает­

ся в разделе «Легирование стали».

Ферросплавы с одним элементом-раскислителем содержат в себе много железа, которое хотя и увеличивает выход жидкой стали, но требует много тепла на усвоение сплава. Это количе­ ство тепла отбирается у расплавленного металла. Поэтому в сталеплавильном производстве большое распространение нахо­ дят комплексные ферросплавы, в состав которых входят два или несколько элементов

II. ДЕГАЗАЦИЯ СТАЛИ

РАСТВОРИМОСТЬ ВОДОРОДА И АЗОТА В ЖЕЛЕЗЕ И СТАЛИ

Железо и его сплавы растворяют азот и водород как в твер­ дом, так и в жидком состоянии. Количество растворенного газа зависит от температуры и состава металла и от парциального давления газа в атмосфере, равновесной с металлом. При одной и той же температуре и давлении растворимость газа меняется

в зависимости от структурного строения металла.

Объемное или весовое количество газа, содержащегося .в 100 г

металла, насыщенного при данной температуре и приведенного

к 0° при парциальном давлении газа в 760 мм рт. ст., называют растворимостью газа в металле.

На рис. 37 приведены кривые растворимости водорода и азо­ та в чистом железе в зависимости от температуры при давлении газов 1 атм. При достижении температур структурного превраще­ ния металла растворимость обоих газов скачкообразно изменяет­

ся. Это объясняется тем, что в объемноцентрированной решетке железа (Fea и Fes) растворимость азота и водорода меньше, чем в гранецентрирова1нной решетке (FeT ). Растворимость азота в у-железе с повышением температуры убывает, а в а- и 8-железе возрастает. Растворимость водорода с повышением температуры возрастает как в а- и 8-железе, так и в у-железе. Растворимость водорода и азота в сплавах железа при переходе металла из жид­ кого состояния в твердое обычно уменьшается, но имеются ис­ ключения. Так, растворимость азота в высоколегированной хро­ моникелевой стали при ее кристаллизации остается неизменной.

Растворимость газов в металлах обычно подчиняется зако­

ну «квадратного корня» (закону Сивертса), математически вы­ ражаемого уравнением

sr = k

Sr— концентрация газа, растворенного в металле, %; Рг—парциальное давление газа, атм;

k —'константа пропорциональности.

Константа k зависит от температуры, а также от природы

газа и металла. Для растворимости водорода и азота в жидком

Рдс. 38. Растворимость водорода в жидких бинарных сплавах железа при 1600° [75, 132]

Рис. 39. Растворимость азота в жидких бинарных сплавах железа при 1600° [75, 132]

растворимость азота в жидкой стали и резко повышает его рас­ творимость в твердой стали.

3. Марганец увеличивает растворимость в стали водорода й

азота.

4. Кремний понижает растворимость водорода в сплавах же­

леза с кремнием, по одним данным, до весовой концентрации