Способи розкислення.

Как уже отмечалось, в подавляющем большинстве случаев плавка литейных сплавов сопровождается преднамеренным или нежелательным, но неизбежным, окислением основного металла и легирующих элементов. При плавке стали и медных сплавов оксиды основного металла растворяются в нем, ухудшая качество сплава. Поэтому в конце плавки стали и медных сплавов проводят раскисление металла, т. е. восстановление оксидов основного металла.

В качестве раскислителей применяют элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем основной металл. При этом важно, чтобы образующиеся оксиды раскислителя не растворялись в металле, но удалялись в шлак или газовую фазу.

Кроме двух указанных свойств раскислители должны быть экологически чистыми, недорогими и недефицитными.

Сплавы на основе алюминия и магния не раскисляют, так как эти металлы обладают исключительно высоким сродством к кислороду, сами образуют прочные нерастворимые оксиды, которые можно удалить из расплава в процессе дегазации.

При плавке чугуна специальной операции раскисления не проводят в связи с тем, что функцию раскисления выполняет легирующий элемент чугуна — кремний, содержание которого в металле всегда превышает требуемое количество раскислителя, вводимого в расплав. По той же причине не раскисляют сплавы на основе цинка, содержащие не менее 4 % А1.

Таким образом, закономерности процесса раскисления имеют существенное значение только для плавки стали и медных сплавов. При плавке литейных сталей чаще всего используется глубинное или осаждающее раскисление. В качестве раскислителей применяют марганец (в виде ферромарганца), кремний (в виде ферросилиция). Содержание элемента-раскислителя в ферросплаве составляет 45... 75 %.

В результате реакций образуются малорастворимые в металле оксиды марганца или кремния, плотность которых меньше плотности стали, т.е. образующийся «осадок» всплывает в шлак, отсюда название метода — «осаждающий». Этот метод называют также «глубинным», так как раскислитель вводят в глубь ванны металла.

Важно отметить, что всплытие продуктов раскисления затруднено из-за малых размеров образующихся частиц МпО и SiO₂, а также по причине значительной вязкости расплава. Кроме того, в результате раскисления прекращается кипение стали и выделение пузырьков СО, которое способствовало флотации неметаллической мути при кипении. Поэтому при осаждающем раскислении невозможно получить сталь, чистую от неметаллических включений, что является существенным недостатком рассматриваемого метода. Однако этот метод получил наибольшее распространение как самый простой и дешевый.

Уменьшения количества оставшихся в стали неметаллических включений добиваются применением комплексных раскислителей. Они представляют собой сплавы нескольких раскислителей: силикомарганец (Si + Мп), силикокальций (Si+ Са), сплав АМС (А1 + Мп + Si), сплав КМК (Si + Мп + Са) и др. При использовании комплексных раскислителей продукты реакций раскисления вступают во взаимодействие между собой, образуя более крупные и легко всплывающие включения. (Напомним, что SiO₂ является кислотным, или, что у практиков чаще используется, «кислым» оксидом, а МпО и СаО — это основные оксиды).

Кроме того, взаимодействие продуктов реакций раскисления между собой приводит к уменьшению их активности и смещению равновесия реакций в сторону более полного раскисления. Количество вводимого раскислителя должно быть необходимым и достаточным для полного восстановления оксида железа, растворенного в металле. Присадка избыточного количества раскислителя приводит к увеличению содержания в металле элемента-раскис- лителя по сравнению с заданным химическим составом стали. Поэтому в процессе раскисления отбирают пробы «на раскислен- ность металла», в частности «на ковкость» и «на рост».

Технологическая проба «на ковкость» основана на том, что оксид железа сообщает сталям красноломкость. Поэтому после введения первой порции раскислителя отливают небольшой цилиндрический образец, и после затвердевания его расковывают в лепешку. Образование трещин по краям лепешки свидетельствует о красноломкости стали и необходимости введения дополнительной порции раскислителя.

Эта эндотермическая реакция протекает при относительно низкой температуре (в интервале кристаллизации) благодаря тому, что зарождение пузырьков СО облегчается образованием твердых кристаллов металла, а также выделением скрытой теплоты кристаллизации. Образующиеся при этом пузырьки СО заполняют усадочные пустоты в затвердевающем образце и препятствуют образованию утяжины на его свободной поверхности. Поэтому образец недораскисленной стали имеет выпуклую или плоскую свободную поверхность, тогда как наличие утяжины на образце свидетельствует о раскисленности стали (рис. 6).

После получения образца раскисленной стали предварительное раскисление заканчивают. При выпуске стали из печи проводят окончательное раскисление алюминием, который задают на желоб печи или в ковш, под струю металла. Раскислительная способность алюминия настолько велика, что при остаточном содержании его в стали 0,001 % содержание растворенного кислорода в стали составляет около 0,001 %, что приближается к пределу определения концентрации кислорода.

Для каждой марки или группы марок стали разрабатывают и используют свою технологию раскисления.

Диффузионное раскисление основано на применении закона распределения, согласно которому равновесное отношение концентраций оксида железа в шлаке (FeO) и в металле [FeO] является постоянной величиной при данной температуре, не зависящей от абсолютного количества оксида в системе, т.е.

L_Feo = (FeO,%)/[FeO,%] = const.

С позиции закона распределения безразлично, куда вводится раскислитель — в шлак или в металл — в обоих случаях фазы будут раскисляться пропорционально благодаря диффузии FeO из одной несмешивающейся фазы в другую.

При диффузионном раскислении стали раскислитель вводят в шлак. Обычно при диффузионном раскислении используют сильные восстановители: углерод (в виде электродного боя, древесного угля), ферросилиций, алюминий.

Преимущество диффузионного раскисления состоит в том, что продукты реакций раскисления образуются и остаются в шлаке и не «замутняют» металл. Однако скорость процесса диффузионного раскисления значительно меньше скорости глубинного (осаждающего) раскисления даже при высокой температуре металла и шлака. Это приводит к существенному уменьшению производительности печи.

Раскисление медных сплавов проводится введением раскис- лителей как в расплав, так и в шлак (поверхностное раскисление). Некоторые из используемых раскислителей способствуют дегазации расплава и увеличению электропроводности медных отливок.