Глубинное (осаждающее) раскисление и легирование стали
Глубинное (осаждающее) раскисление заключается в связывании растворенного в стали кислорода в нерастворимые оксиды в результате введения в металл элемента-раскислителя с последующим удалением продуктов раскисления (оксидов) в шлак. Если условно обозначить элемент-раскислитель через Me, то процесс глубинного раскисления в общем виде можно описать реакцией [О] + Me = (МеО) + Q.
Образующиеся в результате реакций раскисления малорастворимые в металле оксиды, имеющие низкую в сравнении с металлом плотность, всплывают в шлак или выносятся конвективными потоками металла. Происходит отделение новой шлаковой фазы, напоминающее образование осадка в низкотемпературных физико-химических процесса – отсюда название метода «осаждающий». Введение раскислителей в глубину металла предопределило другое название этого способа раскисления – «глубинное».
Для успешного проведения раскисления, элементы, используемые в качестве раскислителей, должны удовлетворять следующим основным требованиям:
- иметь высокое химическое сродство к кислороду (раскислительную способность), больше чем у железа;
- обеспечивать образование нерастворимых в металле оксидов с минимальной плотностью и температурой плавления, что облегчает их удаление из расплава (минимизирует количество неметаллических включений) или обеспечивает получение включений глобулярной формы;
- иметь низкую стоимость и доступность (недефицитность);
- обладать способностью к улучшению свойств стали;
- способствовать уменьшению отрицательного влияния на свойства стали других вредных (серы, азота, водорода);
- продукты раскисления, оставаясь в стали, должны способствовать измельчению зерна.
В настоящее время нет ни одного раскислителя, который был бы наилучшим по всем предъявляемым требованиям. Поэтому в производственной практике при выборе элементов-раскислителей исходят из их стоимости и доступности, и наиболее часто раскисление спокойной стали проводят введением в металл на выпуске трех элементов – марганца, кремния, алюминия (и их сплавов). Расход марганца и кремния выбирается так, чтобы остаточное содержание этих элементов в металле после раскисления находилось в пределах, установленных для выплавляемой стали (для углеродистой стали 0,4-0,6 % Mn и 0,17-0,35 % Si) с учетом их угара, а расход алюминия составляет 250-350 г/т, повышаясь по мере снижения концентрации углерода. Марганец и кремний вводится в металл в виде ферросплавов, а алюминий – в виде слитков, гранул, проволоки или сплавов с кремнием, кальцием и др.
Наиболее полное усвоение раскислителей обеспечивается при следующем режиме их введения в ковш:
- раскислители необходимо вводить равномерно в период наполнения от 20 до 50 % объема ковша;
- подачу раскислителей следует проводить последовательно по мере роста их раскислительной способности – сначала в металл вводится марганец, имеющий относительно невысокое сродство к кислороду, затем кремний и в последнюю очередь алюминий, являющийся наиболее сильным раскислителем;
- температура металла на выпуске должна быть минимальной с учетом необходимого перегрева для компенсаций тепловых потерь при раскислении и последующих технологических операций;
- усвоение раскислителей, особенно сильных (алюминий и др), повышается при их введении вглубь металла в виде проволоки или гранул (в струе инертного газа);
- при расчете расхода ферросплавов для раскисления (и легирования) необходимо учитывать остаточное содержание в металле после продувки тех элементов, которые вносятся ферросплавами, а также учитывать их угар (таблица).
Глубинное раскисление получило наиболее широкое распространение в промышленной металлургии по следующим причинам:
- технологическая простота реализации;
- небольшая продолжительность раскисления (5-10 минут), что позволяет совмещать эту операцию с выпуском металла в ковш.
Угар ведущего элемента при раскислении стали в ковше
| Ведущий элемент ферросплава | Угар* элемента ферросплава при содержании углерода в металле на выпуске, % | ||
| менее 0,10 | 0,10-0,25 | более 0,25 | |
| Марганец | 25-35 | 20-30 | 15-20 |
| Кремний | 30-40 | 25-35 | 20-25 |
| Алюминий | |||
| * количество элемента-раскислителя (%), окислившегося в процессе введения в металл в результате взаимодействия с кислородом металла, шлака и атмосферы. |
Основным недостатком глубинного способа раскисления является образование в объеме металла мелкодисперсных оксидных неметаллических включений, не все из которых успевают всплыть из металла в шлак за время ковшевой обработки.
Снижения количества продуктов раскисления (неметаллических включений) в металле добиваются за счет организации перемешивания металла (продувкой инертным газом), а также изменением свойств оксидных включений, которые должны хорошо смачиваться шлаком и плохо металлом, а также находится в размягченном или жидком виде, что ускоряет процесс их укрупнения за счет слипания (коагуляции) и слияния (коалесценции) друг с другом, приводя к быстрому всплыванию в шлак.
Очень часто с целью получения в металле легкоплавких и хорошо всплывающих оксидных соединений применяют так называемые комплексные раскислители, представляющие собой сплав нескольких раскислителей: силикомарганец (сплав кремния и марганца), силикокальций (сплав кремния и кальция), сплав АМС (сплав алюминия, марганца и кремния), сплав КМК (сплав кремния, марганца и кальция) и др.