Раскисление стали – это поэтапное снижение процента кислорода в сплаве. Процесс полностью исключает окисление в слитке. Раскислители (кремний, титан, алюминий) добавляют в расплав строго дозированно.
Раскисление стали алюминиеми другими веществами используется для получения чистой и качественной стали. В процессе расплава образуются жидкие, твердые и газообразные соединения, которые нужно удалять для соответствия сплава требованиям ГОСТ.
Сегодня поговорим о техпроцессе, способах раскисления и востребованных веществах для осаждения кислорода.
Классификация сталей по степени раскисления
В промышленности есть тристепени раскисления стали — спокойная, полуспокойная, кипящая. Рассмотрим их подробнее.
Спокойная
После разливки этого сплава практически не образуется газов на этапе затвердения. Это эталон раскисления, когда образуется усадочная раковина, а весь кислород удаляется за счет добавок.
Эту раковину впоследствии отрезают и отдают в лом для повторной переработки.
Для получения спокойных марок стали используют ферромарганцевые и кремниевые соединения, а также алюминий.
Особенность этого типа стали – равномерный химический состав по слитку, физические и механические свойства также одинаковые.
Полуспокойная
Здесь выделение газа во время отвердения сплава подавляется не на 100%. Это промежуточный вариант между спокойными и кипящими марками стали. До того, как газы начнут выделяться, если раскисление прошло грамотно, на поверхности слитка образуется прочная корка. Усадочной раковины не будет.
В центре и верхней части заготовки будут пузыри, которые удалятся при прокатке слитка. Материал используется при создании штрипса и труб.
Главная особенность – это неоднородность химического состава.
Кипящая
Во время затвердевания сплава выделяется много газов. Состав такой стали будет отличаться по поперечному срезу, а также в верхней и нижней части изделия.
В наружной части слитка получается качественный сплав, а в сердцевине масса примесей углерода, фосфора, серы и азота.
Марки кипящей стали используют при создании труб, проволоки и плит. Продукт востребован благодаря низкой себестоимости производства.
Технологический процесс
Раскислением стали называют удаление из сплава кислорода. Все операции проходят последовательно в унифицированной последовательности:
Раскислитель растворяется в расплаве стали, чтобы он проникал в места концентрации кислорода.
Появляются продукты раскисления.
Непосредственная реакция.
Выделение и извлечение продуктов завершенной реакции из сплава.
Продукты распада удаляются до затвердевания стали. В противном случае техпроцесс будет нарушен, а качество изделия будет низким.
Если процедура проводится без соблюдения дозировок, то в структуре слитка будут газовые поры, пузырьки и инородные соединения, негативно влияющие на химические и механические свойства стали.
[include_post id="5371"]
Способы раскисления
Есть три эффективных способа раскисления стали:
Глубинное
Наиболее востребованный и экономичный метод, который основан на введении в сплав веществ, создающих крепкие окислы с кислородом. Таким способом нельзя получить идеально чистую сталь, однако большинство дефектов устраняются последующей обработкой.
Диффузное
Концентрация кислорода снижается за счет раскисления шлака. Реакция происходит между сплавом и шлаком, в составе которого не более 1% оксида железа. Процедура проводится только в специальной печи, где нет горящих газов.
Вакуумное
Обработка металла проходит в вакууме. В таких условиях способность раскисления у углерода многократно возрастает, что приводит к резкому снижению кислорода в составе сплава. Расплав с добавками смешивается в ковше, который затем помещается в герметичную камеру. Вакуумный насос дает нужно давление, и количество примесей снижается.
Комбинированное
Этот подход основан на использовании и шлака, и раскислителей для снижения концентрации кислорода в составе слитка.
Раскисление кальцием
Кальций (Ca) – это щелочноземельный металл с высокой химической активностью. Температура плавления 842°C, низкая плотность. Элемент способен связывать О2, создавать оксиды, удалять примеси и создавать комплексные соединения.
Есть несколько способов введения кальция в расплав. Например, в виде проволоки или порошкового препарата, ферросплавов. Существуют инжекционные методы и ковшовая обработка. Оптимальное содержание Ca в составе 0,01-0,05%. Расчет соотношения зависит от нужной марки стали и будущей эксплуатации материала.
Техпроцесс состоит из подготовки расплава при точном температурном режиме. Затем соединение равномерно распределяется, химический состав строго контролируется. Происходит последующая обработка сплава.
Кальций используют в высокопрочных сплавах, конструкционных сталях, подшипниковых материалах, автомобильной промышленности и машиностроении. Многие используют Ca благодаря высокой эффективности раскисления, повышению качества металла, снижению его хрупкости. При этом химический элемент дорогой, критически важна точная дозировка, он быстро окисляется.
Раскисление алюминием
Раскисление стали алюминием (Al) – это важный металлургический процесс, направленный на удаление из жидкой стали растворенного кислорода. Техпроцесс происходит по формуле 2Al + 3O = Al2O3. Образующийся оксид алюминия (Al2O3) всплывает в шлак.
Преимущества использования алюминия:
Высокая раскислительная способность.
Образование неметаллических включений, которые легко удаляются в шлак.
Относительно низкая стоимость.
Положительное влияние на структуру сплава.
Al вводится в жидкую сталь в виде чушек, проволоки или гранул. Типовой расход – 0.5-2 кг/т стали при температуре 1550-1600°C. Чтобы контролировать процесс, отбираются пробы для определения доли О2 в расплаве. Также отслеживается температура металла, оценивается качество шлака.
Если превысить допустимую концентрацию алюминия, в сплаве образуются крупные включения, возможно вторичное окисление при разливке. Часто раскисление Al комбинируют с другими соединения для достижения нужного результата.
Раскисление марганцем
Использование марганца (Mn) для удаление О2 – это базовый метод в металлургии. Техпроцесс основан на формуле Mn + O = MnO. При протекании реакции образуется оксид, переходящий в шлак. При повышенных температурах (выше 1600°C) эффективность процесса снижается.
У элемента средняя раскислительная способность, а остаточный Mn положительно влияет на свойства сплава. Например, повышает прочность, прокаливаемость, снижает красноломкость. Есть несколько способов ввода элемента – ферромарганец (75-85% Mn) или силикомарганец (60-75% Mn). Типовой расход 5-12 кг/т стали. Марганец часто используют в комбинации с кремнием. Эффективность протекания зависит от температуры расплава. При этом крайне важен контроль содержания серы в составе.
Преимущества:
относительно низкая стоимость;
универсальность;
положительное влияние на механические свойства;
хорошая совместимость с другими раскислителями.
При этом есть температурная зависимость протекания реакции, необходимость учета воздействия на химсостав сплава. Чтобы получить сталь нужной марки, часто кислород удаляют из состава марганцем в комплексе с другими химическими элементами.
Характеристики раскислителей
Главное требование к раскислителю – это способность растворяться в расплаве металла и удалять кислород. Процесс эффективен при использовании связки кремний-марганец. Продукты реакции с кислородом – это водянистый остаток и частицы диоксида.
В производстве также используют следующие раскислители:
Алюминий – оксид алюминия не плавится в расплаве стали, поэтому его используют в связке с более слабыми соединениями. Однако соединение успешно раскисляет металл.
Марганец – это довольно слабое вещество для реакций с кислородом. Если использовать только марганец, то быстро удалить О2 не получится. Поэтому вводят комбинацию примесей для повышения эффективности.
Кальций – это мощный раскислитель, который не дает должной продолжительности и скорости реакции с кислородом. Поэтому состав дополняют кремнием и/или алюминием.
Кремний (Si) – это основной раскислитель в металлургии, который снижает содержание кислорода в расплаве, повышает механические свойства сплава. Вводится в виде ферросилиция с концентрацией 0,3-0,6%.
Титан (Ti) также сильный элемент для связывания кислорода в стабильные соединения. Он измельчает зерно металла, улучшает пластичность в концентрации 0,02-0,1%. У циркония (Zr) высокая химическая активность, что гарантирует эффективное удаление О2 из структуры металла. Соединение используют в специальных сплавах до 0,05-0,2%.
Хром (Cr) одновременно раскисляет и легирует сплав, улучшает стойкость к коррозии и повышает твердость стали. Концентрация доходит до 13-30%. Особенность элемента – создание стойких оксидов. Церий (Ce) – это редкоземельный металл, улучшающий структуру металла в соотношении 0,1-0,5% от массы расплава. Материал модифицирует неметаллические включения.
Барий (Ba) – это активный раскислитель, связывающий кислород. Элемент улучшает литейные свойства стали в специальных марках (0,05-0,2%).
Бор (B) упрочняет структуру сплава, повышает обрабатываемость в концентрации 0,001-0,003%. Элемент актуален для конструкционных марок.
Какой бы элемент не вводился, его добавляют в расплав, либо на стадии внепечной обработки через ковш или миксер. Критически важен точный расчет концентрации и равномерное распределение.
После добавления:
Удаляется кислород.
Улучшается структура металла.
Повышаются механические свойства.
Снижаются неметаллические включения.
Увеличивается чистоты металла.
Выбор конкретного элемента зависит от марки стали, технологических требований, условий эксплуатации и бюджета.
Раскисление стали – это удаление лишнего кислорода из металла для повышения качества материала. Техпроцесс, проведенный по стандартам, гарантирует получение однородной стали для последующей обработки. Впрочем, в промышленности используются кипящие и полукипящие марки стали для создания нетребовательных изделий.
Флотация продуктов раскисления
Флотация – это всплывание неметаллических включений (продуктов раскисления) в верхние слои металла. Движущая сила тут – это разница плотностей включений и жидкого сплава на основе закона Стокса.
Основные факторы, влияющие на всплывание продуктов реакции:
Размер включений (крупные всплывают быстрее).
Вязкость металла (зависит от температуры).
Плотность включений.
Поверхностное натяжение на границе включение-металл.
Турбулентность стали.
По скорости флотации продукты реакции бывают быстро всплывающими (Al2O3), средней скорости (SiO2), медленные (мелкие включения, комплексные оксиды). Чтобы ускорить процесс, повышают температуру расплава, продувают инертными газами. Также используют электромагнитное перемешивание, ультразвуковую обработку, выдерживают расплав в ковше.
Если техпроцесс организован неправильно, возможна коагуляция включений, вторичное загрязнение сплава, неравномерное распределение включений. Чтобы нивелировать это, используют металлографический анализ, ультразвуковой контроль, анализируют состав шлака.
При правильной флотации металла становится чист по маркеру неметаллических элементов, улучшаются механические свойства, обрабатываемость, стойкость к коррозии. Техпроцесс гарантирует получение стали с высокими эксплуатационными характеристиками.
Михайлов Г. Г., Макровец Л. А., Выдрин Д. А. Барий как раскислитель и модификатор жидкой стали //Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. – 2013. – Т. 13. – №. 1. – С. 45-50.
Заказать звонок
Написать на почту
Telegram
0 комментариев