Раскисление и легирование стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Раскисление и легирование стали

Технологическую операцию, при которой растворенный в металле кислород переводится в нерастворимое в металле соединение или удаляется из металла, называют раскислением.

После операции раскисления сталь называют раскисленной. Такая сталь при застывании в изложницах ведет себя "спокойно", из нее почти не выделяются газы, поэтому такую сталь часто называют "спокойной". Если же операцию раскисления не проводить, то в стали при ее постепенном охлаждении в изложнице будет протекать реакция между растворенным в металле кислородом и углеродом [О] + [С] =СОгаз. Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода будут выделяться из кристаллизующегося слитка, металл будет бурлить. Такую сталь называют "кипящей".

В некоторых случаях раскисление стали проводят таким образом, чтобы удалить из нее не весь кислород. Оставшийся растворенный кислород вызывает кратковременное "кипение" металла в начале его кристаллизации. Такую сталь называют "полуспокойной".

Содержание кислорода в металле перед раскислением в любом сталеплавильном агрегате, главным образом, зависит от концентрации углерода - чем меньше содержание углерода, тем больше содержание кислорода в металле. Это содержание кислорода значительно выше значений, равновесных с углеродом (рис 5.1). Следовательно, основными задачами раскисления являются:

Первая задача раскисления стали сводится к достижению заданной степени раскисления металла - получению в готовой жидкой стали такого остаточного содержания кислорода, которое обеспечивает нормальное поведение металла во время его кристаллизации. Недостаточное раскисление приводит к нарушению нормального хода криталлизации слитка.

Рис. 5.I. Схема решения основной задачи раскисления стали различных марок.

I - кривая равновесия с углеродом; 2 - область нормального остаточного содержания кислорода в металле после раскисления; 3 - область обычного содержания кислород в металле перед раскисление

Вторая задача раскисления состоит в обеспечении возможно меньшего содержания в твердой стали продуктов реакций раскисления - неметаллических включений (НВ). Такими свойствами обладают мелкие НВ (размеры - 10мкм), имеющие форму сферы, располагающиеся в объеме металла равномерно и не деформирующиеся во время обработки давлением. Эта задача очень сложна и успешно решается пока лишь в немногих случаях.

Третья задача раскисления сводится к обеспечению получения мелкозернистого строения металла и решается путём получения мелких НВ, выделяющихся из жидкой стали в твердом виде и играющих роль центров начала образования кристаллов металла. Такими свойствами обладают нитриды и карбонитриды ванадия, ниобия и т.д. В этом случае НВ положительно влияют на свойства стали. В большинстве случаев элемент-раскислитель вводится в металл не только для снижения остаточного содержания кислорода, но и для уменьшения вредного влияния других примесей, а также для улучшения свойств стали (термической обрабатываемости, механической прочности, коррозионной стойкости и т.д.).

Свойство раскислителей

Элементы-раскислители должны обладать следующими свойствами:

- высокой раскислительной способностью (высоким химическим сродством к кислороду);

- склонностью к образованию оксидов, нерастворимых в жидкой стали, легко удаляющихся из нее или приносящих минимальный вред ее свойствам;

- способностью к улучшению свойств стали (повышению прочности, термической обрабатываемости, стойкости против действия агрессивных сред и т.д.);

- низкой стоимостью и доступностью (недефицитностью).

- способствовать уменьшению отрицательного влияния на свойства стали других вредных примесей, кроме кислорода: серы и азота, а продукты рас-кисления, оставаясь в стали, должны способствовать измельчению, зерна.

Основные типы раскислителей

В настоящее время нет ни одного раскислителя, который был бы наилучшим по всем предъявляемым требованиям. Одни раскислители не обладают универсальностью действия на свойства стали, другие, будучи более или менее универсальными, оказываются дефицитными и дорогостоящими. В производственной практике применяют относительно большое число раскислителей, каждый из которых оказывается более или менее подходящим для тех или иных случаев.

Марганец. Является самым распространенным раскислителем. Марганецсодержащий сплав - ферромарганец (75-80%Мп) - является дешевым и относительно недефицитным. Марганец обладает так же высоким химическим сродством к сере и существенно снижает отрицательное влияние серы на свойства стали при введении его в количестве 0,3--0,5 % и выше.

Кремний. Является распространенным раскислителем. В сталь кремний вводят в виде ферросилиция с низким (10-20% Si) и высоким (45-75% Si) содержанием кремния. Достоинство кремния как раскислителя состоит в его высоком химическом сродстве к кислороду, позволяющем получать сталь при остаточном содержании его в металле 0,15--0,3 %, а также в способности образовывать нитриды (Si3N4) и предотвращать старение стали. раскисление металл кислород

Алюминий. По своим физико-химическим свойствам является одним из лучших раскислителей, так как обладает одновременно высоким химическим сродством к трем вредным примесям - кислороду, азоту и сере. При этом положительное влияние алюминия на свойства стали сказывается при остаточном содержании его в сотые доли процента, поэтому алюминий как раскислитель в последние годы находит все большее и большее применение, хотя он относительно дорог.

Ванадий. Является ценным раскислителем, оказывающим разностороннее положительное влияние на свойства стали, например, производство нестареющей кипящей стали возможно только с использованием ванадия. При введении ванадия в металл ~ 0,1% V устраняется склонность стали к старению. При таких же его относительно невысоких концентрациях обеспечиваются мелкозернистая структура и повышение прочности, износостойкости и других служебных свойств конструкционных, рельсовых, рессорных и других сталей. Ванадий вводят в сталь обычно в виде феррованадия (35-45% V), который является дорогостоящим и дефицитным материалом.

Титан и цирконий. Являются очень хорошими раскислителями, но ферротитан (18-20 % Ti), ферроцирконий (10-15% Zr) -и другие сплавы, в виде которых эти элементы вводят в сталь, являются дорогостоящими и дефицитными, поэтому их, как и некоторые другие элементы (ниобий, РЗМ, и т.д.), обычно используют только при производстве сталей специального назначения.

Кальций и магний. Являются самыми сильными раскислителями. Их применение обеспечивает повышение качества стали. Это объясняется следующим:

- высоким химическим сродством их к кислороду и сере, позволяющим обеспечить очень низкие остаточные содержания растворенного кислорода (<0,001%) и серы (<0,002%) в готовом металле;

- продукты раскисления, которые остаются в металле, образуют мелкие глобулярные оксисульфидные неметаллические включения, равномерно распределенные в объеме металла и слабодеформируемые при прокатке, благодаря чему они оказывают минимальное отрицательное влияние на свойства стали. В настоящее время широкое распространение получило раскисление кальцием, входящим в состав комплексных сплавов, например силикокальция (20-40% Са), ферроалюмосиликокальция (8-10% Са) и др. Положительное влияние кальция на свойства стали сказывается уже при расходе его 0,01%, а расход > 0,1 % не требуется.

Редкоземельные металлы (РЗМ.) Обладают также очень хорошими раскислительными свойствами, они имеют высокое химическое сродство к вредным примесям (кислороду, сере и азоту). Температура плавления их низкая (~ 1000°С), температура кипения высокая (> 3000°С). РЗМ применяются в виде комплексного сплава, получаемого дешевым углетермическим методом и содержащего ~ 40% РЗМ (главным образом, церия) и 45-50% Si.

Углерод. Является идеальным раскислителем, так как продукт раскисления СО удаляется из металла. Но высокая раскислительная - способность углерода проявляется только при вакуумировании и продувке металла нейтральными газами, когда обеспечивается низкое парциальное давление СО в газовой фазе.

Применяют следующие способы раскисления стали: а) глубинное; б) диффузионное; в) обработкой синтетическими шлаками; г) обработкой вакуумом.

Способы раскисления

По принципу удаления кислорода из металла различают:

- осаждающее (глубинное);

- экстракционное (диффузионное);

- обработкой синтетическими шлаками;

- вакуумно-углеродное раскисление.

По месту проведения процесса - раскисление в сталеплавильном агрегате, в сталеразливочном ковше и в изложнице.

Глубинное раскисление

Глубинное, или осаждающее, раскисление заключается в переводе растворенного в стали кислорода в нерастворимый окисел введением в металл элемента-раскислителя. Элемент-раскислитель должен характеризоваться большим сродством к кислороду, чем железо. В результате реакции образуется малорастворимый в металле окисел, плотность которого меньше плотности стали. Полученный таким образом "осадок" всплывает в шлак, отсюда название метода "осаждающий". Этот метод раскисления называют часто также "глубинным", так как раскислители вводятся в глубину металла. В качестве раскислителей обычно применяют марганец (в виде ферромарганца), кремний (в виде ферросилиция), алюминий, сплавы редкоземельных металлов и др.'

Раскисление протекает по следующим реакциям:

При этом методе раскисления невозможно получить сталь, совершенно чистую от неметаллических включений. Однако этот метод получил наибольшее распространение, так как он самый простой и дешевый. Наиболее слабым раскислите-лем, не обеспечивающим снижение содержания кислорода до очень низких пределов, является марганец; кремний - более сильный раскислитель; введение же алюминия (а также, например, кальция, церия) обеспечивает почти полное связывание кислорода, растворенного в металле.

Обычно раскислители вводят в металл (в печь или в ковш) в конце плавки. Для стали каждой марки или группы марок разрабатывают свою технологию раскисления.

Диффузионное раскисление

При диффузионном раскислении раскислению подвергают шлак. При диффузионном раскислении на шлак дают смеси, в состав которых входят сильные восстановители: углерод (кокс, древесный уголь, куски угольных электродов), кремний (в виде ферросилиция), алюминий.

Оксиды железа в шлаке взаимодействуют с восстановителями (раскислителями) по реакциям:

При этом и концентрация и активность оксидов железа в шлаке уменьшаются, а это в свою очередь вызывает уменьшение концентрации и активности кислорода в металле. Поскольку скорость процесса перемещения кислорода из металла в шлак определяется скоростью его диффузии в металле, данный способ получил название диффузионного.

При диффузионном способе раскисления продукты раскисления не остаются в металле, и получаемый металл содержит меньше неметаллических включений. Это - большое преимущество диффузионного способа перед осаждающим. Однако диффузионный способ имеет и ряд недостатков, главные из которых следующие: скорость диффузии кислорода в спокойном металле мала, процесс удаления кислорода идет медленно, продолжительность плавки возрастает, падает производительность агрегата, возрастает износ футеровки и т.д.

В большинстве сталеплавильных агрегатов атмосфера всегда в какой-то мере·окислительная и значительная часть вводимых в шлак раскислителей реагирует не с оксидами железа шлака, а с кислородом атмосферы. Отсюда высокий угар раскислителей. Поэтому диффузионный метод раскисления применяют в исключительных случаях и там, где есть техническая возможность избежать наличия окислительной атмосферы, например при плавке стали в небольших дуговых электропечах при плотнозакрытых загрузочных окнах и т.п.

Раскисление обработкой металла шлаком

Способ раскисления металла при обработке его шлаком вне печи можно рассматривать как разновидность диффузионного раскисления, проводимого не в печи, а в ковше или в специальном агрегате и отличающегося большой скоростью процесса. Если при выпуске из печи в ковш металл перемешивать со шлаком, не содержащим оксидов железа, то происходит то же, что и при диффузионном раскислении: диффузия кислорода из металла в шлак.

Перемешивание металла со шлаком можно осуществлять и другими способами (например, продувкой инертным газом).

Процесс протекает с большой скоростью, если струя металла при падении со значительной высоты на поверхность шлака дробится на капли, в результате чего образуется шлакометаллическая эмульсия с очень большой поверхностью контакта металл--шлак. Шлаки специально готовят отдельно (в отдельном плавильном агрегате), и их поэтому называют обычно "синтетическими". Для обработки металла при выпуске из печи используют шлак состоящие из СаО и А 12О 3.

Синтетические шлаки должны характеризоваться не только возможно более низкими температурой плавления и стоимостью, но, кроме того, должны удовлетворять еще одному требованию: они должны плохо смачиваться металлом, для того чтобы после перемешивания возможно более полно отделяться от него.

Существенным достоинством данного метода является повышение стабильности (от плавки к плавке) свойств металла, обработанного синтетическими шлаками одного и того же состава.

Раскисление обработкой вакуумом

Обработка металла вакуумом с целью раскисления основана на использовании раскисляющего действия растворенного в жидкой стали углерода. Снижение давления приводит к уменьшению концентрации кислорода в металле, а также к некоторому снижению концентрации углерода.

При обработке вакуумом снижается не только содержание растворенного кислорода, но и количество оксидных неметаллических включений вообще вследствие протекания реакций типа МеО + [С] = СОгаз + Me, равновесие которых сдвигается вправо при понижении давления. В тех случаях, когда металл раскислен ферросилицием и алюминием, образуются прочные оксиды SiO2 и А 12О 3 разрушить которые можно только под очень глубоким вакуумом в специальных вакуумных печах.

Следует иметь в виду, что при обработке металлов вакуумом одновременно с разрушением оксидных включений удаляются также растворенные в них азот и особенно водород.

Легирование стали

Легированием называют процесс присадки в сталь легирующих элементов, чтобы получить так называемую легированную сталь, т.е. такую сталь, в составе которой находятся специальные (легирующие) примеси, введенные в нее в определенных количествах для того, чтобы сообщить стали какие-либо особые физико-химические или механические свойства.

Легирующими могут быть как элементы, не встречающиеся в простой стали, так и элементы, которые в небольших количествах содержатся во всякой стали (С, Mn, Si, P, S). Очень часто операцию легирования совмещают с операцией раскисления (особенно если металл легируют марганцем, кремнием или алюминием).

Легирующие элементы делят на две группы:

1-я-- легирующие элементы, расширяющие область твердых растворов. В эту группу входят как элементы, обладающие неограниченной растворимостью в железе (никель, марганец, кобальт).

2-я - легирующие элементы, суживающие область. Сюда входят как элементы, образующие с железом сплавы (бериллий, алюминий, кремний, фосфор, титан, ванадий, хром, молибден, вольфрам, ниобий, тантал, цирконий, церий)

Для сталеплавильщиков также важно знать поведение легирующей примеси при плавке стали для того, чтобы выплавить металл нужного состава (попасть в анализ) с минимальными потерями легирующих материалов. Главное при этом - избежать ненужного взаимодействия легирующих примесей с кислородом, чтобы уменьшить потери ("угар") легирующих и обеспечить получение в стали минимума продуктов окисления легирующих - неметаллических включений, загрязняющих стали и снижающих их качество.

В зависимости от степени сродства к кислороду легирующие элементы также делят на·две большие группы:

1-я - легирующие элементы, сродство к кислороду у которых меньше, чем у железа (никель, кобальт, молибден, медь). Они в условиях плавки и разливки практически не окисляются и поэтому могут быть введены в металл в любой момент плавки. Обычно эти элементы вводят в металл в начале плавки вместе с шихтой. Отходы, образующиеся при выплавке и прокатке (ковке, штамповке) сталей, содержащих эти элементы, а также отходы изделий, изготовленных из этих сталей, следует хранить и использовать отдельно, так как, во-первых, экономически выгодно загружать в печь не чистые никель, медь и т.п. (или их сплавы), а отходы шихты, содержащие эти примеси; во-вторых, если такие отходы загружать в печь при выплавке стали любой марки, то эта сталь при выпуске будет содержать никель, медь и т.д., а это не всегда полезно (иногда вредно).

2-я - легирующие элементы, сродство к кислороду у которых больше, чем у железа (например, кремний, марганец, алюминий, хром, ванадий, титан). Чтобы избежать большого угара этих элементов при легировании, их вводят в металл после раскисления или одновременно с раскислением в самом конце плавки (часто даже в ковш, а иногда и непосредственно в изложницу или кристаллизатор).

Кроме легирующих этих двух основных групп применяют легирующие, введение которых в металл связано с возможной опасностью для здоровья, так как пары этих металлов или их соединений вредны. К таким элементам относятся сера, свинец, селен, теллур. Эти элементы вводят в металл непосредственно в процессе разливки стали и при этом принимают специальные меры безопасности. Легирующие примеси вводят в металл или в чистом виде (бруски чистой меди, чистого алюминия, никеля и др.), или в виде сплавов (ферросилиций, ферромарганец, ферроалюминий и др.), или в виде соединений (оксиды ванадия, марганцевая руда, молибдат кальция и др.).

Во всех случаях для удешевления стали стремятся использовать максимальное количество дешевых отходов (шлак, руду), содержащих нужный элемент.

Иногда для легирования и раскисления стали применяют так называемые экзотермические брикеты. В состав таких брикетов могут входить содержащие легирующий элемент оксиды (например, оксиды хрома, марганцевая руда), порошкообразные раскислители и восстановители (например, алюминий, магний) и окислители (например, селитра). При выпуске металла в ковш, в который загружены подобные брикеты, они "зажигаются", при реакции между восстановителями и окислителями выделяется необходимое количество тепла, легирующие примеси, входящие в состав оксидов, восстанавливаются.

Металл при таком методе работы не охлаждается.

Размещено на Allbest.ru