Общие основы сталеплавильного производства

Н_2газ -*2[Н] или Н₂О_газ — 2[Н] + [0].

Константа первой реакции может быть выражена в  виде

к = [н]7р_н    ,

          "ггаз откуда

[н] = //ср„      =г/7

"ггаз "ггаз

  Пропорциональность содержания водорода в металле корню квадратному из давления водорода в газовой фазе называют "законом квадратного корня".

  Обработка металла вакуумом. Соотношение между количеством водорода, растворенного в металле, и давлением водорода    в   газовой    фазе    определяется    выражением    [Н] =

=K'v p       . При помещении металла в вакуумную камеру дав-Н_2газ

давление  водорода   в газовой фазе  уменьшается,  и он  начинает

удаляться   из   металла.   Вакуум   является   очень   эффективным

средством уменьшения содержания водорода в металле.

  Организация кипения ванны. При протекании реакций окисления углерода образуется оксид углерода. Пузырьки СО, проходя через ванну, создают эффект кипения. Парциальное давление водорода в пузырьке, состоящем из СО, равно нулю, поэтому пузырьки СО по отношению к водороду (а также к азоту) являются как бы маленькими вакуумными камерами, и эти газы уходят из металла в пузырьки СО и вместе с ним покидают ванну. Таким образом, при кипении металл очищается от растворенных в нем газов.

  Продувка  инертными газами. При продувке металла инертными газами (обычно для этой цели используется самый дешевый и доступный инертный газ — аргон) через ванну проходят тысячи пузырьков газа. Парциальное давление водорода в этих пузырьках равно нулю, поэтому они очищают металл от водорода. Одновременно с удалением газов продувка аргоном обеспечивает перемешивание металла, выравнивание его состава, температуры и т.д.

Выдержка  закристаллизовавшегося металла при повышенных температурах. Размеры атомов водорода очень малы, они свободно диффундируют через кристаллическую решетку закристаллизовавшейся стали, особенно при повышенных температурах. Из образцов сравнительно небольшого сечения, охлаждаемых медленно в печи или на воздухе, растворенный при высоких температурах водород удаляется почти полностью, до значений растворимости, соответствующих ничтожной равновесной растворимости (в зависимости от содержания Н₂0' в воздухе). Принято содержание водорода в металле выражать в кубических сантиметрах на 100 г массы пробы. Обычно содержание водорода в жидкой стали в зависимости от метода работы колеблется от 4 до 10 см³ на 100 г металла. Чем больше масса изделия, тем затруднительнее организовать удаление водорода из затвердевшего металла.    Поэтому   все    слитки   качественного   металла длительное время выдерживают при относительно высоких температурах, для чего в цехах существуют специальные пролеты. Для очень больших слитков (* 30 т), из которых отковывают ответственные изделия (коленчатые валы, роторы и т.п.), такой способ уже не дает должного эффекта, и такие слитки отливают под вакуумом.

  Добавки гидридообразующих  элементов. Некоторые металлы (например, редкоземельные) способны вступать с водородом во взаимодействие, образуя гидриды. При введении этих элементов в металл развитие таких дефектов, как флокены, уменьшается.

  Наложение электрического поля. Водород, растворенный в жидком металле, находится там в виде катиона Н⁺, а в шлаке—в виде ОН". При наложении достаточно сильного электрического поля на катоде выделяется атомарный водород Н⁺ + е = Н, атомы которого ассоциируются в молекулы Н + Н = Н_2газ. На аноде из шлака выделяются пары Н₂0 и 0₂: 40Н~ = 2Н₂0 + 0₂ + 4е. В промышленных условиях этот способ удаления водорода применения не нашел.

  Несмотря  на наличие многих методов борьбы с водородом в стали, необходимо использовать все способы, чтобы  исключить попадание водорода в  металл (минимальная влажность воздуха, кислорода, топлива, минимум влаги в добавочных материалах и т.п.).

Азот в стали

Азот  почти всегда присутствует в атмосфере  сталеплавильного агрегата. Растворение в металле азота, так же как и водорода,    подчиняется    закону    квадратного    корня    [N]    =

= Ку  р ,     следовательно,     процесс     растворения     азота

N_2ra3

может быть записан как N_2ra3 = 2[N]. При обычных температурах сталеплавильных процессов (1450—1600 °С) интенсивность перехода азота в металл из газовой фазы невелика. Однако при очень высоких температурах, превышающих 2500 °С (например, в зоне электрических дуг при выплавке стали в дуговых электропечах, в зоне контакта кислородной струи с металлом при продувке ванны кислородом), молекулы азота диссоциируют и скорость проникновения в металл атомов азота может резко возрасти.

6. Неметаллические включения

Неметаллическими  включениями называют содержащиеся в стали соединения металлов (железа, кремния, марганца, алюминия, церия и др.) с неметаллами (серой, кислородом, азотом, фосфором, углеродом). Количество неметаллических включений, их состав, размеры и характер расположения в готовом изделии оказывают существенное, а иногда решающее влияние на свойства стали. Неметаллические включения ухудшают не только механические (прочность, пластичность), но и другие свойства стали (магнитную проницаемость, электропроводность и др.), так как нарушают сплошность металла и образуют полости, в которых концентрируются напряжения в металле. Неметаллические включения принято разделять на две группы: 1) включения, образующиеся в процессе реакций металлургического передела (эндогенные¹ включения) и 2) включения, механически попадающие в сталь (экзогенные² включения). Эти включения представляют собой частицы загрязнений, бывших в шихте и не удалившихся из металла в процессе плавки, частицы оставшегося в металле шлака, частицы попавшей в металл футеровки желоба, ковша.

Эндогенные  включения непрерывно образуются в металле в процессе плавки, разливки и кристаллизации слитка или отливки. Большая часть образовавшихся включений успевает всплыть и удалиться в шлак, однако какая-то часть остается. В литой стали включения присутствуют в виде кристаллов и глобулей. После обработки давлением (прокатки, ковки, штамповки) они меняют форму и расположение и видны под микроскопом в виде нитей, строчек, цепочек, ориентированных преимущественно в направлении деформации.

  Эндогенные  неметаллические  включения образуются  в: результате   взаимодействия   растворенных   в   металле   компонентов или уменьшения их растворимости при застывании стали. Образующиеся   включения  легче   металла   (табл. 3),   они   стремятся всплыть. Скорость их всплывания зависит от размеров включений,   вязкости  металла,   смачиваемости включений  металлом и шлаком, движения (перемешивания) металла и шлака. Размеры обычных включений колеблются в широких пределах   (0,0001—1,0 мм).   Чем   меньше   размеры   включений,   тем выше       относительная       величина       поверхности       контакта (см²/см³)  включение — металл,   тем больше  влияние сил смачивания на скорость удаления включений.

 
 
 
 
 
 
 

Таблица 3. Температура плавления и плотность некоторых неметаллической включен ни

Включения Температура Плотность

плавления, °С       при 20 °С, г/см³

 

Монооксид железа FeO  1369 5,8

 

Монооксид марганца МпО 1785 5,5

 

Кремнезем (кварц, кварцевое стекло)

SiG₂        1710 2,2-2,6

 

Глинозем (корунд) А1₂О_э         2050 4,0

 

Оксид хрома  Сг₂О_э        2280 5,0

 

Оксид титана ТЮ₂         1825 4,2

 

Оксид циркония Zr0₂   … 2700 5,75

 

Оксид церия  Се₂О_э         1690 6,9

 

Сульфид железа FeS  1193 4,6

 

Сульфид марганца MnS  1620 4,0

 

Сульфид церия  CeS        2100 5,9

 

Силикаты железа (в зависимости от со 
держания Si0₂)                  1180-1700 2,3-5,3

 

Силикаты марганца (в зависимости от

содержания SiQ₂)                  1210-1700 4,0-5.6

 

7. Раскисление  и легирование стали

Раскисление 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] = ⁼ СО_газ. 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".

 

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:

[Мп] + [О] = (MnO); [Si] + 2[0] = (Si0₂);

2[А1] + 3[0] = А1₂О_этв; 2[Се] + 3[0] = Се₂О_этв и т.д.

  Все эти реакции сопровождаются выделением тепла. Равновесие реакции осаждающего раскисления сдвигается влево при повышении и вправо при понижении температуры.

  Очень часто с целью получения в металле легкоплавких и хорошо всплывающих комплексов применяют так называемые комплексные раскислители, представляющие собой сплав нескольких раскислителей.

Диффузионное  раскисление

При диффузионном раскислении раскислению подвергают шлак. В тех случаях, когда металл не кипит, между значениями активности кислорода в металле и шлаке существует определенное     отношение     а    „Ув     = const    (закон    распределения

примесей, растворенных в двух несмешивающихся жидкостях).

  Соответственно любой способ уменьшения активности окислов железа в шлаке приводит к снижению окисленности металла. Обычно 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.

  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.

  Приготовление синтетических шлаков связано с  определенными затратами (на приобретение сырых материалов, строительство и эксплуатацию специального агрегата для их расплавления), однако эти затраты окупаются некоторым сокращением продолжительности плавки стали в сталеплавильном   агрегате   и,   главное,   повышением   качества   стали.

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

  Это очень важно для потребителей металла.

Раскисление обработкой вакуумом

Обработка металла вакуумом с целью раскисления  основана на использовании раскисляющего действия растворенного в жидкой стали углерода. Константа равновесия реакции [С] + [О] = СО_газ может быть выражена как К_с = = р_со/а   а    ,    или   при   невысоких   содержаниях   [С]    и    [О]

как    *_1с] = Р_соЛсНО]>    откуда    [0) = P_CQ/K_c    М-    Снижение

давления  приводит к уменьшению концентрации кислорода в металле, а также  к некоторому снижению концентрации углерода. Существует даже термин "углеродно-вакуумное" раскисление или просто "углеродное" раскисление. Под этим понимается удаление из металла кислорода при понижении давления (при вакуумировании) вследствие его реакции с углеродом.