Влияние водорода

 

Содержание:

Введение 2

1 Общая  часть 3

1.1 Кислород  в стали 3

1.2  Раскисление  стали 4

1.2.1 Взаимодействие  раскислителей с кислородом 6

1.2.2 Растворимость  и содержание кислорода в железе 8

1.2.3 Термодинамика  раскисления стали 10

1.3 Влияние  кислорода и неметаллических  включений на свойства и качество  стали 15

2. Специальная  часть 19

Заключение 24

Список  использованной литературы 26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Кислород - элемент с явно выраженными металлоидными “ свойствами, хорошо растворяется в жидком железе и образует с железом три химических соединения: закись железа FeO (вюстит), закись-окись железа Fe₃O₄ (магнетит) и окись железа Fe₂O₃, имеющую две модификации : немагнитную (гематит) и магнитную (магнетит).

Устойчивыми твердыми окислами железа являются гематит и магнетит. Низший окисел железа (вюстит) устойчив только при высоких температурах, ниже 570° С этот окисел переходит в магнетит с образованием железа, но может быть получен в метастабильном состоянии путем быстрого охлаждения с температуры более 570°С.

Соединения железа с кислородом, соответствующего формуле FeO, в действительности в природе не существует. Число атомов железа в вюстите меньше числа атомов кислорода, поэтому вюстит можно изображать формулой Fe_хO. Значение х -является переменной величиной и зависит от температуры и давления кислорода в газовой фазе, находящейся в равновесии с этим окислом.

Содержание кислорода  в стали зависит в основном от технологии раскисления стали. Растворимость кислорода в стали характеризуется реакцией:

 .

В готовом металле содержание кислорода должно быть минимальным. Установлено, что повышенное содержание кислорода в стали повышает ее склонность к старению, ухудшается электросопротивление, снижаются магнитные свойства стали, из-за повышенных ваттных потерь.

Повышенное содержание кислорода, например,  в вольфрамовой магнитной  стали приводит к понижению мощности магнитов. Известно также, что повышенное содержание кислорода в стали сообщает ей свойство красноломкости даже при обычных концентрациях серы в ней. Это явление связано с выпадением кислорода из пересыщенного раствора во время кристаллизации и расположением оксисульфидной фазы вокруг зерен, что нарушает прочность связи отдельных зерен металла друг с другом

1 Общая часть

1.1 Кислород в стали

В процессе выплавки стали в дуговых  печах в металле имеется некоторое  количество кислорода. Содержание его, как было показано выше, зависит от содержания углерода.

Во время кристаллизации в изложницах или формах взаимодействие углерода с кислородом продолжается и даже усиливается вследствие значительной ликвации кислорода, т. е. повышения содержания его в маточном растворе вследствие малой растворимости в твердом металле.

 Это вызывает образование  газообразной СО и эффект кипения.  Если такое кипение происходит  очень интенсивно, металл поднимается  («вскипает»), затем опускается и  слиток или отливка получаются  неплотными, с газовой пористостью  и непригодными для использования.

 Для получения качественного  слитка кипение необходимо регулировать (кипящая сталь) или совсем предотвратить (спокойная сталь).

Осуществляется это понижением содержания растворенного в стали  кислорода: до 0,025-0,030% для получения кипящей стали и меньше 0,005% для получения спокойной стали.

Понижение содержания кислорода в  стали или связывание его в  достаточно прочные соединения, когда он уже не может взаимодействовать с углеродом, называется раскислением.

Кислород находится в стали  в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO₂, Al₂O₃) нитридов (Fe₂N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).

Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладоломкости и  снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.

 

1.2  Раскисление стали

Для снижения содержания кислорода  в стали  проводят ее раскисление. Это, как правило, последняя и  ответственная операция в процессе выплавки стали.

Раскисление - это процесс  удаления кислорода, растворенного  в стали, путем связывания его  в оксиды различных металлов, имеющих  большее сродство к кислороду, чем железо. Наиболее распространенными раскислителями являются марганец и кремний, используемые в виде ферросплавов, и алюминий.

Реакции раскисления можно  представить следующим образом:

[O] + [Mn] = (MnO)

2[O] + [Si] = (SiO₂)

3[O] + 2[Al] = (Al₂O₃)

В зависимости от условий  ввода раскислителей в металл различают два метода  раскисления: глубинное (или осаждающее) и диффузионное раскисление.

При глубинном раскислении, раскислители вводят в глубину металла. В этом случае  требуется определенное время для того, чтобы продукты раскисления – оксиды  кремния, марганца, алюминия всплыли в шлак.

При диффузионном раскислении  раскислители в тонко измельченном виде попадают в шлак, покрывающий металл. Сначала в этом случае происходит раскисление шлака, а снижение содержания кислорода в металле происходит за счет его перехода из металла в шлак, т. е.[O] ==> (O). При диффузионном раскислении не происходит загрязнение металла неметаллическими включениями - продуктами раскисления.

Для более глубокого раскисления  применяют обработку жидкого  металла в вакууме или синтетическими шлаками. Этот способ основан он на том, что в вакууме понижается равновесное с углеродом содержание кислорода. В зависимости от степени раскисления различают спокойную, кипящую и полуспокойную сталь.

Спокойная сталь - это сталь, полностью раскисленная, т. е. благодаря вводу большого количества раскислителей весь кислород в стали находится в связанном с элементом-раскислителем состоянии. При разливки такой стали газы не выделяются, и она застывает спокойно.

     Кипящая сталь  - это сталь, частично раскисленная  марганцем. При разливке

в слитки она бурлит (кипит) благодаря выделению пузырьков  оксида углерода, образующихся по реакции: [C] + [O] = CO.

     Полуспокойная  сталь - это сталь, по степени  раскисленности занимающаяпромежуточное место между кипящей и спокойной. Полуспокойную сталь раскисляют частично в печи (марганцем) и затем в ковше(кремнем, алюминием).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.1 Взаимодействие раскислителей  с кислородом

При глубинном раскислении  в металл вводят элементы-раскислители, образующие при данных термодинамических условиях (составе, температуре, давлении) оксиды, более, прочные, чем FeO, и нерастворимые стали.

При необходимости получения  спокойной стали элемент-раскислитель должен обладать в данных условиях большим сродством к кислороду не только по сравнению с железом, но и по сравнению с углеродом, так как необходимо исключить возможность развития реакции обезуглероживания и образования пузырьков СО.

Взаимодействие раскислителя (R) с кислородом в металле в  общем виде можно записать реакцией:

 

где— активность;

— коэффициенты активности раскислителя и кислорода;

— активность оксида — продукта раскисления.

Если в результате раскисления  образуется чистый оксид в виде отдельной  фазы, то его активность равна единице, то  уравнение можно переписать в виде:.

Полученная в уравнении  константа равновесия характеризует  раскислительную способность элемента. Часто, пренебрегая коэффициентами активностей, ее записывают в виде уравнения , выражая раскислительную способность произведением концентраций, а не активностей.

Другим способом определения  раскислительной способности элементов, применяемым в настоящее время, является изучение реакции  
при непосредственном определении активности кислорода в металле описанным выше методом. Если пренебрежение коэффициентом активности кислорода в бинарном сплаве Fe—О при низких его концентрациях оправдано, то это далеко не всегда допустимо в случае введения в металл раскислителей.

Как видно раскислители  алюминий, титан, кремний понижают коэффициент активности кислорода. В меньшей мере f₀ понижают такие раскислители, как марганец и хром. Характерно, что все раскислители понижают активность кислорода в металле. Это вполне закономерно, так как энергия взаимодействия раскислителей с кислородом больше, чем для железа и кислорода.

Следовательно, раскислители не только связывают часть кислорода  в соединения, выделяемые в виде оксидных включений. Они также понижают активность кислорода, оставшегося в растворе.

При небольших концентрациях [R] более сильно проявляется роль знаменателя и с повышением [R] концентрация кислорода понижается. Дальнейшее увеличение [R] приводит к более стремительному росту числителя и, пройдя минимум, концентрация кислорода начинает возрастать. Но необходимо подчеркнуть, что рост концентрации кислорода, вызванный уменьшением коэффициента активности, не сопровождается повышением активности кислорода в расплаве. Напротив, активность кислорода понижается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.2 Растворимость и содержание  кислорода в железе

Кислород входит в решетку  вюстита, замещая при этом одну группу FeO.Следовательно, в вюстите кроме атомов двухвалентного железа, присутствуют атомы  трехвалентного железа. При 1600 отношение =0,06.

С увеличением температуры  растворимость кислорода в жидком железе возрастает.

Окисление железа и растворение  в жидком железе кислорода  происходит путем образования на поверхности железа пленки из окислов или в результате  контакта металла со шлаком.

Если предел растворимости  кислорода не достигнут, то его  растворение в железе  происходит без образования  окисной пленки.

Расплавленные шлаки, как  это установлено специальными исследованиями, являются ионными растворами. Способность реального шлака окислять железо определяется не только концентрацией анионов кислорода и катионов железа, но и концентрацией сложных анионов кремния, фосфора и алюминия, влияющих на

Поведение окислов железа в кислых шлаках подчиняется закономерностям  совершенных (идеальных) растворов. Распределение  кислорода между такими шлаками и металлом при равновесии может быть приведенными уравнениями:

 

 

 

 

 

Активность закиси железа (катионов железа) в расплавленных  основных мартеновских шлаках является величиной переменной, изменяющейся не пропорционально весовому содержанию закиси железа в шлаке, а более сложно.

 

Наибольшей окислительной  способностью обладают основные железистые шлаки с низкой концентрацией  кремнезема, глинозема и фосфорного ангидрида. Основной железистый шлак имеет большую окислительную способность, чем кислый шлак.

Кислород в жидком железе обладает большой поверхностной  активностью. При повышении содержания кислорода примерно от 0 до 0,2% поверхностное натяжение жидкого железа при 1600°С понижается со 170—185 до 100—110 мкДж/см². Это означает, что группировки FeO непрочно связаны с металлическим расплавом и вытесняются в поверхностный слой, где содержание кислорода получается значительно более высоким, чем в объеме металла.

Содержание кислорода  в жидком металле  к моменту  раскисления во всех сталеплавильных  агрегатах определяется, как правило, лишь концентрацией углерода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.3 Термодинамика раскисления  стали

Жидкая нераскисленная сталь содержит значительное количество растворенного кислорода. Снижение температуры металла (во время разливки и при кристаллизации сопровождается уменьшением растворимости кислорода, что приводит к образованию и выделению окиси углерода, к получению пузыристых отливок и неплотных слитков.

Первой задачей раскисления  является снижение содержания растворенного в стали кислорода и связывание его в прочные соединения, не дающие газообразных выделений при затвердевании металла. В случае получения спокойно затвердевающих сталей содержание растворенного кислорода должно быть как можно меньше; при получении стали кипящих сортов — должно быть снижено до заданной величины, обеспечивающей нормальное кипение стали в изложницах.

Другой задачей раскисления  является максимальное удаление из жидкой стали образующихся продуктов раскисления  — неметаллических включений.

Наиболее распространенными раскислителями стали являются кремний, марганец и алюминий. В некоторых случаях применяют кальций, церий, титан и др. Эти элементы, вводимые совместно или порознь, уменьшают количество растворенного в жидкой стали кислорода до определенного уровня, зависящего от их сродства к кислороду. Оставшиеся в твердом растворе стали элементы раскислители действуют как легирующие примеси, соответственно изменяющие свойства стали. Например, оставшийся в стали после раскисления растворенный алюминий делает ее нестареющей после деформации, снижает температуру перехода в хрупкое состояние, уменьшает размер природного зерна аустенита и т. д.

Раскисляющая способность элемента, вводимого в сталь, измеряется содержанием растворенного кислорода, остающегося в равновесии с оставшимся в жидкой стали элементом-раскислителем и образовавшимися продуктами раскисления. Химический состав и свойства продуктов раскисления могут сильно меняться, раскисляющее действие одного и того же элемента различно и зависит от состава и свойств получающихся продуктов раскисления.