Удаление вредных примесей

O2, S, P, N, H2, реже другие (As) даже в небольшом количестве отрицательно влияют на свойства железа и его сплавов. Получение металла надлежащего качества достигается уменьшением до определенных пределов содержания вредных примесей различными методами в зависимости от особенности каждой примеси.

Раскисление стали – удаление растворенного кислорода. При окислительном рафинировании по мере уменьшения в металле примесей с бОльшим сродством с кислородом чем железо концентрация кислород увеличивается. Углерод окисляется позже других элементов и концентрация С в металле определяет конечное. Окисляемость металла по ходу обезуглероживания увеличивается и особенно резко при содержании углерода менее 0,2. Фактическая концентрация углерода в металле в конце рафинирования для разных марок стали нахордится в пределах 0,02-0,05 %. При охлаждении такого металла будет продолжаться реакция обезуглероживания с избирательной кристаллизацией. По мере кристаллизации остающаяся жидкость постепенно обогащается примесями. В частности углерода и [О], концентрации которых все время сохраняются больше равновесных для реакции обезуглероживания, что обеспечивает ее непрерывное течение. Часть газовых пузырей остается в затвердевающимся металлом, делая его пузыристым. Из-за пересыщения металла кислородом выделяются оксиды железо. С уменьшением температуры растворимость О2 в железе резко падает, что ведет к увеличению оксидной фазы на границе зерен. Это явление называют красноломкость. Чрезмерно высокая концентрация О2 в металле – пример процесса окислительного рафинирования. Кроме того при выпуске и разливке стали, т.е. после освобождения из под шлакового покрова она соприкасается с атмосферным воздухом. Поэтому выплавка стали всегда завершается раскислением с целью удаления из металла кислорода до пределов, обеспечивающих полное или частичное прекращение реакции обезуглероживания. В качестве элементов раскислителя применяют две группы элементов – это элементы с бОльшим сродством к кислороду чем железо Mn, Si. Вторая группа – элементы с большим сродством к кислороду чем углерод. Они служат для полного «успокоения» Al, Ti, B, Ca, Zirkoniy. Раскисление обычно совмещают с легированием, т.е. с увеличением до требуемых пределов полезных примесей. Существует три способа раскисления – осаждающий, диффузионный и вакуумирование.

Осаждающий. Наиболее распространенный способ раскисления, заключающийся в вводе раскислителя непосредственно в металл, где происходит гетерогенная реакция. Оксид раскислителя должен обладать свойствами «осадков», т.е. быть нерастворимым в железе и способным легко выделяться из расплава. Для того чтобы реакция шла необходимо чтобы раскилители имели большее сродство чем С и Fe и чтобы их оксиды были прочнее чем FeO. При вводе раскислителя в сталь О2 уменьшается за счет реакции раскисления до достижения равновесия реакции, поэтому минимальнае остаточная концентрация О2 в металле отвечает равновесию в реакции служит мерой сравнительного сродства раскислителя к кислороду или мерой раскислительной способности элементов-раскислителей. Механизм осаждающего раскисления включает следующие стадии: растворение твердого раскислителя и равномерное распределение его в объеме металла, химическая реакция обезуглероживания, удаление из расплава продуктов реакции – неметаллических шлаковых включений. Важнейшим звеном является третья стадия, т.к. от нее зависит количество неметаллических включений, загрязняющих металл и понижающих его качество. Эти неметаллические шлаковые включения обладают меньшей плотностью чем металл и всплывают на его поверхность. Чем больше скорость всплывания тем чище сталь от неметаллических включений. Скорость всплытия мелких сферических частиц, диаметром менее 1 мм. Из уравнений следует, что с уменьшением f скорость падает. Процесс ускоряется при уменьшении плотности шлаковых включений, увеличении температуры, уменьшением вязкости стали и, как следствие с увеличением времени застывания и времени всплытия включений. Решающая роль принадлежит размерам частиц. Чем они крупнее тем чище сталь. Укрупнение частиц легче происходит в жидком виде чем в твердом. Поэтому для полного очищения металлов от продуктов раскисления необходима высокая температура стали более 1600 ^оС и низкая температура плавления.

Диффузионное раскисление заключается в образовании процесса диффузии кислорода из металла в шлак за счет понижения его окисленности, за счет ввода в него раскислителей, который восстанавливая оксиды железа в шлаке понижает ихх концентрацию и, следовательно, концентрацию кислорода. Преимущество этого метода перед осаждающим – в том, что взаимодействие просходит в шлаке и металл не загрязняется. Недостатком является низкая скорость процесса. Непосредственно в агрегатах, главным образом в электрических печах при производстве специальных сталей. Разновидностями диффузионного раскисления является обработка стали в ковшах с синтетическими шлаками с низким содержанием FeO.

Вакуумирование. Это относительно новый иперспективный способ, который позволяет получать не только кислород, но и водород и азот, т.е. осуществлять дегазацию сталей. У Н и N растворимость в стлаи с уменьшением Т падает. Особенно она низка в твердом состоянии. При остывании стали водород выделяется в микропоры и образует флокены – это небольшие трещины, ухудшающие механическую прочность. Азот увеличивает твердость стали, но одновременно увеличивает хрупкость и уменьшает пластичность. Строение газов в железе, т.е. абсорбция сопровождается изменением его молекулярного состояния. С учетом, что газы в металле – бесконечно разбавленные растворы, то коэффициент активности примерно равен 1. Следовательно растворимость газов в металле является функцией двух величин – температура и давление. Влияние температуры на растворимость определяется величиной дельтаН. Н2 и N2 растворяются с поглощением тепла. Поэтому перегрев металла увеличивает газонасыщенность, особенно это характерно для ЭП. Кроме того легирующие элементы образуют гидриды и нитриды,что способствует увеличению газонасыщенности. Особенно к гидридам склонны титан, цирконий, а к образованию нитридов – хром и ванадий. Если ковш металла поместить в закрытую системы и значительно понизить давление газа над металлом, то существенно уменьшится давление в газовых пузырях, содержащихся в расплаве, особенно в верхнем слое металла. Это обеспечит переход пузырей тех примесей, которые способны выделяться из стали в газообразном состоянии и интенсивное всплытие пузырей. Углерод обладает значительным сродством к кислородом может служить раскислителем, но использование его для этого при нормальном давлении весьма ограничено, т.к. оставшийся СО приводит к получению неплотных слитков, т.е. вызывает пузыристость металла. Для предотвращения этого ввод раскислителя с бОльшим сродством к кислороджу чем углерод загрязняет металл неметаллическими включениями. Вакуумирование позволяет существенно понизить концентрацию кислорода в стали без применения раскислителей и, следовательно, без дополнительного загрязнения металла. В этом случае роль углерода как раскислителя значительно возрастает, поскольку при вакуумировании из него наиболее полностью удаляется СО и исключается пузыристость металла.