Раскисление стали при легировании

Такие раскислители, как марганец, кремний, алюминий, иногда вводят в сталь в количествах, значительно больших, чем требуется для раскисления. Это делается для получения стали с особыми свойствами, т. е. для вып­лавки высокомарганцовистой, высо­кокремнистой и другой стали. В этих случаях процессы раскисления и леги­рования протекают одновременно. Кроме Mn, Si и А1 некоторые легиру­ющие также обладают большим хими­ческим сродством к кислороду, чем Fe, т. е. являются раскислителями. К таким легирующим элементам отно­сятся Сг, V, Nb, В, Ti, Zr. Однако даже в тех случаях, когда раскислительная способность этих элементов невелика (Cr, V, Nb), они принимают участие в процессе раскисления и образования соответ­ствующих продуктов раскисления, и это необходимо учитывать. Если тре­буется определить активность кисло­рода в стали, в которую введены раз­личные раскислители и легирующие элементы, то нужно учесть влияние каждого компонента расплава.

Прямое легирование

Получение ферросплавов и лигатур является наиболее энерго-, трудо- и материалоемким производством в чер­ной металлургии. При этом операции загрузки шихты, плавления и восста­новления, разливки, грануляции, дробления, упаковки ферросплавов не только требуют больших затрат труда, но и сопровождаются потерями метал­ла¹ и интенсивным пылевыделением. При разработке технологических при­емов получения легированных сталей приходится учитывать, с одной сторо­ны, высокую температуру плавления ряда ферросплавов, а с другой —за­метные колебания их плотности. В связи с этим металлурги ведут активный поиск путей создания технологий легирования, которые по­зволяли бы проводить прямое легиро­вание из сырых материалов, минуя стадии производства ферросплавов. В ряде случаев такие пути уже найдены. В качестве сырых материалов, используемых для прямого легирования. Особенно велики потери марганца; об­щие потери марганца в процессе обогащения и выплавки марганцевых сплавов превышают 50%

применяют конвертерный ванадиевый шлак (18-19 % V₂O₂), молибденовый концентрат (82-90 % МоО₃), хромо­вую руду (45-53 % Сr₂О₃), ниобиевый концентрат (38-43 % Nb₂O₃) и др. Эти материалы вводят в металл раз­личными способами (на дно сталеразливочного ковша при выпуске, на шлак в печь, путем вдувания в глубь металла в печи или в ковше и т. п.). Материалы вводят обычно или в виде порошка, или в виде брикетов, в со­став которых кроме основного мате­риала вводят сильные восстановители (алюминий, кальций и т. п.), с тем чтобы в момент контакта материала с расплавленным металлом протекали реакции восстановления: например, 3V₂O₅ + 10А1=6[V]+5А1₂О₃, МоО₃+2А1=[Мо]+А1₂О₃ и др.

Для таких элементов с относитель­но невысоким химическим сродством к кислороду, как Мn, Сг, некоторое повышение содержания легирующих может быть обеспечено путем взаимо­действия смесей или шлаков с желе­зом (в пределах, ограниченных кон­стантой равновесия). Например, для реакции

(MnO)+Fe=(FeO)+ [Mn]

т. e.

При введении в ванну марганецсодержащих добавок повышается и соответственно возрастает содержа­ние марганца в металле. Сквозное из­влечение ценных легирующих эле­ментов при прямом легировании обычно выше, чем при использова­нии ферросплава. Недостатком мето­да являются нестабильность получае­мых результатов, большие колебания степени восстановления в зависимос­ти от условий выплавки, особеннос­тей выпуска из агрегата данной плав­ки, количества и состава попавшего в ковш шлака и т. п. Однако этот недо­статок практически исчезает по мере развития методов внепечной обработ­ки, особенно методов, включающих предотвращение попадания конечно­го шлака в ковш, длительное переме­шивание металла со шлаком, подо­грев металла и шлака в процессе пе­ремешивания и т. п.

Наиболее рационально в качестве восстановителя использовать углерод:

С + МnО = Мп + СО,

3С + Сr₂О₃ = 2Сr + 3СО,

3С + V₃O₃ = 2V + 3СО,

2С + NbO₂ = Nb + 2CO,

5С + Nb₂O₅ = 2Nb + 5СО и т. д.

При наличии в ванне углерода об­работка металла вакуумом или инерт­ными газами сдвинет вправо равнове­сие реакции (МeО) + [С] = СО_Г + [Me]:

На этом основано, например, пря­мое легирование металла хромом, ни­обием и др. Учитывая высокую эконо­мичность прямого легирования, ме­таллурги изыскивают возможности использования всех материалов — от­ходов различных производств — в слу­чае, если эти материалы содержат за­метное количество ценных легирую­щих примесей.

В некоторых случаях для упроще­ния технологии и повышения степени использования ферросплавов приме­няют так называемые экзотермичес­кие смеси, экзотермические ферро­сплавы или экзотермические брикеты. В состав экзотермических смесей для изготовления брикетов входят обыч­но: порошок материала, содержащего лигатуру (порошок феррохрома, фер­ромарганца, ферровольфрама и т. п.); руда (марганцевая, хромовая и т. п.); связующие добавки (например, жид­кое стекло), а также небольшие коли­чества сильного восстановителя (на­пример, порошка алюминия) и силь­ного окислителя (например, натрие­вой селитры NaNO₃).

Выделяемого при взаимодействии экзотермических смесей тепла достаточно не только для быстрого рас­плавления материала, но и для ком­пенсации затрат тепла на восстанов­ление входящих в состав смеси ок­сидов. Эффективность применения экзотермических ферросплавов оп­ределяется некоторым снижением расхода ферросплавов и дополни­тельным восстановлением компо­нентов из руд. При этом, однако, приходится учитывать дополнитель­ные затраты на дробление, смеше­ние, брикетирование, а также на хра­нение взрывоопасных окислителей. Обычно экзотермические ферро­сплавы применяют на агрегатах не­большой емкости при обработке не­больших масс металла.

Глоссарии

Раскисление металлов – процесс удаления из расплавленных металлов (главным образом стали и др. сплавов на основе железа) растворённого в них кислорода, который является вредной примесью, ухудшающей механические свойства металла. Для Р. м. применяют элементы (или их сплавы, например Ферросплавы), характеризующиеся большим сродством к кислороду, чем основной металл. Так, сталь раскисляют алюминием, который образует весьма прочный окисел Al₂O₃, выделяющийся в жидком металле в виде отдельной твёрдой фазы. Степень раскисления, т. е. конечное содержание кислорода в металле [О]. например при реакции R + О = RO (_T), где R и О — раскислитель и кислород в металлическом растворе, определяется концентрацией раскислителя [R], температурой и прочностью окисла RO.

Раскисление марганцем – Марганец является сравнительно слабым раскислителем. При 1600 градусах и концентрациях марганца 0,2 и 0,8 процентов жидкое железо содержит 0,15 и 0,1 процент кислорода. При введении марганца в сталь образуются продукты раскисления, состоящие из FeO и MnO. Концентрация MnO в шлаковом расплаве зависит от содержания марганца в металле и температуры.

Раскисление кремнием – Кремний – более сильный раскислитель, чем марганец. При малых содержаниях кремния в стали и высоком содержании кислорода продуктом раскисления является не чистый кремнезем, а силикаты различного состава.

Раскисление алюминием – Алюминий является очень сильным раскислителем и в связи с этим широко применяется в практике сталеварения для раскисления стали. Раскислительная способность алюминия экспериментально определялась многими исследователями. Трудности экспериментального изучения раскислительной способности алюминия связаны со сравнительно большой погрешностью определений малых концентраций кислорода и раскислителя в расплаве, а также низкого окислительного потенциала в газовой фазе.

Легирование (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объемное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование.

Контрольные вопросы:

1. Раскисление и легирование стали?

2. Глубинное, или осаждающее, раскисление?

3. Раскисление марганцем?

4. Раскисление кремнием?

5. Раскисление алюминием?

6. Особенности использова­ния щелочноземельных и редкоземельных металлов?

7. Применение комплексных раскислителей?

8. Введение раскислителей в металл?

9. Диффузионное раскисление?

10. Раскисление при обработке металла синтетическими шлаками?

11. Раскисление при обработке металла вакуумом?

12. Электрохимическое раскисление металлических расплавов?

13. Легирование стали?

14. Раскисление стали при легировании?

15. Прямое легирование?

Блиц-тест

1. Решающее влияние на оптическую основность реальных шлаков АКР и шлаков производства нержавеющей стали оказывают оксиды:

a) FeO, SiO₂

b) CaO, VnO

c) MgO, Cr₂O₃

d) CaO_, SiO₂

e) MgO, SiO₂

2. Технологическую операцию, обеспечивающее снижение активности кислорода до необходимых приделов, называют:

a) Окисление

b) Легирование

c) Диффузия

d) Осаждение

E) Раскисление

3. Сколько % Mn содержится в кипящей стали:

a) 0.2-0.3

B) 0.3-0.4

c) 0.4-0.5

d) 0.5-0.6

e) 0.6-0.7

4. При введении в металл элемента раскислителя активность растворенного в металле кислорода:

A) Уменьшится

b) Уменьшается затем увеличивается

c) Увеличивается

d) Увеличивается затем уменьшаеся

e) Не изменяется

5. Температура плавления чистого глинозема составляет примерно:

a) 1500^oC

b) 1750 ^oC

c) 2000 ^oC

d) 2050 ^oC

e) 2500 ^oC

6. Изменение энергии Гибса при 1900 ^oК для реакции образования оксидов из чистых элементов сосавляет:

a) Si + O₂ = SiO₂, G^o=-500 Дж

b) Si + O₂ = SiO₂, G^o=-540 Дж

c) Si + O₂ = SiO₂, G^o=-580 Дж

d) Si + O₂ = SiO₂, G^o=-620 Дж

e) Si + O₂ = SiO₂, G^o=-660 Дж

Список литературы

Основная литература

1. Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Рысс М.А. Электрометаллургия стали и ферросплавов. Учебник для вузов 3-е изд.. перераб. и доп. М.: Металлургия Поволоцкий Д.Я., Гудим Ю.А. Производство нержавеющей стали. Челябинск: изд. ЮурГУ, 1998.

3. Поволоцкий Д.Я., Основы технологии производства стали. Учебное пособие вузов Челябинск: изд. ЮурГУ, 2000-189с.

4.Морозов А.М. Современное производство стали в дуговых печах 2-е изд., перераб.и доп.- Челябинск: М. 1987.-175с.

Дополнительная литература

8.Чуйко Н.М., Чуйко А.Н. Теория и технология электроплавки стали. Учебное пособие для вузов. Киев-Донецк. Высшая школа, 1983, 243с.

9. Каблуковский А.Ф., Лейкин В.Е., Юдин С.Т. Сталевар электропечи. Учебное пособие М.: ГНТИ. 1961-350с.

10. Кинцел А.Б. Руссел Фрэнкс Высокохромистые нержавеющие и жароупорные стали. М.: ГНТИ. 1945-470с.

11. Морозов А.Н. Водород и азот в стали. М.: Металлургия.-1968-270с.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: