Металлургия стали (Теория и технология плавки стали)

КИСЛОРОД В МЕТАЛЛЕ И РАСКИСЛЕНИЕ СТАЛИ

 

 

Эта концент­рация кислорода значительно выше равновесной с углеро­дом. Если сохранить в металле это содержание кислорода, то во время затвердевания стали в кристаллизаторе маши­ны непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) в изложнице или литейной форме будет продолжаться реакция окисле­ния углерода и выделение газов СО и СO₂. Это допустимо только в том случае, если выплавляются кипящая и полуспокойная стали, причем интенсивность газовыделения в изложнице должна быть вполне определенной: при затвер­девании кипящего металла больше (но не чрезмерно), при затвердевании полуспокой­ного меньше. При затверде­вании слитка спокойной стали  видимое газовыделение, т. е. протекание реакции окисления углерода, долж­но быть исключено.

 

 

Раскисление кипящей ста­ли сводится лишь к некото­рому снижению содержания кислорода в металле при сохранении его уровня выше равновесного с углеродом. Это обеспечивается обычно раскислением только марган­цем при остаточном содержании его 0,3—0,4%, редко до­полнительно вводят кремний (остаточное содержание не более 0,02—0,03 %) и алюминий (тысячные доли процента).

 

Раскисление полуспокойной стали означает получение остаточного содержания кислорода в металле [O] не­сколько ниже равновесного [О]р, обычно [O] =< 0,9 [O]_р. Только при выполнении этого условия слиток полуспокой­ной стали формируется нормально: реакция окисления угле­рода протекает лишь в той мере, в какой она необходима для заполнения газами усадочных пустот, неизбежно обра­зующихся при кристаллизации стали. Получение такого остаточного содержания кислорода является непростой за­дачей, так как небольшое излишнее или недостаточное рас­кисление приводит к нарушению нормального хода кри­сталлизации слитка. В большинстве случаев при раскисле­нии полуспокойной стали дополнительно к обычному содер­жанию марганца (0,4—0,5 %) достаточно иметь в конечном металле 0,08—0,12 % остаточного кремния в готовой стали или несколько тысячных долей процента алюминия.

Раскисление спокойной стали можно считать нормаль­ным, если остаточное содержание кислорода значительно ниже равновесного с углеродом. При этом чем ниже оста­точное содержание кислорода, тем лучше, поэтому раскис­ление спокойной стали практически сводится к введению в металл одного или нескольких элементов-раскислителей, имеющих высокое химическое сродство к кислороду. Напри­мер, в большинстве случаев достаточно иметь остаточное содержание в готовом металле 0,3—0,5 % Μn и 0,2— 0,3 % Si. Однако при выплавке стали, особенно спокойной, задача раскисления не ограничивается получением требуе­мого содержания кислорода в металле.

Вторая задача раскисления состоит в обеспечении воз­можно меньшего содержания в твердой стали продуктов реакций раскисления — неметаллических включений (НВ), а также β получении НВ, оказывающих минимальное отри­цательное влияние на свойства стали. Такими свойствами обладают мелкие НВ (размеры 10 мкм), 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 пу­тем 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.). Выполнение этих требований возможно, как правило, только при определенных содержа­ниях в металле элементов-раскислителей, пределы которых устанавливаются при разработке стали данной марки, по­этому для технолога, ведущего плавку, в конечном счете задача раскисления-легирования сводится к получению в готовой стали заданного содержания раскисляющих и ле­гирующих элементов.

 

Как ясно из изложенного выше, элементы-раскислители должны обладать следующими свойствами:

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

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

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

4) низкой стои­мостью и доступностью (недефицитностью). Кроме того, элемент-раскислитель должен способствовать уменьшению отрицательного влияния на свойства стали других вредных примесей, кроме кислорода: серы и азота, а продукты рас­кисления, оставаясь в стали, должны способствовать из­мельчению зерна.