Металлургия стали (Теория и технология плавки стали)
Бигеев А.М.
Металлургия, 1988 г.
КИСЛОРОД В МЕТАЛЛЕ И РАСКИСЛЕНИЕ СТАЛИ
Основные задачи раскисления и требования к элементам-раскислителям
Содержание кислорода в металле перед раскислением в любом сталеплавильном агрегате главным образом зависит от концентрации углерода: чем меньше содержание углерода, тем больше содержание кислорода в металле.
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.
Следовательно, первая задача раскисления стали сводится к достижению заданной степени раскисления металла — получению в готовой жидкой стали такого остаточного содержания кислорода, которое обеспечивает нормальное поведение металла во время его кристаллизации.
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.