Процессы и оборудование для внепечной обработки стали

Содержание кислорода и неметаллических включений в стали

Содержание кислорода и неметаллических включений в стали. Известно, что на качество поверхности и внутренней структуры слитка и, как следствие, готовой продукции, существенное влияние оказывает количество кислорода, растворенного в жидкой стали. Если к моменту начала кристаллизации стали содержание кислорода превышает максимальную его растворимость в твердом металле, избыточное количество кислорода может выделяться из пересыщенного раствора в виде газообразного оксида углерода и неметаллических включений. Задача процесса раскисления состоит в получении в готовой стали возможно меньшего количества неметаллических включений и придания им благоприятной формы и свойств.

Основное количество эндогенных включений представляет собой продукты взаимодействия кислорода, серы, фосфора, углерода и азота с другими компонентами расплава.

Согласно предложенной В.И. Явойским классификации эндогенных неметаллических включений в зависимости от момента образования, их подразделяют на: первичные, которые образуются непосредственно после ввода ферросплавов; вторичные, зарождающиеся во время охлаждения жидкого металла до температуры кристаллизации; третичные, возникающие в процессе кристаллизации стали, и четвертичные, которые выделяются при последующем охлаждении затвердевшей стали до комнатной температуры.

Имеются экспериментальные доказательства того, что среди эндогенных включений наиболее крупными обычно являются первичные и вторичные включения. Остальные типы включений имеют малые размеры и распределены в металле более равномерно.

Осаждающее раскисление заключается в том, что основное количество растворенного в стали кислорода переводят в нерастворимые оксиды элементов-раскислителей. Последние различными способами вводят непосредственно в жидкий металл. Этот способ раскисления широко распространен, главным образом, благодаря простоте его реализации. Основным его недостатком является то, что требуется значительное время и организация специального режима перемешивания металла для удаления образовавшихся неметаллических включений.

Общепризнанно, что процесс осаждающего раскисления стали проходит через следующие этапы: плавление и растворение раскислителей в металле; акт химического взаимодействия кислорода, растворенного в металле, с введенными в него раскислителями; образование продуктов раскисления - зародышей новой фазы в объеме жидкого металла; рост образовавшихся зародышей - продуктов раскисления (их коалесценция и коагуляция); удаление за счет всплывания и переход включений из металла в шлаковую фазу.

Для получения стали высокой чистоты при осаждающем раскислении необходимо обеспечить достаточную полноту удаления неметаллических включений из металла и ассимиляции их шлаком. Известно, что сильное влияние на скорость всплывания неметаллических включений в стали оказывает размер частиц. Вместе с тем, практика внепечной обработки показала, что, несмотря на относительно малый размер продуктов раскисления, например, алюминия, его оксиды довольно быстро покидают жидкий металл.

Как отмечает Г. Кнюппель [245], удаление продуктов раскисления при вводе в металл сплавов силикокальция и силикомарганца, а также кремния происходит крайне медленно. В этих случаях снижение суммарной концентрации кислорода в стали сравнительно невелико и сильно зависит от продолжительности выдержки металла в ковше. Силикатные включения, даже если они имеют большие размеры, плохо удаляются из расплава, поэтому для производства стали высокой чистоты необходимо стремиться к тому, чтобы их образование в расплаве было в значительной степени подавлено. Для этого к моменту ввода кремния необходимо иметь низкое содержание кислорода в стали.

При добавке кремния и алюминия в сталь рекомендуется сначала вводить в достаточном количестве алюминий, чтобы связать и удалить большую часть кислорода и только потом присаживать кремний. В результате высокой скорости удаления включений глинозема их содержание в стали после раскисления не зависит от исходной концентрации кислорода, а если она велика, то это способствует образованию крупных включений, которые удаляются особенно быстро. В противном случае, в зависимости от исходного количества кислорода, образуются более или менее грубые алюмосиликаты, которые медленнее удаляются из жидкой стали.

Результаты промышленных экспериментов показывают, что при раскислении стали алюминием в ковше содержание кислорода к концу выпуска плавки в результате быстрого всплывания глиноземистых включений достигает 15 % от начального. Процесс удаления же силикатных включений более продолжителен и при раскислении стали кремнием происходит снижение исходного содержания кислорода в лучшем случае на 50 % и, как правило, при более высокой конечной его концентрации.

В случае диффузионного раскисления металл выдерживают под жидкоподвижным раскисленным шлаком. При этом по мере приближения системы к состоянию термодинамического равновесия концентрация кислорода в стали уменьшается, приближаясь к равновесной со шлаком. Этот процесс протекает за счет диффузии кислорода из металла в шлак.

Раскислительная способность шлака по отношению к металлу определяется следующими основными факторами: активностью оксидов железа в шлаке; химическим составом шлака; температурой, которая определяет величину коэффициента распределения кислорода между шлаком и металлом; фактическим содержанием кислорода в стали.

Величина активности оксидов железа в шлаке при неизменной его концентрации может меняться в широких пределах в зависимости от содержания в шлаке основных и кислотных оксидов. При повышении температуры величина коэффициента распределения кислорода между шлаком и металлом уменьшается. Поэтому повышение температуры приводит при прочих равных условиях к росту окислительной способности шлака.

В общем случае процесс диффузионного рафинирования металла складывается из следующих этапов: массоперенос примеси внутри расплава металла; адсорбционно-кинетическое звено, имеющее место на поверхности контакта металла и извлекающей фазы; массоперенос извлекаемой примеси в шлаке.

При уменьшении концентрации оксида железа в шлаке можно достичь довольно низкой равновесной концентрации растворенного в стали кислорода. Расчеты показывают, что при температуре системы 1560°С рафинировочный шлак состава CaO—Al₂O₃—CaF₂ с содержанием оксида железа менее 1,5 % обеспечивает равновесное содержание кислорода в металле ниже 0,0020%.

Преимущество диффузионного раскисления перед осаждающим состоит в том, что продукты раскисления не загрязняют металл. Однако реализация такого способа требует дополнительного расхода шлакообразующих материалов, энергии и приводит к существенному увеличению продолжительности рафинирования стали.