2.2 Металлургические параметры
Металлургические параметры процесса рафинирования зависят в основном от свободного содержания кислорода в системе, а также от:
1) химсостава стали;
2) температуры стали;
3) процесса плавки и системы выпуска.
Химсостав и температуру стали можно проверить до выпуска стали в ковш. На основе этих значений с определенной степенью точности вычисляются металлургические параметры и корректируются соответствующие этапы во время процесса ковшевого рафинирования.
Содержание кислорода в стали определяется, в основном, сталеплавильным процессом (т.е. выплавка в конвертере/ДСП) и температурой стали. Как показывают опыты, проведенные Вейчером и Гамильтоном, существует тесная связь между углеродом и кислородом:
Таблица 2.1 показывает константы равновесия реакции C
O для разных температур, а содержание свободного кислорода на основании содержания углерода в стали см. Рисунок 13. Совершенно очевидно, что константы равновесия достигаются редко. Они могут поддерживаться посредством работы под пенистым шлаком и вдувания угольного порошка при работе с ровной ванной металла.Таблица 2.1 - Реакция C-O по Вейчеру и Гамильтону в зависимости от
температуры
| °C | aO * aC |
| 1550 | 0.0023 |
| 1600 | 0.0024 |
| 1650 | 0.0025 |
| 1700 | 0.0026 |
Рисунок 2.1- Диаграмма Вейчера и Гамильтона
Таким образом, по последнему анализу углерода в жидкой стали перед выпуском можно заранее рассчитать минимальное содержание кислорода.
Другие источники кислорода:
Привнесенные печные окисные шлаки.
Остатки шлака в ковше.
Кислород из атмосферы, который при выпуске взаимодействует с жидкой сталью.
Если окисные шлаки нельзя удержать в печи, то это необходимо учесть в шлаковой технологии в ковше и при раскислении. В таблице 2.2 показано содержание кислорода, которое необходимо учитывать.
Таблица 2.2 - Содержание кислорода в печном шлаке в зависимости от содержания углерода в стали
| Количество шлака | [%C] сталь | .04 | .06 | .08 | .10 | .15 | .20 |
| 100 кг | кг кислорода | 8.0 | 6.8 | 6.1 | 5.6 | 4.7 | 4.2 |
| 300 кг | кг кислорода | 24.1 | 20.5 | 18.3 | 16.7 | 14.2 | 12.7 |
При ламинарном потоке выпускаемой стали менее вероятен подхват кислорода.
Необходимо учитывать все факторы, касающиеся правильного раскисления в ходе выпуска.
2.3 Раскисление и включения
Содержание кислорода в стали в конце ее производства зависит от различных факторов (состав стали, температура, содержание FeO в шлаке, скорость обезуглероживания в конце процесса рафинирования, производственная схема).
Цель раскисления заключается в уменьшении содержания кислорода, растворенного в жидкой стали.
Количество кислорода можно уменьшить за счет присадки элементов, обладающих соответствующим химическим родством с кислородом (раскисление твердыми присадками) или за счет шлаков, которые при приближении к распределенному равновесию поглощают кислород из плавки (диффузионное раскисление). Возникающие при раскислении продукты реакции могут повлиять на качество стали и поэтому перед затвердеванием их отделяют. При диффузионном раскислении включения почти не наблюдаются.
Из-за зависимости реакции раскисления от температуры при охлаждении до температуры ликвидуса образуются вторичные включения. Так как кислород почти не растворяется в твердой стали, то он уменьшается не позже стадии затвердевания, то есть при образовании других неметаллических включений. Включения, образующиеся между температурой ликвидуса и солидуса, называются третичными продуктами. При этом следует обратить внимание на то, что кислород является сильно вытапливаемым элементом. Вторичные и особенно третичные продукты, выступающие сопутствующими с сульфидами, очень трудно осаждаются или практически не осаждаются и поэтому оказывают влияние на качество стали.
Количество вторичных и третичных продуктов раскисления зависит от вида раскислителя. Сильные раскислители, например, алюминий, если не сохраняется состояние перенасыщения уже при присадке сильно сокращают содержание кислорода, таким образом, образуется незначительное количество вторичных и третичных продуктов раскисления. Наоборот, при использовании более слабых раскислителей, например, кремния, или в металлах, в которых из-за их состава коэффициент активности кислорода низок, образуется большее количество вторичных/третичных продуктов.
Раскислители в порядке снижения эффективности:
кальций;
магний;
алюминий;
титан;
кремний;
марганец;
углерод.
Не описывая подробно механизм реакции, констатируем, что кислород стремится к состоянию с незначительной свободной стандартной энтальпией DG°. Поэтому в качестве раскислителей можно рассматривать все элементы оксидные кривые DG° которых находятся ниже оксида железа. Чем отрицательнее DG°, тем сильнее действие металла, связующее кислород.
Из следующей диаграммы Ричардсона/Джеффеса видно, что связующее действие всех элементов, кроме углерода, возрастает по мере снижения температуры. Поэтому, как уже было замечено выше, при снижении температуры стали образуются другие продукты раскисления, которые из-за плохих условий отделения остаются в стали и снижают, таким образом, оксидную чистоту стали.
Между сталью, раскисленной алюминием и сталью, раскисленной кремнием есть оределённые различия:
a. Сталь, раскисленная алюминием
Необходимое количество алюминия рассчитывается по содержанию кислорода в стали, а также ее анализу. При таком виде раскисления содержание кислорода в стали около 0,001%=10 ppm. Образующиеся вследствие раскисления алюминаты (Al2O3) рассматриваются как часть синтетического ковшевого шлака. При добавке шлакообразующей присадки необходимо учитывать эти элементы.
Действие алюминия на раскисление улучшается за счет присутствия кремния и марганца.
При разливке небольших сечений заготовки использование алюминия в качестве раскислителя ограничивается тем, что из-за образующихся алюминатов стоки осаждаются в промковше. В таком случае применяют комбинированные раскислители кремний/алюминий, либо проволоку CaSi, снижая поверхностное натяжение и устраняя дендритные включения алюминатов.
FeMn и FeSi обычно содержат некоторое количество алюминия, которое необходимо учитывать при расчете объема присадок.
При соответствующем составе шлака и правильном ведении процесса в печи- ковше происходит дальнейшее раскисление стали. Содержание кислорода в сталях, раскисленных кремнием, должно составлять менее 0.005 % = 50 ppm, а в сталях, раскисленных алюминием, менее 0.001 % = 10 ppm.
Удельный вес образованных оксидов (Al2O3, SiO2) ниже удельного веса стали, но вязкость стали ограничивает их осаждение. В особенности, в кристаллической решетке распределяются алюминаты. Для осаждения мелких включений необходимо перемешивать сталь в ковше на протяжении всего цикла обработки плавки.
б. Сталь, раскисленная кремнием
При раскислении стали кремнием в ней остается относительно высокое количество кислорода, который образует вторичные и третичные включения во время разливки. Образовавшиеся силикаты нужно учитывать в составе синтетического шлака. Их осаждение происходит достаточно легко, они не так тонко распределены по сравнению с алюминатами.
Конечное содержание кислорода в стали, достигаемое обычно без обработки в вакууме, составляет менее 0,010% = 100 ppm. Если этот показатель слишком высокий, рекомендуются комбинированное раскисление алюминием и кремнием или обработка с применением проволоки CaSi.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 18