Раскисление и легирование стали. Продукты раскисления и их удаление, страница 2

l_о= а(O^2-)/ а_[О] . Эффективность такого способа зависит от полноты перемешивания жидкого синтетического (заранее выплавленного в специальных установках) шлака с металлом, выпускаемым в ковш из сталеплавильного агрегата. Синтетические шлаки, практически не содержащие оксидов железа, должны быть высокоосновными, что обеспечивает создание благоприятных условий для понижения содержания серы в металле.

§ 2. Продукты раскисления и их удаление

Согласно законам термодинамики возможно образование продуктов раскисления, если элементы-раскислители имеют большее химическое сродство к кислороду, чем железо. Возможно также образование продуктов раскисления сложного состава, состоящих из нескольких оксидов, если раскисление ведут комплексными раскислителями. Зарождение новой фазы в гомогенной среде сопровождается появлением поверхности раздела, что связано с преодолением энергии межфазного натяжения. Образование зародыша критического размера в гомогенной фазе затруднено даже в условиях сильного пересыщения по сравнению с равновесной концентрацией в металле продуктов раскисления.

В соответствии с теорией зарождения новой фазы частота появления зародышей оксидной фазы Wв металле может быть выражена в виде:

Изменение потенциала   Гиббса  АО определяется  следующим  выражением:

где М — молекулярная масса новой фазы; р — ее плотность; А—коэффициент, учитывающий число атомов на поверхности зародыша критического размера и в единице объема исходной фазы и зависящий от межфазного натяжения σ_м-в на границе раздела металл — включение, С`/C — степень пересыщения; Т — температура.

Из выражения (95) видно, что на частоту зарождения новой фазы основное влияние оказывает изменение потенциала Гиббса, а следовательно степень пересыщения, межфазное натяжение и температура. На критический радиус зародыша влияют те же самые параметры:

При высоком межфазном натяжении появление зародышей новой фазы возможно при очень высоких степенях пересыщения. Если же межфазное натяжение невелико, то новая фаза может образоваться при невысоких степенях пересыщения. Так, образование включений из оксидов марганца (МтО) и железа (FeO) при σ_м-в, не превышающем 200 МДж/м², может произойти при пересыщении, равном 1,5, в то время как для образования твердых включений (σ_м-в =1300 МДж/м²) требуется степень пересыщения >10³.

Удаление продуктов раскисления из металла протекает в результате перехода их в шлак или на огнеупорную футеровку (всплывания под действием разности плотностей металла и включения или конвективных токов, образующихся в расплавах под действием градиента температуры). Скорость всплывания ωсферической частицы (радиусом r) неметаллического включения по закону Стокса определяется следующим выражением: ω=2gr²(r_м—r_в)/9μ, где r — плотность; μ — кинематическая вязкость металла.

Крупные жидкие включения могут всплывать сравнительно быстро. Так, при диаметре частиц >100 мкм и плотности их 3 г/см³ скорость псплывания их составляет ≥ 1000 мм/мин. Мелкие включения укрупняются самопроизвольно в результате коалесценции (или коагуляции твердых) частиц, а также адгезии твердых и жидких частиц. Наиболее крупных размеров достигают жидкие включения, образующиеся в результате слияния более мелких путем градиентной коагуляции. Хуже укрупняются твердые включения (например, оксида алюминия), имеющие очень малые начальные размеры («10 мкм), скорость их всплывания невелика. Однако перемешивание металла и шлака способствует заметному снижению числа таких включений: в результате действия циркуляционных токов в жидких фазах происходит их прилипание к шлаку.

§ 3. Легирование

Сталь называют легированной, если в ее состав вводят элементы (кроме содержащихся в обычной шихте), которые придают металлу специальные служебные свойства. В ряде случаев легирующие элементы содержатся и в чугуне, если он выплавлен из природнолегированной руды, как, например, из Орско-Халиловской, в состав которой кроме железа входят хром (<3 %) и никель (<0,9 %). По содержанию легирующих элементов различают стали низко- (<2,5 %), средне- (<10 %) и высоколегированные (>10 %).

Технологию легирования выбирают в зависимости от химического сродства легирующих элементов к кислороду. Если химическое сродство к кислороду меньше, чем у железа (молибден, кобальт, никель), то легирующие добавки вводят в металл вместе с шихтовыми материалами. Если химическое сродство к кислороду более высокое, чем у железа (хром, ванадий, титан), то во избежание большого угара их вводят в металл в конце сталеплавильного процесса; в ковш при выпуске металла или в сталеплавильный агрегат в предварительно раскисленный металл перед его выпуском. При введении значительных количеств легирующих добавок их предварительно расплавляют и нагревают до темпёратуры, при которой после смешивания с металлом (с учетом теплоты смешения) не снижается температура жидкой ванны.