Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

Это объясняется тем, что увеличение коэффициента активности кремния с повышением концентрации в определенной степени ком­ пенсируется одновременным уменьшением коэффициента актив­ ности кислорода. Следовательно, уравнение (65) пригодно для оценки содержания кислорода в металле, равновесного с заданным содержа­ нием кремния.

При температуре 1600° С Ksi = 2 ,8 X 10“ 5. Отсюда содержа­ ния кислорода, равновесные с данным содержанием кремния, равны:

рис. 78, показывает, что в окислительный период плавки содержа­ ние кислорода в стали может быть выше равновесного с кремнием. Например, при содержании углерода 0,1 и 0,2% содержание кисло­ рода в стали равно соответственно 0,04 и 0,02%. Следовательно, при таком содержании углерода кремний может раскислять металл при концентрации его 0,1—0,2% и более.

При определении константы равновесия раскисления кремнием по уравнению (64) и произведения равновесных концентраций по урав­ нению (65) принималось, что продуктом раскисления является крем­ незем. В действительности это далеко не всегда так. При раскисле­ нии кремнием наряду с твердым кремнеземом образуются силикаты железа, глобулярная форма которых свидетельствует о том, что они были в жидком состоянии. Поэтому, рассматривая вопрос о раскнслптельной способности кремния, необходимо учитывать и условия образования жидких продуктов раскисления (Fed -[■- SiO.,)(>K):

С учетом величин активностей продуктов раскисления из урав­

При содержании кремния около 0,3% (обычном при раскислении стали) по уравнению (65) и (67) получаются одинаковые равновесные концентрации кислорода. Следовательно, при таком содержании кремния термодинамически равновероятно образование S i0 2 и FeO -Si02. При малых концентрациях кремния в условиях равно­ весия более вероятно образование FeO-Si02, чему соответствует

и меньшее содержание кислорода в стали. При содержании кремния

встали более 0,3% меньшая равновесная концентрация кислорода обеспечивается при образовании твердого кремнезема и более веро­ ятно протекание реакции раскисления кремнием до S i0 2.

Кремний при обычных его концентрациях в металле (0,17—0,37%)

вкачестве раскислителя понижает содержание кислорода в стали. Однако при раскислении одним кремнием не всегда удается полу-

750

чнть качественный слиток спокойной стали. В процессе кристалли­ зации вследствие ликвации кислорода и углерода в стали возможно развитие реакции окисления углерода с образованием пузырьков окиси углерода, вызывающих возникновение пористости металла и даже рослости слитков.

Р а с к и с л е н и е а л ю м и и и е м. Алюминий является очень сильным раскислителем, его применяют при производстве спокойных сталей. Присадки алюминия в металл позволяют полностью успо­ коить сталь и избежать возникновения пористости слитков и отливок вследствие окисления углерода и выделения пузырьков окиси угле­ рода.

Раскислительная способность алюминия явилась предметом изу­ чения многими исследователями. Они встретились с рядом труд­ ностей, обусловленных главным образом очень малыми равновес­ ными концентрациями алюминия и кислорода, меньшими, чем допу­ скаемые ошибки анализа. Однако тщательно проведенные исследо­ вания ряда авторов позволили достаточно надежно определить термо­ динамические данные реакции раскисления алюминием.

Можно, например, отметить результаты обстоятельного исследо­ вания Гоксена и Чипмана. Чистое железо они расплавляли в алундовом тигле из чистой окиси алюминия в индукционной печи при непрерывном пропускании газовой смеси водяного пара и водорода контролируемого состава. Таким образом, указанные авторы при­ менили обычную методику для определения термодинамических дан­ ных реакций взаимодействия растворенного в металле раскислителя с водяным паром или, наоборот, продукта раскисления А120 3 с водо­ родом. Комбинируя полученные данные с данными реакции взаимо­ действия водорода с растворенным в металле кислородом согласно уравнению (62), они получили константу равновесия реакции рас­ кисления алюминием:

к единице и приближенное значение константы равновесия можно получить, применяя вместо активностей алюминия и кислорода их

Уравнение (69) позволяет рассчитать раскислительную способ­ ность алюминия. Например, при 1600° С [%А1Р [% ОР = 3,5х 10“ 14. Следовательно, уже при содержании в металле 0,005% А1 в равно­ весии содержится всего 0,0011% О, а при содержании 0,01% А1 содержание кислорода понижается до 0,0007%. В этих условиях возможность реакции' окисления углерода исключается.

Описанные результаты исследований относятся к случаю обра­ зования глинозема. Однако образование А120 3 в процессе раскисле-

Ш

ни я происходит лишь при избытке алюминия в зоне протекания реак­ ции. Как показало изучение продуктов раскисления алюминием, при избытке кислорода может происходить образование герцииита (FeO X X А1о03) пли расплава FeO + А130 3 переменного состава.

Образование г.ерцннита может быть описано реакцией

г а н ц е м и а л ю м и и и е м. Обычно сталь раскисляют не одним из рассмотренных выше раскнслителей (Mn, Si, А1), а всеми тремя.

Это обеспечивает более полное раски­ сление и, главное, образование про­ дуктов раскисления, более полно уда­ ляющихся из стали и в меньшей степени ухудшающих ее свойства.

Марганец обладает слабой раскислительной способностью и при содер­ жаниях кислорода, получаемых при введении в сталь кремния и алюми­ ния, сам по себе не может раскислять металл. Однако некоторые исследо­ ватели установили влияние марганца на раскпслительную способность кремния и алюминия. В качестве

примера в табл. 9 приведены равновесные с кремнием концентрации кислорода в металле без марганца и при содержании в нем 04 °о Мп. Как видно, марганец повышает раскпслительную способность крем­ ния.

В отдельных исследованиях отмечено также небольшое повыше­ ние раскпслптельной способности алюминия в присутствии мар­ ганца.

Влияние марганца на раскпслительную способность кремния и алюминия можно объяснить образованием сложных продуктов рас­ кисления, содержащих закись марганца. При этом ие только умень­ шается активность в них окислов раскнслителя, но и увеличивается количество связываемого кислорода.

С р а в н е н и е р а с к п с л п т е л ь н о й с п о с о б н о с т и

э л е м е и т о в. Данные о раскислителы-юй способности элементов, применяемых для раскисления стали, приведены на рис. 87. При их выборе по мере возможности учитывали образование разных про­ дуктов раскисления при разном содержании раскнслителя и кисло­ рода. Здесь же штриховой линией нанесено содержание кислорода в зависимости от содержания углерода по ходу плавки перед рас­ кислением.

В процессе производства стали раскислять металл, предотвращая реакцию окисления углерода, могут кремний и все расположенные

192

ниже элементы (см. рис. 87), наиболее сильными раскислителями из которых являются редкоземельные металлы — церий и лантан. Однако раскислительная способность кремния лишь немного ниже, чем углерода, а степень ликвации углерода значительно выше. Поэтому, как отмечалось, раскисляя одним кремнием, получить здоровый слиток спокойной стали нельзя; интенсивная ликвация углерода приводит к взаимодействию его с кислородом с выделением пузырьков окиси углерода. Для получения плотного слитка необ­ ходимо применять и более сильные раскислители, чем кремний. Из таких раскислителей наибольшее применение получил алюминий.

достаточно низкого содержания кислорода в металле и неметалли­ ческих включений, наиболее подходящих для их удаления из стали

ивлияния на ее свойства.

Вкачестве раскислителя, кроме веществ, указанных на рис. 87, нередко применяют кальций. Он обладает очень большой раскислительной способностью. По расчетам при давлении паров кальция, равном 100 кПа (1 ат), равновесное содержание кислорода состав­ ляет 10“ 8%. Однако равновесие между кальцием и кислородом не может быть достигнуто вследствие высокой упругости паров кальция

иничтожной растворимости его в жидких железе и стали.

Температура кипения кальция при нормальном давлении равна 1440° С. Упругость его пара при температуре 1600° С составляет 180 кПа (1,8 ат). Кроме того, по данным ряда исследований, в жидкой стали он не растворяется. Поэтому кальций взаимодействует с кисло­