Особенности раскисления и легирования стали

Обязательной завершающей операцией сталеплавильного процесса является раскисление стали в ковше. Окислительный характер плавки приводит к высокой концентрации в металле FeO — вредного соединения, вызывающего красноломкость при горячей деформации, кристаллизационные трещины при сварке и т. п. Собственно раскисление с удалением кислорода из жидкой стали — это процесс восстановления железа из FeO. Неотлаженность процессов раскисления приводила к пониженному качеству старых конвертерных сталей, выпускаемых в первой половине века.

Основы раскисления рассмотрим на примере малоуглеродистых сталей типа СтЗсп. Раскисление малоуглеродистых сталей обычно производят марганцем, кремнием и алюминием:

FeO + Мn = Fe + МnО;

2FeO + Si = 2Fe + SiO₂;

3FeO + 2Al = 3Fe +Al₂O₃.

Кремний и марганец вводят в виде соответствующих ферросплавов, алюминий в большинстве случаев — в чистом виде. Именно в зависимости от степени раскисления различают кипящие (СтЗкп), полуспокойные (СтЗпс) и спокойные (СтЗсп) стали. Чаще всего кипящую сталь раскисляют только ферромарганцем; полуспокойную сталь раскисляют ферромарганцем и небольшими количествами ферросилиция; спокойную сталь раскисляют комплексно ферромарганцем, ферросилицием, силикомарганцем и алюминием (до 0,02% AI ост. в стали).

После раскисления в кипящей стали содержится менее 0,05 % Si, в полуспокойной — 0,05...0,15 % Si, в спокойной 0,15...0,35 % Si.

Выбор технологии и применяемых при этом раскислителей должен быть сделан с учетом ряда условий:

• должна быть достигнута максимальная степень раскисления стали и возможно более полное удаление из металла продуктов раскисления;
• состав, форму, размеры и расположение остающихся в стали неметаллических включений желательно получить такими, чтобы свести к минимуму отрицательное их влияние на свойства стали;
• должно быть обеспечено получение мелкозернистой структуры;
• удельный расход ферросплавов должен быть как можно более низким;
• возможность применения относительно недорогих и недефицитных ферросплавов;
• методика раскисления и применяемые при этом ферросплавы должны допускать наличие в металле к моменту раскисления стали данной марки возможно более высокое содержание углерода.

Важным условием является также и то, чтобы принятая методика раскисления обеспечивала воспроизводимость химического состава отдельных плавок данной марки.

Связывание кислорода осуществляется в ходе химических реакций между оксидами и элементами-раскислителями, характеризующимися высоким сродством к кислороду. В большинстве случаев эти элементы используют также для легирования и модифицирования, так как они влияют на свойства стали, образуя твердые растворы и формируя благоприятную структуру не только матрицы, но и остающихся неметаллических включений, снижая их вредное воздействие на свойства стали.

Из всех раскислителей только углерод образует газообразный оксид (СО), который быстро и полностью удаляется из жидкой стали. Другие элементы образуют жидкие или твердые продукты раскисления, которые необходимо наиболее полно удалить из расплава.

Раскисление низколегированной стали осуществляют по различным приведенным ниже схемам, выбор которых зависит от марки стали и конкретных условий завода:

1. Предварительное раскисление металла в печи ферромарганцем и кремнийсодержащими ферросплавами — силикомарганцем или доменным ферросилицием.
2. Раскисление в печи ферромарганцем или силикомарганцем и при необходимости введением некоторого количества ферромарганца в ковш.
3. Выпуск металла из печи без предварительного раскисления.
4. Следует указать еще одну схему раскисления, так называемую «бескремнистую», при которой металл в печи раскисляют алюминием в виде ферроалюминия.

Независимо от метода раскисления металла в печи содержание кислорода в низкоуглеродистой стали в сталеразливочном ковше получается одинаковым (0,005-0,007%).

Ввод основного количества раскислителей в ковш необходимо механизировать, в частности целесообразно применять бункеры со встряхивающим механизмом, позволяющим регулировать скорость подачи в ковш ферросплавов и вводить их своевременно и равномерно по мере наполнения ковша металлом.

Ферросплавы, которые вводят в ковш, должны быть дроблеными с размером отдельных кусков (ферромарганца, ферросилиция) не более 50 мм в поперечнике. Это обеспечивает более быстрое расплавление ферросплавов и равномерное распределение легирующих в жидком металле.

Серьезное внимание должно быть обращено на то, чтобы все ферросплавы были абсолютно сухими, а ферросилиций необходимо прокаливать. Для этой цели на ряде заводов оборудованы на рабочей площадке между печами расходные бункеры, отапливаемые газом, в которых подогревают ферросплавы. При предварительном раскислении металла кремнийсодержащими феррросплавами в печь задают силикомарганец или, что реже, доменный ферросилиций (или 45 %-ный ферросилиций в крупных кусках, если расчетное по марганцу количество силикомарганца невелико) в количестве, обеспечивающем ввод в ванну (без учета угара) 0,15-0,20% Si.

При вводе сначала силикомарганца практически весь углерод ферромарганца усваивается металлом. Таким образом, при выплавке стали с низким содержанием углерода при схеме раскисления, предусматривающей предварительное раскисление металла в печи кремнием, предпочтительней в печь сначала вводить ферромарганец, а затем силикомарганец. При предварительном раскислении металла одним ферромарганцем выдержка его в печи должна быть минимальной, во всяком случае не более 10 мин. За время выдержки и выпуска плавки практически весь углерод ферромарганца выгорит, что необходимо учитывать при определении начала предварительного раскисления (по содержанию углерода в металлической ванне).

При выплавке марок стали с относительно низким содержанием углерода и высоким содержанием марганца, например 09 Г2, 09Г2С и т.д., практикуют раскисление, при котором в печь вводят ферромарганец из расчета в во; а в ванну 0,4—0,5% Мn; после минимально возможной выдержки планку выпускают и в ковш задают необходимое по расчету количество силикомарганца. Добавка в печь некоторого количества ферромарганца позволяет уменьшить общее количество ферросплавов, задаваемое в ковш, которое для этих марок весьма велико. Раскисление и легирование таких сталей может также производиться одним силикомарганцем, часть которого вводят в печь и часть в ковш.

До последнего времени легирование стали хромом осуществляли вводом феррохрома в предварительно раскисленный кремнием металл. Марка феррохрома определялась заданным содержанием углерода в готовой стали. Продолжительность выдержки металлической ванны с феррохромом зависит от количества вводимого феррохрома и его марки. Для растворен <1я карбидов хрома с увеличением содержания углерода в феррохроме время выдержки металла в печи должно быть увеличено. Перед вводом в печь феррохром следует хорошо прокалить. Размер кусков феррохрома не должен превышать 25 кг.

В последнее время все большее признание получает метод легирования металла хромом с вводом феррохрома в кипящую ванну за 10-20 мин до раскислена или выпуска, если плавка выпускается без предварительного ее раскисления в печи.

Ввод феррохрома в кипящую ванну по сравнению с его вводом в успокоенную при предварительном раскислении имеет ряд преимуществ:

• сокращается продолжительность плавки на время, необходимое для выдержки успокоенной феррохромом ванны (15-30 мин);
• обеспечивается получение металла с меньшим содержанием водорода вследствие сокращения либо исключения (при выпуске плавки во время кипения) периода выдержки успокоенной ванны, когда идет односторонний процесс насыщения металла водородом;
• возможность использования более дешевого углеродистого феррохрома;
• качество металла при такой схеме не ухудшается, а по некоторым данным, даже улучшается.

При выплавке низколегированных сталей, содержащих хром и кремний (например, марки 14ХГС, 15ХСНД, ЮХСНД и т.д.), весьма рационально применение силикохрома, содержащего 30-50 % Сr и 30-50 % Si. В настоящее время ряд заводов широко используют силикохром при выплавке хромсодержащей низколегированной стали. Марку силикохрома следует выбирать в зависимости от соотношения хрома и кремния в составе выплавляемой стали.

Особенно перспективно применение экзотермических ферросплавов при выплавке кислородно-конвертерной низколегированной стали, раскисление и легирование которой осуществляют, главным образом, в ковше. Экзотермический ферросплав в данном случае представлял собой измельченные ферромарганец и феррохром с добавкой порошка натриевой селитры, алюминия, фтористого кальция и каменноугольного пека для связки. Сплав вводили в ковш до начала выпуска металла. Получающиеся продукты раскисления быстро взаимодействуют с легкоплавкой фазой экзотермических ферросплавов и всплывают в шлак. Этому способствует и энергичный барботаж жидкого металла в ковше при протекании экзотермической реакции. Качество металла при таком способе раскисления и легирования получилось не ниже, чем при раскислении с применением обычных ферросплавов.