Способы раскисления металла

В восстановительный период электроплавки раскисление металла осуществ­ляют диффузионным способом, при котором реакция раскисления, т. е. связывание кислорода в прочные ок­сиды, протекает не в металле, а в шлаке, и металл, следовательно, не загрязняется продуктами раскисле­ния. Это основное преимущество диффузионного рас­кисления перед глубинным. Другим преимуществом диффузионного раскисления является более слабое раз­витие реакции окисления металла шлаком во время и после выпуска металла из печи. Этим, в частности, объясняется незначительный угар легирующих элементов и раскислителей в электропечах,

К недостаткам диффузионного раскисления относят­ся:

  • уменьшение производительности печи;
  • сниже­ние стойкости откосов и подины, особенно при раскисле­нии шлака кремнием, так как образующийся кремнезем взаимодействует с основной футеровкой;
  • восстанов­ление фосфора из шлака в металл, что вызывает необ­ходимость тщательного удаления окислительного шла­ка;
  • повышенный расход раскислителей и необходи­мость их измельчения;
  • сложность осуществления герметизации печей (особенно большой емкости) для исключения подсоса воздуха.

Несмотря на отмеченные недостатки дуффузионного раскисления, его преимущества, связанные с возмож­ностью получать хорошо раскисленный металл с низким содержание серы и неметаллических включений столь очевидны при производстве качественной и высококачественной стали, что этот способ находит широкое рас­пространение при выплавке стали в электропечах.

Однако для уменьшения отрицательного влияния диффузионного раскисления металла в последнее время получила распространение технология, сочетающая преимущества диффузионного и глубинного раскисле­ния. В этом случае перед началом диффузионного раскисления в металл присаживают кусковые раскислители: ферромарганец, ферросилиций, алюминий и т.д.

Иногда глубинное раскисление применяют и для окон­чательного раскисления металла.

Для диффузионного раскисления металла широко используют углерод, который дают на шлак чаще всего в виде коксика или электродного боя. При достаточно большом расходе коксика или электродного боя и высо­ком содержании CaO в шлаке в зоне дуг под электрода­ми образуется карбид кальция по реакции

(CaO) + 3CТ = (CaC2) + {CO}.

Карбид кальция, обладая большим сродством к кис­лороду, взаимодействует с оксидами железа шлака:

(CaC2) + 3(FeO) = 3[Fe] + 2{СО} + (CaO).

Под карбидным шлаком (>2% CaCr) содержание FeO в шлаке может быть снижено до 0,5%, чему соот­ветствует равновесное содержание кислорода в металле 0,0012% в металле при 1600° С. Подобное содержание кислорода в металле не может быть достигнуто даже при 0,3% Ti. Особенностью углерода как раскислителя является малое влияние температуры на его сродство к кислороду. Относительная дешевизна коксика и элект­родного боя и хороший эффект раскисления ими объяс­няет широкое применение их для диффузионного рас­кисления шлака.

В зависимости от содержания карбида кальция и шлаке, а следовательно, и степени его раскисления шлак восстановительного периода разделяют на белый (до 2% CaC2) и карбидный (>2% CaC2). Под белым шлаком выплавляют конструкционные стали с содер­жанием углерода ниже 0,35%, под карбидным шла­ком — средне- и высокоуглеродистые стали.

Иногда рафинирование металла в окислительный период проводят под известково-глиноземистым, извест­ково-шамотным или магнезиально-глиноземистым шлаками.

Диффузионное раскисление под белым шлаком

Пос­ле скачивания окислительного шлака в ванне наводят шлак из извести и плавикового шпата в соотношении 3:2 и в количестве 2—4% от массы металла. Жидко-подвижный шлак образуется через 10—15 мин и на него задают восстановительную смесь из извести, плавиково­го шпата и молотого просеянного кокса или древесного угля с размером частиц не более 0,5—1,0 мм в соотно­шении 8:2: 1.

В результате раскисления шлака углеродом кокса содержание FeO в нем примерно через 40 мин снижает­ся до 1,5%, и проба шлака после остывания принимает серый цист вместо черного в начале восстановительно­го периода, когда в шлаке содержится относительно много оксидов железа.

Вследствие возможности науглероживания металла дальнейшее его раскисление проводят кремнием. В шла­ковую смесь вводят мелкоизмельченный ферросилиций марок ФС45 и ФС75. Состав шлаковой смеси следующий: четыре части извести, одна часть плавикового шпата, одна часть кокса и одна часть ферросилиция. Раскисление шлака кремнием длится ~20 мин. Около 50% Si, вводимого из шлака ферросилицием, усваива­ется металлом.

Раскисление шлака кремнием иногда производят с начала восстаковительного периода, что устраняет науглероживание металла. Однако содержание кремния в металле возрастает, он реагирует с растворенным в металле кислородом и образующиеся продукты рас­кисления частично остаются в металле. Поэтому загряз­ненность металла неметаллическими включениями при такой технологии может возрасти.

Белый шлак имеет обычно следующий состав 55— 65% CaO, 10—20% SiO2, до 1% FeO, 0,4% MnО, 12— 16% MgO, 2-3% Al2O3, 5-10% CaF2, 1% CaS, до 2% CaC2. Проба белого шлака при остывании рассыпается, что связано с присутствием в нем силиката кальция 2 CaO • SiO2, который при 675° С меняет свою модифика­цию, увеличиваясь при этом в объеме.

Для получения относительно раскисленного металла необходимо выдерживать металл под белым шлаком ~ 1 ч, периодически присаживая некоторое количество раскислительной смеси с коксом или ферросилицием. Хороший белый шлак пенится в печи, густой шлак за­трудняет нагрев металла и протекание диффузионных процессов. Поэтому необходимо непрерывно поддержи­вать нормальную консистенцию шлака, своевременно увеличивая в смеси количество плавикового шпата.

Иногда увеличение вязкости шлака вызывается по­вышением содержания MgO в шлаке в результате раз­рушения откосов и подины. В этом случае шлак необ­ходимо скачать и навести новый. Жидкий шлак исправ­ляют присадкой извести.

Диффузионное раскисление под карбидным шлаком

При проведении восстановительного периода под кар­бидным шлаком металл вначале покрывают шлаковой смесью того же состава, что и при раскислении под белым шлаком. После образования равномерного слоя жидкоподвижного шлака в печь дают смесь из извести, плавикового шпата и молотого кокса в соотношении 3:1:1. Общее количество шлака в восстановительный период составляет 4% в электропечах большой емкости и 7—8% в печах малой емкости (от массы металла).

Карбид кальция образуется в зоне дуг с большим поглощением тепла, поэтому печь хорошо уплотняют и к ней подводят повышенную мощность. Печь не откры­вают в течение 20—30 мин. Внешним признаком образо­вания карбидного шлака является выбивание из-под за­слонок черного дыма.

Карбид кальция из зоны дуг разносится по всему объему шлака. Он является сильным раскислителем, взаимодействуя с FeO по реакции (CaC2) + 3(FeO) = 3[Fe] + 2{СО} + (CaO). Карбид каль­ция частично восстанавливает кремний из оксида крем­ния шлака. Поэтому в процессе раскисления металла карбидным шлаком на 0,05—0,1% возрастает содержа­ние кремния в металле. Карбидный шлак плотно при­липает к ложке, а при замачивании ошлакованного инструмента в воде чувствуется специфический запах ацетилена.

Раскисление под карбидным шлаком продолжается не менее 1 ч. Для поддержания в шлаке необходимого содержания карбида кальция в печь периодически зада­ют молотый кокс с известью и плавиковым шпатом, ес­ли необходимо уменьшить вязкость шлака.

Существенным недостатком ведения плавки под кар­бидным шлаком является заметное науглероживание металла в печи и во время выпуска, а также прилипание карбидного шлака к металлу, что приводит иногда к по­явлению в готовом металле относительно крупных шла­ковых включений. Для устранения этого явления кар­бидный шлак примерно за 30 мин до выпуска переводят в белый. Для этого в печь присаживают известь с пла­виковым шпатом, при этом увеличивается общее коли­чество шлака и снижается содержание в нем карбида кальция. Иногда дополнительно открывают рабочее ок­но, способствуя таким образом, окислению карбида кальция. Если и после этого шлак остается карбидным, то часть шлака (∼1/3) удаляют из печи и забрасывают в печь шлаковую смесь из извести, плавикового шпата и шамотного боя.

Карбидный шлак имеет следующий химический со­став: 55-65% CaO, 10-15% SiO2, до 0,5% FeO, до 0,3% MnO, 6—10% MgO, 2-3% Al2O3, 1—2% CaS, 2— 4% CaC2, 8—12% CaF2.

Основное отличие карбидного шлака от белого по составу заключается в несколько более низком в первом шлаке содержании оксидов железа и марганца, а также повышенном содержании карбида кальция.

Раскисление под известково-глиноземистым шлаком

При выплавке нержавеющих и им подобных сталей диффузионное раскисление металла в восстановитель­ный период проводят под известково-глиноземистым или шамотным шлаком. В этом случае устраняется воз­можность науглероживания металла. Например, на Зла­тоустовском металлургическом заводе после скачивания окислительного шлака наводится новый шлак из извес­ти и отработанного флюса электрошлакового производ­ства (~60% CaF2 и ~40% Al2O3) в соотношении 2:1 в количестве ~2% от массы металла. Для раскисления известково-глиноземистого шлака применяют порошко­образный ферросилиций, алюминий и силикокальций.

Глубинное и диффузионное раскисление металла

После скачивания окислительного шлака на открытое зеркало металла присаживают кусковые раскислители: ферромарганец, ферросилиций, силикомарганец, алюми­ний и т.д. Расход раскислителей должен обеспечить содержание марганца в металле на нижнем пределе в заданной марке стали, введение 0,15—0,2% кремния и 0,05—0,1% алюминия. Затем загружают шлаковую смесь и после ее расплавления шлак обрабатывают раскислительными смесями с постепенно уменьшающимся количеством порошка кокса. При такой обработке об­разуется слабокарбидный или белый шлак, содержа­щий <0,6% FeO и 50—60% СаО.