Раскисление стали углеродом в вакууме

Содержание
Введение……………………………………………………………………. – 3 стр.
Кислород в сталях…………………………………………………………. – 4 стр.
Влияние оксилов в сталях на свойства
Кислород в сталях
Раскисление сталей
Способы раскисления
Технология раскисления стали углеродом в вакууме………………… – 12 стр.
Теоретические основы процесса
Технология процесса
Технологическое оборудование
Заключение………………………………………………………………. – 23 стр.
Список использованной литературы…………………………………… – 24 стр.


1.Введение

Новые задачи и возрастающие требования к качеству материалов ограничивают пределы колебания химических составов марок сталей и ограничивают содержание неметаллических включений и окислов. При повышении качества сталей процессы раскисления и вакуумной обработки, их сочетания играют большую роль. [1]
Мировая история средств вакуумирования берет свое начало в 1642 г. с опытов Отто фон Герике с Магдебургскими полушариями, где для откачки воздуха он использовал обычный пожарный насос, герметизированный с помощью помещения в водяную ванну.
С того времени пути получения вакуума прошли длительный путь развития вплоть до создания современного промышленного оборудования, основанного на различных принципах действия, и позволяющее создать давления в широком диапазоне создаваемых давлений от атмосферного до 10-13 мм рт. ст. и ниже.
Применение в металлургии вакуумной обработки (дегазация, раскисление, обезуглероживание и т.п) значительно расширяет возможности металлургического оборудования по номенклатуре выплавляемого металла, например, кислородных конверторов, мартеновских печей, а также позволяет максимально точно подобрать лигатуру для выплавки стали с требуемыми химическими составами под конкретные задачи машиностроения. Сам процесс выплавки металла в таком оборудовании сводится только к расплавлению шихтовых материалов, удалению примесей, раскислению и нагреву стали до необходимой температуры.
Одним из наиболее эффективных и применяемых технологических путей повышения качества стали является раскисление стали углеродом в вакууме. По причине значительного снижения содержания кислорода и получения дисперсной дендритной структуры получаемых отливок.
В данной работе будет рассмотрен технологический процесс раскисления стали углеродом.


Кислород в сталях

Влияние окислов на свойства сталей

Оксидные включения в стали образуются в основном при взаимодействии растворенного в металле кислорода с введенными раскислителями. Реже встречаются оксидные включения, источником которых являются огнеупорные материалы печи и ковша. Одновременно с оксидами всегда обнаруживаются сульфиды, которые в значительной степени выделяются на первичных оксидных включениях. Это приводит к образованию смешанных включении из окислов и сульфидов. [1]
Особо вредное влияние на свойства стали оказывают крупные включения или скопления включении. При обработке резанием. особенно на высокоскоростных агрегатах, крупные включения являются причиной преждевременного износа режущего инструмента или его поломки. На свежеобработанной поверхности изделия отчетливо видны грубые шлаковые включении или скоплении включений. В некоторых случаях они являются причиной возникновения так называемых песочин или шлаковин. Подобные дефекты ведут к забракованию ответственных изделий. Грубые оксидные включения вызывают появление в стальном листе, идущем для глубокой вытяжки, поверхностных дефектов (засоров или пузырей), которые, в зависимости от их размера, являются причиной брака или исключения листа из предусмотренного применения. Грубые оксидные включения понижают деформируемость стали в холодном состоянии. [2]
Неметаллические включения заметно понижают пластичность стали (относительное удлинение и сужение), особенно сильно влияет на ударную вязкость. На рисунке 1 показано влияние загрязненности стали на свойства.


Рисунок 1 – Влияние загрязнённости стали на механические свойства

Оксидные включения уменьшают также предел выносливости стали. Это особенно видно тогда, когда другие факторы, являющиеся концентраторами напряжения, такие как шероховатость поверхности, резкие изменения профиля изделия, устранены. Высоконагруженные изделия, как валы и ротора, особенно их поверхность, обязательно должны быть проконтролированы на неметаллические включения. [3]


Содержание кислорода в сталях

В соответствии с диаграммой железо-кислород в расплавленном железе, находящимся под шлаком из чистой закиси железа, при 16000С растворяется около 0,21% кислорода и при 17000С - около 0,32%. Активность закиси железа в промышленных сталеплавильных шлаках существенно ниже, чем чистой закиси железа. Соответственно этому и возможное содержание кислорода в металле меньше. Для шлаков системы СaO-FeО-SіО2, соответствующих мартеновскому и кислородно-конвертерному процессам, возможная концентрация кислорода в металле равна 0.06- 0,08%. Этим же пределам соответствует концентрация кислорода в металле равна 0,06-0,08%. Этим же пределам соответствует концентрация кислорода в металле при выплавке стали в томасовском или кислородном конвертере металла порошкообразной известью, фосфористые шлаки системы СаО-FеО-Р2O5. [2]

Рисунок 2 - Зависимость концентрации кислорода в металле от концентрации углерода при выплавке стали различными способами (прямая линия соотвествует равновесным значениям по Вачеру и Гамильтону при атмосферном давлении СО)

На рисунке 2 представлена зависимость фактической концентрации кислорода в металле от концентрации углерода при выплавке стали различными способами. При содержании углерода менее 0.04% фактическая концентрация кислорода в металле лежит ниже равновесных значений с углеродом, определенных по уравнению Вачера и Гамильтона:

([% С] x [% О] = 0,0025) [3].

Это указывает на то, что равновесная со шлаком концентрация кислорода в металле в этом случае не достигает значений, соответствующих значению равновесия с углеродом. При концентрациях углерода выше 0,04% равновесная с углеродом концентрация кислорода в металле напротив ниже, чем равновесная с окислительным шлаком, а фактическая концентрация кислорода в металле смещена в сторону равновесной с углеродом. Однако равновесное состояние, согласно Вачеру н Гамильтону, не достигается. После выпуска плавки также сохраняется сверхравновесное значение произведения концентраций углерода и кислорода, равное около 0,0033. [4]
Из вышесказанного следует, что кислород в отличие от водорода и азота не может быть извлечен из стали в свободном состоянии. Однако сталь всегда содержит некоторое количество углерода, взаимодействующего с растворенным в металле кислородом с выделением газообразных продуктов реакции и развитие этой реакции, зависит от давления. Реакция между углеродом и кислородом, в определенных пределах регулирующая окисленность металла по ходу плавки в любом сталеплавильном агрегате, в вакууме может обеспечить достаточное раскисление или обезуглероживание стали.


в. Раскисление сталей

Раскисление металла – одна из основных операций рафинирования металла, при которой происходит удаление из жидкого металла кислорода, присутствующего в виде оксидов, при помощи добавлении в металл специальных раскислителей (восстановителей) – веществ, обладающих способностью соединяться с кислородом

. От раскисления металлов в большой степени зависит их качество. Хорошими раскислителями являются C, Si, Mn, используемые в виде ферросплавов, в том числе комплексных раскислителей (силикомарганец, силикокальций и другие). Продукты раскисления всплывают в шлак либо удаляются в виде газа (оксид углерода). [4]
После операции раскисления сталь называют раскисленной. Такая сталь при застывании в изложницах ведет себя «спокойно», из нее почти не выделяются газы, поэтому такую сталь часто называют «спокойной». Если же операцию раскисления не проводить, то в стали при ее постепенном охлаждении в изложнице будет протекать реакция между растворенным в металле кислородом и углеродом:

[О] + [С] = СОгаз.

Образующиеся при этом пузырьки окиси углерода будут выделяться из кристаллизующегося слитка, металл будет бурлить. Такую сталь называют «кипящей».
В некоторых случаях раскисление стали проводят таким образом, чтобы удалить из нее не весь кислород. Оставшийся растворенный кислород вызывает кратковременное «кипение» металла в начале его кристаллизации. Такую сталь называют «полуспокойной».
Восстановительный процесс, проходящий при раскислении, – физико-химический процесс получения металлов из оксидов отщеплением и связыванием кислорода восстановителем – веществом, способным соединяться с кислородом. Типичным восстановительным процессом является доменный процесс, в котором железо восстанавливается из руд главным образом углеродом или его оксидом. [5]
Раскисление стали - это снижение содержания кислорода в стали до уровня, исключающего возможность окислительных реакций в слитке. Образующиеся при этом твёрдые, жидкие или газообразные продукты раскисления стали необходимо удалить до затвердевания слитка, так как они снижают качество стали. Содержание кислорода после раскисления стали снижается на порядок.
Стадии процесса раскисления:
Растворение раскислителей в жидком металле.
Реакции между кислородом и раскислителем.
Образование зародышей, рост и выделение продуктов раскисления.
Способы раскисления стали:
Осаждающее раскисление;
Диффузионное раскисление;
Специальные способы раскисления (обработка синтетическими шлаками; раскисление в вакууме).


г. Способы раскисления

Осаждающее раскисление
Осаждающее раскисление проводится при помощи добавления в расплав элементов, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо. В зависимости от ситуации в качестве раскислителей применяют марганец, кремний, алюминий или комплексные раскислители.

Диффузионное раскисление
Выражение "диффузионное" не вполне соответствует физическому смыслу этого способа раскисления. Более точный термин - "экстракционное раскисление". При диффузионном раскислении содержание кислорода снижается за счёт раскисления шлака. Раскислителями могут быть C, Si, Al. Основная задача - снижение FeO в шлаке, что усиливает диффузию кислорода из металла в шлак (правило распределения Нернста). Диффузионное раскисления применяется только в дуговых печах, где нет горящих газов.

Обработка синтетическими шлаками (способ раскисления)
Широко применяется в практике обработка расплава железа синтетическими шлаками. В дуговой печи наводят шлак из Al2O3 и CaO; шлак заливают в ковш, туда же с высоты 3-6 м выливают струю металла из печи. Этот способ позволяет снизить содержание кислорода и серы.

Электрошлаковый переплав (способ раскисления)
Основная цель электрошлакового переплава (ЭШП) - очистка стали от серы и неметаллических включений в процессе расплавления исходного материала в разогретой шлаковой ванне. Кроме того, за счёт затвердевания в водоохлаждаемом кристаллизаторе можно управлять структурой слитка. [6]


Вакуумное раскисление
Вакуумное раскисление основывается главным образом на реакции обезуглероживания, так как в вакууме раскислительная способность углерода значительно возрастает.
Повышение качества при вакуумировании происходит за счет протекания следующих процессов:
Дегазация металла путем снижения концентрации водорода и азота в стали.
Вакуумное раскисление стали за счет возрастания раскисляющей способности углерода. Кроме того, смещение равновесия реакции окисления углерода может быть использовано для глубокого обезуглероживания стали.
Снижение содержания в металле неметаллических включений, как в результате перемешивания, так и частичного восстановления неметаллических включений углеродом.
Частичное рафинирование от нежелательных примесей цветных металлов в результате испарения легколетучих примесей (цинк, свинец, сурьма, олово). [7]


Технология раскисления стали углеродом в вакууме

а. Теоретические основы процесса

Вакуумирование нераскисленной стали позволяет наиболее полно реализовать общеизвестные преимущества углерода как раскислителя. Благодаря вакууму равновесие реакции взаимодействия растворенных в стали углерода и кислорода сдвигается в сторону образования газообразных продуктов, что позволяет дополнительно раскислить сталь углеродом и уменьшить количество оксидных включений, образующихся в ходе окончательного глубинного раскисления металла. Однако, в промышленных вакуумных установках равновесие между углеродом и кислородом, растворенными в стали, не достигается. Основные причины этого явления заключаются в следующем:

при исключительно малых концентрациях взаимодействующих веществ, скорость химической реакции уменьшается настолько, что не позволяет за время обработки даже приблизиться к состоянию термодинамического равновесия;
практика промышленного вакуумирования показывает, что даже небольшое количество FeO в рафинировочном шлаке (до 1%) в значительной степени способствует тому, что равновесие реакции не достигается. [8]

Так, при давлении в 100–200 Па расчетное произведение равновесных концентраций углерода и кислорода составляет около 2,5 – 5,9х10-6, однако, ход реакции обезуглероживания (раскисления углеродом) прекращается вблизи равновесной кривой, соответствующей Р = 1-10 кПа, т. е. реальная остаточная концентрация углерода и кислорода в стали после вакуумирования на несколько порядков выше равновесной, рассчитанной в тонком приповерхностном слое металла в ковше. Поэтому возникает задача обеспечения за счет раскисления углеродом под вакуумом максимально возможного снижения концентрации кислорода в стали, величина которого позволяет избежать образования в металле жидких или твердых продуктов раскисления после ввода добавок.
Кроме того, многочисленными исследованиями установлена прямая связь содержания (% FeO) перед вакуумированием, а также концентрации кислорода до и после вакуумирования с величиной среднего балла оксидов и конечной концентрацией кислорода в стали. [9]
В связи с этим для обеспечения высокой степени реализации раскислительной способности углерода в условиях вакуума необходимо:

применять основную футеровку сталеразливочных ковшей, в состав которой входят трудновосстановимые оксиды;
поддерживать высокую основность шлака и минимальное содержание оксидов железа в нем;
перемешивать расплав в ковше инертным газом для облегчения условий зарождения продуктов реакции окисления углерода.

Как показывает практика, при содержании углерода в стали около 0,50 % за счет вакуумно-углеродного раскисления концентрацию кислорода в металле удается понижать до 0,002 - 0,003 %, что ниже равновесной с содержанием кремния, но выше равновесной с растворенным в металле алюминием