книги из ГПНТБ / Хан Б.Х. Раскисление, дегазация и легирование стали

АННОТАЦИЯ

В книге дан анализ современных методов и практических приемов раскисления, дегазации и легирования спокойных и кипящих сталей,, изло­ жены термодинамические оснрвы раскисления, де­ газации и легирования стали.' Подробно ; описаны

отдельных раскислителей и образующихся про­ дуктов раскисления.Шоказаны,методы, используе­ мые для определения в стали газов и неметалли­ ческих включений.

Книга рассчитана на инженерно-технических ра­ ботников металлургических и машиностроитель­ ных заводов, сотрудников научно-исследователь­ ских институтов и может быть полезна студен­ там вузов соответствующих специальностей.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие современной техники предъявляет все возрастаю­ щие требования к качеству стали; сортамент выплавляемых ста­ лей непрерывно увеличивается. Особенно быстро развивается

выплавка качественных сталей и, в частности, легированных. В

связи с этим технологический процесс плавки во всех сталепла­ вильных агрегатах постоянно совершенствуется.

Заключительными этапами сталеплавильного процесса яв­

ляются раскисление и легирование. На качественные характери­ стики металла значительно влияют находящиеся в нем водород и азот, содержание которых зависит от технологии выплавки стали.

Процессу раскисления и поведению газов в стали посвящено

множество экспериментальных работ; специальных трудов, по­ священных легированию стали, нет. Поскольку раскисление, ле­ гирование и дегазация стали неразрывно связаны между собой в технологическом процессе и оказывают заметное влияние на качество готового металла, имеет смысл объединить эти вопро­ сы в одном труде. Попыткой такого объединения является пред­ лагаемая книга, написанная по новейшим материалам отечест­ венного и зарубежного опыта.

Книга состоит из трех разделов, каждый из которых посвя­ щен одному из перечисленных выше вопросов. В каждом разде­ ле содержатся не только сведения о технологических приемах ведения сталеплавильного процесса, но и теоретические основы излагаемых вопросов, методика контроля качества металла, влияние отдельных элементов на свойства стали.

Основное внимание уделено теоретическому обоснованию и

описанию практики выплавки стали без предварительного рас­ кисления в печи и с раскислением и легированием в ковше твердыми ферросплавами. Эти прогрессивные методы работы за последние годы получили широкое распространение на пере­ довых заводах.

Автор выражает глубокую благодарность научному редак­ тору акад. АН УССР Н. Н. Доброхотову за ценные указания и

I. РАСКИСЛЕНИЕ СТАЛИ

РАСТВОРИМОСТЬ КИСЛОРОДА В ЖЕЛЕЗЕ

Кислород, элемент с явно выраженными металлоидными свойствами, обладает сильным сродством к железу, хорошо раст­ воряется в жидком железе и образует с железом три химических соединения: закись железа FeO (вюстит), закись-окись железа

Fe3O4 (магнетит) и окись железа РегОз, имеющую две модифи­ кации— немагнитную (гематит) и магнитную (маггемит). Об­ разование того или иного окисла железа зависит от окислитель­

ного потенциала газовой фазы, находящейся в контакте с желе­ зом. Устойчивость окислов железа изменяется с температурой.

На рис. 1 приведена диаграмма состояния системы железо— кислород. В области высоких концентраций кислорода устойчи­ выми окислами железа являются гематит и магнетит. Низший окисел железа (вюстит) вполне устойчив только в области вы­ соких температур; ниже 570° этот окисел переходит в магнетит с отделением железа, но может быть получен в метастабильном состоянии путем быстрого охлаждения с температуры выше

570°.

Соединения железа с кислородом, соответствующего форму­ ле FeO, в действительности в природе не существует. Число ато­ мов железа в вюстите меньше числа атомов кислорода. Поэтому вюстит можно изображать формулой FeЛО. Значение х является переменной величиной и зависит от температуры и давления кислорода в газовой фазе, находящейся в равновесии с этим окислом.

Кислород входит в решетку вюстита, замещая при этом одну

группу FeO. Следовательно, в вюстите, кроме атомов двухва­ лентного железа, присутствуют атомы трехвалентного железа.

При 1600° соотношение — =0,06.

%Fe2+

Левая часть диаграммы состояния железо — кислород в об­ ласти высоких температур имеет непосредственное отношение к процессам сталеварения, а в области низких температур — к влиянию кислорода на свойства железа и стали.

стали, находящейся в равновесии с чистой закисью железа, вы­

ражается уравнением

lg[%O]HaKC = --^- +2,439.

Окисление железа и растворение в жидком железе кислоро­ да происходит путем образования на поверхности железа плен­ ки из окислов (если превышен предел растворимости для дан­ ной температуры) или в результате контакта металла со шла­

ком. Если же предел растворимости кислорода не достигнут, то

его растворение в желе­ зе происходит без обра­ зования окисной пленки.

Расплавленные шла­ ки, как установлено спе­ циальными исследовани­ ями, являются ионными растворами [3]. Способ­ ность реального шлака окислять железо опреде­ ляется не только концен­

трацией анионов кисло­ рода и катионов желе­ за, но и концентрацией

сложных анионов крем­

лезистые шлаки с низкой концентрацией кремнезема, глинозе­ ма и фосфорного ангидрида. Основной железистый шлак имеет большую окислительную способность, чем кислый шлак.

Растворимость кислорода в твердом железе весьма низкая.

На рис. 2 показано влияние температуры на растворимость кис­ лорода в а- и у-железе. Растворимость кислорода в у-железе во много раз меньше, чем в a-железе. При переходе у-железа в a-железо растворимость кислорода скачкообразно увеличивает­ ся; при дальнейшем понижении температуры растворимость кис­

лорода в a-железе уменьшается [4]. Это изменение растворимо­ сти, сопровождающееся выпадением кислорода из раствора, яв­ ляется одной из причин старения железа. Если же кислород удержался в a-железе и раствор оказался по каким-то причинам не разложившимся, то в дальнейшем, вследствие резкого пониже­ ния растворимости кислорода, старение железа неизбежно. Это

обстоятельство необходимо иметь в виду при выборе мягкого железа, например котельного, предназначенного для службы при повышенных температурах.

На основании приведенных данных можно предполагать, что

в твердом малоуглеродистом железе при температуре 1400—

1500° (т. е. в 5-железе, имеющем одинаковое с a-железом стро­ ение) может растворяться большое количество кислорода.

ТЕРМОДИНАМИКА РАСКИСЛЕНИЯ СТАЛИ

В печи жидкая сталь находится в окисленном состоянии и к

концу плавки содержит значительное количество растворенно­ го кислорода (в виде анионов); кроме того, в стали может на­

ходиться суспензия кислородных включений. Снижение темпера­ туры металла во время разливки и при кристаллизации сопро­ вождается уменьшением растворимости кислорода, что приво­ дит к образованию и выделению окиси углерода и к получению

пузыристых отливок, неплотных слитков и к другим нежелатель­ ным явлениям.

Первой задачей раскисления является снижение содержания

растворенного в стали кислорода и связывание его в прочные

соединения, не дающие газообразных выделений при затверде­ вании металла.

При выплавке спокойной стали содержание растворенного

кислорода должно быть как можно меньше, а при выплавке ки­ пящей стали — должно быть снижено до заданной величины, обеспечивающей нормальное кипение стали в изложницах.

Другой задачей раскисления является максимальное сниже­ ние количества содержащейся в жидкой стали суспензии из кис­ лородных (обычно алюмосиликатных) включений. Эту суспен­

зию следует скоагулировать, чтобы мелкие частички объедини­ лись в более крупные, в результате чего скорость всплывания их увеличится. Однако несмотря на все меры, принимаемые для удаления из стали находящегося в ней кислорода, некоторое ко­ личество его остается. Необходимо добиваться того, чтобы остав­

шийся в жидкой стали кислород выделялся при затвердевании в виде наименее вредных включений.

Раскислителями стали обычно являются алюминий, кремний

имарганец. Эти элементы, вводимые совместно или порознь,

уменьшают количество растворенного в жидкой стали кислоро­ да, а при ее затвердевании заставляют оставшийся кислород вы­ деляться в виде сравнительно мало вредных марганцевых алю­ мосиликатов.

Если в качестве раскислителя применен лишь марганец, при

затвердевании стали из нее выделяются оксисульфиды марганца

ижелеза (раствор оксидов и сульфидов); соотношение марган­