Какие методы внепечного раскисления стали шлаком Вам известны? Для чего используется каждый из методов? Поясните ответ. Сравните физико-химические особенности этих методов.

094-096. В современном производстве стали применяют три способа раски­сления: осаждающее (глубинное), экстракционное (диффузионное) и в вакууме (вследствие увеличения раскислительной способности углерода). Осаждающее раскисление заключается в том, что растворенный в металле кислород прочно связывают в виде нерастворимых в ме­талле химических соединений. Эти соединения, обладая меньшей, чем расплавленный металл, плотностью, всплывают в нем или выносятся вверх конвективными потоками металла. Происходит отделение новой дисперсной фазы. В качестве рас­кислителей наиболее часто применяют марганец, кремний, алюминий и их сплавы, а также щелочноземельные (Са, Ва) и редкоземель­ные (Се, La, Nd, Pr) металлы и их сплавы с кремнием и алюминием (ЩЗМ и РЗМ). Эти элементы являются хорошими раскислителями и десульфураторами. Особо значительна роль ЩЗМ и РЗМ как модификаторов, изменяющих природу и свойства неметаллических включений (оксидных и сульфидных). Экстракционное раскисление основано на том, что при контакте двух несмешивающихся фаз, в которых растворимо то или иное ве­щество, химический потенциал последнего стремится выравняться

в обеих фазах. При этом активности (концентрации) растворяющегося вещества в обеих фазах стремятся распределиться в соответствии с законом распределения Нернста. В случае контакта металла и шлака к числу таких, растворимых в обеих фазах, веществ относится ки­слород. Однако переход из одной фазы в другую осложнен изменением формы существования кислорода (при переходе в шлак кислород приобретает ионную форму или входит в состав сложных комплексов).

Экстракционное раскисление основным шлаком характеризуется уравнением [О] + 2е↔(О^2-).

Для компенсации создающегося на границе фаз положительного заряда обязательно должны протекать процессы: Fe_ж → (Fe²⁺) + 2е или [Мn] → (Мn²⁺) + 2е.

Таким образом, процесс экстракционного раскисления может быть охарактеризован уравнениями: Fe_ж + [О] = Fe²⁺ + О^2-; [Мn] + [О] = Мn²⁺ + О^2-. Раскислительная способность шлака может быть очень высокой даже при высоких концентрациях сво­бодных ионов кислорода (высокоосновных шлаков). Важно, чтобы в раскисляющем шлаке не было ионов Fe²⁺ и Мn²⁺, способных к пе­реходу в металл по схеме: Me²⁺+ О^2- = [Me] + [О], или их было бы как можно меньше.

Основным преимуществом экстракционного раскисления явля­ется то, что раскисление не сопровождается образованием эндоген­ных неметаллических включений и загрязнением ими металла. Од­нако его существенный недостаток состоит в том, что этот процесс, при проведении его в сталеплавильных агрегатах (электродуговых, небольших мартеновских печах), требует длительного времени. Процесс раскисления состоит по меньшей мере из трех стадий: 1) конвективного переноса атомов кислорода в объеме металла к поверхности его контакта со шлаком; 2) перехода атомов (или ионов) кислорода и железа через границу раздела фаз металл—шлак и превращения их в ионы кислорода и железа; 3) конвективного переноса ионов железа и кислорода в объем шлака от поверхности контакта металл—шлак.

Это приводит к тому, что в крупных сталеплавильных агрегатах экстрак­ционное раскисление в настоящее время почти не применяют. Од­нако экстракционное раскисление нашло широкое применение при обработке в ковшах синтетическими шлаками, когда раздробление металла и шлака на мельчайшие капли приводит к сокращению пути диффузии в металле и шлаке, обеспечивает многократное увеличение межфазной поверхности металл—шлак и вследствие внешних фак­торов — энергии падения металла — значительно ускоряет массо-перенос в обеих контактирующих фазах. Соответствующий подбор химического состава и физических свойств шлака обеспечивает вы­сокую эффективность обработки им металла.

Раскисление в вакууме основано на том, что раскислительная способ­ность углерода при низких давлениях значительно увеличивается. В этих условиях углерод становится сильным раскислителем в со­ответствии с уравнением [С] + [О] = {СО}, К = р_CO[С] [О] = const. Следовательно, при постоянных температуре и концентрации углерода равновесная концентрация кислорода в металле уменьша­ется пропорционально уменьшению давления СО (глубине вакуума): [О] = p_CO([С]K).

Таким образом, раскисление в вакууме наиболее эффективно при обработке предварительно нераскисленной стали, т. е. когда большее количество кислорода находится в металле в растворенном состоянии, а не в виде неметаллических вклю­чений..

Свзыванием растворенного кислорода в оксиды решается только первая часть общей задачи раскисления стали, так как в результате реакций в объеме металла появляются частицы продуктов раскисления — неметал­лические включения. Для успешного завершения раскислительного процесса необходимо создать условия, при которых возможно хорошее удаление включений из ста­ли. Остающиеся в готовом металле включения должны иметь формы, наиболее благоприятные для механичес­ких свойств готовой стали.

Такими считаются, например, округлые (глобуляр­ные) одиночные включения небольшого размера. Вклю­чения кристаллические, остроугольные служат концен­траторами напряжений; значительно ухудшают механи­ческие свойства цепочки (строчки) таких включений. Последние, располагаясь вдоль направлений прокатки, резко повышают анизотропию механических характери­стик стали. Аналогично ведут себя и очень легкоплав­кие включения, образующие пленки по границам дефор­мируемых зерен. Количество, форма и размеры вклю­чений в значительной мере зависят от применяемых рас-кислителей и технологии раскисления.