Раскисление стали при легировании

Такие раскислители, как марганец, кремний, алюминий, иногда вводят в сталь в количествах, значительно больших, чем требуется для раскисле-

ния. Это делается для получения стали с особыми свойствами, т. е. для вып­лавки высокомарганцовистой, высо­кокремнистой и другой стали. В этих случаях процессы раскисления и леги­рования протекают одновременно. Кроме Mn, Si и А1 некоторые легиру­ющие также обладают большим хими­ческим сродством к кислороду, чем Fe, т. е. являются раскислителями. К таким легирующим элементам отно­сятся Сг, V, Nb, В, Ti, Zr (см. рис. 14.3). Однако даже в тех случаях, когда раскислительная способность этих элементов невелика (Cr, V, Nb), они принимают участие в процессе раскисления и образования соответ­ствующих продуктов раскисления, и это необходимо учитывать. Если тре­буется определить активность кисло­рода в стали, в которую введены раз­личные раскислители и легирующие элементы, то нужно учесть влияние каждого компонента расплава.

ПРЯМОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ

Получение ферросплавов и лигатур является наиболее энерго-, трудо- и материалоемким производством в чер­ной металлургии. При этом операции загрузки шихты, плавления и восста­новления, разливки, грануляции, дробления, упаковки ферросплавов не только требуют больших затрат труда, но и сопровождаются потерями метал­ла¹ и интенсивным пылевыделением. При разработке технологических при­емов получения легированных сталей приходится учитывать, с одной сторо­ны, высокую температуру плавления ряда ферросплавов, а с другой —за­метные колебания их плотности (табл. 14.2). В связи с этим металлурги ведут активный поиск путей создания технологий легирования, которые по­зволяли бы проводить прямое легиро­вание из сырых материалов, минуя стадии производства ферросплавов. В ряде случаев такие пути уже найдены. В качестве сырых материалов, исполь зуемых для прямого легирования

¹ Особенно велики потери марганца; об­щие потери марганца в процессе обогащения и выплавки марганцевых сплавов превышают 50%.

Таблица 14.2. Температура плавления и плотность основных ферросплавов

применяют конвертерный ванадиевый шлак (18-19 % V₂O₂), молибденовый концентрат (82-90 % МоО₃), хромо­вую руду (45-53 % Сг₂О₃), ниобиевый концентрат (38-43 % Nb₂O₃) и др. Эти материалы вводят в металл раз­личными способами (на дно сталераз-ливочного ковша при выпуске, на шлак в печь, путем вдувания в глубь металла в печи или в ковше и т. п.). Материалы вводят обычно или в виде порошка, или в виде брикетов, в со­став которых кроме основного мате­риала вводят сильные восстановители (алюминий, кальций и т. п.), с тем чтобы в момент контакта материала с расплавленным металлом протекали реакции восстановления: например, 3V₂O₅ + 10А1 -> 6[V] + 5А1₂О₃, МоО₃ + 2А1 -»[Мо] + А1₂О₃ и др.

Для таких элементов с относитель­но невысоким химическим сродством к кислороду, как Мп, Сг, некоторое повышение содержания легирующих может быть обеспечено путем взаимо­действия смесей или шлаков с желе­зом (в пределах, ограниченных кон­стантой равновесия). Например, для реакции (MnO) + Fe = (FeO) + [Mn]

К= a_(Fe0) • [Mn]/ a _(Mn0),

т. e. [Mn] = К • a _(Mn0)/ a_(FeO)

При введении в ванну марганецсо-держащих добавок повышается a _(MпО) и соответственно возрастает содержа­ние марганца в металле. Сквозное из­влечение ценных легирующих эле­ментов при прямом легировании обычно выше, чем при использова­нии ферросплава. Недостатком мето­да являются нестабильность получае­мых результатов, большие колебания степени восстановления в зависимос­ти от условий выплавки, особеннос­тей выпуска из агрегата данной плав­ки, количества и состава попавшего в ковш шлака и т. п. Однако этот недо­статок практически исчезает по мере развития методов внепечной обработ­ки, особенно методов, включающих предотвращение попадания конечно­го шлака в ковш, длительное переме­шивание металла со шлаком, подо­грев металла и шлака в процессе пе­ремешивания и т. п.

Наиболее рационально в качестве восстановителя использовать углерод:

С + МпО = Мп + СО,

ЗС + Сг₂О₃ = 2Сг + ЗСО,

ЗС + V₃0₃ = 2V + ЗСО,

2С + NbO₂ = Nb + 2CO,

5С + Nb₂O₅ = 2Nb + 5СО и т. д.

При наличии в ванне углерода об­работка металла вакуумом или инерт­ными газами сдвинет вправо равнове­сие реакции (М?О) + [С] = СО_Г + [Me]:

На этом основано, например, пря­мое легирование металла хромом, ни­обием и др. Учитывая высокую эконо­мичность прямого легирования, ме­таллурги изыскивают возможности использования всех материалов — от­ходов различных производств — в слу­чае, если эти материалы содержат за­метное количество ценных легирую­щих примесей.

В некоторых случаях для упроще­ния технологии и повышения степени-

использования ферросплавов приме­няют так называемые экзотермичес­кие смеси, экзотермические ферро­сплавы или экзотермические брикеты. В состав экзотермических смесей для изготовления брикетов входят обыч­но: порошок материала, содержащего лигатуру (порошок феррохрома, фер­ромарганца, ферровольфрама и т. п.); руда (марганцевая, хромовая и т. п.); связующие добавки (например, жид­кое стекло), а также небольшие коли­чества сильного восстановителя (на­пример, порошка алюминия) и силь­ного окислителя (например, натрие­вой селитры NaN0₃).

Выделяемого при взаимодействии экзотермических смесей тепла доста-

точно не только для быстрого рас­плавления материала, но и для ком­пенсации затрат тепла на восстанов­ление входящих в состав смеси ок­сидов. Эффективность применения экзотермических ферросплавов оп­ределяется некоторым снижением расхода ферросплавов и дополни­тельным восстановлением компо­нентов из руд. При этом, однако, приходится учитывать дополнитель­ные затраты на дробление, смеше­ние, брикетирование, а также на хра­нение взрывоопасных окислителей. Обычно экзотермические ферро­сплавы применяют на агрегатах не­большой емкости при обработке не­больших масс металла.

Часть третья