Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




18.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


17.10.2019


15.10.2019


13.10.2019


13.10.2019





Яндекс.Метрика

Контакты | Карта сайта
         » » Восстановительный период плавки стали

Восстановительный период плавки стали

21.03.2019


Науглероживание. В начале восстановительного периода, как уже отмечалось, содержание углерода в металле должно быть на 0,03—0,10% меньше нижнего предела. Иногда в конце окислительного периода плавки содержание углерода в стали оказывается значительно ниже требуемого. В этом случае возникает необходимость в науглероживании металла. Это бывает при выплавке сталей с высоким содержанием углерода (1,3—2,2%), при неудачном проведении окислительного процесса или при неточном расчете шихты.

Для повышения содержания углерода на открытую поверхность металлической ванны после скачивания окислительного шлака загружают дробленый кокс или электродный бой в кусках диаметром не более 20—30 мм. Загружаемые для науглероживания материалы должны быть сухими. Усвоение металлом углерода кокса составляет 60—70%, а углерода электродного боя 70—80%. Чугун для науглероживания стараются не применять, так как введение его в ванну понижает температуру и повышает содержание фосфора в стали.

На усвоение углерода влияют содержание его в металле, температура и перемешивание ванны, плотность и величина порции науглероживателя. Малоуглеродистый металл жадно поглощает углерод, для науглероживания высокоуглеродистой стали требуется больше времени, при этом больше углерода окисляется засасывающимся в печь воздухом, а вся операция отнимает до 30 мин.

Чем выше нагрет металл, тем лучше идет усвоение углерода. Открытое зеркало способствует быстрому охлаждению ванны. При большом науглероживании приходится производить эту операцию под током, хотя при этом усиливается поглощение металлом газов. При этом тщательно перемешивают ванну железными гребками. По окончании науглероживания следует выключить ток, чтобы убедиться в полном растворении науглероживателя, и лишь после этого давать в печь шлакообразующую смесь.

Усвоение углерода протекает тем лучше, чем больше плотность науглероживателя. Наилучшим материалом является бой графитированных электродов, отличающийся, кроме того, наименьшим содержанием золы, серы и летучих веществ.

Необходимое количество науглероживателя подсчитывают, исходя из количества заралки, содержания углерода в стали после кипения, необходимого содержания углерода в ванне, степени усвоения углерода. Например, если требуется науглеродить 5 т стали, содержащей 0,2% С, до 0,35% электродным боем, то необходимо присадить его

5000*(0,35-0,20)/75 = 10 Кг.


Науглероживание имеет и свою положительную сторону: оно вызывает небольшое кипение ванны, в результате чего несколько уменьшается содержание в металле кислорода — происходит предварительное раскисление ванны, важнейший процесс восстановительного периода плавки, основными задачами- которого, помимо этого, являются удаление кислорода и серы, содержащихся в металле, и окончательное корректирование химического состава и температуры металла. Практически все эти задачи решаются одновременно.

Кислород и сера — вредные примеси в стали. В спокойной стали, раскисленной кремнием и алюминием, содержание кислорода не превышает 0,01%, а при правильном раскислении 0,002—0,003%. Содержание серы в электростали обычно не превышает 0,010—0,015%. При затвердевании слитка кислород и сера неравномерно распределяются в объеме металла, вызывая химическую неоднородность слитка. Оба элемента образуют в стали частицы неметаллических включений.

Содержание в стали кислорода, серы и неметаллических включении — одна из важнейших характеристик ее качества. Чем ниже их содержание и чем мельче включения, тем выше качество выплавленной стали.

Кислородные и сернистые соединения железа образуют легкоплавкие оксисульфидные включения, которые затвердевают при более низких температурах по сравнению со сталью, поэтому эти включения располагаются в виде пленок вокруг зерен металла. При нагреве стали до температуры прокатки или ковки оксисульфидные прослойки по границам зерен становятся жидкими, ослабляя связь между отдельными зернами.

Повышенное содержание кислорода и образование легкоплавких оксисульфидных включений вызывают красноломкость стали при температуре ковки и прокатки. Поковки и прокат получаются при этом с большим количеством трещин и рванин. Увеличивается расход металла на единицу годной продукции. Увеличение красноломкости металла наблюдается также с возрастанием содержания в нем серы, которая подобно кислороду образует с железом легкоплавкий сульфид.

Для получения стали высокого качества содержание неметаллических включений должно быть не более 0,005—0,006%, а для сталей некоторых марок (например, подшипниковой) даже меньше этих значений. При увеличении содержания неметаллических включений сталь делается хрупкой па холоде, понижается ее ударная вязкость, прочность н пластичность при растяжении, износостойкость стальных изделий. Характер включений имеет не меньшее значение, чем их общее количество. Увеличение доли вытянутых цепочек включений даже при одинаковом общем количестве понижает пластические свойства стали как в горячем состоянии, так и при комнатной температуре.

Таким образом, максимально возможное снижение содержания кислорода и серы является необходимым условием получения стали высокого качества. Рафинирование стали от кислорода углеродом не может быть достаточно полным. Если сталь не содержит таких элементов, как кремний и алюминий, то при разливке по изложницам в результате взаимодействия кислорода с углеродом выделяется окись углерода, которая частично уходит в атмосферу, а частично остается в стали в виде пузырей. Такая сталь называется кипящей. В кипящей углеродистой стали пузыри в слитке завариваются при прокатке. Присутствие пузырей в легированной стали недопустимо.

Для получения спокойной стали необходимо раскислить ее, т. е. ввести в металл такие элементы, которые в условиях его затвердевания обладали бы большим сродством к кислороду, чем углерод.

Расселение металла может быть осуществлено различными способами — осадочным, диффузионным, диффузионно-осадочным. Условия для раскисления в электропечи исключительно хороши; таких условий нет ни в каком другом сталеплавильном агрегате. В электропечи во время восстановительного периода создается восстановительная атмосфера, содержащая до 70% окиси углерода; в рабочем пространстве поддерживается небольшое избыточное давление, уменьшающее подсос воздуха из окружающей атмосферы.

При диффузионном способе раскисляющие вещества в виде молотого кокса, ферросилиция, силикокальция дают на поверхность шлака. Так как их плотность меньше или ненамного больше плотности шлака, то они либо плавают на поверхности, либо медленно погружаются в шлак, где восстанавливают закись железа по реакциям:

Одновременно восстанавливаются закись марганца и окись хрома. В основной электропечи путем такого раскисления удается понизить содержание закиси железа в шлаке до 0,3—0,5%. С понижением концентрации закиси железа в шлаке происходит диффузия (перемещение) кислорода в металле к поверхности раздела металл— шлак и переход из металла в шлак. Этот метод раскисления основан, таким образом, на законе распределения кислорода между двумя несмешивающимися жидкостями — металлом и шлаком, т. е. на постоянстве соотношения концентрации кислорода в металле и закиси железа в шлаке при данной температуре. Если содержание закиси железа в шлаке не превышает 0,5%, можно получить металл с содержанием кислорода не более 0,005%.

При диффузионном раскислении реакции идут преимущественно в шлаке и на поверхности раздела металл— шлак, загрязнение металла включениями — продуктами реакций раскисления — уменьшается (особенно при раскислении шлака углеродом). Однако диффузионное раскисление продолжается долго, так как диффузионные процессы протекают медленно. Под хорошо раскисленным шлаком необходимо выдерживать металл не менее часа, но чем дольше выдерживается в печи спокойный раскисленный металл, тем больше он поглощает азота и водорода.

При осадочном, или глубинном, способе раскисление производится путем введения раскислителей непосредственно в металл. Оно происходит на разной глубине в зависимости от плотности раскислителя. Для осадочного раскисления высококачественной электростали чаще всего используют марганец, кремний, алюминий, иногда — титан, кальций, магний, цирконий. Скорость раскисления в этом случае сильно зависит от температуры плавления раскислителя: чем ниже эта температура, тем быстрее растворяется раскислитель и начинается процесс связывания кислорода. Поэтому (и по ряду других причин) раскислители используют в виде сплавов с железом — ферросплавов. Часто применяют так называемые комплексные раскислители — силикомарганец, силикокальций, силикоцирконий, силикоалюминий, AMC (алюминий — марганец — кремний) и др.

При взаимодействии металлических раскислителей с кислородом образуются окислы, выпадающие из раствора в виде неметаллических включений, которые всплывают на поверхность стали. Процесс раскисления в этом случае непродолжителен, но имеет тот недостаток, что продукты реакции могут остаться в металле в виде включений. Для получения стали высокого качества необходимо достаточно полно раскислить металл, не загрязняя его продуктами раскисления — неметаллическими включениями.

Исследования, выполненные на ряде советских заводов, показали, что при одновременном проведении диффузионного и осадочного раскисления кислород удаляется из металла значительно быстрее.

Поэтому наибольшее распространение в последние годы получил комбинированный диффузионно-осадочный метод раскисления, при использовании которого сильные раскислители — алюминий, кремний — присаживают куском непосредственно в металл и одновременно обрабатывают металл восстановительным шлаком.
Восстановительный период плавки стали

Раскислительная способность является важнейшей характеристикой элемента-раскислителя. Она измеряется содержанием кислорода в металле в условиях равновесия с элементом-раскислителем и продуктами раскисления. Чем меньше равновесное содержание кислорода, тем выше раскислительная способность элемента. Раскислительную способность различных элементов сравнивают при одинаковой температуре и концентрации раскислителя, равной обычно 1%. На рис. 25 показана раскислительная способность наиболее распространенных элементов-раскислителей, применяемых при выплавке стали, при температуре 1600°C.

Марганец является едва ли не самым слабым раскислителем в стали. Он вводится в ванну обычно в виде ферромарганца. Раскисление металла марганцем энергично протекает при понижении температуры по реакции

[Mn] + [О] = (MnO) + 28600 кал.


Если металл раскислен только марганцем, шлаковая фаза не содержит других окислов, кроме закиси железа и закиси марганца. В этом случае можно определить направление реакции раскисления жидкой стали марганцем, воспользовавшись кривой на рис. 25.

Если содержание кислорода и марганца в металле отвечает точкам, расположенным ниже кривой равновесия, то из металла не могут выделиться шлаковые включения. Наоборот, если окислы железа и марганца будут введены в металл, то они будут растворяться в нем и повышать, таким образом, концентрацию кислорода и марганца в металле. Если содержание кислорода и марганца в металле отвечает точкам, расположенным выше кривой равновесия, то из металла будет выделяться железомарганцевый шлак, и содержание кислорода в металле понизится. Этот процесс будет протекать до тех пор, пока концентрация кислорода и марганца в металле не достигнет значений, определяемых кривой равновесия.

Практика сталеварения свидетельствует о том, что раскислить металл одним лишь марганцем нельзя. При 1620°С в равновесии с 1% Mn в жидком железе может быть растворено до 0,05% О. Тем не менее марганец вводится во все стали. Ферромарганец обычно присаживают в ванну в начале восстановительного или в конце окислительного периода с тем, чтобы закись марганца офлюсовывала оставшиеся в металле включения кремнезема, образуя с ними более легкоплавкие частицы силиката марганца MnO*SiO2 Помимо этого, марганец образует с серой более тугоплавкие соединения, чем железо, ослабляя благодаря этому вредное влияние серы.

Углерод в открытой печи также не способен полностью раскислить металл. Раскисление шлака углеродом протекает по реакции

(FeO) + С(тв) = [Fe] + СО(газ).


Если углерод растворен в стали, то процесс раскисления также сопровождается образованием газообразной окиси углерода. Следовательно, металл при раскислении углеродом не загрязняется неметаллическими включениями, а окись углерода, выделяющаяся при раскислении шлака молотым коксом или древесным углем, способствует созданию восстановительной атмосферы в рабочем пространстве электропечи. Однако следует иметь в виду, что при раскислении шлака углеродом происходит науглероживание ванны со скоростью от 0,02 до 0,1% в час. Поэтому при выплавке среднеуглеродистых сталей, в которых содержание углерода невелико и ограничено узкими пределами, диффузионное раскисление ванны через шлак приходится ограничивать 40—60 мин и проводить с большой осторожностью.

Раскислительная способность углерода остается почти неизменной во всем интервале температур плавки стали в электропечах. Равновесная концентрация кислорода в металле, содержащем 0,2% углерода, при 1550° С равна 0,0134%, а при 1650 0,0151%. В реальных условиях плавки в дуговой электропечи равновесие не достигается, поэтому диффузионное раскисление ванны углеродом через шлак в производстве спокойных сталей обязательно сопровождается глубинным раскислением более энергичными раскислителями.

Кремний является сильным раскислителем. Он связывает кислород по реакции

[Si] + 2 [О] = (SiO2) + 76 800 кал.


С повышением температуры его раскислительная способность резко понижается. Содержание кислорода в стали в равновесии с 1 % Si и неметаллическими включениями, состоящими из кремнезема, составляет при 1560°С 0,0035%, а при 1650°С — около 0,01%. В основной электропечи кремнезем связывается с основными окислами шлака, поэтому раскисление кремнием протекает более полно, чем при кислом процессе.

При введении значительных количеств кремния образуются неметаллические включения, близкие по составу к чистому кремнезему и представляющие собой мельчайшие твердые частицы. Они плохо удаляются из жидкой стали, поэтому раскисление кремнием обычно начинают вскоре после окончания окислительного периода, чтобы неметаллические включения успели всплыть и перейти в шлак в течение восстановительного периода плавки. Для глубинного раскисления кремнием используют обычно 45%-ный ферросилиций, плотность которого больше, чем 75%-ного ферросплава, обычно применяемого в молотом виде для диффузионного раскисления через шлак.

Алюминий — один из наиболее сильных раскислителей, поэтому его обычно применяют для конечного раскисления стали перед самым выпуском металла из печи, присаживая 0,04—0,1%. Раскисление в этом случае протекает по реакции

2[Al] + 3[О] = Al2O2(тв).


Мелкие дисперсные частицы окиси алюминия остаются твердыми при температуре сталеварения. Остаточное содержание алюминия в раскисленной стали равно приблизительно 0,02%. При таком содержании алюминия в железе равновесная концентрация кислорода в расплаве при 1550°С составляет 0,01 % и при 1600°С 0,018%. Эти цифры показывают, что, хотя повышение температуры и снижает раскислительную способность алюминия, все же он остается самым энергичным из рассмотренных выше раскислителей.

Применение комплексных раскислителей позволяет быстрее и эффективнее раскислять сталь. Если металл раскислять одновременно марганцем и кремнием, то образующиеся продукты раскисления могут состоять из нескольких окислов — закиси железа, закиси марганца и кремнезема. Присутствие в неметаллических включениях кремнезема уменьшает концентрации закиси марганца и закиси железа в продуктах раскисления.

Согласно принципу Ле-Шателье, равновесие реакции раскисления при этом сдвигается в сторону образования закиси марганца; раскислительная способность марганца, таким образом, повышается.

При одновременном раскислении стали несколькими элементами с помощью комплексных раскислителей продукты раскисления оказываются более легкоплавкими и потому присутствуют в стали в жидком виде. Это подтверждают приведенные ниже данные о температурах плавления некоторых чистых окислов и их соединений:

MnO 1785 °С, SiO3 1710 °С, Al2O3 2030 °С, MnO*SiO2 1270°C, FeO*SiO2 1178 °С, 3Al2O3*2SiO2 1810°С.


Силикаты железа и марганца присутствуют во всех спокойных сталях. В слитке они обычно располагаются в виде отдельных крупных включений или образуют скопления. В жидкой стали включения находятся в беспрерывном движении, сталкиваясь друг с другом. При этом твердые включения глинозема и алюмосиликатов могут слипаться с жидкими частицами силикатов, образуя сложные включения. Крупные частицы силикатов и кристаллические частицы глинозема переносятся к поверхности раздела металл — шлак и легко растворяются в основном шлаке.

Всплывание неметаллических частиц в сталеплавильной ванне происходит за счет разности плотностей стали и неметаллических включений. Плотность жидкого железа составляет примерно 1 г/см3, а плотность различных включений колеблется в зависимости от их состава в пределах 2,2—5,4 г/см3. Скорость всплывания частиц увеличивается по мере их укрупнения, а также при интенсивном перемешивании металла. В вязком металле всплывание включений замедляется. Вязкость стали зависит от химического состава и температуры. При повышении температуры вязкость снижается, что облегчает всплывание неметаллических частиц. Поэтому сталь получается чище, если плавка проведена при высокой температуре и если разливали горячий металл (конечно, если при этом не наблюдалось повышенное разрушение футеровки печи и разливочного припаса). Хром, алюминий, титан повышают вязкость стали; углерод, никель, кремний понижают ее.

Из комплексных раскислителей, получивших широкое распространение в сталеплавильной практике и представляющих наибольший интерес, можно указать силикомарганец, АМС, силикокальций. При раскислении стали силикомарганцем — сплавом железа с марганцем и кремнием — образуются легкоплавкие силикаты марганца, относительно легко удаляющиеся из металла в шлак. Оптимальное отношение концентраций марганца к кремнию в этом сплаве должно составлять от 4 до 7.

Сплав АМС, содержащий, кроме железа, алюминий, марганец и кремний в отношении 1:2:2, часто применяется при выплавке конструкционных сталей. Обычно в состав сплава входит 9—12% Mn, 9—12% Si и 4—0% Al. При раскислении стали сплавом AMC образуются легкоплавкие жидкие железомарганцевоалюминиевые силикаты, легко укрупняющиеся благодаря слиянию отдельных частиц друг с другом и поэтому быстро всплывающие к поверхности ванны. В то же время присутствие глинозема в этих силикатах повышает раскислительную способность марганца и кремния.

Все более широко используют в последнее время сплавы кальция. При введении в жидкую сталь металлический кальций испаряется и взаимодействует с металлом очень короткое время. Особенно бурно протекает реакция при раскислении сплавов на железной основе — сталей — в связи с низкой растворимостью кальция в железе и более высокой температурой плавления сталей по сравнению со сплавами на основе никеля, для раскисления которых чаще применяют именно чистый металлический кальций. Обычный силикокальций представляет собой сплав кремния и кальция с примесью алюминия и железа. Он хрупок и часто используется также в виде порошка для диффузионного раскисления металла через шлак: присадка порошка силикокальция вместо ферросилиция позволяет раскислять шлак без снижения его основности; к тому же силикокальций легче ферросилиция и поэтому при раскислении шлака силикокальцием переход кремния в металл не получает заметного развития. Низкая плотность силикокальция определяет и способ его присадки в металл: обычно куски силикокальция, закрепленные на концах длинных железных прутьев — на штанге, резко погружают в глубину металлической ванны и удерживают там до полного растворения. Замена алюминия силикокальцием при раскислении хромоникельмолибденовой стали ведет к повышению пластичности и ударной вязкости металла в связи с более благоприятной формой неметаллических включений. Силикокальций, присаженный в ковш, уменьшает вредное влияние вторичного окисления металла при разливке и производит его дальнейшее раскисление. Наибольший эффект от применения кальция получается при введении его в сталь вместе с алюминием или каким-либо другим энергичным раскислителем (например, церием).

Шлаки восстановительного периода играют важнейшую роль не только в процессах раскисления, но и как средство удаления серы из стали. Непрерывно раскисляемый восстановительный шлак на поверхности стальной ванны укрывает металл от контакта с атмосферой и, что в данном случае особенно важно, служит средой, охотно поглощающей и растворяющей окисные и сульфидные включения, формирующиеся в объеме ванны или на границе раздела металл — шлак вследствие раскисляющего действия самого шлака. Диффузионное раскисление металла, или раскисление его через шлак, при выплавке стали в основных дуговых электропечах проводится под так называемым белым или под карбидным шлаком.

Белый шлак получают раскислением известкового шлака, наведенного в печи после удаления окислительного шлака. Для этого на рабочей площадке составляют смесь, примерно из пяти частей (по массе) извести, одной части плавикового шпата и одной части молотого коксика или электродного боя, просеянного через сито с ячейками размером 0,5—1,0 мм. Количество извести и плавикового шпата в каждой порции смеси регулируется в зависимости от жидкоподвижиости и количества шлака. Плавиковый шпат часто заменяют более дешевым шамотным боем.

В начале восстановительного периода проба остывшего шлака имеет черный цвет. Темную окраску шлаку придают окислы железа и марганца. Раскисление углеродом путем присадки в печь 3—4 порций восстановительной смеси ведут до тех пор, пока проба шлака после остывания не окажется окрашенной в серый цвет — до посветления шлака. Обычно содержание закиси железа в этот момент не превышает 1,5%. В последующие раскислительные смеси добавляют сухой молотый порошок 75%-ного или 45%-ного ферросилиция при одновременном уменьшении количества коксика.

Дальнейшее интенсивное раскисление шлака кремнием, кальцием или алюминием, вводимыми в раскислительные шлаковые смеси в виде порошков ферросилиция, силикокальция или алюминия, обеспечивает формирование белого шлака, рассыпающегося при охлаждении в порошок. Раскислители, присаживаемые на шлак, восстанавливают окислы железа, марганца, хрома. Металл к моменту образования белого шлака дает усадку в пробном стаканчике, что свидетельствует об удовлетворительной раскисленности ванны.

Состав шлаков восстановительного периода приведен в табл. 17. Белый шлак характеризуется высокой основностью и очень незначительным содержанием окислов тяжелых металлов (железа, марганца и др.). Присутствующий в таком шлаке силикат кальция 2СаО*SiO2 при охлаждении до 675° С из модификации в переходит в более устойчивую при низких температурах модификацию y, что сопровождается увеличением объема. Возникающие при этом напряжения являются причиной рассыпания высокоосновных шлаков при остывании в порошок.

При раскислении шлака молотым 75%-ным ферросилицием быстро получается белый, рассыпающийся при остывании шлак, который должен сохраняться до конца плавки, не меняясь при добавке в печь легирующих. Для поддержания белого шлака в активном раскисленном состоянии и для сохранения восстановительного характера атмосферы печи периодически, при каждом открывании рабочего окна (для отбора проб, присадки добавок), забрасывают некоторое количество молотого коксика и ферросилиция. Хорошей раскислительной способностью обладают шлаки пенистые, средней консистенции. Густоту шлака регулируют присадками извести или плавикового шпата. Если шлак густеет, обогащаясь окисью магния в результате срыва откосов или подины, его следует скачать и навести новый. В печи хороший белый шлак пенится п налипает на ложку равномерным слоем толщиной 2—3 мм.

Белый шлак получается в тех случаях, когда раскисление его одним коксом производится только в начале восстановительного периода, а впоследствии в состав раскислительной смеси дастся уменьшенное количество кокса и увеличенное количество других раскисляющих материалов — ферросилиция, силикокальция. При увеличенном количестве подаваемого в печь кокса его оказывается достаточно нe только для восстановления окислов железа, марганца и других тяжелых металлов и компенсации окислительного действия воздуха, но и для восстановления части окиси кальция:

CaO + ЗС = CaC2 + CO — 106 350 кал.


Протеканию этой реакции способствует высокая температура шлака, высокая концентрация окиси кальция и низкая концентрация закиси железа в шлаке, а также повышенное количество кокса в шлаке.

Карбидный шлак, как и белый, характеризуется высокой основностью и отличается от белого тем, что содержит до 3% карбида кальция и несколько меньше окислов железа, марганца и хрома. Образованию карбида кальция благоприятствует высокое содержание углерода в металле. Слабокарбидные шлаки содержат 0,5—1,5%, сильнокарбидные шлаки — более 1,5% карбида кальция. При охлаждении шлак рассыпается в серый порошок. Сильнокарбидный шлак с большим количеством рассеянного (диспергированного) в нем углерода имеет более темную окраску. При этом ощущается характерный запах ацетилена, который выделяется под влиянием атмосферной влаги или при попадании шлака в воду по реакции

CaC2 + 2Н2О = Ca (OH)2 + C2Н2(газ)


Карбидный шлак имеет матовый излом с белыми прожилками, к ложке или гребку он прилипает плотно и при понижении температуры металла от него трудно отделяется.

Для быстрого образования карбида кальция к печи подводится максимальная мощность при среднем напряжении, устраняются источники подсоса воздуха в печь — выпускное отверстие должно быть забито, плотно закрывается заслонка рабочего окна, уплотняются щели между электродами и отверстиями для них в своде. Карбидная смесь составляется из извести и коксика в отношении 1:1 с добавкой плавикового шпата или шамотного боя. После загрузки карбидной смеси печь стараются не открывать в течение 20—30 мин. Признаком нормального хода процесса образования карбида кальция служит появление густого дыма и коптящего пламени, с силой вырывающегося из печи через все неплотности. Через 25—40 мин после ввода карбидной смеси ванну перемешивают и берут первую пробу шлака, в которой должно быть не менее 2% карбида кальция, не более 0,6% закиси железа и не менее 55% окиси кальция.

Карбид кальция является энергичным восстановителем окислов тяжелых металлов:

3(FeO) + (CaC2) = 3[Fe] + (CaO) + 2CO(газ),

3(MnO) + (CaC2) = 3[Mn] + (CaO) + 2СО(газ).


При высоком содержании кремнезема (например, если печь снабжена динасовым сводом) карбид кальция восстанавливает даже кремнезем:

3(SiO2) + 2(CaC2) = 3[Si] + 2(CaO) + 4СО(газ).


За счет этой реакции содержание кремния в металле может возрасти до 0,05—0,10%. Углерод кокса, находящийся в избытке в карбидном шлаке, раскисляет металл на границе раздела со шлаком: С+[О] = COгаз.

О формировании карбидного шлака можно судить по изменению его цвета. Вначале шлак насыщен окислами железа и марганца и после остывания имеет коричнево-черный цвет. По мере снижения концентрации этих окислов окраска шлака светлеет, приобретая коричнево-желтый оттенок. После полного раскисления шлак становится серым и рассыпается в порошок.

Сохранение хорошего карбидного шлака требует тщательного ухода за печью. Необходимо добиваться герметичности печи, стараться реже открывать рабочее окно, поддерживать хорошее состояние футеровки, время от времени задавать на шлак смесь извести, плавикового шпата и коксика, определяя количество извести и плавикового шпата в зависимости от густоты шлака.

Карбидный шлак обычно более жидкоподвижен, чем белый. Большая жидкотекучесть карбидного шлака делает его высокоактивным и предотвращает науглероживание металла, так как частицы коксика держатся на поверхности шлака. Дымная, малопрозрачная атмосфера рабочего пространства печи предохраняет свод от излучения электрических дуг.

Раньше восстановительный период плавки конструкционных, инструментальных и подшипниковых сталей проводили под белым или карбидным шлаком. Раскисление вели сначала углеродом через шлак, а через 40—50 мин после начала восстановительного периода — углеродом и кремнием, стремясь получить металл с относительно низким содержанием неметаллических включений. Диффузионное раскисление — процесс длительный; чем больше выдержка металла в дуговой печи в условиях восстановительного периода, тем выше газонасыщенность металла, тем сильнее страдает футеровка печи. Что касается неметаллических включений, то лишь при раскислении углеродом металл не загрязняется ими; при загрузке на шлак молотого ферросилиция наряду с диффузионным протекает глубинное раскисление, так как около половины присаживаемого порошка усваивается металлом. Особенно заметными становятся недостатки старой технологии электроплавки с диффузионным раскислением при переходе к крупным электропечам емкостью 60—100 т с глубокой ванной, с малой удельной поверхностью соприкосновения металла и шлака. Поэтому советскими учеными была разработана и освоена на отечественных заводах новая, прогрессивная технология, обеспечивающая сокращение длительности плавки при сохранении высокого качества металла.

Как уже было указано, эта технология основана на одновременном глубинном осадочном раскислении стали и диффузионном раскислении шлака.

По этому способу после удаления окислительного шлака в ванну вводят ферромарганец в количестве, необходимом для обеспечения содержания марганца в металле на нижнем пределе, а также некоторое количество кремния и алюминия. Эти элементы вводят в виде ферросилиция, силикомарганца, алюминия, сплава AMC или других сплавов, предпочтение отдается комплексным раскислителям. Обычно в сталь вводят 0,15 0,20% Si и около 0,05% Al. Одновременно производят науглероживание металла, если это необходимо.

После науглероживания металла и введения раскислителей в печь присаживают около 3% от массы металла шлакообразующих материалов — извести, плавикового шпата и шамотного боя. В печи малой емкости присаживают большее количество шлакообразующих — около 4%. Составляющие шлакообразующей смеси применяются в кусках размером 25—80 мм.

Шамотный бой может быть частично заменен динасовым боем или кварцитом. Если на печи установлен динасовый свод, количество шамотного боя или кварцита в составе шлакообразующей смеси уменьшают, так как при оплавлении динасового свода шлак и без того обогащается кремнеземом.

После расплавления шлакообразующих материалов и сформирования жидкого шлака его раскисляют добавками молотых раскислителей — кокса, ферросилиция и др. По ходу восстановительного периода содержание закиси железа, закиси марганца и окиси хрома в шлаке понижается до 0,5% каждой и менее. Одновременно с диффузионным раскислением шлака протекает глубинное раскисление металла. Образующиеся при этом неметаллические включения всплывают в шлак. Содержание кислорода в металле быстро снижается. Опыт показывает, что при диффузионно-осадочном способе раскисления содержание кислорода в стали уменьшается в несколько раз быстрее, чем при чисто диффузионном способе.

В зависимости от количества и соотношения между количествами разных раскислителей, вводимых в печь для раскисления шлака, получают белый или карбидный шлак. Сильнокарбидные шлаки ранее применялись при плавке высокоуглеродистых сталей. В настоящее время конструкционную сталь не раскисляют под сильнокарбидными шлаками. При плавке конструкционных сталей применяют белые или слабокарбидные шлаки.

Раскислители, присаживаемые для раскисления на шлак, частично переходят в сталь. Количество раскислителей, переходящее в металл, зависит от степени измельчения этих материалов, от первоначальной окисленности шлака, от герметичности печи. В общем можно считать, что около половины кремния из порошкообразного ферросилиция переходит в металл, а порошкообразный алюминий полностью расходуется на восстановление шлака. Что касается углерода, то при выдержке стали в течение часа под белым шлаком его содержание повышается на 0,02—0,04%, а при плавке под слабокарбидным шлаком — на 0,03—0,06%. Под сильнокарбидным шлаком науглероживание металла больше и может достигать 0,1%.

Многое здесь зависит от умения сталевара. Работа с карбидным шлаком требует большой опытности от персонала, обслуживающего печь. Очень ответственной операцией в этом случае является перемешивание металла. Hе следует перемешивать металл сразу после присадки раскислительной смеси на шлак, так как при этом можно перемешать кокс или ферросилиций с металлом. He рекомендуется присаживать раскислители поверх комковатого, недостаточно жидкоподвижного шлака, так как металл науглероживается кусками кокенка, запутавшегося в таком шлаке.

В конце восстановительного периода после получения хорошо раскисленной пробы металла карбидные шлаки переводят в белые. При выпуске плавки под карбидным шлаком сталь дополнительно науглероживается, смешиваясь с коксом и карбидом кальция шлака; это осложняет получение требуемого содержания углерода в готовом металле. Кроме того, карбидный шлак хорошо смачивает сталь и поэтому плохо от нее отделяется. Во время разливки сильнокарбидный шлак, запутавшийся в жидком металле при выпуске в ковш, попадает в изложницу, образуя многочисленные шлаковые включения в слитке.

Для перевода карбидного шлака в белый необходимо окислить содержащийся в шлаке во взвешенном состоянии углерод, а также растворенный в нем карбид кальция. В печь добавляют шамотный бой, известь, плавиковый шпат и поднимают заслонку рабочего окна. Поток воздуха окисляет углерод и карбид кальция, и через некоторое время шлак становится белым. Если же таким способом карбидный шлак «разбить» не удается, тогда под током подкачивают приблизительно 1/3 шлака и присаживают в печь смесь извести, плавикового шпата и шамотного боя.

Количество шлака в восстановительный период составляет 3—5% от массы металла (большие цифры относятся к печам малой емкости — менее 10 г). Количество, температура и состав шлака определяют также ход другого важнейшего процесса восстановительного периода, протекающего одновременно с раскислением, — десульфурации.

Сульфид железа FeS может неограниченно растворяться в жидком железе, но в то же время практически не растворим в твердом. Прочный сульфид образует с серой марганец. Углерод, кремний, фосфор, а также марганец снижают предельную растворимость серы в стали. Растворимость сернистого марганца MnS во много раз меньше растворимости сернистого железа. Поэтому в стали с повышенным содержанием марганца сульфидные включения начинают формироваться при более высоких температурах и не образуют столь вредно влияющих на свойства металла непрерывных тонких сульфидных пленок по границам зерен, которые наблюдаются в стали с пониженным содержанием марганца.

Если жидкий металл, содержащий серу, находится в соприкосновении со шлаком, то часть серы переходит в шлак в виде сернистого марганца и сернистого железа. При этом накопление серы в шлаке происходит лишь в том случае, если в нем содержится в достаточном количестве окись кальция, способная связывать серу в очень прочное соединение —сульфид кальция:

(FeS) + (CaO) = (CaS) + (FeO).


Чтобы эта реакция оказалась необратимой, необходимо иметь хорошо раскисленный шлак с низким содержанием закиси железа и закиси марганца и восстановительную атмосферу. Непрерывное раскисление шлака углеродом, карбидом кальция, кремнием создает условия для связывания серы в шлаке по реакциям:

(FeS) + (CaO) + C= [Fe] + (CaS) + СО(газ),

3(FeS) + 2СаО + (CaC2) = 3[Fe] + 3(CaS) + 2СО(газ),

2(FeS) + 2(CaO) + Si = 2[Fe] + 2(CaO) + (SiO2).


Эти реакции необратимы, так как в первых двух один из продуктов реакции — окись углерода — улетучивается, а в третьей реакции кремнезем соединяется с окисью кальция в прочный силикат 2CaO*SiO2. Следовательно, в восстановительный период плавки условия для удаления серы в шлак наиболее благоприятны. Процессу десульфурации стали способствуют высокое содержание извести и низкая концентрация закиси железа в восстановительном шлаке. Удаление серы в восстановительный период плавки протекает параллельно с понижением содержания кислорода в металле. При выплавке высокоуглеродистых сталей содержание кислорода в металле ниже, а потому удаление серы идет быстрее, чем при плавке низкоуглеродистых сталей. При выплавке сталей с низким содержанием углерода десульфурация ускоряется после раскисления шлака или металла ферросилицием. Увеличение степени раскисленности стали сопровождается увеличением скорости десульфурации.

Положительное влияние на процесс рафинирования стали от серы оказывает высокая температура. Она позволяет увеличивать содержание в шлаке окиси кальция при сохранении удовлетворительной жидкоподвижности шлака. Полезное влияние высоких температур сказывается как на полноте реакции десульфурации (так как образование сернистого кальция идет с поглощением тепла), так и на скорости процесса.

Скорость процесса удаления серы существенно зависит от вязкости шлака, возрастающей с увеличением содержания окиси кальция. Присадка плавикового шпата понижает вязкость шлака и повышает его активность без уменьшения основности. Плавиковый шпат должен быть отборным — без сернистых включений (пирита).

Сера может быть дополнительно внесена в печь также коксом, применяемым для раскисления шлака, известью и ферросплавами. Поэтому целесообразно при выплавке качественной стали применять нефтяной кокс вместо каменноугольного, а известь обжигать в газовых печах.

По закону действующих масс накопление сернистого кальция в шлаке замедляет течение реакции десульфурации. Прекращение перехода серы из металла в шлак свидетельствует о насыщении нижнего слоя шлака сульфидом кальция. Поэтому на протяжении восстановительного периода сталевар должен неоднократно и тщательно перемешивать не только металл, но и шлак.

Обычно металл перемешивают при помощи гребков. На некоторых заводах гребки приводят в движение от электромотора. Такое устройство используется также для скачивания шлака. Перемешивание осуществляют также путем вдувания некоторых газов (аргона, азота, осушенного сжатого воздуха или окиси углерода) в сталь в восстановительный период плавки. Это позволяет ускорить плавку, а также уменьшить содержание водорода в стали. Заметно ускоряется удаление серы из стали в печах, оборудованных устройствами для индукционного перемешивания металла. Это особенно важно для печей большой емкости, где длительность восстановительного периода вследствие применения электромагнитного перемешивания можно сократить более чем на 20%.

Коэффициент распределения серы между шлаком и металлом в восстановительный период плавки составляет 15—40, а иногда доходит до 60. Поэтому содержание серы в этот период можно понизить до очень малых значении. Важную роль играет здесь и количество шлака: однако слишком большой объем шлака затрудняет нагрев металла, ведет к увеличению продолжительности плавки и расхода электроэнергии. Количество шлака в восстановительный период плавки поэтому обычно составляет около 5%. Если в начале восстановительного периода металл содержал 0,025% S, а коэффициент распределения серы между шлаком и металлом в конце плавки достиг 30, то содержание серы в металле в конце восстановительного периода можно определить из следующих соотношений:

Вследствие малой скорости протекания диффузионных процессов равновесие между металлом и шлаком в печи часто не достигается. Поэтому во время выпуска металла из печи благодаря интенсивному перемешиванию металла со шлаком происходит дополнительное удаление серы из стали. Необходимым условием такого перемешивания является слив шлака в ковш вместе с металлом. Для этого сталевар должен следить за нормальным состоянием выпускного отверстия, предотвращая его зарастание и тщательно расчищая его перед выпуском металла. Выпуск металла из печи следует производить под жидкоподвижным шлаком.

Если металл выпускается из печи в ковш со специально приготовленным в отдельном агрегате, высокоосновным, хорошо нагретым шлаком, степень десульфурации и рафинирования металла от неметаллических включений оказывается еще выше.

Весьма большим сродством к кислороду и сере обладают редкоземельные металлы — церии, лантан, и др. Поэтому они образуют сульфидные и оксисульфидные включения в стали в самом начале затвердевания, а частично еще в жидкой стали до начала затвердевания. Эти включения легко всплывают в прибыльную часть слитка, это приводит к значительной десульфурации стали в процессе разливки. Редкоземельные металлы присаживают в конце восстановительного периода в виде ферроцерия или мишметалла, содержащего, кроме церия, и другие редкоземельные элементы.

Почти не удаляется сера при плавке под магнезиально-кремнеземистыми шлаками, применяемыми иногда в восстановительный период, благодаря тому, что нагрев металла под этими шлаками происходит быстрее. Магнезиально-кремнеземистые шлаки имеют следующий состав: 30—40% окиси магния, 10—20% окиси кальция, 20—30% кремнезема, 5—10% глинозема, не более 2% закиси железа и не более 1 % закиси марганца. Этот шлак формируется из остатков окислительного шлака, шамотного боя и окиси магния, поступающей вследствие размывания футеровки. Его раскисляют порошками ферросилиция, алюминия пли кокса. При плавке стали под таким шлаком известь в печь не вводят. Это позволяет получать сталь с более низким содержанием водорода, так как известь часто вносит много влаги в ванну, а также экономить электроэнергию и время, необходимые для расплавления извести.

Длительность восстановительного периода определяется тем временем, которое необходимо для образования раскислительного шлака, раскисления и десульфурации, а также легирования стали и доведения ее химического состава до заданного. Продолжительность этих процессов зависит от садки и размеров печи, марки стали и ее химического состава к началу восстановительного периода, уровня механизации процессов плавки и применяемых методов работы. Обычно восстановительный период длится 0,7—1,5 ч.