В этой статье мы подробно разберем процесс раскисления стали, который играет ключевую роль в получении качественного металлопроката. Мы рассмотрим различные способы уменьшения количества кислорода в стальном сплаве, классификацию стали по степени раскисления, а также материалы, используемые для этой цели.
Раскисление стали – это технологический процесс, направленный на снижение содержания кислорода в металлическом расплаве. Кислород, присутствующий в стали, может приводить к образованию нежелательных окислов, ухудшающих механические свойства и способствующих дефектам в готовых изделиях. Цель раскисления – связать кислород в прочные соединения, которые затем удаляются из стали.
Для раскисления используют специальные вещества – раскислители. К ним относятся, например, алюминий, кремний и титан. Их добавляют в расплав в строго определенной пропорции. В результате реакции образуются различные соединения (газообразные, жидкие и твердые), которые необходимо удалить, чтобы получить сталь, соответствующую требованиям стандартов.
Виды стали в зависимости от степени раскисления
При производстве стали выделяют три основные категории, различающиеся по степени раскисления: спокойная, полуспокойная и кипящая. Рассмотрим особенности каждой из них.
Спокойная сталь
Спокойная сталь характеризуется минимальным выделением газов в процессе затвердевания. Это достигается путем глубокого раскисления сплава, когда практически весь кислород связывается и удаляется. В результате образуется усадочная раковина, которую впоследствии удаляют.
Для производства спокойной стали применяют такие раскислители, как ферромарганец, кремний и алюминий. Эта сталь отличается однородным химическим составом и равномерными механическими свойствами по всему объему слитка.
Полуспокойная сталь
В процессе затвердевания полуспокойной стали происходит частичное выделение газов, однако этот процесс контролируется. Раскисление в данном случае проводится таким образом, чтобы на поверхности слитка образовалась прочная корка до начала активного выделения газов. Усадочная раковина при этом отсутствует.
Пузыри газа, образующиеся в середине и верхней части слитка, устраняются в процессе прокатки. Полуспокойная сталь часто используется для производства штрипса и труб.
Лично я считаю, что выбор между спокойной и полуспокойной сталью зависит от конкретных требований к изделию. Если нужна максимальная однородность и отсутствие дефектов, то лучше спокойная. Если важна экономия, то можно рассмотреть полуспокойную.
Кипящая сталь
Кипящая сталь характеризуется интенсивным выделением газов при затвердевании. В этом случае раскисление практически не проводится, либо проводится в минимальном объеме. Химический состав кипящей стали может значительно варьироваться по сечению и высоте слитка.
Внешний слой слитка кипящей стали получается более чистым, в то время как в центральной части концентрируются примеси, такие как углерод, фосфор, сера и азот. Благодаря своей невысокой стоимости, кипящая сталь широко используется в производстве труб, проволоки и листового проката.
Этапы раскисления: технологический процесс
Раскисление стали – это многоступенчатый процесс, включающий в себя следующие этапы:
- Ввод раскислителя в стальной расплав и его растворение.
- Взаимодействие раскислителя с кислородом и образование продуктов реакции.
- Флотация (всплытие) продуктов реакции и их удаление из расплава.
Важно, чтобы удаление продуктов реакции завершилось до начала затвердевания стали. В противном случае, они могут остаться в структуре металла, образуя дефекты и ухудшая его свойства.
Несоблюдение правильной дозировки раскислителей также может привести к негативным последствиям, таким как образование газовых пор, пузырей и неметаллических включений.
Методы раскисления стали
Существует несколько способов уменьшить концентрацию кислорода в стали:
Глубинное раскисление
Этот метод основан на введении в расплав элементов, образующих прочные соединения с кислородом. Глубинное раскисление – наиболее распространенный и экономичный способ, хотя и не позволяет получить абсолютно чистую сталь. Остаточные дефекты обычно удаляются в процессе дальнейшей обработки.
Диффузное раскисление
Диффузное раскисление основано на реакции между сталью и шлаком. Содержание оксида железа в шлаке при этом должно быть минимальным (не более 1%). Процесс проводится в специализированных печах, в которых отсутствует прямой контакт расплава с горящими газами.
Вакуумное раскисление
Вакуумное раскисление осуществляется в вакууме, где создаются условия для активного окисления углерода и снижения содержания кислорода. Расплав, содержащий раскислители, помещается в герметичную камеру, из которой откачивается воздух. Снижение давления способствует удалению растворенных газов и примесей.
Комбинированное раскисление
Комбинированное раскисление сочетает в себе преимущества различных методов, таких как использование шлака и добавление раскислителей.
Раскислители: особенности и применение
Из практики могу сказать, что выбор раскислителя – это всегда компромисс между стоимостью, эффективностью и влиянием на свойства стали. Универсального решения здесь нет, нужно исходить из конкретных задач.
Раскислитель должен хорошо растворяться в расплавленном металле и активно связывать кислород. Часто используются комбинации различных элементов, например, кремний и марганец. В результате реакции образуются оксиды и другие соединения, которые удаляются из стали.
Рассмотрим некоторые распространенные раскислители:
- Алюминий: образует оксид алюминия, который не растворяется в стали и эффективно удаляет кислород. Часто используется в сочетании с менее устойчивыми соединениями.
- Марганец: обладает невысокой реакционной способностью с кислородом, поэтому обычно применяется в сочетании с другими раскислителями для повышения эффективности процесса.
- Кальций: является активным раскислителем, но его свойства усиливаются при использовании кремния и/или алюминия.
Удаление избыточного кислорода из стали – важный этап производства, позволяющий улучшить характеристики материала. Правильно проведенное раскисление обеспечивает получение однородной стали, пригодной для дальнейшей обработки и производства изделий различного назначения.
Важно помнить, что для производства простых изделий часто используют кипящие и полуспокойные марки стали, так как это позволяет снизить себестоимость продукции. Выбор марки стали и способа раскисления зависит от конкретных требований к конечному продукту.
Автор статьи — инженер-технолог Сергей Кузнецов.