Раскисление стали: термодинамика и кинетика

Поскольку выплавка стали происходит в существенно окислительных условиях,  кислород неизбежно в большом количестве растворяется в железном расплаве.  Растворимость кислорода в чистом железе при температуре 1600 ºС составляет 0,23 % и достигает 0,48 % при 1800 ºС. Содержание кислорода в железе обратно пропорционально содержанию в нем примесей, а также углерода. Поэтому в процессе рафинирования стали от примесей содержание кислорода возрастает. К концу рафинирования в жидкой стали содержится значительное количество кислорода – около 0,05-0,10 %. Если такую сразу сталь разливать, то поскольку растворимость кислорода в твердом железе составляет всего 0,03 %, лишний кислород выделяется в виде газа, что приводит к браку стальных отливок и слитков. Поэтому, даже очень чистая сталь может быть необратимо испорчена, если до операции разливки из нее не удалить этот избыточный кислород.

Раскисление стали = killing of steel

Процесс удаление остаточного кислорода из рафинированной стали известно как раскисление стали. Интересно, что раскисления в английском языке применяют два термина: deoxidation и killing. Первый можно перевести как раскисление, а второй буквально означает «умершвление», что где-то близко к термину «успокаивание», которые иногда применяется по отношению к раскислению стали.

Для раскисления применяют два основных подхода:
— диффузионное раскисление стали;
— раскисление стали осаждением.

Диффузионное раскисление стали

Содержание растворенного кислорода понижается путем принуждения его диффундировать в шлак внутри самой сталеплавильной печи или путем внепечной вакуумной обработки в ковше. Этот способ имеет ограничения по своей эффективности удаления кислорода.

Раскисление стали осаждением

Существуют химические элементы, которые имеют более высокое сродство с кислородом, то есть более легко с ним реагируют, чем железо. Такие элементы называют раскислителями. Когда раскислитель  добавляют в расплав железа, он реагирует с кислородом в расплаве с образованием оксидов. Этот метод широко применяется и является очень эффективным для уменьшения содержания кислорода в стали. При выборе раскислителя принимают во внимание несколько факторов.

Термодинамика раскисления стали

Термодинамически лучшим окислителем является тот, который обеспечивает минимальное содержание кислорода при своем минимальном остаточном содержании в стали.

В этом смысле лучшим раскислителем является алюминий и он широко применяется на практике. Кремний также является эффективным раскислителем. Алюминий и кремний вместе с марганцем и углеродом наиболее часто применяют для раскисления стали из-за их относительной дешевизны.

В качестве раскислителей могут применяться такие элементы как цирконий, титан, бор, ванадий, ниобий и другие, но они являются значительно более дорогими, чем обычные раскислители.

Остаточное содержание раскислителя в стали не должно приводить ни к какому вредному влиянию на свойства стали. Содержание этих элементов должно быть в допустимых рамках согласно техническим условиям на конечную продукцию.

Кинетика раскисления стали

Кинетически окислитель должен действовать быстро, чтобы достичь высокого доли его усвоения в реакции раскисления. Однако такие данные обычно отсутствуют и при выборе раскислителя руководствуются в основном термодинамическими соображениями.

Кроме того, физика процесса также является очень важной, так продукт реакции раскисления не должен оставаться в виде механически захваченных сталью частиц. Эти частицы известны как неметаллические включения, которые отрицательно влияют на механические свойства стали. Механические свойства стали значительно изменяются в зависимости от количества, размеров, формы, распределения и состава этих включений. Поэтому предпринимаются всевозможные меры, чтобы очистить сталь от этих продуктов раскисления и получить чистую сталь. Термин «чистота стали» относиться к относительной свободе стали от этих включений.

В целом, кинетика реакции раскисления это не столько кинетика формирования ее продукта, сколько кинетика последующей очистки стали от этого продукта.

Раскисление стали углеродом

Поэтому идеальным продуктом раскисления являются газообразный продукт – окись углерода. Только углерод производит газообразный продукт операции раскисления. При атмосферном давлении углерод не является эффективным раскислителем. Однако его эффективность значительно повышается при пониженном давлении. Для получения более чистой стали применяют вакуумную обработку стали.

Источник: B.P. Bhardwaj, Steel and Iron Handbook