Оглавление статьи
- Введение в раскисление стали
- Типы раскислителей и их характеристики
- Классификация сталей по степени раскисления
- Таблицы дозировок раскислителей
- Последовательность добавления раскислителей
- Способы раскисления стали
- Влияние раскислителей на свойства стали
- Расчеты дозировок раскислителей
- Часто задаваемые вопросы
Введение в раскисление стали
Раскисление стали представляет собой критически важный металлургический процесс, направленный на удаление растворенного кислорода из жидкого металла. Кислород является вредной примесью, которая существенно ухудшает механические свойства стали, снижает ее пластичность и приводит к хрупкому разрушению при высокотемпературных деформациях.
Процесс раскисления основан на введении в расплав элементов, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо. Эти элементы называются раскислителями и образуют с кислородом соединения, которые затем удаляются из металла в виде шлака или газообразных продуктов.
Типы раскислителей и их характеристики
В современной металлургии применяются различные типы раскислителей, каждый из которых имеет свои особенности и области применения. Выбор конкретного раскислителя зависит от марки стали, требуемых свойств и экономических соображений.
Основные раскислители
| Раскислитель | Химическая формула | Раскислительная способность | Температура плавления продукта, °C | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Марганец | Mn | Слабая | 1650 (MnO) | Все типы сталей |
| Кремний | Si | Средняя | 1723 (SiO₂) | Спокойные стали |
| Алюминий | Al | Сильная | 2054 (Al₂O₃) | Высококачественные стали |
| Титан | Ti | Очень сильная | 1843 (TiO₂) | Специальные стали |
| Цирконий | Zr | Очень сильная | 2715 (ZrO₂) | Высоколегированные стали |
Характеристики основных раскислителей
Марганец (Mn)
Марганец является наиболее распространенным и универсальным раскислителем. Он применяется при производстве всех типов сталей, включая кипящие. Марганец вводится в виде ферромарганца с содержанием 75-80% Mn. Несмотря на относительно слабую раскислительную способность, марганец незаменим благодаря своей универсальности и доступности.
Кремний (Si)
Кремний обладает средней раскислительной способностью и широко применяется для производства спокойных сталей. Вводится в виде ферросилиция ФС65 или ФС75. Образует твердые продукты раскисления SiO₂, которые сравнительно легко удаляются из расплава.
Алюминий (Al)
Алюминий является сильным раскислителем, обеспечивающим глубокое раскисление стали. Применяется в виде чушкового алюминия марки АВ87 или АВ91. Образует тугоплавкие оксиды Al₂O₃, которые остаются твердыми даже при температуре разливки стали.
Классификация сталей по степени раскисления
По степени раскисления стали классифицируются на три основные группы, каждая из которых имеет свои особенности производства и применения:
| Тип стали | Обозначение | Раскислители | Содержание кислорода, % | Характеристики |
|---|---|---|---|---|
| Спокойная | СП | Mn, Si, Al | 0,002-0,004 | Высокое качество, равномерная структура |
| Полуспокойная | ПС | Mn, частично Si | 0,004-0,008 | Промежуточные свойства |
| Кипящая | КП | Только Mn | 0,020-0,050 | Неравномерный состав, низкая стоимость |
Спокойная сталь
Спокойная сталь характеризуется максимальной степенью раскисления. В процессе производства последовательно применяются марганец, кремний и алюминий. Такая сталь затвердевает без газовыделения, образуя плотную структуру с минимальным количеством неметаллических включений.
Полуспокойная сталь
Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей. Раскисление проводится частично в печи и ковше, а частично в изложнице за счет углерода. Это обеспечивает компромисс между качеством и экономичностью производства.
Кипящая сталь
Кипящая сталь характеризуется слабым раскислением только марганцем. При затвердевании происходит реакция кислорода с углеродом, сопровождающаяся выделением пузырей СО, что создает эффект "кипения". Несмотря на неравномерность состава, такая сталь широко применяется благодаря низкой стоимости.
Таблицы дозировок раскислителей
Дозировки раскислителей для углеродистых сталей
| Марка стали | Тип раскисления | Mn, кг/т | Si, кг/т | Al, кг/т | Остаточное содержание O₂, % |
|---|---|---|---|---|---|
| Ст0, Ст1 | КП | 3-5 | - | - | 0,030-0,050 |
| Ст2, Ст3 | КП | 4-6 | - | - | 0,025-0,040 |
| Ст3 | ПС | 5-7 | 1-2 | - | 0,008-0,015 |
| Ст3, Ст4 | СП | 6-8 | 3-5 | 0,8-1,2 | 0,002-0,004 |
| Ст5, Ст6 | СП | 7-9 | 4-6 | 1,0-1,5 | 0,002-0,003 |
Дозировки для качественных углеродистых сталей
| Марка стали | Содержание C, % | ФМн75, кг/т | ФС65, кг/т | Al чушковый, кг/т | Последовательность ввода |
|---|---|---|---|---|---|
| 08, 10 | 0,05-0,11 | 3-4 | 2-3 | 0,6-0,8 | Mn → Si → Al |
| 15, 20 | 0,12-0,25 | 4-5 | 3-4 | 0,8-1,0 | Mn → Si → Al |
| 25, 30 | 0,22-0,37 | 5-6 | 4-5 | 1,0-1,2 | Mn → Si → Al |
| 35, 40 | 0,32-0,47 | 6-7 | 5-6 | 1,2-1,5 | Mn → Si → Al |
| 45, 50 | 0,42-0,57 | 7-8 | 6-7 | 1,5-1,8 | Mn → Si → Al |
Дозировки для легированных сталей
| Группа сталей | Примеры марок | ФМн75, кг/т | ФС65, кг/т | Al, кг/т | Дополнительные раскислители |
|---|---|---|---|---|---|
| Низколегированные | 09Г2С, 16ГС | 5-7 | 3-5 | 1,0-1,5 | - |
| Хромистые | 15Х, 40Х | 6-8 | 4-6 | 1,2-1,8 | Ti: 0,1-0,3 кг/т |
| Хромоникелевые | 12Х18Н10Т | 4-6 | 2-4 | 2,0-3,0 | Ti: 0,5-1,0 кг/т |
| Инструментальные | У8, У10 | 8-10 | 6-8 | 1,5-2,0 | V: 0,1-0,2 кг/т |
Последовательность добавления раскислителей
Правильная последовательность введения раскислителей имеет критическое значение для достижения оптимального качества стали. Нарушение очередности может привести к неэффективному использованию раскислителей и ухудшению свойств металла.
Стандартная последовательность раскисления
Этапы раскисления спокойной стали:
1. Предварительное раскисление (в печи): Добавление ферромарганца для связывания основного количества кислорода
2. Промежуточное раскисление (при выпуске): Введение ферросилиция для дальнейшего снижения содержания кислорода
3. Окончательное раскисление (в ковше): Добавление алюминия для глубокого раскисления и модифицирования
4. Контрольное раскисление: При необходимости - дополнительные порции раскислителей
Технологические параметры ввода раскислителей
| Раскислитель | Место ввода | Время ввода | Способ подачи | Время выдержки, мин |
|---|---|---|---|---|
| ФМн75 | Печь/ковш | За 5-10 мин до выпуска | Порциями по 200-500 кг | 3-5 |
| ФС65 | Струя металла | При выпуске | В струю металла | 2-3 |
| Al чушковый | Ковш | После окончания выпуска | Погружение под зеркало | 1-2 |
| СиКа | Ковш | Перед разливкой | Проволока/порошок | 0,5-1 |
Способы раскисления стали
В современной металлургии применяется несколько способов раскисления, каждый из которых имеет свои преимущества и область применения.
Осаждающее раскисление
Наиболее распространенный способ, основанный на введении элементов с высоким сродством к кислороду. Раскислители образуют нерастворимые в стали оксиды, которые всплывают и удаляются со шлаком.
Реакции осаждающего раскисления:
Mn + FeO = MnO + Fe
Si + 2FeO = SiO₂ + 2Fe
2Al + 3FeO = Al₂O₃ + 3Fe
Диффузионное раскисление
Процесс снижения содержания кислорода за счет взаимодействия с раскисленным шлаком. Применяется при выплавке высококачественных сталей в электропечах.
Вакуумно-углеродное раскисление
Удаление кислорода в условиях вакуума за счет реакции с углеродом. Особенно эффективно для низкоуглеродистых сталей.
Влияние раскислителей на свойства стали
Различные раскислители оказывают неодинаковое влияние на структуру и свойства стали. Понимание этого влияния критически важно для выбора оптимальной технологии раскисления.
| Раскислитель | Влияние на механические свойства | Влияние на структуру | Остаточное содержание в стали | Особенности применения |
|---|---|---|---|---|
| Марганец | Повышает прочность и твердость | Измельчает зерно | 0,3-1,2% | Универсальное применение |
| Кремний | Увеличивает упругость и предел текучести | Способствует образованию феррита | 0,15-0,35% | Улучшает раскисляемость |
| Алюминий | Измельчает зерно, повышает ударную вязкость | Связывает азот, измельчает зерно | 0,02-0,08% | Глубокое раскисление |
| Титан | Сильно измельчает зерно | Образует карбонитриды | 0,01-0,10% | Высоколегированные стали |
Расчеты дозировок раскислителей
Точный расчет количества раскислителей является основой качественного металлургического процесса. Расчеты основываются на термодинамических данных и практическом опыте.
Методика расчета дозировки марганца
Формула расчета:
Дозировка ФМн = ([O]ᵢ - [O]ₖ) × 100 × Кᵢ / (Содержание Mn в ФМн × Коэф. усвоения)
где:
[O]ᵢ - исходное содержание кислорода, %
[O]ₖ - конечное содержание кислорода, %
Кᵢ - масса металла, т
Коэф. усвоения = 0,70-0,85
Пример расчета для стали Ст3сп (100 т):
Исходные данные:
Масса металла: 100 т
Исходное содержание O₂: 0,06%
Требуемое содержание O₂: 0,003%
ФМн75 (содержание Mn = 75%)
Коэффициент усвоения: 0,80
Расчет:
Дозировка ФМн75 = (0,06 - 0,003) × 100 × 100 / (75 × 0,80) = 9,5 кг/т
Контроль качества раскисления
| Параметр контроля | Метод определения | Норма для спокойной стали | Частота контроля |
|---|---|---|---|
| Содержание кислорода | Экспресс-анализ | ≤ 0,004% | Каждая плавка |
| Остаточный алюминий | Спектральный анализ | 0,02-0,08% | Каждая плавка |
| Неметаллические включения | Металлография | ≤ 3 балла | Выборочно |
| Газосодержание | Вакуумная экстракция | H₂ ≤ 2 ppm | По требованию |
Часто задаваемые вопросы
Отказ от ответственности: Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для образовательных целей. Информация не должна использоваться как руководство к действию без консультации с квалифицированными специалистами. Авторы не несут ответственности за любые последствия, возникшие в результате использования представленной информации.
Источники информации: ГОСТ 1050-2013, ГОСТ 19281-2014, ГОСТ 1435-99, ГОСТ 5950-2000, ГОСТ 1778-70, ГОСТ 295-98, ГОСТ 14637-2024, технические справочники по металлургии, научные публикации в области металловедения и технологии производства стали.
