8.7. Раскисление металла

Как уже отмечалось, в подавляющем большинстве случаев плав­ка литейных сплавов сопровождается преднамеренным или нежела­тельным, но неизбежным, окислением основного металла и легиру­ющих элементов. При плавке стали и медных сплавов оксиды основ­ного металла растворяются в нем, ухудшая качество сплава. Поэтому в конце плавки стали и медных сплавов проводят раскисление металла, т. е. восстановление оксидов основного металла.

В качестве раскислителей применяют элементы, имеющие боль­шее сродство к кислороду, чем основной металл. При этом важ­но, чтобы образующиеся оксиды раскислителя не растворялись в металле, но удалялись в шлак или газовую фазу.

Кроме двух указанных свойств раскислители должны быть эко­логически чистыми, недорогими и недефицитными.

Сплавы на основе алюминия и магния не раскисляют, так как эти металлы обладают исключительно высоким сродством к кис­лороду, сами образуют прочные нерастворимые оксиды, которые можно удалить из расплава в процессе дегазации.

При плавке чугуна специальной операции раскисления не про­водят в связи с тем, что функцию раскисления выполняет леги­рующий элемент чугуна — кремний, содержание которого в ме­талле всегда превышает требуемое количество раскислителя, вво­димого в расплав. По той же причине не раскисляют сплавы на основе цинка, содержащие не менее 4 % А1.

Таким образом, закономерности процесса раскисления имеют существенное значение только для плавки стали и медных сплавов. При плавке литейных сталей чаще всего используется глубин­ное или осаждающее раскисление. В качестве раскислителей применяют марганец (в виде ферромарганца), кремний (в виде фер­росилиция). Содержание элемента-раскислителя в ферросплаве со­ставляет 45... 75 %. Раскисление протекает по следующим реакциям с положительным тепловым эффектом Q:

[FeO] + [Mn] = [Fe] + (MnO) + Q,

или

2[FeO] + [Si] = 2[Fe] + (Si0₂) + Q,

В результате реакций образуются малорастворимые в металле оксиды марганца или кремния, плотность которых меньше плот­ности стали, т.е. образующийся «осадок» всплывает в шлак, от­сюда название метода — «осаждающий». Этот метод называют также «глубинным», так как раскислительвводят в глубь ванны металла.

Важно отметить, что всплытие продуктов раскисления затруд­нено из-за малых размеров образующихся частиц МпО и Si0₂, а также по причине значительной вязкости расплава. Кроме того, в результате раскисления прекращается кипение стали и выделение пузырьков СО, которое способствовало флотации неметалличес­кой мути при кипении. Поэтому при осаждающем раскислении невозможно получить сталь, чистую от неметаллических включе­ний, что является существенным недостатком рассматриваемого метода. Однако этот метод получил наибольшее распространение как самый простой и дешевый.

Уменьшения количества оставшихся в стали неметаллических включений добиваются применением комплексных раскислите - лей. Они представляют собой сплавы нескольких раскислителей: силикомарганец (Si + Мп), силикокальций (Si + Са), сплав АМС (А1 + Мп + Si), сплав КМК (Si + Мп + Са) и др. При использова­нии комплексных раскислителей продукты реакций раскисления вступают во взаимодействие между собой, образуя более крупные и легко всплывающие включения. (Напомним, что Si0₂ является кислотным, или, что у практиков чаще используется, «кислым» оксидом, а МпО и СаО — это основные оксиды).

Кроме того, взаимодействие продуктов реакций раскисления между собой приводит к уменьшению их активности и смещению равновесия реакций в сторону более полного раскисления. Коли­чество вводимого раскислителя должно быть необходимым и дос­таточным для полного восстановления оксида железа, растворен­ного в металле. Присадка избыточного количества раскислителя приводит к увеличению содержания в металле элемента-раскис- лителя по сравнению с заданным химическим составом стали. Поэтому в процессе раскисления отбирают пробы «на раскислен- ность металла», в частности «на ковкость» и «на рост».

Технологическая проба «на ковкость» основана на том, что оксид железа сообщает сталям красноломкость. Поэтому после введения первой порции раскислителя отливают небольшой ци­линдрический образец, и после затвердевания его расковывают в лепешку. Образование трещин по краям лепешки свидетельствует о красноломкости стали и необходимости введения дополнитель­ной порции раскислителя.

Проба «на рост» основана на том, что в процессе кристаллиза­ции недостаточно раскисленной стали происходит реакция кипе­ния:

FeO + С = Fe + COt - Q.

Рис. 10. Технологическая проба раскисленности стали (проба «на рост»):

а — образец раскисленной стали; б — образец недораскисленной стали

Эта эндотермическая реакция протекает при относительно низкой температуре (в интервале кристаллизации) благодаря тому, что зарождение пузырьков СО облегчается образованием твердых кристаллов металла, а также выделением скрытой теплоты крис­таллизации. Образующиеся при этом пузырьки СО заполняют уса­дочные пустоты в затвердевающем образце и препятствуют обра­зованию утяжины на его свободной поверхности. Поэтому обра­зец недораскисленной стали имеет выпуклую или плоскую сво­бодную поверхность, тогда как наличие утяжины на образце сви­детельствует о раскисленности стали (рис. 8.10).

После получения образца раскисленной стали предваритель­ное раскисление заканчивают. При выпуске стали из печи прово­дят окончательное раскисление алюминием, который задают на желоб печи или в ковш, под струю металла. Раскислительная спо­собность алюминия настолько велика, что при остаточном содер­жании его в стали 0,001 % содержание растворенного кислорода в стали составляет около 0,001 %, что приближается к пределу оп­ределения концентрации кислорода.

Для каждой марки или группы марок стали разрабатывают и используют свою технологию раскисления.

Диффузионное раскисление основано на применении за­кона распределения, согласно которому равновесное отношение концентраций оксида железа в шлаке (FeO) и в металле [FeO] является постоянной величиной при данной температуре, не за­висящей от абсолютного количества оксида в системе, т.е.

а

^Feo = (FeO,%)/[FeO,%] = const.

С позиции закона распределения безразлично, куда вводится раскислитель — в шлак или в металл — в обоих случаях фазы будут раскисляться пропорционально благодаря диффузии FeO из одной несмешивающейся фазы в другую.

При диффузионном раскислении стали раскислитель вводят в шлак. Обычно при диффузионном раскислении используют силь­ные восстановители: углерод (в виде электродного боя, древесно­го угля), ферросилиций, алюминий.

Преимущество диффузионного раскисления состоит в том, что продукты реакций раскисления образуются и остаются в шлаке и не «замутняют» металл. Однако скорость процесса диффузионного раскисления значительно меньше скорости глубинного (осажда­ющего) раскисления даже при высокой температуре металла и шлака. Это приводит к существенному уменьшению производи­тельности печи.

Раскисление медных сплавов проводится введением раскис­лителей как в расплав, так и в шлак (поверхностное раскисле­ние). Некоторые из используемых раскислителей способствуют дегазации расплава и увеличению электропроводности медных отливок.