книги из ГПНТБ / Хан Б.Х. Раскисление, дегазация и легирование стали
.pdf[йА ДОМ Н£ ВЫДАЁК <»
Б. X. ХАН
.....;
РАСКИСЛЕНИЕ, ДЕГАЗАЦИЯ И ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛИ
Под редакцией акад. АН УССР Н. Н. ДОБРОХОТОВА
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ
ПО ЧЕРНОЙ И ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Москва 1960
I |
ГОС. ПУБЛИЧНАЯ |
1 iOS |
|
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ |
I |O* |
~— |
|
ЕИБЯИОТЕКА СССР |
I |
()D |
АННОТАЦИЯ
В книге дан анализ современных методов и практических приемов раскисления, дегазации и легирования спокойных и кипящих сталей,, изло жены термодинамические оснрвы раскисления, де газации и легирования стали.' Подробно ; описаны
влияние легирующих элементов, |
водорода^ азота |
|
.И |
^свойства С^алй^ |
а также-свойётва |
отдельных раскислителей и образующихся про дуктов раскисления.Шоказаны,методы, используе мые для определения в стали газов и неметалли ческих включений.
Книга рассчитана на инженерно-технических ра ботников металлургических и машиностроитель ных заводов, сотрудников научно-исследователь ских институтов и может быть полезна студен там вузов соответствующих специальностей.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие .......................................................... |
|
|
|
|
|
4 |
|
I. Раскисление стали ..................... |
•••........................................ |
|
|
.5 |
|||
|
Растворимость кислорода в железе --••............. |
|
5 |
||||
|
Термодинамика раскисления |
стали ................................... |
|
• |
8 |
||
|
Кислородные включения в стали ••••................................................... |
|
22 |
||||
|
Оксисульфидные включения |
в |
стали ........................................... |
|
|
29 |
|
|
Методы определения кислорода и неметаллических включений в |
33 |
|||||
|
стали ............................................... |
|
|
|
|
|
|
|
Влияние кислорода и неметаллических включений на свойства и |
40 |
|||||
|
качество стали ..................................... |
|
|
•.............. |
|
||
|
Подготовка ванны к раскислению •••................. |
•......... |
|
46 |
|||
|
Раскисление |
спокойной мартеновской |
стали...... ....................... |
|
54 |
||
|
Раскисление кипящей и полуспокойной мартеновской стали ■••••• |
68 |
|||||
|
Раскисление конвертерной стали .......................................................... |
|
|
72 |
|||
|
Раскисление |
электростали |
.................................... |
|
.—........... 75 |
||
|
Раскисление стали в изложницах ■■■■■........ |
|
82 |
||||
|
Укрупнение и всплывание из стали продуктов раскисления •••••• |
86 |
|||||
|
Раскислители ............................................................... |
|
|
-............ |
|
90 |
|
И. |
Дегазация стали ....................................... |
|
|
••••............. |
|
96 |
|
|
Растворимость водорода и азота в железе и стали |
......................... |
.96 |
||||
|
Термодинамика поведения водорода й азота в стали |
103 |
|||||
|
Содержание водорода и азота в промышленных сталях ••••<...... |
105 |
|||||
|
Влияние водорода на свойства и качество стали • |
••....................... |
107 |
||||
|
Влияние азота на свойства и качество стали ■■••••• |
........... •.......... |
.123 |
||||
|
Методы’определения водорода и азота в стали ....... |
• •••........ |
128 |
||||
|
Поведение водорода и азота при выплавке стали ............... |
•< 142 |
|||||
|
Растворимость водорода и азота в шлаках —--••....... |
—.......... |
.156 |
||||
|
Рекомендуемый режим плавки в основной мартеновской печи---- |
160 |
|||||
|
Водород и азот в слитках и прокате ............. |
|
|
162 |
|||
|
Диффузия водорода в стали |
.................................... |
|
|
167 |
||
III. |
Легирование |
стали ................................. |
|
|
|
|
172 |
|
Влияние легирующих примесей на свойства стали |
................ |
.172 |
||||
|
Сортамент легированных сталей .......................................................... |
|
|
178 |
|||
|
Термодинамика легирования |
стали ............. |
|
|
190 |
||
|
Растворение |
ферросплавов |
в |
жидкой |
стали при раскислении и |
||
|
легировании ............ |
сталей |
|
|
197 |
||
|
Легирование |
мартеновских |
|
|
210 |
||
|
Легирование |
электросталей .................................................... |
|
|
|
220 |
|
Литература ......................... |
|
|
|
|
|
232 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие современной техники предъявляет все возрастаю щие требования к качеству стали; сортамент выплавляемых ста лей непрерывно увеличивается. Особенно быстро развивается
выплавка качественных сталей и, в частности, легированных. В
связи с этим технологический процесс плавки во всех сталепла вильных агрегатах постоянно совершенствуется.
Заключительными этапами сталеплавильного процесса яв
ляются раскисление и легирование. На качественные характери стики металла значительно влияют находящиеся в нем водород и азот, содержание которых зависит от технологии выплавки стали.
Процессу раскисления и поведению газов в стали посвящено
множество экспериментальных работ; специальных трудов, по священных легированию стали, нет. Поскольку раскисление, ле гирование и дегазация стали неразрывно связаны между собой в технологическом процессе и оказывают заметное влияние на качество готового металла, имеет смысл объединить эти вопро сы в одном труде. Попыткой такого объединения является пред лагаемая книга, написанная по новейшим материалам отечест венного и зарубежного опыта.
Книга состоит из трех разделов, каждый из которых посвя щен одному из перечисленных выше вопросов. В каждом разде ле содержатся не только сведения о технологических приемах ведения сталеплавильного процесса, но и теоретические основы излагаемых вопросов, методика контроля качества металла, влияние отдельных элементов на свойства стали.
Основное внимание уделено теоретическому обоснованию и
описанию практики выплавки стали без предварительного рас кисления в печи и с раскислением и легированием в ковше твердыми ферросплавами. Эти прогрессивные методы работы за последние годы получили широкое распространение на пере довых заводах.
Автор выражает глубокую благодарность научному редак тору акад. АН УССР Н. Н. Доброхотову за ценные указания и
помощь |
при составлении |
рукописи, а также рецензентам — |
инж. П. |
Г. Равделю и канд. |
техн, наук П. П. Арсентьеву. |
I. РАСКИСЛЕНИЕ СТАЛИ
РАСТВОРИМОСТЬ КИСЛОРОДА В ЖЕЛЕЗЕ
Кислород, элемент с явно выраженными металлоидными свойствами, обладает сильным сродством к железу, хорошо раст воряется в жидком железе и образует с железом три химических соединения: закись железа FeO (вюстит), закись-окись железа
Fe3O4 (магнетит) и окись железа РегОз, имеющую две модифи кации— немагнитную (гематит) и магнитную (маггемит). Об разование того или иного окисла железа зависит от окислитель
ного потенциала газовой фазы, находящейся в контакте с желе зом. Устойчивость окислов железа изменяется с температурой.
На рис. 1 приведена диаграмма состояния системы железо— кислород. В области высоких концентраций кислорода устойчи выми окислами железа являются гематит и магнетит. Низший окисел железа (вюстит) вполне устойчив только в области вы соких температур; ниже 570° этот окисел переходит в магнетит с отделением железа, но может быть получен в метастабильном состоянии путем быстрого охлаждения с температуры выше
570°.
Соединения железа с кислородом, соответствующего форму ле FeO, в действительности в природе не существует. Число ато мов железа в вюстите меньше числа атомов кислорода. Поэтому вюстит можно изображать формулой FeЛО. Значение х является переменной величиной и зависит от температуры и давления кислорода в газовой фазе, находящейся в равновесии с этим окислом.
Кислород входит в решетку вюстита, замещая при этом одну
группу FeO. Следовательно, в вюстите, кроме атомов двухва лентного железа, присутствуют атомы трехвалентного железа.
При 1600° соотношение — =0,06.
%Fe2+
Левая часть диаграммы состояния железо — кислород в об ласти высоких температур имеет непосредственное отношение к процессам сталеварения, а в области низких температур — к влиянию кислорода на свойства железа и стали.
6 Раскисление стали
Зависимость растворимости кислорода в жидком железе от температуры представлена на диаграмме линией ВВ1; с увели
чением температуры растворимость возрастает. Эта зависисимость подробно изучена для температурного интервала 1520—
Жидкий металл .Жидкий металл
\В' r'+жидкий окисел
1600 |
|
идкийокисел |
|
|
кислород |
— |
|
я |
Жидкий окисел |
идкис R |
|
|
окисел |
|
|
1500 =дд=ои__д |
|
|
|
амма-железц |
тагнегпшг |
|
|
Целылажелез |
|
||
_____ S В |
|
||
^идкииокисел^жцдкцймц^ |
|
||
1400 |
|
5 |
|
|
|
|
|
N |
Жидкииоки |
К |
|
сел-i Вюстит |
|
/300
Гамма-железо + Вюстит
1200
а |
1100 |
|
Вюстит |
Магнетит |
В |
|
Вюсти |
||
|
1- магнетит |
t гематит |
||
|
|
|||
& 1000 |
|
|
|
|
с£: |
900 |
|
|
|
еоо
г* вюстит
700
в
В
£
600 |
|
|
|
|
|
|
|
500 Нлыро-желеэсВ магАетитп |
|
2- |
|||||
О |
0,4 |
22] |
23 |
24 |
25 |
26 |
|
|
|
ГеО |
|
|
|
РСзОч |
^2°3 |
|
|
|
Содержание кислорода, °/о |
|
|||
Рис. |
1. Диаграмма состояния |
системы железо — кислород |
|
1700°. Максимальное содержание кислорода в железе в преде лах указанных температур выражается формулой *[1J
lg[%O]MaKC = --^ + 2,734.
(содержание кислорода выражено в весовых процентах).
По другим данным [2], растворимость кислорода в жидкой
Растворимость кислорода в железе |
7 |
стали, находящейся в равновесии с чистой закисью железа, вы
ражается уравнением
lg[%O]HaKC = --^- +2,439.
Окисление железа и растворение в жидком железе кислоро да происходит путем образования на поверхности железа плен ки из окислов (если превышен предел растворимости для дан ной температуры) или в результате контакта металла со шла
ком. Если же предел растворимости кислорода не достигнут, то
его растворение в желе зе происходит без обра зования окисной пленки.
Расплавленные шла ки, как установлено спе циальными исследовани ями, являются ионными растворами [3]. Способ ность реального шлака окислять железо опреде ляется не только концен
трацией анионов кисло рода и катионов желе за, но и концентрацией
сложных анионов крем
ния, |
фосфора |
и алюми |
|
||
ния, влияющих на коэф |
|
||||
фициент |
активности |
ио |
|
||
нов |
кислорода. |
Наиболь |
Рис. 2. Влияние температуры на раство |
||
шей |
окислительной |
спо |
римость кислорода в а- и у-железе |
||
собностью |
обладают |
же- |
|
лезистые шлаки с низкой концентрацией кремнезема, глинозе ма и фосфорного ангидрида. Основной железистый шлак имеет большую окислительную способность, чем кислый шлак.
Растворимость кислорода в твердом железе весьма низкая.
На рис. 2 показано влияние температуры на растворимость кис лорода в а- и у-железе. Растворимость кислорода в у-железе во много раз меньше, чем в a-железе. При переходе у-железа в a-железо растворимость кислорода скачкообразно увеличивает ся; при дальнейшем понижении температуры растворимость кис
лорода в a-железе уменьшается [4]. Это изменение растворимо сти, сопровождающееся выпадением кислорода из раствора, яв ляется одной из причин старения железа. Если же кислород удержался в a-железе и раствор оказался по каким-то причинам не разложившимся, то в дальнейшем, вследствие резкого пониже ния растворимости кислорода, старение железа неизбежно. Это
8 |
Раскисление стали |
обстоятельство необходимо иметь в виду при выборе мягкого железа, например котельного, предназначенного для службы при повышенных температурах.
На основании приведенных данных можно предполагать, что
в твердом малоуглеродистом железе при температуре 1400—
1500° (т. е. в 5-железе, имеющем одинаковое с a-железом стро ение) может растворяться большое количество кислорода.
ТЕРМОДИНАМИКА РАСКИСЛЕНИЯ СТАЛИ
В печи жидкая сталь находится в окисленном состоянии и к
концу плавки содержит значительное количество растворенно го кислорода (в виде анионов); кроме того, в стали может на
ходиться суспензия кислородных включений. Снижение темпера туры металла во время разливки и при кристаллизации сопро вождается уменьшением растворимости кислорода, что приво дит к образованию и выделению окиси углерода и к получению
пузыристых отливок, неплотных слитков и к другим нежелатель ным явлениям.
Первой задачей раскисления является снижение содержания
растворенного в стали кислорода и связывание его в прочные
соединения, не дающие газообразных выделений при затверде вании металла.
При выплавке спокойной стали содержание растворенного
кислорода должно быть как можно меньше, а при выплавке ки пящей стали — должно быть снижено до заданной величины, обеспечивающей нормальное кипение стали в изложницах.
Другой задачей раскисления является максимальное сниже ние количества содержащейся в жидкой стали суспензии из кис лородных (обычно алюмосиликатных) включений. Эту суспен
зию следует скоагулировать, чтобы мелкие частички объедини лись в более крупные, в результате чего скорость всплывания их увеличится. Однако несмотря на все меры, принимаемые для удаления из стали находящегося в ней кислорода, некоторое ко личество его остается. Необходимо добиваться того, чтобы остав
шийся в жидкой стали кислород выделялся при затвердевании в виде наименее вредных включений.
Раскислителями стали обычно являются алюминий, кремний
имарганец. Эти элементы, вводимые совместно или порознь,
уменьшают количество растворенного в жидкой стали кислоро да, а при ее затвердевании заставляют оставшийся кислород вы деляться в виде сравнительно мало вредных марганцевых алю мосиликатов.
Если в качестве раскислителя применен лишь марганец, при
затвердевании стали из нее выделяются оксисульфиды марганца
ижелеза (раствор оксидов и сульфидов); соотношение марган