Характеристика элементов-раскислителей и константы реакции раскисления

Основной количественной мерой сродства элементов к кислороду является изменение энергии Гиббса (ΔG°) реакций их взаимодействия. Практически в сталях содержание элементов – раскислителей различно.

Так содержание алюминия в большинстве случаев не превышает 0,1%, содержание марганца колеблется в пределах 0,2—0,8%, поэтому для сравнения раскислительной способности элементов используют равновесное содержание кислорода в металле при разных содержаниях
элементов, которые рассчитывают по константам (постоянным величинам) реакции раскисления.Раскислители вводят в металл в виде сплавов с железом, в виде сложных сплавов, состоящих из железа и ряда других элементов (комплексных раскислителей) или в виде чистых металлов (алюми­ния, магния, кальция и др.). К комплексным раскислителям отно­сятся: силикомарганец, АМС (алюминий, марганец, кремний), силикокальций, силикоцирконий, силикоалюминий и др. Металличе­ские раскислители по степени возрастания их раскислительной способности располагаются в следующей последовательности: Мп (марганец), Si (кремний), Ti (титан), Zr (цирконий), Аl (алюминий), Mg (магний), Са (кальций).

Раскисляющую способность раскислителей оценивают, сравни­вая давления диссоциации оксидов элементов-раскислителей с дав­лением диссоциации оксида раскисляемого металла. Так, для рас­кисления FеО могут быть использованы все элементы, образующие оксиды с более низким, чем у монооксида железа, давлением диссо­циации.

Раскисление углеродом. Процесс раскисления металла углеродом мало изменяется при изменении температуры, поэтому ванну пред­варительно раскисляют добавками углеродсодержащих материалов (чугуна, ферросплавов) или вдуванием порошкообразных веществ. При этом продукт раскисления металла углеродом — оксид углерода — легко удаляется из ванны, способствуя ее перемешиванию.

Раскисление марганцем. С кислородом в металле марганец взаимо­действует по реакции

[Мп] + [О] = (МпО).

Константа равновесия этой реакции определяется из выражения (содержание компонентов реакции в процентах):

lgK_Mn = lg(1/[Мn]•[0]) = ΔG_T⁰(4,576•T) = (-69550 + 31,02•T)/(4,576•T) = (15200/T) – 6,78.

Марганец является слабым раскислителем и его присадки в ме­талл могут понижать содержание кислорода только в низкоуглероди­стой стали. При понижении температуры металла полнота раскисле­ния марганцем несколько повышается. С увеличением содержания марганца в металле до >0,6% в продуктах раскисления начинает пре­обладать оксид марганца, температура плавления которого (1650 °С) выше температуры металла, т.е. MnO находиться в твердом состоянии и плохо удаляется из металла в шлак.

Раскисление кремнием. Кремний с кислородом в металле взаимо­действует по реакции

[Si] + 2[0] = (SiO₂).

Константу равновесия оп­ределяет выражение (содержание компонентов в процентах):

lgK_Si = lg(1 / [Si]•[О]²) = -ΔG_T⁰(4,576•T) = (-86000 + 24,02•T)/(4,576•T) = (1880/T) – 5,25.

Установлено, что содержание кислорода в стали после раскисле­ния ее кремнием снижается только при низких концентрациях угле­рода в расплаве (

При содержании в металле >0,37% Б1 концентрация растворенно­го кислорода в расплаве практически не изменяется.

С понижением температуры металла раскислительная способ­ность кремния повышается. При содержании в стали >0,14% про­дукты раскисления представлены твердым кремнеземом, имеющим температуру плавления 1710 °С и плохо удаляющимся из расплава.

Раскисление алюминием. Алюминий является весьма активным раскислителем. Взаимодействие алюминия с кислородом металла происходит по реакции 2[Аl] + 3[0] = (Аl₂0₃). Константу равновесия определяет выражение (содержание компонентов реакции в процен­тах):

lgK_Al = lg(1/[Аl]^2 • [0]³) = (64000/T) + 20,63.

Если при температуре 1660 °С и содержании в металле 0,005% [Аl] в равновесии с ним находится 0,0011% [О] , то при содержании алю­миния 0,01% равновесная концентрация кислорода в металле соста­вляет 0,0007%.

Продукты раскисления железа алюминием представлены в металле твердыми частицами глинозема с температурой плавления 2050 °С. Алюминий, в отличие от марганца и кремния, образует с азотом прочные нитриды с температурой плавления -2100 °С. Являясь цен­трами кристаллизации стали, нитриды алюминия способствуют из­мельчению ее первичного зерна. При содержании в металле >0,02% [Аl] не только изменяются форма и состав оксидных неметалличе­ских включений, но и снижается их количество, что оказывает поло­жительное влияние на механические свойства стали.

Раскисление титаном. В ряде случаев для раскисления стали ис­пользуют титан. Взаимодействие титана с килородом металла проис­ходит по реакции  [Тi] + [0] = (ТiO₂), для нахождения константы равновесия которой используют выражение: lgK_Тi = -(30800/T + 0,38.

При содержании в железе 0,05%   [Тi] равновесное содержание кислорода в расплаве при температуре 1600⁰С будет 0,004%, что свидетельствует о достаточно высоком раскисляющем действии титана.