Процесс раскисления стали является весьма сложным. Обычно его описывают механизмом из четырех последовательных шагов.
1) Растворение и гомогенизация раскислителя в стальном расплаве с тем, чтобы направить реакцию раскисления в направлении образования оксидов.
2) Стимулирование образования критических зародышей продуктов раскисления в гомогенной среде.
3) Выполнение собственно раскисления за счет увеличения количества продуктов реакции.
4) Отделение продуктов реакции раскисления путем их флотации из расплава с целью повышения чистоты стали.
Свойства раскислителей стали
Из этого четырехшагового механизма раскисления вытекают требования к свойствам и качеству раскислителей для получения максимально чистой стали у конечного потребителя.
Раскислитель должен быть в виде, который позволяет ему легко растворяться в расплаве. Чистые элементы, такие как кремний, алюминий и титан, с трудом растворяются в стали из-за плотной оксидной пленки на из поверхности. Поэтому их применяют в виде ферросплавов, у которых нет проблем с растворением в жидкой стали.
Для облегчения процесса образования зародышей продуктов раскисления производят предварительную обработку расплава алюминием. При этом образуются поверхности между оксидом алюминия и сталью, на которых легче возникать зародышам других раскислителей.
Рост продуктов реакции раскисления зависит от вида раскислителя. Жидкие частицы легче поддаются коалесценции, чем твердые. Поэтому стремятся проводить раскисление с образованием жидкого продукта реакции.
Раскислители добавляют в виде их ферросплавов или чистых металлов. Алюминий добавляют в виде дроби, а углерод – в виде графита или антрацита.
Раскисление стали кремнием и марганцем
Раскисление только кремнием является весьма эффективным с образованием твердых частиц SiO2. Раскисление только марганцем дает жидкие продукты реакции, но не является вполне эффективным. Когда эти два раскислителя применяют вместе, то сначала образуется продукт раскисления марганцем — жидкий шлак типа FeO-MnO, который захватывает твердый продукт раскисления кремнием – частицы SiO2. Результирующим продуктом в этом случае является шлак типа Fe-MnO-SiO2, в котором активность оксидов кремния и магния намного ниже, чем когда они действуют раздельно. Это повышает эффективность этих раскислителей по снижению уровня содержания кислорода в стали.
Совместное применение марганца и кремния их добавляют в расплав в определенном соотношении. Марганец и кремний используют в соотношении от 7:1 до 4:1 для получения тонкой пленки жидкого шлака как продукта реакции раскисления. Ферросплав Fe-Mn добавляют первым, а затем ферросплав Fe-Si .
Раскисление стали алюминием
Алюминий является очень эффективным раскислителем, так как оксид алюминия Al2O3 – это намного более стабильный оксид, чем SiO2, MnO и другие. Однако оксид Al2O3 остается твердым даже при температуре литья стали и поэтому его не применяют в одиночку, если требуется высокая степень очистки стали от кислорода.
Алюминий обычно применяют совместно с марганцем и кремнием, чтобы оксид алюминия имел шанс соединится с тонким жидким шлаком.
Другие раскислители стали
Бор, цирконий, титан также являются сильными раскислителями. Степень раскисления, которая достигается при применении 8 % кремния, может быть достигнута путем добавки всего 0,7 % бора или 0,1 % титана или 0,002 % алюминия или 0,0003 % циркония.
Флотация продуктов раскисления
Применение раскислителей, отличных от углерода, приводит к образованию жидких или твердых продуктов в виде дисперсной фазы в расплаве стали. Поскольку эти оксиды легче, чем сталь, то они поднимаются на поверхность расплава и их можно снимать в виде шлака. Обычно частицы радиусом менее 10-3 см не способны подниматься на поверхность расплава, в частицы радиусом более чем 10-2 см удаляются из расплава почти полностью. Для эффективного удаления частиц принимают меры по их коалесценции в более крупные частицы.
Полезные мелкодиспресные продукты раскисления стали
Иногда продукты раскисления выгодно оставлять в очень мелкодисперсной форме. Алюминий образует очень мелкодисперсные частицы Al2O3, которые не склонны коагулировать и поверхность этих частиц работает как места зарождения твердой фазы при затвердевании стали. Огромное количество этих мест зарождения дает очень мелкую зеренную структуру стали. Цирконий специально добавляют, что бы предотвратить сегрегацию сульфидов в быстрорежущих сталях.
