Кислород является одновременно и необходимым, и вредным в сталеплавильном производстве. Хотя продувка кислородом является основополагающей для рафинирования в кислородно-конвертерном процессе (ККП) и электродуговой печи (ЭДП) для удаления углерода, фосфора и кремния, растворенный кислород, оставшийся после выпуска, должен строго контролироваться. Неконтролируемый кислород приводит к газовой пористости, охрупчиванию и, что наиболее критично, к образованию неметаллических включений, которые ухудшают механические свойства, усталостную долговечность и качество поверхности.

Современное сталеплавильное производство требует глубокого понимания активности кислорода, равновесия раскисления и управления включениями. В этой статье рассматривается, как растворенный кислород влияет на образование включений, и представлены практические стратегии для оптимальной практики раскисления для различных марок стали.

Проблема кислорода: от ККП до промежуточного ковша

В конце процесса ККП или ЭДП расплавленная сталь содержит 400–800 ppm растворенного кислорода, в основном в равновесии с углеродом. Для справки, большинство готовых стальных изделий требуют уровня кислорода ниже 30 ppm, а для ответственных применений (подшипниковые стали, рессорно-пружинные стали) требуется менее 10 ppm общего кислорода. Этап раскисления — добавление элементов с высоким сродством к кислороду — должен удалить подавляющую часть этого кислорода, одновременно управляя неизбежной популяцией включений, которая возникает в результате.

«Каждая часть на миллион удаленного кислорода создает примерно 3–5 ppm оксидных включений. Цель состоит не только в удалении кислорода, но и в том, чтобы сделать образующиеся включения безвредными».

Основная реакция раскисления может быть представлена как: x[M] + y[O] → MₓOy (тв или ж). Выбор раскислителя определяет химический состав включений, их морфологию и поведение при удалении. Давайте рассмотрим наиболее распространенные системы раскисления.

Раскисление алюминием: высокая эффективность, высокий риск включений

Алюминий является самым мощным и экономически эффективным раскислителем, способным снизить содержание растворенного кислорода до 2–5 ppm в равновесных условиях. Реакция: 2Al + 3[O] → Al₂O₃(тв). Однако образующиеся включения глинозема (Al₂O₃) являются твердыми, твердыми и часто образуют кластеры, которые трудно полностью удалить. Эти включения вредны для усталостной долговечности, обрабатываемости и качества поверхности. При непрерывной разливке накопление глинозема в погружных стаканах (SEN) является постоянной эксплуатационной проблемой.

Микрофотография, показывающая скопления включений оксида алюминия в стали, раскисленной алюминием - Bright Alloys
Рисунок 1: Кластеры включений глинозема (темные строчки) в стали, раскисленной алюминием — распространенный источник дефектов.

Наилучшая практика для раскисления Al: Для полностью раскисленных сталей, требующих очень низкого общего содержания кислорода, используйте 0,5–1,2 кг Al на тонну стали. Затем следует аргонное перемешивание для содействия флотации включений и, где возможно, обработка кальцием для модификации глинозема в жидкие алюминаты кальция.

Раскисление кремнием и марганцем: жидкие включения, более чистая сталь

Комбинация кремния и марганца дает явное преимущество: продукт раскисления представляет собой жидкий силикат марганца (MnO·SiO₂) при температурах сталеплавильного производства. Жидкие включения легче коалесцируют и всплывают быстрее, чем твердые оксиды. Реакция следующая: [Si] + 2[Mn] + 4[O] → (MnO)₂·SiO₂(ж). Хотя раскисление кремнием и марганцем не достигает такого низкого уровня кислорода, как алюминий (обычно 20–40 ppm остаточного O), результирующая популяция включений меньше, более сферична и менее вредна. Для многих конструкционных марок стали раскисление Si-Mn обеспечивает оптимальный баланс между чистотой и стоимостью.

Практический совет: Поддерживайте целевое соотношение Mn/Si на уровне 3:1–5:1 для обеспечения образования жидкого оксида. Используйте высококачественный сплав кремний-марганец (SiMn) с постоянным химическим составом для воспроизводимых результатов.

Обработка кальцием: модификация включений для превосходных характеристик

Кальций редко используется в качестве основного раскислителя из-за его высокой стоимости и низкого усвоения, но он непревзойден как модификатор включений. При добавлении в сталь, раскисленную алюминием (обычно через порошковую проволоку CaSi), кальций реагирует с твердыми включениями глинозема, образуя легкоплавкие алюминаты кальция (например, 12CaO·7Al₂O₃, температура плавления ~1455°C). Эти глобулярные включения менее вредны для механических свойств и значительно снижают забивание стаканов при непрерывной разливке.

«Обработка кальцием превращает ахиллесову пяту раскисления алюминием — кластеры глинозема — в управляемую глобулярную фазу включений».

Рекомендации по добавлению кальция: Для оптимальной модификации стремитесь к соотношению Ca/Al 0,10–0,15. Избыток кальция приводит к образованию CaS, который может повторно затвердевать и вызывать другие проблемы при разливке. Точность имеет решающее значение; современная практика использует инжекция порошковой проволоки CaSi с обратной связью в реальном времени.

Глобулярные включения алюмината кальция после обработки кальцием - Bright Alloys
Рисунок 2: Глобулярные включения алюмината кальция — желаемая морфология после правильной обработки кальцием.

Измерение и мониторинг активности кислорода

Современное сталеплавильное производство опирается на электрохимические кислородные датчики (на основе ZrO₂) для прямого измерения активности растворенного кислорода в ковше. Эти измерения направляют добавки раскислителей, уменьшая передозировку и недостаточную обработку. Ключевые целевые показатели кислорода по этапам процесса:

  • Конец ККП/ЭДП: 400–800 ppm (до раскисления)
  • После добавления Al или SiMn: 10–30 ppm (активный кислород)
  • После обработки кальцием: 5–15 ppm + стабильная модификация включений
  • Промковш (непрерывная разливка): Общий кислород (Otot) обычно 15–30 ppm, в зависимости от марки

Стратегии оптимальной практики раскисления

Достижение стабильной чистоты стали требует системного подхода. Следующая схема применима для большинства углеродистых и низколегированных марок стали:

  1. Шлаковый режим: Поддерживайте основной шлак (CaO/SiO₂ > 2,5) для поглощения продуктов раскисления. Снижение содержания FeO в шлаке ниже 1% минимизирует обратный переход кислорода.
  2. Интенсивное перемешивание аргоном: Не менее 5–10 минут мягкой продувки аргоном после раскисления способствует флотации неметаллических включений.
  3. Последовательное введение: Для марок, требующих очень низкого содержания кислорода, рассмотрите предварительное раскисление Si-Mn с последующим рафинированием алюминием и модифицированием кальцием.
  4. Защита ковша: Предотвращайте повторное окисление из шлака в ковше или при подсосе воздуха во время выпуска и разливки.

Пример из практики: Повышение качества подшипниковой стали

Специализированный производитель стали, выпускающий подшипниковую сталь SAE 52100, столкнулся с высоким уровнем брака из-за включений оксида алюминия, обнаруженных при ультразвуковом контроле. Внедрив двухстадийный протокол раскисления (предварительное раскисление Si-Mn → рафинирование Al → обработка порошковой проволокой CaSi) и оптимизировав время перемешивания в ковше до 12 минут, производитель снизил общее содержание кислорода с 18 ppm до 8 ppm. Показатели загрязненности включениями улучшились на 60%, а ресурс подшипников (L10) увеличился более чем вдвое. Этот пример подчеркивает, что контроль кислорода — это не единичное действие, а интегрированная стратегия процесса.

Поскольку требования к характеристикам стали постоянно растут — от трансмиссий электромобилей до фундаментов морских ветряных электростанций — мастерство контроля кислорода становится конкурентным преимуществом. Понимая взаимосвязь между растворенным кислородом, образованием включений и химизмом раскисления, сталеплавильщики могут стабильно производить более чистую, прочную и надежную сталь. Bright Alloys предлагает полный портфель сплавов для раскисления, включая ферросилиций, силикомарганец и порошковую проволоку CaSi, подкрепленный металлургической экспертизой для оптимизации вашей практики.