Кислород одновременно необходим и вреден в сталелитейном производстве. Хотя продувка кислородом является основополагающим процессом рафинирования в кислородно-конвертерных печах (ККП) и электродуговых печах (ЭДП) для удаления углерода, фосфора и кремния, Необходимо строго контролировать содержание растворенного кислорода после отбора проб.Неконтролируемое содержание кислорода приводит к газовой пористости, охрупчиванию и, что наиболее важно, к образованию неметаллических включений, которые ухудшают механические свойства, усталостную долговечность и качество поверхности.
Современное сталелитейное производство требует глубокого понимания активности кислорода, равновесия раскисления и инженерии включений. В этой статье рассматривается, как растворенный кислород влияет на образование включений, и представлены практические стратегии для оптимальной практики раскисления различных марок стали.
Кислородный вызов: от конвертера до разливочного ковша
В конце процесса в конвертере или электродуговой печи расплавленная сталь содержит 400–800 ppm растворенного кислорода, преимущественно находящегося в равновесии с углеродом. Для сравнения, для большинства готовых стальных изделий требуется уровень кислорода ниже 30 ppm, а для ответственных применений (подшипниковые стали, пружинные стали) — менее 10 ppm общего кислорода. Этап раскисления — добавление элементов с высоким сродством к кислороду — должен удалить подавляющее большинство этого кислорода, одновременно контролируя неизбежное образование включений.
Фундаментальную реакцию деоксидации можно представить следующим образом: x[M] + y[O] → MₓOy (s или l)Выбор раскислителя определяет химический состав включений, их морфологию и характер удаления. Рассмотрим наиболее распространенные системы раскисления.
Раскисление алюминия: высокая эффективность, высокий риск образования включений.
Алюминий является наиболее мощным и экономически эффективным средством для удаления окисления, способным снижать содержание растворенного кислорода до 2–5 ppm в условиях равновесия. Реакция выглядит следующим образом: 2Al + 3[O] → Al₂O₃(s)Однако образующиеся включения оксида алюминия (Al₂O₃) являются твердыми, плотными и часто образуют скопления, которые трудно полностью удалить. Эти включения негативно влияют на усталостную прочность, обрабатываемость и качество поверхности. При непрерывном литье накопление оксида алюминия в погружных соплах (SEN) является постоянной производственной проблемой.
Рекомендации по раскислению алюминия: Для полностью раскисленных сталей, требующих очень низкого общего содержания кислорода, используйте 0,5–1,2 кг алюминия на тонну стали. Затем проведите перемешивание в атмосфере аргона для ускорения флотации включений и, по возможности, обработайте кальцием для модификации оксида алюминия в жидкие алюминаты кальция.
Кремний-марганцевая раскисление: жидкие включения, более чистая сталь
Сочетание кремния и марганца дает существенное преимущество: продуктом деоксидации является жидкий силикат марганца (MnO·SiO₂) при температурах, характерных для сталеплавильного производства. Жидкие включения коагулируют легче и всплывают быстрее, чем твердые оксиды. Реакция выглядит следующим образом: [Si] + 2[Mn] + 4[O] → (MnO)₂·SiO₂(л)Хотя раскисление кремнием и марганцем не позволяет достичь такого низкого уровня кислорода, как при использовании алюминия (обычно 20–40 ppm остаточного кислорода), образующиеся включения меньше по размеру, имеют более сферическую форму и менее вредны. Для многих марок конструкционной стали раскисление кремнием и марганцем обеспечивает оптимальный баланс между чистотой и стоимостью.
Практический совет: Для обеспечения образования жидкого оксида необходимо поддерживать целевое соотношение Mn/Si от 3:1 до 5:1. Используйте высококачественный материал. кремний-марганцевый сплав (SiMn) с использованием стабильных химических реагентов для получения воспроизводимых результатов.
Обработка кальцием: модификация включений для повышения эксплуатационных характеристик.
Кальций редко используется в качестве основного раскислителя из-за его высокой стоимости и низкой степени извлечения, но он... непревзойденный в качестве модификатора включенияПри добавлении в раскисленную алюминием сталь (обычно с помощью проволоки с сердечником из кальциево-кремниевый сплав) кальций реагирует с твердыми включениями оксида алюминия, образуя низкоплавкие алюминаты кальция (например, 12CaO·7Al₂O₃, температура плавления ~1455°C). Эти шаровидные включения менее вредны для механических свойств и значительно снижают засорение сопла при непрерывной разливке.
Рекомендации по добавлению кальция: Для оптимальной модификации следует стремиться к соотношению Ca/Al 0,10–0,15. Избыток кальция приводит к образованию CaS, который может повторно затвердеть и вызвать другие проблемы при литье. Точность имеет решающее значение; в современной практике используются Впрыск проволоки с сердечником из кальциево-кремниевый сплав с обратной связью в режиме реального времени.
Измерение и мониторинг активности кислорода
Современное сталелитейное производство опирается на электрохимические датчики кислорода (На основе ZrO₂) для измерения активности растворенного кислорода непосредственно в ковше. Эти измерения позволяют корректировать добавление деоксидантов, снижая избыточную и недостаточную обработку. Ключевые целевые значения содержания кислорода на каждой стадии процесса:
- Конец BOF/EAF: 400–800 ppm (до деоксидации)
- После добавления Al или SiMn: 10–30 ppm (активный кислород)
- После обработки кальцием: 5–15 ppm + стабильная модификация включения
- Разливочный ковш (непрерывная разливка): Общее содержание кислорода (OTOT) обычно составляет 15–30 ppm, в зависимости от сорта.
Стратегии оптимальной практики деоксидации
Для достижения стабильной чистоты стали необходим систематический подход. Следующая схема применима к большинству марок углеродистой и низколегированной стали:
- Шлаковое машиностроение: Для поглощения продуктов раскисления необходимо поддерживать основной состав шлака (CaO/SiO₂ > 2,5). Снижение содержания FeO в шлаке ниже 1% минимизирует обратную реакцию окисления.
- Интенсивное перемешивание аргоном: По меньшей мере 5–10 минут мягкого барботирования аргоном после деоксидации способствуют флотации включений.
- Последовательное сложение: Для марок стали, требующих очень низкого содержания кислорода, следует рассмотреть возможность предварительной раскисления с помощью Si-Mn с последующей обработкой алюминием и модификацией кальцием.
- Крышка половника: Предотвратите повторное окисление из-за шлака, образующегося в ковше, или попадания воздуха во время выпуска и разливки.
Пример из практики: Трансформация качества подшипниковой стали
Производитель специализированной стали, выпускающий подшипниковую сталь SAE 52100, столкнулся с высоким процентом брака из-за включений типа оксида алюминия, обнаруженных при ультразвуковом контроле. Внедрение... двухэтапный протокол деоксидации (Предварительное раскисление Si-Mn → финишная обработка Al → обработка проволоки с сердечником кальциево-кремниевый сплав) и оптимизация времени перемешивания в ковше до 12 минут позволили производителю снизить общее содержание кислорода с 18 ppm до 8 ppm. Показатели включения улучшились на 60%, а усталостная долговечность подшипников (L10) увеличилась более чем вдвое. Этот случай подчеркивает, что контроль содержания кислорода — это не разовое действие, а комплексная стратегия процесса.
Поскольку требования к характеристикам стали постоянно растут — от силовых агрегатов электромобилей до фундаментов морских ветроэлектростанций — мастерство контроля содержания кислорода становится конкурентным преимуществом. Понимание взаимосвязи между растворенным кислородом, образованием включений и химией раскисления позволяет производителям стали стабильно выпускать более чистую, прочную и надежную сталь. Компания Bright Alloys предлагает полный ассортимент раскислительных сплавов, включая ферросилиций, кремний-марганец и проволоку с сердечником из кальциево-кремниевый сплав, а также экспертные знания в области металлургии, которые помогут оптимизировать вашу практику.