Раскисление - это метод, используемый в металлургии для удаления кислорода при производстве стали. Напротив, антиоксиданты используются для стабилизации, например, при хранении продуктов питания. Раскисление важно в процессе выплавки стали, так как кислород часто ухудшает качество производимой стали. Раскисление в основном достигается путем добавления отдельных химических веществ для нейтрализации воздействия кислорода или путем непосредственного удаления кислорода.
Окисление
Окисление - это процесс потери электронов элементом. Например, железо переносит два своих электрона на кислород, образуя оксид. Это происходит повсюду как непреднамеренная часть процесса выплавки стали.
Кислородная продувка - это метод выплавки стали, при котором кислород продувается через передельный чугун для снижения содержания углерода. Кислород образует оксиды с нежелательными элементами, такими как углерод , кремний , фосфор и марганец , которые появляются на различных этапах производственного процесса. Эти оксиды будут всплывать в верхнюю часть стальной ванны и удаляться из чугуна. Однако часть кислорода также вступает в реакцию с самим железом.
Из-за высоких температур, связанных с самой плавкой, кислород воздуха может растворяться в расплавленном чугуне во время его разливки. Шлак , побочный продукт, остающийся после процесса плавки, используется для дальнейшего поглощения примесей, таких как сера или оксиды, и защиты стали от дальнейшего окисления. Однако он все еще может вызывать некоторое окисление.
Некоторые процессы, хотя и могут приводить к окислению, не имеют отношения к содержанию кислорода в стали во время ее производства. Например, ржавчина - это красный оксид железа, который образуется, когда железо в стали вступает в реакцию с кислородом или водой в воздухе. Обычно это происходит только после того, как сталь использовалась в течение разного времени. Некоторые физические компоненты самого процесса выплавки стали, такие как электродуговая печь , также могут изнашиваться и окисляться. Эта проблема обычно решается за счет использования тугоплавких металлов , устойчивых к изменениям. [1]
Если сталь не раскислить должным образом, у нее будут снижены различные свойства, такие как прочность на разрыв, пластичность , ударная вязкость, свариваемость, полируемость и обрабатываемость. Это происходит из-за образования неметаллических включений и газовых пор, пузырьков газа, которые задерживаются в процессе затвердевания стали. [2]
Типы раскислителей
Металлические раскислители
Этот метод раскисления включает добавление в сталь определенных металлов. Эти металлы вступают в реакцию с нежелательным кислородом, образуя прочный оксид, который, по сравнению с чистым кислородом, в меньшей степени снижает прочность и качество стали.
Химическое уравнение раскисления представлено следующим образом:
где n и m - коэффициенты, D - раскислитель, O - кислород.
Таким образом, задействованное уравнение химического равновесия :
где окс - активность или концентрация оксида в стали, D - активность раскислителя, а О - активность кислорода.
Увеличение константы равновесия K eq вызовет увеличение оксида углерода и, следовательно, большего количества оксидного продукта.
K eq можно регулировать температурой стали с помощью следующего уравнения:
где A D и B D - параметры, характерные для различных раскислителей, а T - температура в K °. Ниже приведены значения для некоторых раскислителей при температуре 1873 K °. [1] [3]
Раскислитель | А | B | K экв |
---|---|---|---|
Марганец | 12 440 | 5,33 | 1,318 |
Кремний | 30 000 | 11,5 | 4,518 |
Алюминий | 62 780 | 20,5 | 13,018 |
Ниже приведен список обычно используемых металлических раскислителей:
- Ферросилиций , ферромарганец , силицид кальция - используются в сталеплавильном производстве при производстве углеродистых сталей , нержавеющих сталей и других сплавов черных металлов.
- Марганец - используется в сталеплавильном производстве
- Карбид кремния , карбид кальция - используется как ковш раскислитель в производстве стали
- Алюминиевый шлак - также раскислитель ковша, используемый при вторичном производстве стали.
- Кальций - используется в качестве раскислителя, десульфуратора или декарбонизатора для черных и цветных сплавов.
- Титан - используется как раскислитель стали
- Фосфор, фосфид меди (I) - используются в производстве бескислородной меди.
- Гексаборид кальция - используется в производстве бескислородной меди , дает медь с более высокой проводимостью, чем раскисленная фосфором.
- Иттрий - используется для раскисления ванадия и других цветных металлов.
- Цирконий
- Магний
- Углерод
- Вольфрам
Вакуумное раскисление
Вакуумное раскисление - это метод, который включает использование вакуума для удаления примесей. Часть углерода и кислорода в стали вступает в реакцию с образованием окиси углерода . Газ CO будет всплывать на поверхность жидкой стали и удаляться с помощью вакуумной системы.
Поскольку химическая реакция, участвующая в вакуумном раскислении, является:
реакция между углеродом и кислородом представлена следующим уравнением химического равновесия:
где P CO - парциальное давление образовавшейся окиси углерода.
Уменьшение активности кислорода (a O ) приведет к более высокой константе равновесия, и, следовательно, к большему количеству продукта, CO. Для достижения этого, подвергая стальную ванну вакуумной обработке, снижается значение P CO , что позволяет производить больше газа CO. [1] [4]
Диффузионное раскисление
Этот метод основан на идее, что раскисление шлака приведет к раскислению стали.
Уравнение химического равновесия, используемое для этого процесса:
где a [O] - активность кислорода в шлаке, а a (O) - активность кислорода в стали.
Снижение активности в шлаке (a [O] ) снизит уровень кислорода в шлаке. После этого кислород будет диффундировать из стали в менее концентрированный шлак. Этот метод осуществляется с помощью раскислителей шлака, таких как кокс или кремний. Поскольку эти агенты не вступают в прямой контакт со сталью, неметаллические включения не образуются в самой стали. [1]
Рекомендации
- ^ a b c d Копелиович Дмитрий. «Раскисление стали» . Subtech . Проверено 23 октября 2014 года .
- ^ Копелиович Дмитрий. «Неметаллические включения» . Subtech . Проверено 24 октября 2014 года .
- ^ «Раскисление стали: Часть первая» . Total Materia .
- ^ «Формирование и удаление включений» . neom.mems.cmu.edu . Университет Карнеги Меллон. Архивировано из оригинального 27 -го октября 2014 года . Проверено 26 октября 2014 года .
Смотрите также
- Обессеривание - это процесс снижения содержания серы в стали.
- Обезуглероживание - это процесс снижения содержания углерода в металлургии.
- Раскисленные стали - это стали, классифицируемые по степени обработки раскислением.