Раскисление

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 [ править ]

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 [ править ]

Металлические раскислители [ править ]

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:

${\ displaystyle nD + mO \ longrightarrow D_ {n} O_ {m}}$

где n и m - коэффициенты, D - раскислитель, O - кислород.

Таким образом, задействованное уравнение химического равновесия :

${\ displaystyle K_ {eq} = a_ {ox} / (a_ {D} ^ {n} * a_ {O} ^ {m})}$

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:

${\ displaystyle logK_ {eq} = A_ {D} / T-B_ {D}}$

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]}

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 [ править ]

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:

${\ displaystyle C + O \ longrightarrow CO}$

реакция между углеродом и кислородом представлена ​​следующим уравнением химического равновесия:

${\displaystyle K_{CO}=P_{CO}/(a_{C}*a_{O})}$

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 [ править ]

Этот метод основан на идее, что раскисление шлака приведет к раскислению стали.

Уравнение химического равновесия, используемое для этого процесса:

${\displaystyle K_{FeO}=a_{[O]}/a_{(O)}}$

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]

Ссылки [ править ]

См. Также [ править ]

• 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.