Кислород, растворенный в стали, к моменту ее выпуска из рабочего пространства конвертера достигает заметной активности (значимой концентрации). Предопределяет это окислительные условия ведения плавки и окислительные шлаки над расплавом. Если не удалять из расплава кислород – пузыри моноокиси углерода (СО) будут пронизывать сталь во время охлаждения и кристаллизации ее, значительно ухудшая качество слябовой полосы.
В границах общей проблемы повышения качества на каждом этапе технологического процесса, производством тонкого стального листа поставлена общая задача – эффективно снижать содержание кислорода в жидкой стали или переводить его в менее вредное состояние. При этом средства воздействия на активность кислорода должны быть выбраны с учетом возможного благоприятного влияния их на процессы рафинирования путем нейтрализации негативного влияния вредных примесей стали.
Процесс удаления кислорода из жидкой стали, или целенаправленной трансформации его, называется раскислением. Во время его выполнения необходимо надежно и быстро управлять количеством кислорода в готовой жидкой стали; сокращать до минимума содержание в твердой стали продуктов раскисления – неметаллические включения; улучшать микро- и макроструктуру стали.
Существуют несколько способов раскисления стали: 1) глубинное, или осаждающее; 2) диффузионное; 3)углеродное (в вакууме) и др.
Элемент-раскислитель стали методом осаждения должен иметь большее химическое сродство к кислороду чем железо. Такими элементами являются марганец, кремний, алюминий, щелочно-земельные и редкоземельные металлы, которые вводят в расплав как можно глубже. После ввода этих элементов в жидкую сталь образуется малорастворимый оксид, плотность которого меньше плотности жидкой стали. Полученный таким образом “осадок” всплывает в шлак.
Раскисление стали марганцем применяется достаточно широко. Однако его способность сдерживать активность кислорода не высока. Его вводят в сталь в составе ферромарганца в конце плавки, или после выпуска, непосредственно в ковш. Иногда применяется металлический марганец.
Кремний – более сильный раскислитель, чем марганец. Для ввода кремния в металл применяют ферросилиций. Если в стали содержится некоторое количество марганца, то в составе образующихся силикатов будут и комплексные оксиды, например фаялит - тефроит 2FeO • SiO2 – 2MnO • SiO2. Температура плавления его невелика: 1200 – 1330°С, что благоприятствует всплытию оксидов в шлак.
Алюминий – более сильный раскислитель, чем кремний. Сталь, раскисленная алюминием, содержит ничтожное количество кислорода. В ходе раскисления образуется глинозем, либо герцинит – FeO • Al2O3. В процессе раскисления и кристаллизации стали образуются нитриды алюминия (AIN), снижающие вредное влияние азота.
Изменяя расход алюминия, можно в процессе раскисления стали регулировать величину зерна её структуры.
Щелочноземельные металлы образуют в ходе раскисления стали очень прочные оксиды. Чаще других применяется кальций, который взаимодействует не только с FeO, но и с MnO, SiO2, Al2O3. Обычно кальций применяют в виде сплава с кремнием, или с кремнием и алюминием.
Кальций, при введении в расплав, испаряется и взаимодействует со сталью в парообразном состоянии. Это определяет относительно большую скорость удаления включений и уменьшает время, необходимое для получения стали с очень малым объемом не всплывших включений.
Сильными раскислителями являются редко – земельные металлы – лантан, церий, празеодим, неодим, иттрий и др. Химическое сродство их к кислороду достаточно высокое. Поэтому активность кислорода при вводе в сталь РЗМ резко снижается. Однако содержание кислорода в виде включений изменяется незначительно: плотность образующихся включений сопоставима с плотностью жидкой стали – практически они не всплывают.
ЩЗМ и РЗМ очень активно взаимодействуют со всеми примесями стали, в том числе с углеродом и серой, а также с растворенными в металле газами - кислородом, азотом, водородом.
Эффект раскисления, который достигают, снижая концентрацию растворенного в стали кислорода, можно достичь, если эффективно снижать активность продуктов раскисления. Это возможно, если они взаимодействуют между собой. Образующиеся при этом соединения будут иметь относительно низкую температуру плавления, способность к укрупнению и благоприятные условия удаления из стали. Взаимодействие возможно, если применять комплексные раскислители: сплавы кремния и марганца (силикомарганец), алюминия, марганца и кремния (сплав АМС), кремния и кальция (силико-кальций), кремния, марганца и кальция (сплав КМК).
Метод осаждающего раскисления конвертерной стали можно применять в рабочем пространстве конвертера (предварительное раскисление), в ходе её перелива в ковш и во время непрерывной разливки в слябовую полосу (окончательное раскисление). В процессе контакта стали с раскислителями происходит их “угар”, порой значительный, если вводится в ванну. Он учитывается при определении количества необходимых раскислителей и регламентации химического состава готовой стали.
В случае применения очень сильных раскислителей (Са, Mg) применяют способ подачи их в струю инертного газа, или через специальную фурму, вводимую почти до дна в ковш со сталью: кальций, – в виде силикокальция или карбида кальция, – в форме гранул. Имеет место и (метод) способ выстреливания в сталь “пуль”, содержащих раскислитель, и способ ввода в ковш или кристаллизатор специально изготовленной проволоки, сердечник которой является раскислителем. Проволока погружается в жидкую сталь специальным устройством.В случае применения диффузионного метода, раскисляют шлак; это обеспечивает раскисление стали, так как кислород по закону распределения диффундирует из металла в шлак. Этот метод раскисления позволяет получить сталь менее загрязненной включениями, чем в случае применения осаждающего метода. Однако применение диффузионного метода раскисления стали снижает производительность конвертера (процесс перехода кислорода из металла в шлак диффузией – процесс трудный и долгий).
Помещая ковш со сталью в камеру вакуумирования, можно интенсифицировать удаление из стали кислорода за счет энергичного образования моноокиси углерода (СО). Достоинством этого метода является возможность получения чистой стали - без включений оксидов.
Раскисление стали обычно производят в сталеразливочном ковше для экономии ферросплавов.
Плавку выпускают через сталевыпускное отверстие в подготовленный сталеразливочный ковш – без прерывания струи металла. При сливе плавки обеспечивают минимальное попадание шлака в сталеразливочный ковш. Это достигается отсечкой шлака путем перекрытия сталевыпускного отверстия в конце слива специальным устройством или подрывом струи в момент окончания слива металла (поворотом конвертера в вертикальное положение с максимальной скоростью, при появлении шлака во время окончания слива стали). Толщина слоя шлака в сталеразливочном ковше оговаривается в технологических картах для каждого типа стали.
Уровень металла со шлаком в ковше должен быть ниже верхней кромки ковша не менее чем на 250 мм и не менее 1200 мм на плавках, направленных на вакуумирование.
Ферросплавы, известь твердую, шлакообразующую смесь и другие сыпучие материалы вводят в сталеразливочный ковш по ходу выпуска плавки; присадка этих материалов на дно ковша запрещена. Основную часть материалов для раскисления и легирования стали (силикомарганец, ферромарганец, ферро-силикохром) вводят в ковш через бункерные весы по вертикальному тракту подачи ферросплавов после прокаливания их в специальных печах.
Ферромолибден, феррованадий, ферробор, феррониобий, металлический марганец, алюминий, редкоземельные элементы, а также корректирующие добавки меди и никеля вводят в ковш с рабочей площадки.
Усвоение марганца, введенного в ковш по ходу выпуска плавок низкоуглеродистых, низкокремнистых сталей типа 08Ю, с раскислением их алюминием на установках доводки металла, составляет 60 – 75%.
Корректировку содержания углерода в стали при выпуске плавки производят присадками в ковш под струю металла сухого коксика. Ферросплавы после наполнения на 1/5 – 1/4 ковша металлом вводят, при необходимости, в следующей очередности: ферромолибден; хромсодержащие материалы; силикомарганец; ферромарганец; марганец металлический; феррофосфор; феррованадий. Корректирующие добавки никеля и меди вводят в ковш перед сливом или после слива плавки.
Присадку раскислителей заканчивают при наполнении ковша металлом не более чем на 2/3 высоты.