Раскисление

Раскисление — это метод, используемый в металлургии для удаления остатков кислорода из ранее восстановленной железной руды при производстве стали. Напротив, антиоксиданты используются для стабилизации, например, при хранении продуктов питания. Раскисление важно в процессе производства стали , поскольку кислород часто отрицательно влияет на качество производимой стали. Раскисление в основном достигается за счет добавления отдельных химических веществ для нейтрализации воздействия кислорода или путем непосредственного удаления кислорода.

Окисление

Окисление – это процесс, при котором элемент теряет электроны. Например, железо передаст два своих электрона кислороду, образуя оксид . Это происходит на протяжении всего процесса производства стали и является непреднамеренной частью.

Кислородная продувка — это метод производства стали, при котором кислород продувается через 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 всплывут наверх стальной ванны и удалятся из чугуна. Однако некоторая часть кислорода также вступит в реакцию с самим железом.

Из-за высоких температур, связанных с 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. Тем не менее, он все еще может быть причиной некоторого окисления.

Некоторые процессы, хотя и могут привести к окислению, не влияют на содержание кислорода в стали во время ее производства. Например, ржавчина — это красный оксид железа, который образуется, когда железо в стали реагирует с кислородом или водой в воздухе. Обычно это происходит только в том случае, если сталь использовалась в течение разного периода времени. Некоторые физические компоненты самого процесса производства стали, такие как электродуговая печь , также могут изнашиваться и окисляться. Эту проблему обычно решают с помощью тугоплавких металлов , устойчивых к условиям окружающей среды. ^[1]

Если сталь не раскислить должным образом, она потеряет 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 попадают в ловушку в процессе затвердевания стали. ^[2]

Виды раскислителей

Металлические раскислители

Этот метод раскисления предполагает добавление в сталь определенных металлов. Эти металлы вступят в реакцию с нежелательным кислородом, образуя сильный оксид, который, по сравнению с чистым кислородом, снижает прочность и качество стали в меньшей степени.

Химическое уравнение раскисления представляет собой:

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

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

Таким образом, уравнение химического равновесия имеет вид:

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

где _ox — активность или концентрация оксида в стали, a _D – активность раскислителя, а _O — активность кислорода.

Увеличение константы равновесия K _eq приведет к увеличению a _ox и, следовательно, к увеличению количества оксидного продукта.

K _eq можно регулировать температурой стали с помощью следующего уравнения:

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

где A _D и B _D — параметры, характерные для различных раскислителей, а T — температура в К°. Ниже приведены значения для некоторых раскислителей при температуре 1873 К°. ^[1]^[3]

Раскислитель	А	Б	К _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 часто используемых металлических раскислителей:

Ферросилиций , ферромарганец , силицид кальция — применяются в сталеплавильном производстве при производстве углеродистых сталей , нержавеющих сталей и других ферросплавов.
Марганец - используется в сталелитейном производстве.
Карбид кремния , карбид кальция - используются в качестве раскислителя ковша при производстве стали.
Алюминиевый шлак - также ковшовый раскислитель, используемый при вторичном выплавке стали.
Кальций - используется в качестве раскислителя, десульфуратора или декарбонизатора для сплавов черных и цветных металлов.
Титан - используется как раскислитель сталей.
Фосфор, фосфид меди(I) - используется при производстве бескислородной меди.
Гексаборид кальция - используется при 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 предполагает использование вакуума для удаления примесей. Часть углерода и кислорода в стали вступит в реакцию, образуя окись углерода . Газ CO будет всплывать к верхней части жидкой стали и удаляться вакуумной системой.

Поскольку химическая реакция, участвующая в вакуумном раскислении, представляет собой:

$C+O\longrightarrow CO$

Реакция между углеродом и кислородом представлена следующим уравнением химического равновесия:

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

где PCO _— парциальное давление образующегося монооксида углерода.

Уменьшение активности кислорода (a _O ) приведет к более высокой константе равновесия и, следовательно, к большему количеству продукта, CO. Для достижения этого подвергание стальной ванны вакуумной обработке снижает значение P _CO , позволяя производить больше газообразного CO. ^[1]^[4]

Диффузионное раскисление

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

Уравнение химического равновесия, используемое для этого процесса:

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

где а _[О] — активность кислорода в шлаке, а _(О) — активность кислорода в стали.

Снижение активности шлака (a _[O] ) приведет к снижению уровня кислорода в шлаке. После этого кислород диффундирует из стали в менее концентрированный шлак. Этот метод осуществляется путем использования в шлаке раскислителей, таких как кокс или кремний. Поскольку эти агенты не вступают в прямой контакт со сталью, в самой стали не образуются неметаллические включения. ^[1]

См. также

Плавка

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Копелиович, Дмитрий. «Раскисление стали» . Субтех . Проверено 23 октября 2014 г.
^ Копелиович, Дмитрий. «Неметаллические включения» . Субтех . Проверено 24 октября 2014 г.
^ «Раскисление стали: Часть первая» . Тотальная Материя .
^ «Формирование и удаление включений» . neom.mems.cmu.edu . Университет Карнеги-Меллон. Архивировано из оригинала 27 октября 2014 года . Проверено 26 октября 2014 г.

См. также

Десульфурация – это процесс снижения содержания серы в стали.
Обезуглероживание – это процесс снижения содержания углерода в металлургии.
Раскисленные стали — это стали, классифицированные по степени раскисления.
Вакуумная техника
- Вакуумная металлургия

[Sub-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Копелиович, Дмитрий. «Раскисление стали» . Субтех . Проверено 23 октября 2014 г.

[2] Копелиович, Дмитрий. «Неметаллические включения» . Субтех . Проверено 24 октября 2014 г.

[3] «Раскисление стали: Часть первая» . Тотальная Материя .

[4] «Формирование и удаление включений» . neom.mems.cmu.edu . Университет Карнеги-Меллон. Архивировано из оригинала 27 октября 2014 года . Проверено 26 октября 2014 г.

[1]

[2]

[3]

[4]