Основной количественной мерой сродства элементов к кислороду является изменение энергии Гиббса (ΔG°) реакций их взаимодействия. Практически в сталях содержание элементов — раскислителей различно.
Так содержание алюминия в большинстве случаев не превышает 0,1%, содержание марганца колеблется в пределах 0,2—0,8%, поэтому для сравнения раскислительной способности элементов используют равновесное содержание кислорода в металле при разных содержаниях
элементов, которые рассчитывают по константам (постоянным величинам) реакции раскисления.Раскислители вводят в металл в виде сплавов с железом, в виде сложных сплавов, состоящих из железа и ряда других элементов (комплексных раскислителей) или в виде чистых металлов (алюминия, магния, кальция и др.). К комплексным раскислителям относятся: силикомарганец, АМС (алюминий, марганец, кремний), силикокальций, силикоцирконий, силикоалюминий и др. Металлические раскислители по степени возрастания их раскислительной способности располагаются в следующей последовательности: Мп (марганец), Si (кремний), Ti (титан), Zr (цирконий), Аl (алюминий), Mg (магний), Са (кальций).
Раскисляющую способность раскислителей оценивают, сравнивая давления диссоциации оксидов элементов-раскислителей с давлением диссоциации оксида раскисляемого металла. Так, для раскисления FеО могут быть использованы все элементы, образующие оксиды с более низким, чем у монооксида железа, давлением диссоциации.
Раскисление углеродом. Процесс раскисления металла углеродом мало изменяется при изменении температуры, поэтому ванну предварительно раскисляют добавками углеродсодержащих материалов (чугуна, ферросплавов) или вдуванием порошкообразных веществ. При этом продукт раскисления металла углеродом — оксид углерода — легко удаляется из ванны, способствуя ее перемешиванию.
Раскисление марганцем. С кислородом в металле марганец взаимодействует по реакции
[Мп] + [О] = (МпО).
Константа равновесия этой реакции определяется из выражения (содержание компонентов реакции в процентах):
lgKMn = lg(1/[Мn]•[0]) = ΔGT0(4,576•T) = (-69550 + 31,02•T)/(4,576•T) = (15200/T) — 6,78.
Марганец является слабым раскислителем и его присадки в металл могут понижать содержание кислорода только в низкоуглеродистой стали. При понижении температуры металла полнота раскисления марганцем несколько повышается. С увеличением содержания марганца в металле до >0,6% в продуктах раскисления начинает преобладать оксид марганца, температура плавления которого (1650 °С) выше температуры металла, т.е. MnO находиться в твердом состоянии и плохо удаляется из металла в шлак.
Раскисление кремнием. Кремний с кислородом в металле взаимодействует по реакции
[Si] + 2[0] = (SiO2).
Константу равновесия определяет выражение (содержание компонентов в процентах):
lgKSi = lg(1 / [Si]•[О]2) = -ΔGT0(4,576•T) = (-86000 + 24,02•T)/(4,576•T) = (1880/T) — 5,25.
Установлено, что содержание кислорода в стали после раскисления ее кремнием снижается только при низких концентрациях углерода в расплаве (<0,20%).
При содержании в металле >0,37% Б1 концентрация растворенного кислорода в расплаве практически не изменяется.
С понижением температуры металла раскислительная способность кремния повышается. При содержании в стали >0,14% продукты раскисления представлены твердым кремнеземом, имеющим температуру плавления 1710 °С и плохо удаляющимся из расплава.
Раскисление алюминием. Алюминий является весьма активным раскислителем. Взаимодействие алюминия с кислородом металла происходит по реакции 2[Аl] + 3[0] = (Аl203). Константу равновесия определяет выражение (содержание компонентов реакции в процентах):
lgKAl = lg(1/[Аl]2 • [0]3) = (64000/T) + 20,63.
Если при температуре 1660 °С и содержании в металле 0,005% [Аl] в равновесии с ним находится 0,0011% [О] , то при содержании алюминия 0,01% равновесная концентрация кислорода в металле составляет 0,0007%.
Продукты раскисления железа алюминием представлены в металле твердыми частицами глинозема с температурой плавления 2050 °С. Алюминий, в отличие от марганца и кремния, образует с азотом прочные нитриды с температурой плавления -2100 °С. Являясь центрами кристаллизации стали, нитриды алюминия способствуют измельчению ее первичного зерна. При содержании в металле >0,02% [Аl] не только изменяются форма и состав оксидных неметаллических включений, но и снижается их количество, что оказывает положительное влияние на механические свойства стали.
Раскисление титаном. В ряде случаев для раскисления стали используют титан. Взаимодействие титана с килородом металла происходит по реакции [Тi] + [0] = (ТiO2), для нахождения константы равновесия которой используют выражение: lgKТi = -(30800/T + 0,38.
При содержании в железе 0,05% [Тi] равновесное содержание кислорода в расплаве при температуре 16000С будет 0,004%, что свидетельствует о достаточно высоком раскисляющем действии титана.
