Расчет раскисления стали и ее химического состава

Заключительной операцией процесса выплавки стали является ее раскисление и легирование. Для раскисления и легирования применяют сплавы, состоящие из железа и элемента-раскислителя (ферросплавы), а также некоторые металлы в технически чистом виде и углеродсодержащие материалы. Химический состав некоторых раскислителей (легирующих), наиболее широко применяемых в промышленности, приведен в таблице 18 [3].

Таблица 18 – Химический состав раскислителей (легирующих) в процентах

Материал	C	Mn	Si	Сr	Al	S	P	V
Кокс/коксик						0,5	0,02
ФСХ18	4,5					0,02	0,03
ФСХ30	0,9					0,02	0,03
ФСХ40	0,2					0,02	0,03
А5		0,03	0,3	0,03	99,5
А6		0,03	0,4	0,03	99,6
АВ86		0,03
АВ92		0,03
АВ97		0,03
ФХ650	6,5					0,06	0,04
ФХ800						0,06	0,04
ФХ100						0,04	0,04
ФХ200						0,04	0,04
ФХ010	0,1		1,5			0,03	0,03
СМн14	2,5		15,5			0,03	0,2
СМн17	1,7		18,5			0,03	0,1
СМн26						0,03	0,1
ФС25	0,8	0,9		0,6		0,03	0,06
ФС45	0,2	0,6		0,5		0,03	0,05
ФС65	0,1	0,4	65,5	0,4	2,5	0,03	0,05
ФС75	0,05	0,3		0,4	2,5	0,03	0,05
ФС90		0,2		0,3		0,02	0,03
ФМн0,5	0,5					0,03	0,3
ФМн1						0,03	0,3
ФМн1,5	1,5		2,5			0,03	0,3
ФМн75						0,03	0,45
ФМн75К						0,03	0,45
ФМн78К						0,03	0,35

Раскисление кипящей стали проводится самым слабым раскислителем – марганцем, который обычно вводят в металл в виде ферромарганца в количестве, обеспечивающем получение требуемого содержания марганца в металле.

Раскисление полуспокойной стали проводят двумя элементами – марганцем и кремнием, причем оптимальная степень раскисленности металла, при которой слиток имеет наилучшую структуру, обеспечивается при содержании в металле 0,07-0,12% кремния. Для раскисления в полуспокойную сталь при выпуске вводят ферромарганец и ферросилиций, а также силикомарганец.

Раскисление спокойной стали проводят марганцем, кремнием и алюминия. Расход марганца и кремния выбирается так, чтобы остаточное содержание этих элементов в металле после раскисления находилось в пределах, установленных для выплавляемой стали. Расход алюминия следует выбирать по данным таблицы 19.

Таблица 19 – Расход алюминия на раскисление стали

Показатель	Содержание углерода перед раскислением, %
0,05-0,10	0,11-0,20	более 0,20
Расход алюминия, г/т

В случае введения в металл элементов в количествах, превышающих их расход на раскисление стали, то процесс называют легированием стали. При проведении раскисления и легирования стали необходимо учитывать поступление в металл сопутствующих элементов (в том числе и углерода). Например, ферромарганец марки ФМн78 содержит 7,0% углерода.

Поскольку в рассматриваемом примере выплавляется сталь марки Ст20, то ее раскисление будем вести в ковше ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, составы которых приведены в таблице 20.

Таблица 20 – Химический состав применяемых раскислителей

Материал - раскислитель	Химический состав, %
C	Mn	Si	P	S
Ферромарганец ФМн0,5	0,5	90,0	2,0	0,3	0,03
Ферросилиций ФС90		0,20	90,0	0,02	0,03
Алюминий А5*	0,0	0,03	0,3	0,00	0,00
* - содержание алюминия 99,5%.

Расход ферросплава определяем по формуле

(13)

где G_Ф - расход ферросплава, кг;

[E]_С - среднее содержание элемента (марганца или кремния) в заданной марке стали,%;

[E]_М - остаточное содержание элемента в металле в конце продувки, %;

[E]_Ф - содержание элемента в ферросплаве, %;

Ue - угар элемента при раскислении, %.

Угар элементов ферросплавов при проведении раскисления и легирования следует выбирать по данным таблицы 21.

Таблица 21 – Угар ведущего элемента при раскислении стали в ковше

Ведущий элемент ферросплава	Угар элемента ферросплава при содержании углерода в металле в конце продувки, %
менее 0,10	0,10-0,25	более 0,25
Марганец	25-35	20-30	15-20
Кремний	30-40	25-35	20-25
Хром*	15-20	10-15	8-10
Ванадий*	20-25	15-20	10-15
Фосфор, сера*	0-35
Углерод*	30-50
Никель, медь*
Алюминий*	100 / 10-20**
* угар легирующего элемента после предварительного раскисления марганцем и кремнием; ** в числителе - при раскислении, в знаменателе – легировании.

Определим расход ферромарганца. Известно: G_М = 107,454 кг; [Mn]_М = 0,11 кг; [Mn]_ФМ = 90,0%. Принимаем: [Mn]_СТ = 0,5% (см. таблицу 1); U_Mn = 17% (см. таблицу 21). Тогда

При раскислении ферромарганцем масса жидкой стали увеличивается. Это увеличение необходимо учитывать при расчете расхода ферросилиция. Увеличение массы металла почти в точности равно массе ферромарганца, так как частичный угар марганца компенсируется поступлением в металл примерно такого же количества железа из шлака. Следовательно, масса металла после раскисления ферромарганцем составит:

107,454+ 0,544 = 107,998кг.

Определим расход ферросилиция. Известно: G_М = 107,998 кг; [Si]_М = 0,0 кг; [Si]_ФС = 90,0. Принимаем: [Si]_СТ = 0,27% (см. таблицу 1); U_Si = 23% (см. таблицу 21).

Тогда

Определение массы и химического состава стали после раскисления, а также массы продуктов раскисления, производится в таблице 22.

Таблица 22 – Баланс элементов при раскислении стали

Расчетные показатели	С	Si	Mn	Р	S	Fe	Всего
оста-ется	окис-ляется до СО	оста-ется	окис-ляется до SiO2	оста-ется	окис-ляется до MnО
Содержится перед раскис-лением, кг	0,20		0,000		0,12		0,018	0,031	107,083	107,454
Вносится ферромарганцем, кг	50%*   0,001	50%*   0,001	77%*   0,008	23%*   0,003	83%*   0,407	17%*   0,083	100%* 0,002	100%* 0,000	100%* 0,039	0,544
Вносится ферросилицием, кг	-	-	77%*   0,350	23%*   0,105	83%*   0,001	17%*   0,000	100%* 0,000	100%* 0,000	100%* 0,049	0,505
Содержится после рас-кисления, кг	0,201	-	0,358	-	0,529	-	0,020	0,032	107,171	108,311
Состав металла, %	0,201× ×100/108,311= =0,186	0,358× ×100/108,311= =0,331	0,529× ×100/108,311= =0,488	0,018	0,029	98,947
* - процент от общего количества элемента в материале.

Расход алюминия на раскисление выбираем с учетом практических данных в зависимости от содержания углерода перед раскислением. Поскольку [C]_раск = 0,20%, то принимаем расход алюминия марки А5 – 250 г/т стали (см. таблицу 19). При этом поступлением кремния и марганца в металл при введении алюминия пренебрегаем из-за незначительного содержания этих элементов.

Состав металла после раскисления соответствует требованиям, предъявляемым к заданной марке стали Ст20.