DEZOXIDAREA OTELULUI

Dezoxidarea otelului

Deoarece la sfarsitul afinarii temperatura baii metalice variaza in limite inguste, se poate admite ca valoarea continutului de oxigen in acest moment [O]_o depinde numai de continutul de carbon [C]_o. La turnarea otelului in lingotiere, prin scaderea temperaturii, solubilitatea oxigenului in otel scade si ca urmare, continutul [O]_o este mult mai mare decat cel care este dizolvat in otel la temperatura de solidificare. Din acest motiv surplusul de oxigen se separa din solutie si interactioneaza cu carbonul (a carui solubilitate scade de asemenea cu scaderea temperaturii) conform reactiei (1):

[C] + [O] = (1)

si deci, otelul fierbe in cursul solidificarii. Prin racire, otelul devine viscos si bulele de CO nu se mai pot degaja, ramanand prinse in otel, formand cavitati numite sulfuri. Surplusul de oxigen neconsumat se depune sub forma de FeO si incluziuni nemetalice, intre graunti, determinand fragilitatea la rosu a otelului.

De aceea, continutul de oxigen din otel trebuie redus pana la limitele admise de procesul de solidificare, ceea ce se face prin dezoxidarea otelului. In functie de gradul de dezoxidare, otelurile pot fi necalmate, semicalmate si calmate.

Otelurile necalmate sunt acelea in care continutul de oxigen este redus numai pana la o limita care permite desfasurarea intr-o anumita masura a reactiei de oxidare a carbonului, dupa turnarea in lingotiera. Otelurile semicalmate sunt ceva mai bine dezoxidate decat cele necalmate.

Otelurile calmate sunt complet dezoxidate, adica continutul de oxigen ramas este suficient de mic pentru ca dupa turnarea otelului in lingotiere sau forme, fierberea otelului sa nu mai aiba loc.

Dezoxidarea otelului se poate face prin trei metode: dezoxidare prin precipitare, dezoxidare prin difuzie si dezoxidare in vid.

1. DezoxidareA prin precipitare

Dezoxidarea prin precipitare se efectueaza prin introducerea in baia metalica a unor elemente care au afinitate chimica mai mare fata de oxigen decat fierul. Produsele dezoxidarii sunt oxizi sau combinatii ale acestora care, nefiind solubili in otel, se separa din solutie (precipita).

In forma sa generala reactia de dezoxidare poate fi scrisa astfel:

[O] + [D] = (DO), DH⁰ < 0 (2)

in care: [O] - oxigenul dizovat in otel;

[D] - elmentul dezoxidant;

(DO) - oxidul elementului dezoxidant.

Constanta de echilibru a reactiei (2) este:

(3)

Continuturile de [O] si [D] in otel fiind mici, solutia se poate considera diluata in aceste elemete, deci f_O = f_D = 1 si relatia (3) devine:

. (4)

Masura a puterii de oxidare a diferitelor elemente este continutul minim de [O]_D care se afla in echilibru cu elementul dezoxidant:

. (5)

Rezulta deci ca, [O] ramas in otel este mic (putere de dezoxidare mare) atunci cand dezoxidantul are afinitate mare fata de oxigen (K_D mare), temperatura nu este prea inalta (reactia fiind exoterma), iar continutul de dezoxidant este mare (fig. 1).

Dezoxidantii cei mai des utilizati sunt Mn, Si, Al, Ca, sub forma de feroaliaje. In unele cazuri se folosesc alti dezoxidanti ca Ti, V, Ba, Zr, B, La, Ce si altii.

Pentru ca produsele de dezoxidare sa fie usor fuzibile si sa se poata elimin din otel, este necesar ca introducerea dezoxidantilor in otel sa se faca in ordinea cresterii puterii lor de dezoxidare, adica Mn Si Al.

1.1. Dezoxidarea cu un singur element dezoxidant

a.     Dezoxidarea cu mangan

Dintre dezoxidantii obisnuiti, manganul este cel mai slab. La temperatura de 1600 C, in echilibru cu 0,5 % Mn se afla 0,1 % [O], mult mai mult decat este admis intr-un otel calmat. Reactia de dezoxidare cu mangan este:

[O] + [Mn] = (MnO). DH⁰₂₉₈ = - 480350 J (6)

Produsii de dezoxidare sunt solutii solide sau lichide, m FeO n MnO, a caror compozitie chimica si temperatura de topire depind de continutul de [Mn] si [O]. La continuturi mici de [Mn], aceste solutii sunt sarace in (MnO) si usor fuzibile, indepartandu-se usor din baia metalica.

In conditiile elaborarii otelului, manganul nu poate reduce continutul de oxigen sub cel care se gaseste in echilibru cu carbonul (fig. 5.17') si otelul fierbe in lingotiera.Totusi, manganul poate fi utilizat ca dezoxidant datorita urmatorilor factori:

la sfarsitul afinarii, continutul real de oxigen [O]_o este mai ridicat decat cel in echilibru cu carbonul, [O]_C;

adaosul de mangan facandu-se sub forma de feromangan cu continut ridicat de mangan (60 - 80 % Mn), concentratia locala de dezoxidant este foarte mare, ceea ce mareste puterea de dezoxidare a acestuia (relatia 6);

in zonele in care se introduce adaosul de dezoxidant se produce o racire a baii metalice, ceea ce duce la cresterea puterii de dezoxidare a manganului, reactia fiind exoterma.

Manganul poate fi utilizat singur numai la dezoxidarea otelurilor necalmate (Si

b. Dezoxidarea cu siliciu

Siliciul este un dezoxidant mult mai puternic decat manganul. Astfel, la 1600 C, in echilibru cu 0,25 % Si se afla sub 0,01 % oxigen (fig. 1), adica de 10 ori mai putin decat cu 0,5 % Mn. Reactia de dezoxidare cu siliciu este:

[Si] + 2 [O] = (SiO₂). DH⁰₂₉₈ = - 510200 J (7)

Reactia fiind exoterma, puterea de dezoxidare a siliciului scade cu cresterea temperaturii . La introducerea unei cantitati mici de siliciu, produsul de dezoxidare este (FeO)₂SiO₂, care se topeste la 1250 C si, fiind in stare lichida se indeparteaza usor din baia metalica. Prin cresterea continutului de siliciu adaugat, produsele dezoxidarii sunt silicati de fier bogati in SiO₂, greu fuzibili, sau chiar SiO₂ pur la continuturi mai mari. Aceste produse de dezoxidare raman in cea mai mare parte in otel, marind tendinta otelului spre crapare in cursul deformarii plastice. De aceea, pentru a limita formarea si ramanerea in otel a unor asemenea produse de dezoxidare, se recomanda o predezoxidare a otelului cu putin siliciu (0,03 - 0,07 %) in cuptor, iar restul de siliciu se adauga in oala de turnare, in cantitati care sa asigure minim 0,22 % Si in otelul calmat (0,22 - 0,35 % Si) si maxim 0,17 % Si in otelul necalmat.

Dezoxidarea oteluli numai cu siliciu se foloseste rar, ca de exemplu la otelurile nealiate pentru scule. In general, otelul se dezoxideaza cu siliciu dupa dezoxidarea cu mangan.

c. Dezoxidarea cu aluminiu

Aluminiul este un dezoxidant mai puternic decat siliciul, cu circa 0,01 % Al aflandu-se in echilibru 0,001 % oxigen.

Reactia de dezoxidare cu aluminiu:

2 [Al] + 3 [O] = (Al₂O₃), DH⁰₂₉₈ = - 1125000 J (8)

fiind puternic exoterma, puterea de dezoxidare a Al scade cu cresterea temperaturii.

Daca otelul se dezoxideaza numai cu aluminiu, rezulta particule Al₂O₃ care, avand o temperatura de topire foarte ridicata (2050 C), raman in mare parte in otel, care se comporta nesatisfacator in cursul deformarii plastice, iar otelul are valori scazute ale proprietatilor mecanice. Din acest motiv, dezoxidarea numai cu Al se practica foarte rar, de exemplu pentru otelurile foarte moi, de ambutisare adanca. In general aluminiul se foloseste pentru completarea dezoxidarii cu alti dezoxidanti, la otelurile necalmate dupa dezoxidarea cu mangan, iar la otelurile calmate dupa dezoxidarea prealabila cu mangan si siliciu. In acest caz, in momentul introducerii aluminiului, otelul contine putin oxigen si rezulta o cantitate mica de Al₂O₃, care se separa in cea mai mare parte din otel, iar particulele ramase sunt fin dispersate in otel si actioneaza ca germeni de cristalizare, rezultand graunti fini.

1.2. Dezoxidarea combinata

La dezoxidarea otelului cu un singur element dezoxidant pot aparea produse greu fuzibile care se separa greu din otel. Pentru a se evita aceasta, in practica se aplica dezoxidarea combinata cu doua sau mai multe elemente, care se introduc in ordinea cresterii puterii lor de dezoxidare. In mod obisnuit dezoxidarea facandu-se cu Mn, Si si Al, din reactiile de dezoxidare rezulta in final combinatii complexe sub forma de silicati de fier si mangan, precum si silico - aluminati de fier si mangan de diferite tipuri, usor fuzibile, care se indeparteaza usor din baia metalica. Deoarece activitatea fiecarui oxid din aceste produse de dezoxidare este mai mica decat a oxidului in stare pura (a_(DO) < 1), capacitatea de dezoxidare a fiecarui element dezoxidant este mai mare in cazul dezoxidarii complexe.

Dezoxidantii se utilizeaza sub forma de feroaliaje (feromangan, ferosiliciu, ferocrom) sau in stare pura, cum este cazul aluminiului.

O dezoxidare avansata si o puritate mare a otelului se obtin prin utilizarea de dezoxidanti complecsi, continand doua sau mai multe elemente dezoxidabile: SiMn, SiCa, AlMnSi, AlCaSi, ca urmare a formarii unor produsi de dezoxidare usor fuzibili.

1.3. Avantaje si dezavantaje ale dezoxidarii prin precipitare

Avantajele sunt urmatoarele:

asigura o buna dezoxidare ([O]_D mic in otel);

se desfasoara rapid (in cateva minute)si, ca urmare, nu este afectata productivitatea agregatelor de elaborare.

Dezavantajele sunt urmatoarele:

impurifica otelul cu produse de dezoxidare (incluziuni nemetalice);

necesita dezoxidanti (feroaliaje) de calitate buna, in bucati mari care sa ajunga in baia metalica.

Cu toate aceste dezavantaje, dezoxidarea prin precipitare este metoda cea mai utilizata la dezoxidarea otelurilor.

1.4. Criterii de apreciere a eficacitatii dezoxidantilor

Aceasta se apreciaza prin urmatorii indicatori:

a.   Gradul de dezoxidare h_d, care este dat de relatia:

, (%) (9)

unde: [O]_o este continutul procentual de oxigen din otel la sfarsitul afinarii;

[O]_r continutul de oxigen din baia metalica dupa dezoxidare.

b.   Gradul de calmare h_c, care depinde de tipul otelului elaborat (necalmat, semicalmat, calmat) si de sectiunea lingoului, fiind dat de relatia:

h_c = [% Mn] + 5,2 [% Si] + 90 [% Al]  (10)

c.    Capacitatea de dezoxidare, care se poate estima pe baza cifrei caracteristice C_c:

C_c = % Mn + 3 % Si + 11 % Ca + 18 % Al (11)

Dezoxidantul este cu atat mai puternic cu cat are cifra caracteristica mai mare.

2. Dezoxidarea prin difuziune (EXTRACTIE)

Dezoxidarea prin fuziune are loc prin difuzia in zgura a oxigenului dizolvat in otel, pe baza legii repartitiei oxigenului in baia metalica si zgura. Raportul de repartitie a oxigenului (respectiv, oxid feros) este constant pentru o temperatura data:

(12)

Prin reducerea continutului de oxigen din zgura are loc difuzia oxigenului din baia metalica in zgura, impusa de mentinerea constanta a valorii L_FeO, deci are loc dezoxidarea otelului.

In cadrul tehnologiei de dezoxidare prin difuziune se pot aplica doua procese de baza.

2.1. Dezoxidarea cu zguri reducatoare

Prin aceasta are loc reducerea continutului de (FeO) prin adaugarea pe zgura a unor materiale reducatoare, separat sau impreuna: C (cocs), Si (ferosiliciu praf), pulbere de Al, CaC₂ (carbid).

Au loc reactiile urmatoare:

(FeO) + <C>= [Fe] + ; DH⁰ ₂₉₈ > 0 (13)

2 (FeO) + <Si> = 2 [Fe] +(SiO₂); DH⁰ ₂₉₈ < 0 (14)

3 (FeO) + 2 <Al> = 3 [Fe] + (Al₂O₃); DH⁰ ₂₉₈ < 0 (15)

3 (FeO) + <CaC₂> = 3 [Fe] + (CaO) + 2 . DH⁰ ₂₉₈ < 0 (16)

Pe baza acestor reactii, la elaborarea otelului in cuptorul electric, continutul de (FeO) poate fi redus sub 1 %.

Durata dezoxidarii cu zguri reducatoare este mare deoarece difuziunea oxigenului este un proces lent, suprafata specifica de contact intre zgura si otel este limitata si otelul este linistit. Din acest motiv, cand viteza procesului devine mica, dezoxidarea prin difuzie se intrerupe si este urmata de o dezoxidare prin precipitare.

2.2. Dezoxidarea cu zguri sintetice

Dupa indepartarea zgurii dezoxidante de la sfarsitul afinarii, otelul este evacuat in oala de turnare in care se afla o zgura sintetica, formata din CaO, Al₂O₃, CaF₂, zgura lipsita de FeO si MnO. Prin emulsionarea zgurii usor fuzibile in otel se mareste foarte mult suprafata de contact dintre cele doua afze, accelerandu-se astfel dezoxidarea prin difuziune.

2.3. Avantaje si dezavantaje ale dezoxidarii prin difuziune

Avantajele sunt urmatoarele:

nu impurifica otelul cu produsi de dezoxidare;

nu necesita dezoxidanti in bucati mari;

permite recuperarea unor elemente din zgura (ex., cromul);

Dezavantajele sunt urmatoarele:

necesita o perioada mare de timp (sute de minute, in cazul primei variante);

nu asigura dezoxidarea completa a otelului; din aceasta cauza, dezoxidarea prin infuzie este urmata de o dezoxidare prin precipitare.

3. Dezoxidarea in vid

Este o metoda moderna care asigura imbunatatirea calitatii otelului. Dezoxidarea in vid are loc pe baza reactiei de oxidare a carbonului (autodezoxidare), conform relatiei:

[C] + [O] = , (17)

a carei constanta de echilibru este:

,

de unde:

(18)

Constanta K_C depinzand numai de temperatura, pentru o valoare data a acesteia din urma, produsul [C] [O] depinde numai de presiune. Prin scaderea presiunii partiale p_CO in camera de vid in care se introduce otelul lichid, se micsoreaza si valoarea produsului m.

Prin urmare, curba de echilibru [O] - [C], pentru temperatura data, se deplaseaza in jos (fig. 2).

La un continut constant de carbon, scaderea presiunii determina micsorarea continutului de oxigen in echilibru cu [C] cu o valoare D[O], deci are loc dezoxidarea otelului.

3.1. Avantaje si dezavantaje ale dezoxidarii in vid

Avantajele sunt:

se realizeaza o dezoxidare buna a otelului;

nu se impurifica otelul cu produsele reactiei (CO se degaja in atmosfera);

suspensiile oxidice din otel (MnO, SiO₂, Al₂O₃) sunt reduse cu carbonul, deci creste puritatea otelului;

se realizeaza o economie de dezoxidanti.

Dezavantajele sunt:

sunt necesare instalatii speciale, scumpe;

in cursul tratarii sub vid are loc scaderea temperatuii otelului, motiv pentru care la evacuarea din cuptor otelul trebuie sa aiba o temperatura mai ridicata.