Раскисление и легирование стали — ключевые процессы в металлургии, определяющие структуру, свойства и качество металла. Традиционные материалы, такие как чушковый алюминий, ферросилиций и ферромарганец, эффективны, но дороги и имеют технологические ограничения. В условиях роста требований к экономичности и экологичности производства карбид кремния (SiC) становится перспективной альтернативой. Благодаря своим уникальным свойствам и низкой стоимости SiC активно применяется в черной металлургии как раскислитель и легирующий материал. Эта статья раскрывает преимущества SiC, его влияние на технологические процессы и экономические выгоды, подкрепленные визуальными данными.

Роль карбида кремния в раскислении стали

Проблемы традиционных методов

Раскисление стали направлено на удаление кислорода из расплава, предотвращая образование оксидов и улучшая качество металла. Однако традиционные раскислители, такие как алюминий и ферросилиций, имеют недостатки:

  • Неметаллические включения: Оксид алюминия (Al₂O₃) формирует трудноудаляемые включения, ухудшающие структуру стали.
  • Проблемы разливаемости: На мелкосортовых машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) алюминатные включения вызывают затягивание стакан-дозаторов, снижая производительность.
  • Высокая стоимость: Использование алюминия и ферросилиция увеличивает себестоимость.

Преимущества карбида кремния

Карбид кремния (SiC 88%) — продукт взаимодействия кварцевого песка и нефтяного кокса, не содержащий вредных примесей (серы, фосфора, цветных металлов). Его преимущества как раскислителя:

  • Высокое сродство к кислороду: Активность SiC близка к алюминию, но превосходит отдельно кремний и углерод. Углерод в составе SiC минимизирует образование включений.
  • Технологическая гибкость: SiC вводится на струю при выпуске металла, обеспечивая равномерное перемешивание благодаря низкой плотности. В агрегатах печь-ковш SiC раскисляет шлак, полностью заменяя алюминий.
  • Снижение включений: SiC значительно уменьшает количество неметаллических включений, улучшая качество стали.

Сравнение неметаллических включений
На графике ниже показано количество неметаллических включений при использовании различных раскислителей. Карбид кремния демонстрирует минимальное количество включений, что улучшает качество стали и разливаемость на МНЛЗ.

Практическое применение

  • Предварительное раскисление: SiC вводится на струю при выпуске металла из печи.
  • Окончательное раскисление: В печах-ковшах SiC используется для раскисления шлака, устраняя необходимость в алюминии.
  • Улучшение разливаемости: SiC минимизирует алюминатные включения, что критично для мелкосортовых МНЛЗ.

Карбид кремния как легирующий материал

Замещение ферросилиция

Карбид кремния эффективно заменяет ферросилиций при легировании, обеспечивая:

  • Экономию: SiC дешевле ферросилиция, снижая себестоимость.
  • Чистоту: Отсутствие примесей (серы, фосфора, цветных металлов) улучшает качество стали.
  • Оптимизацию структуры: SiC снижает количество неметаллических включений.
  • Разливаемость: Исключение проблем с затягиванием стакан-дозаторов на МНЛЗ.

Доля замещения ферросилиция

На диаграмме ниже показано, какой процент ферросилиция можно заменить карбидом кремния для различных марок стали. Для марок Ст3сп и 35ГС возможна полная замена, что подчеркивает универсальность SiC.

Применение для марок стали

SiC применяется для следующих марок стали с учетом вносимого углерода:

  • Ст3сп, Ст4сп, Ст5сп: Полная замена ферросилиция (100% SiC).
  • 28С: До 30–40% SiC.
  • 25Г2С: До 40–50% SiC.
  • 35ГС: Полная замена ферросилиция (100% SiC).

Применение в производстве чугуна

Регулировка теплового баланса

Карбид кремния используется для регулировки теплового баланса благодаря высокой теплопроводности, что позволяет:

  • Снизить долю жидкого чугуна в шихте.
  • Повысить энергоэффективность.
  • Сократить затраты за счет доступной стоимости SiC.

Модифицирующее действие

SiC влияет на структуру чугуна:

  • Формирует графитовые включения оптимальной формы и размера.
  • Улучшает физико-механические свойства отливок, включая ковкий и высокопрочный чугун с шаровидным графитом.
  • Сокращает время термической обработки за счет оптимизации кристаллизации.

Экономические и экологические выгоды

Применение карбида кремния обеспечивает:

  • Снижение затрат: SiC дешевле традиционных раскислителей, таких как алюминий и ферросилиций.
  • Повышение качества: Уменьшение включений и улучшение разливаемости.
  • Экологичность: Снижение расхода материалов и энергоресурсов уменьшает углеродный след.

Сравнение затрат на раскислители
На графике ниже представлено сравнение затрат на использование карбида кремния, алюминия и ферросилиция. SiC демонстрирует значительную экономию, делая его предпочтительным выбором.

Заключение

Карбид кремния — универсальный и экономичный материал, оптимизирующий раскисление, легирование и производство чугуна. Его внедрение снижает затраты, улучшает качество металла и повышает эффективность процессов. Графики, представленные в статье, наглядно демонстрируют экономические и технологические преимущества SiC, делая его ключевым элементом модернизации металлургии.