В гл. 8 было отмечено, что марганец — сравнительно слабый раскислитель. Объемная реакция [Мn] + [О] = (МnО) возможна лишь при малом
содержании в ванне углерода (менее 0,05%) и высоком [% Мn] (более 0,6% при t_м = 1600° С). Константу равновесия указанной реакции можно рассчитать по формуле (8.5).

Если сталь раскисляется одним марганцем, то продукты раскисления (равновесная с металлом шлаковая фаза) содержат только FeO и МnО. В таком расплаве ?_(FeO) = ?_(МnО) = 1; a_(FeO) = (% FeO); a_(MnO) = (% МnО) = (100 — (% FeO). Следовательно,

Подставив в это уравнение (% FeO) = [% O]/L_O, получим

(14.16)
где LO = [% O]/a(FeO) — коэффициент распределения кислорода между шлаком и металлом, который рассчитывается по формуле (2.26). При ?(FeO) = 1 LO — [% O]/(% FeO).

Рис. 94. Диаграмма состояния системы FeO—МnО

Уравнение (14.16) справедливо лишь для случая получения жидких продуктов раскисления. При высоком [% Мn] или низкой температуре могут образоваться твердые продукты раскисления (смешанные кристаллы FeO + MnO (рис. 94) , что обусловливает уменьшение реакции в результате выделения скрытого тепла плавления МnО. В этом случае константа равновесия реакции марганца К’_Mn-O будет больше, чем при образовании жидких окислов. Ее можно вычислить по уравнению

(14.17)

С другой стороны, если образуются твердые окислы, уменьшается константа распределения кислорода между шлаком и металлом, так как твердая FeO обладает меньшей свободной энергией, чем жидкая, что приводит к снижению [% О] при равновесии процесса (FeO) = [Fe] + [O]. В этом случае

(14.18)

Равновесное содержание [% О] при получении твердой фазы FeO—МnО определяется по формуле, аналогичной (14.16), но вместо К_Mn-O и L_O в нее следует подставить К_Mn-O и L’_O.

(14.19)

Расчеты по формулам (14.16) и (14.19) показывают, что после раскисления кипящей стали при обычном [% Мn] его раскисляющая способность значительно ниже, чем углерода (даже в случае образования твердой фазы FeO— МnО и [% С] = 0,1%).

Величины концентраций кислорода в металле при равновесии системы Fe—Мn—О и различных значениях [% Мn] и температуры (данные американских исследователей) приведены на рис. 95.

Рис. 95. Равновесие марганец—кислород в расплаве Fe—Мп, находящемся под шлаками, содержащими только FeO и МnО. Данные Чипмена и сотрудников

Низкая раскисляющая способность марганца, на первый взгляд, противоречит известному факту ухудшения кипения металла в изложнице во время разливки и кристаллизации кипящей стали, если [% Мn] выше определенного оптимального значения. Однако роль марганца как регулятора кипения в изложнице проявляется не во всем объеме жидкой фазы, а лишь в той ее части, которая непосредственно прилегает к кристаллам. В данной части металла из-за ликвации примесей содержание кислорода, углерода и марганца выше, чем в исходной жидкой стали. В пограничном слое жидкого металла произведение [% Mn] [% O] становится выше равновесного, и сталь частично раскисляется марганцем. В этом случае роль марганца сводится к ограничению содержания кислорода на границе жидкий металл — кристаллы и интенсивности кипения металла в изложнице.

Рис. 96. Схема влияния марганца на структуру слитка кипящей стали:
а — [% Мn] < 0,3 (бурное кипение, cлиток с усадкой, глубокое залегание сотовых пузырей), б — [% Mn] > 0,5 (вялое кипение, рослый слиток, сотовые пузыри расположены близко к его поверхности)

Содержание марганца наряду с другими факторами, к которым относятся температура, скорость разливки, окисленность металла и шлака, сильно влияет на структуру слитков. При малом [% Мn] кипение в изложнице весьма интенсивное, что увеличивает толщину беспузыристой корки. Однако из-за глубокой усадки получаются бракованные слитки. Высокое [% Мn] обусловливает вялое кипение, близкое расположение сотовых пузырей к поверхности слитка и значительную рослость головной части слитка (рис. 96).

Необходимо отметить, что формулы (14.16) и (14.19) справедливы лишь для случая, когда [% Мn] ? 1,0%. При более высоком его содержании в расплаве Fe—Мn—О следует учитывать значительное снижение коэффициента активности кислорода в металле f_[О]. Так, по данным Д. Йонке и В. Фишера, параметр взаимодействия кислорода с марганцем равен примерно — 0,06, т. е. 0618 — 0,06 [% Mn]. Экспериментальные значения при 1600° С и различной концентрации марганца составляют:

Изменениеможно не учитывать, так как