Технология ферросплавов со щелочноземельными металлами

Жучков В.И., Лукин С.В.

Металлургия, 1990 г.

ОБРАБОТКА СТАЛИ

ЩЗМ и магний, обладая высоким химическим сродством к кислороду и большинству других вредных примесей, малой растворимостью в жидком железе, являются одними из самых эффективных раскислителей, десульфураторов, дефосфораторов и модификаторов стали.

У разных авторов имеются значительные расхождения взглядов на поведение этих элементов в расплавах железа и возможности эффективного использования. Обзор работ, посвященных взаимодействию ЩЗМ со сталью, приведен в работах [70-73].

Из приведенных данных следует, что кальций обладает максимальной раскислительной способностью. У других элементов она уменьшается в последовательности: Са ->Sr ->Mg->Ва. Для минимальных концентраций кислорода магний занимает последнее место.

Изотермы кислорода в железе при 1600°С в зависимости от концентраций элементов приведены на рис. 49 [73]. Максимальные концентрации магния, стронция и бария лишь несущественно превышают оптимальные, при которых обеспечиваются минимальные содержания кислорода в железе, тогда как для кальция это превышение составляет 1,5 порядка, а концентрация кислорода увеличивается на три порядка. Если результаты этого расчета считать корректными, то обработка наиболее эффективна в случае использования бария.

Авторы работы [2] пришли к выводу о низкой эффективности применения барийсодержащих лигатур при обычно принятых методах раскисления и разливки простых железоуглеродистых сплавов. Основанием для такого вывода явилась предельно низкая растворимость бария в железе и исключительно высокая его подвижность в жидкой стали. Вместе с тем ими же указывается на перспективность сплавов с барием для опробования и внедрения - в производство легированных марок стали и также при использовании бария для продувки стали.

Совместными исследованиями Института металлургии Уральского отделения АН СССР и ЦНИИчермета [74] по десульфурации и модифицированию стали 09Г2ФБ установлена более высокая эффективность одного атома бария по сравнению с кальцием. При одинаковом расходе силикобария (28 % Ва) и СКЗО снижение содержания серы в стали было одинаковым и составило 0,01-0,0034%. Сталь 09Г2ФБ при обработке силикокальцием характеризовалась практически одинаковыми показателями механических свойств (табл. 39).

Большинство исследователей приходит к мнению, что барий в составе комплексного сплава повышает эффективность действия кальция. Вывод не бесспорен, поскольку имеется ряд исследований, которые не выявили преимуществ комплексного сплава над силикобарием.

На металлургическом заводе им. А.К.Серова Институтом металлургии Уральского отделения АН СССР силикобарий (55% Si, 25% Ва) и силикобарийкальций (10% Ва, 6% Са, 5 % AI) применяли для обработки стали ШХ15, выплавленной в кислых мартеновских печах. Проведено 44 плавки. Для сравнения использовали данные по раскислению стали СК15 в том же количестве. Оценку качества металла проводили по содержанию Η В, показателям механических свойств и отбраковке заготовок на адьюстаже (табл. 40).

При модифицировании стали силикобарием по сравнению с другими вариантами улучшилось качество поверхности заготовок. Значения механических свойств опытного и обычного металла соответствовали требованиям технических условий и находились на одном уровне.

Сведений об использовании строицийсодержащих сплавов для обработки стали очень мало. Можно предполагать, что его действие подобно барию.

Эффективность применения стронцийсодержащих сплавов для раскисления литых сталей 35Л и 45Л проверяли в работе [75]. Использовали сплавы, содержащие наряду с кальцием и магнием 5,8—7,0 % Sr. Оптимальные присадки ферросплавов (0,3 % от массы стали) увеличивали пластичность и вязкость стали при положительных и отрицательных температурах, существенно изменяли природу и характер распределения НВ (табл. 41).

Несмотря на ряд недостатков, присущих раскислению, десульфурации и модифицированию стали кальцием, из всех ЩЗМ он имеет преимущественное распространение.

До последнего времени процесс рафинирования стали в ковше кальцием представляли как обменное взаимодействие газообразного кальция с жидким металлом [72], поэтому эффективность рафинирования определялась не составом сплава, а длительностью пребывания в расплаве пузырьков пара кальция.

Новая модель реакции рассматривает обессеривание и раскисление при присадке кальция и других ЩЗМ не парообразными а, главным образом, жидкими или растворенными в стали ЩЗМ [72].

В соответствии с этой моделью испарение кальция является неблагоприятным фактором, поэтому все направленные против него меры оказываются целесообразными. Наиболее распространенный и эффективный прием — применение кальцийсодержащих материалов с пониженной активностью кальция. Чаще всего используют сплавы кальция с кремнием, алюминием, другими ЩЗМ. Максимальное влияние на давление пара кальция оказывает кремний. Давление пара кальция в сплаве с кремнием при 1600 °С снижается по сравнению с металлическим кальцием с 1,9 МПа до 0,1 МПа, если мольная доля кальция в сплаве N_Ca= 0,74, и до 0,05 МПа, если N_Ca~ 0,6. Алюминий действует также, как кремний, но в меньшей степени.

При рафинировании стали с участием жидкого или растворенного кальция определяющее влияние на эффективность процесса оказывает искусственное перемешивание. Без перемешивания аргоном степень десульфурации при обработке силикокальцием снижалась с 90 до 52 и даже до 14 % [72].

В связи с этим добавка магния, имеющего минимальную температуру кипения, к кальцийсодержащим сплавам может сыграть двойную положительную роль: снизить давление пара кальция и провести дополнительное перемешивание расплава.

Изучалось влияние сплава ЖКМК (49,5% Si, 16,3% Са; 7,8% Мg) на содержание Η В в зависимости от времени выдержки после предварительного раскисления в железе (варианты 1—5, температура эксперимента 1600° С} и в стали Р6М5 (варианты 6 и 7, температура эксперимента 1500°С). Порядок ввода раскислителей приведен в табл. 42.

Сравнение вариантов 1 и 2 (рис. 50) показало, что более поздний ввод алюминия в расплав железа способствовал более глубокому удалению Η В.

Добавка сплава ЖКМК во всех случаях резко понижала содержание Η В. Наиболее быстро удалялись Η В при раскислении сплавом ЖКМК, введенным через 3 мин после добавок кремния, марганца и алюминия (вариант 5).

Металлографический анализ Η В показал, что процесс образования включения складывается из зарождения частичек кремнезема с дальнейшим взаимодействием их с оксидом марганца и офлюсованием известью при присадке кальцийсодержащего сплава.

В вариантах 6 и 7 действие сплава ЖКМК проверялось на стали Р6М5.

После раскисления стали по варианту 6 количество, характер и размеры Η В мало изменились. Несколько уменьшились размеры включений: самые крупные имели размер 7—10 мкм. Появилось небольшое количество мелких остроугольных включений, расположенных строчками, скоплениями. По оптическим свойствам это корунд.

При раскислении стали Р6М5 комплексным сплавом ЖКМК (вариант 7) картина НВ изменилась. Исчезли глобулярные включения, которые были обнаружены в стали до раскисления.

Таким образом, кальций принимает непосредственное участие в раскислении стали с образованием оксида кальция, который, являясь флюсом для глинозема и кремнезема, способствует переводу их в легкоплавкие комплексы Si0₂ -СаО и Al₂0₃—СаО. В связи с этим применение сплава ЖКМК наиболее эффективно при введении его в предварительно раскисленную алюминием сталь, где появление даже небольшого количества кальция, растворенного в расплаве железа, способствует удалению скоплений глинозема, переводя их в жидкое состояние. При введении в жидкую сталь кальций и особенно магний интенсивно испаряются и, удаляясь, барботируют ванну, способствуя укрупнению частиц и выносу их на поверхность.

Исходя из этого, для повышения эффективности использования сплава ЖКМК его следует вводить в расплав с уже сформировавшимися включениями.

Эти выводы подтверждаются результатами промышленных плавок [76]. Раскисление сталей 18ХГТ-30ХГТ, 15ХГНТ, выплавленных в 45-т основных мартеновских печах, производили в ковше по двум вариантам: 1) ферросилицием и силикомарганцем; 2) то же и ЖКМК (1 кг/т). Проведенные 30 опытных плавок показали, что применение комплексного сплава не улучшает качественных показателей стали. Малоэффективность действия сплава ЖКМК связана с тем, что все требуемые раскислители вводили в расплав одновременно с комплексной лигатурой.

Применение сплава ЖКМК для дополнительного раскисления стали Р6М5 после предварительного раскисления в печи алюминием привело к другим результатам. Сталь Р6М5 выплавляли в 25-т электропечах. У опытной стали была более плотная макроструктура, лучшая технологическая пластичность, меньше наблюдалось недопустимых дефектов. Выход годного металла от опытных плавок был выше и составил 77,9 % по сравнению с 75,3 % от стали, выплавленной по обычной технологии.