Технология ферросплавов со щелочноземельными металлами

Жучков В.И., Лукин С.В.
Металлургия, 1990 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Жучков В.И., Лукин С.В., Технология ферросплавов со щелочноземельными металлами
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 NCa= 0,74, и до 0,05 МПа, если NCa~ 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.