Модификаторы для обработки стали.
Рябчиков И.В., Панов А.Г., Корниенко А.Э.
Сборник докладов Литейного консилиума №2 «Теория и практика металлургических процессов при производстве отливок из чёрных сплавов» -
Челябинск: Челябинский Дом печати, 2007 - с. 66.
Модифицирование стали является эффективным средством повышения качества металлоизделий и экономии металла. В основном для этих целей могут
быть использованы комплексные сплавы на основе кремния или алюминия, содержащие магний, щелочноземельные (ЩЗЭ), редкоземельные элементы (РЗЭ)
и другие химически активные элементы.
Производство и применение модификаторов представляет сложную научно-техническую проблему. Одним из основных её аспектов является задача
разработки эффективных технологических процессов их производства, обеспечивающих высокое сквозное извлечение активных элементов из сырья.
Не менее сложной является разработка рациональных составов сплавов, обеспечивающих простоту, безопасность и экономичность модифицирования
стали [1].
В отличие от обычных ферросплавов к модификаторам потребители предъявляют дополнительные требования по увеличению его плотности и
снижению температуры плавления, оптимизации и стабилизации химического и фазового состава сплава [2, 3]. Важным показателем качества
модификаторов являются также минимальная окисленность, отсутствие в сплаве газов, засоров в виде шлаковых включений, элементов-демодификаторов
и др.
Поскольку формирование качественных показателей модификаторов начинается с выбора исходных шихтовых материалов, проблему широкомасштабной
реализации внепечной обработки железоуглеродистых расплавов следует решать системно, суммируя усилия ученых и специалистов смежных отраслей
промышленности: ферросплавной, сталеплавильной, литейной.
С целью обобщения опыта производства и применения различных материалов для внепечной обработки стали проведен настоящий анализ литературных
данных и результатов собственных исследований авторов по указанной проблеме.
1. Анализ физико-химических свойств элементов, применяемых для модифицирования стали
Поскольку модифицирующие свойства материалов определяются физико-химическими свойствами входящих в их состав активных элементов, то для
разработки эффективных составов лигатур были проанализированы некоторые из этих свойств.
Для внепечной обработки сталей наиболее широкое применение нашли алюминий, магний, щелочноземельные и некоторые редкоземельные элементы.
Все они имеют низкую температуру плавления (табл.1). Магний и ЩЗЭ, кроме бария, имеют так же относительно низкую температуру кипения. Наряду
с этим растворимость магния и всех ЩЗЭ в жидком железе крайне мала. Их плотность значительно меньше, чем плотность железа. Плотность церия и
других РЗЭ цериевой группы близка к плотности железа.
Эффективный ввод в железоуглеродистый расплав без специальных технических средств таких активных элементов как Al, Mg, ЩЗЭ затруднен
из-за их низких плотностей относительно плотности расплава. Кроме того, сложность ввода Mg и ЩЗЭ увеличивается вследствие их низкой
растворимости в металлическом расплаве, а Mg, Ca и Sr ещё и из-за высокой упругости пара этих элементов.
Снижение давления пара кальция, или другого легкоиспаряющегося элемента (например, стронция) может быть достигнуто путем сплавления
этих элементов с другим компонентом (разбавлением активного элемента), упругость пара которого относительно низка. О степени влияния
различных компонентов сплавов на снижение парообразования подзащитного элемента можно судить в первом приближении по диаграммам
состояния [5-7]. Анализ диаграмм состояния позволяет оценить возможность взаимодействия элемента-модификатора с примесными элементами
стали (табл.2).
Кальций с барием и стронцием образует непрерывный ряд растворов в жидком и твердом состояниях. Растворение кальция в этих металлах
сопровождается уменьшением температуры плавления сплава. Минимум на кривой солидус на диаграмме Ca-Ba соответствует 54,5% (ат.) Ca при
температуре 605°C, в системе Ca-Sr соответственно 38,0% (ат.) Ca и 738°C.
При взаимодействии магния и ЩЗЭ с элементами-растворителями наиболее устойчивые соединения, плавящиеся конгруэнтно, образуются в
системах Mg-Si, Mg-Ni, Ca-Al, Ca-Si, Ca-Ni, Sr-Al, Sr-Si, Ba-Al и Ba-Si. Термодинамически устойчивые соединения с примесями стали образуются
в системах Mg-Sb (Mg3Sb2), Ca-P (Ca3P2), Ca-Bi (Ca3Bi2),
Ca-Pb (Ca2Pb), Sr-Sn (Sr2Sn) и Ba-P (Ba3P2). Из данных, приведенных в табл.2 следует, что из
всех ЩЗЭ наиболее эффективным дефосфоратором стали является кальций. Кальций образует также устойчивые соединения с висмутом и свинцом. С
оловом относительно устойчивые соединения образует стронций, а с сурьмой – магний.
Значительные положительные отклонения в системах Mg-Fe и ЩЗЭ-Fe от идеальных растворов, а также высокая упругость пара Mg, Ca и Sr
приводят к их неизбежному вытеснению из жидкой стали. С увеличением атомной массы элемента (величины атома) теплота взаимодействия
(отталкивания), характеризующая степень отклонения, увеличивается и, по данным А.С.Дубровина [8], составляет для Mg-Fe, Ca-Fe, Sr-Fe
и Ba-Fe соответственно 70, 100, 180 и 300 кДж/моль. Следовательно, на магний и ЩЗЭ в жидкой стали действуют выталкивающие силы,
увеличивающиеся от магния к барию.
Сравнение способности элементов вступать в химические реакции, или реакционной способности (РС), позволит целенаправленно разрабатывать
эффективные составы для решения практических задач в металлургии и литейном производстве. В связи с этим представляет интерес произвести
оценку РС Mg, ЩЗЭ и некоторых РЗЭ и сопоставить полученные значения с теплотами образования этих элементов при взаимодействии с кислородом,
серой, углеродом и кремнием.
Оценку РС элементов произведем по сумме значений энергии связи их валентных электронов. Как видно из табл.3 и рис.1,2 суммарные
значения потенциалов ионизации двухвалентных магния и ЩЗЭ с увеличением их порядкового номера уменьшаются, а в ряду рассматриваемых
трехвалентных РЗЭ – увеличиваются...>>
Здесь представлен отрывок статьи:
Рябчиков И.В., Панов А.Г., Корниенко А.Э. Модификаторы для обработки стали. - Сб.докладов Литейного консилиума №2 «Теория и практика
металлургических процессов при производстве отливок из чёрных сплавов» - Челябинск: Челябинский Дом печати, 2007 - с. 66.
Запросить полный текст статьи в формате PDF можно по электронной почте или ICQ
Перейти к разделу "Статьи"
| 
