Технические науки/1. Металлургия

д.т.н. В.П. Лялюк, к.т.н. И.А. Ляхова,
к.т.н. Д.А. Кассим, магистр Е.В. Чупринов

Криворожский металлургический институт ГВУЗ “Криворожского
национального университета”

Анализ процессов модифицирования стали щелочно-земельными металлами в присутствии алюминия и кремния

Модифицирование стали является важным этапом на пути получения готовой сталеплавильной продукции заданного химического состава и требуемых механических свойств. Подавляющее большинство марок сталей согласно действующим технологическим инструкциям на отечественных предприятиях обрабатывается одинаковыми материалами для раскисления и модифицирования. Так, в качестве раскислителей используют алюминий и кремний, а наиболее широко применяемыми модификаторами являются кальцийсодержащие материалы. Существуют различные технологии и способы подачи алюминия в жидкую сталь: в виде алюминиевых чушек, в качестве ферроалюминиевых брикетов, инжектирование под струю при выпуске из сталеплавильного агрегата и т.д. Разнообразие способов и простота подачи алюминия обеспечили его широкое распространение. Кремний же обычно подается в виде лигатур с другими материалами (ферросилиций, ферросиликобарий и т.д.). Что касается кальция, данный элемент сам по себе является сильным раскислителем, но для снижения окисленности его использовать нерентабельно, поэтому кальцийсодержащий материалы вводят для улучшения микроструктуры готовой стали.

В связи с вышесказанным, актуальным является вопрос эффективности использования щелочно-земельных элементов (включая и Mg) для модифицирования стали в условиях предварительного раскисления алюминием или при наличии в стали кремния.

В описанных выше случаях, реакции раскисления осуществляются с образованием алюминатов по схеме

0,25Ме+0,5[Al]+[O]=0,25МеAl2O4

(1)

или силикатов

0,5Me+0,25[Si]+0,75[O]=0,25Me2SiO3,

(2)

где Ме – щелочно-земельный элемент.

Характеристикой химического процесса, позволяющей оценить модифицирующую (раскисляющую) степень элемента, является энергия Гиббса образования соответствующих продуктов реакции. Проведенные расчеты по формуле 1 показали (рис. 1), что в данном случае раскислительная способность рассматриваемых элементов повышается в порядке: Mg→Ca→Sr→Ba.

Рис. 1. Энергия Гиббса образования алюминатов указанных металлов

Из рис. 1 видно, что модифицирующая способность бария и стронция выше, чем у кальция, а с повышением температуры этот разрыв только увеличивается.

Рис. 2. Энергия Гиббса образования силикатов указанных металлов

Анализ рис. 2, показывает, что при низких температурах кальций обладает большей модифицирующей способностью, чем барий, но с ростом температуры, эффективность модифицирования барием возрастает. Это связано с тем, что кальций имеет более низкую температуру плавления и в расплаве находится в газообразном состоянии (а значит, и меньше времени), в то время, как барий – в жидком. Наивысшей степенью модифицирования в присутствии кремния обладает стронций.

Учитывая, что в последнее время были разработаны технологии, позволяющие получать сплавы на основе бария и стронция по приемлемой себестоимости, стоит всерьез рассмотреть вопрос более активного использования модификаторов на базе вышеназванных элементов.