Комплексное раскисление стали алюминием и кальцием Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Вип. №20

Серiя: Техшчш науки

Ф1ЗИЧНА Х1М1Я ТА ТЕОР1Я МЕТАЛУРПЙНИХ ПРОЦЕС1В

УДК 669.046.564.001.573

Е.А.Казачков1, Л.Е.Бойчук2

КОМПЛЕКСНОЕ РАСКИСЛЕНИЕ СТАЛИ АЛЮМИНИЕМ И КАЛЬЦИЕМ

Выполнен термодинамический анализ условий совместного равновесия раскисления жидкого железа алюминием и кальцием с использованием новых экспериментальных данных. Составлена диаграмма поверхности растворимости компонентов в металле системы Fe - Ca - Al - O при 1600оС.

Ключевые слова: комплексное раскисление, алюминий, кальций, поверхность растворимости, активность кислорода.

Казачков €.О., БойчукЛ.С. Комплекснерозкислення cmaMi алюмтем та кальщ-

ем. Виконано термодинамгчний аналгз умов комплексного розкислення сталi алю-мгтем та кальщем з використанням нових експериментальних даних. Складена дi-аграма поверхт розчинностi компонентiв у металi системи Fe - Ca - Al - O при 1600оС.

Ключевi слова: Комплексне розкислення, алюмШй, кальцШ, поверхня розчинностi, активтсть кисню.

E.A. Kazachkov, L.E Boychuk. Complex deoxidation of steel by aluminum and calcium. Thermodynamic analysis of complex equilibrium conditions deoxidation of molten iron by aluminum and calcium with use of new experimental date was made. Diagram of surface of solubility components in metal of system Fe - Ca - Al - O at 1600о С was compiled.

Keywords: Complex deoxidation, aluminum, calcium, surface of solubility, oxygen activity.

Постановка проблемы. Одним из перспективных путей получения стали с пониженным содержанием неметаллических включений (НВ) является использование технологии комплексного раскисления. Такая технология может быть основана на применении комплексных раскис-лителей или на последовательном раскислении стали двумя раскислителями. Идея комплексного раскисления стали состоит в том, что продукты раскисления стали получаются в жидком виде за счет того, что два оксида разных раскислителей образуют более легкоплавкую фазу, и НВ как продукты раскисления легче укрупняются и удаляются из жидкого металла..

Анализ последних исследований и публикаций. Применительно к таким раскислите-лям как алюминий и кальций, комплексное раскисление может также рассматриваться как модифицирование НВ из глинозема кальцием.

Использование сильных раскислителей, таких как алюминий и кальций, является эффективным для снижения содержания кислорода в стали. Комплексное раскисление алюминием и кальцием рассматривается как более эффективное, и некоторые исследователи провели изучение комплексного раскисления [1, 2, 3]. Однако экспериментальные данные не находятся в полном соответствии с термодинамическими расчетами, поскольку термодинамические данные по равновесию раскисления кальцием в жидком железе, являются недостаточно надежными. Недавно равновесие раскисления алюминием и кальцием было рассмотрено японскими учеными [3].

Цель статьи - рассчитать равновесие комплексного раскисления жидкой стали алюмини-

1 д-р техн. наук, профессор, Приазовский государственный технический университет, г. Мариуполь

2 ст. научный сотрудник, Приазовский государственный технический университет, г.Мариуполь

Вип. №20

Серiя: Техшчш науки

ем и кальцием, используя термодинамические данные работы [3]. В ней активность кислорода в жидком железе измерялась методом электродвижущих сил, и надежность экспериментальных данных равновесия комплексного раскисления, полученная в данном исследовании, обсуждается с позиции настоящих и предыдущих экспериментальных результатов комплексного раскисления алюминием и кальцием.

Реакции раскисления жидкого железа алюминием и кальцием выражаются следующими уравнениями:

Л/203(тв) = 2[А1] + 3[0] (1)

СаО(тв) = [Са] + [О] Константы равновесия для реакций (1) и (2) К1 и К2 имеют следующие значения:

( 2 „3 >

(2)

^ К (1) = ^ К (2) =

аА1 •аО аА12О3

V 23

( \

аСа •аО аСаО

V

= 11,62 - 45300/Т

= -3,29 - 7220/ Т

(3)

(4)

где аА1, аСа аО - активности алюминия и кальция в жидком железе, относительно разбавленных растворов, а активности А1203 и СаО относительно чистых твердых, соответственно, и Т - абсолютная температура ( К).

Активности алюминия, кальция и кислорода в жидком железе соответственно равны:

аА1 = /А1 [% А1 ].

?

аСа = /Са [%Са]. аО = /О [%О] .

(5)

(6) (7)

Коэффициент активности элемента i относительно разбавленного раствора/1 равен:

18/ = I е{ [% 1] , (8)

где е - обозначает параметр взаимодействия первого порядка от j по 1.

Величины параметров взаимодействия используемые в настоящей приведены в таблице 1.

Параметры взаимодействия между алюминием, кальцием и кислородом различаются друг от друга по литературным данным. В настоящей статье использованы величины, опубликованные в работе [3] потому что они могут надежно объяснять экспериментальные результаты отдельных исследований термодинамики раскисления алюминием и кальцием в широком интервале концентраций, и рассматриваются как одни из наиболее надежных данных в настоящее

время. Комплексное равновесие раскисления алюминием и кальцием рассчитано при температуре 1873К путем решения уравнений (1,2) одновременно с использованием уравнений (3, 4), через уравнение (8) и активности А12О3 и СаО в системе СаО -А12О3. В случае равновесия с алюминатами кальция СаО А12О3(СА), СаО-2А12О3(СА2) или СаО-6А12О3(СА6), активности А12О3 и СаО определяли из стандартной энергии

Таблица 1

Параметры взаимодействия для системы Fe-A1-Ca-O при 1873К

1 j е1

А1 А1 0,0430

Са - 0,047

О - 1,98

А1 - 1,17

О Са - 313

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 1 3 2010 р. Серiя: Техшчш науки Вип. №20

Гиббса образования этих оксидов (табл.2).

Активности А12О3 и СаО в сосуществующих твердых фазах

Таблица 2

Равновесные фазы аА12О3 аСаО

А12О3(тв) + СаО6АЬО3 1 0,811 3,28хД0" 3

СаО6АЬО3 + 0,0115

СаО2АЬО3 0,30 0,084

СаО2АЬО3 +

СаО-АЬО3

Зависимость между содержаниями алюминия, кальция и кислорода рассчитывали следующим образом.

1.Активности А12О3 и СаО определяются в соответствии с системой СаО - А12О3 (табл. 2).

2.Допуская произвольное содержание кислорода в жидком железе, соотношение между содержаниями алюминия и кальция , которое удовлетворяет уравнению (1) подсчитано из уравнений (3, 5, 7,8).

3.Аналогично, зависимость между содержаниями алюминия и кальция, которые удовлетворяют уравнению (2) подсчитывали с использованием уравнений (4,6,7,8).

4.Состав жидкого железа в равновесии с соответствующей композицией системы СаО -А12О3 определяли из пересечения зависимости между содержаниями алюминия и кальция, определенного в п.п. 2 и 3.

5.Расчеты п.п.2 и 4 повторяли при содержаниях кислорода в пределах от 10-5 и до 10-2%.

Путем повторения указанных выше расчетов для всех композиций системы СаО - А12О3,

была построена фазовая диаграмма комплексного равновесия раскисления алюминием и кальцием (рис.1).

Анализ диаграммы показывает, что последовательное раскисление жидкого железа алюминием (с получением в металле концентрации алюминия 0,04 %) и кальцием (содержание кальция 0,002-0,003 %) приводит к трансформации включений корунда в жидкие алюминаты кальция. Таким образом, раскисление стали алюминием и кальцием позволяет получить благо-

^ И)

Рис.1 - Комплексное равновесие раскисления нием);

жидкого железа алюминием и кальцием при .....СаО-(СаОА12Оз) нас

1873К: ............ - [О], ррт.; •,■, □ - экспери- ........- Са0Нас-А1203 (комплексное раскис-

ментальные данные ление М и Са)

Вип. №20

Серiя: Техшчш науки

приятные по форме НВ, недеформируемые при прокатке. При раскислении стали алюминием и кальцием необходимо выполнять ряд условий. Так, для получения алюминатных НВ в жидком виде при температуре стали 1580-1620оС, отношение Са/А1окс должно находиться в пределах

0.8.1,6. Повышенное содержание остаточного алюминия в стали нежелательно, т.к. увеличивает содержание Al2O3 в алюминатах. Оптимальное содержание СаО в алюминатах составляет 40-60 %. Содержание СаО в НВ растет с увеличением количества вводимого кальция. При 1600оС и концентрации алюминия 0,03-0,04 %, содержание СаО на уровне 40 % достигается при отношении Ca/Al = 0,05-0,06, а при 50 % СаО это отношение составляет 0,11-0,14. Обработка металла кальцием заметно повышает раскислительную способность алюминия.

Были также проведены расчеты зависимости содержания кислорода и активности кислорода от содержания алюминия для комплексного раскисления алюминием и кальцием в условиях равновесия с насыщенным CaO-Al2O3 или СаО шлаком (рис. 2).

Соответствующие расчеты были проведены и для условий раскисления одним алюминием. Проведенные расчеты показали, что в случае комплексного раскисления стали алюминием и кальцием содержание кислорода (рис. 2а) и активность кислорода (рис. 2б) ниже, чем при раскислении одним алюминием. Таким образом, можно рассчитывать, что в случае комплексного раскисления (при одном и том же содержании остаточного алюминия) в стали будет меньше неметаллических включений.

Выводы

1. Для всех композиций системы СаО - Al2O3 построена фазовая диаграмма комплексного равновесия раскисления жидкого железа алюминием и кальцием при температуре 16000С.

2. Последовательное раскисление жидкого железа алюминием (с получением в металле концентрации алюминия 0,04%) и кальцием (содержание кальция 0,002 - 0,003%) приводит к трансформации включений корунда в жидкие алюминаты кальция.

3. Для получения алюминатных НВ в жидком виде при температуре стали 15 80 - 16200С, отношение Са /А1окс должно находиться в пределах 0,8 - 1,6. Повышенное содержание остаточного алюминия в стали нежелательно, т.к. увеличивает содержание Al2O3 в алюминатах. Оптимальное содержание СаО в алюминатах составляет 40-60-%.

4. В случае комплексного раскисления стали алюминием и кальцием содержание кислорода и активность кислорода ниже, чем при раскислении одним алюминием.

Список использованных источников:

1. Михайлов Г.Г. Термодинамический анализ процессов комплексного раскисления стали сплавами, содержащими кальций / Г.Г. Михайлов / Фундаментальные исследования физи-кохимии металлических расплавов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2002.- С. 114-129.

2. Михайлов Г.Г. Термодинамический анализ процессов раскисления стали кальцием и алюминием / Г.Г.Михайлов,Л.А. Чернова /Электрометаллургия. 2008, № 3.- С. 6 - 8.

3. Taguchi K.. Complex Deoxidation Equilibria of Molten Iron by Aluminum and Calcium / K.Taguchi, H.Ono-nakazato, T.Usui andoth / ISIJ Int., Vol. 45.- 2005.- No. 11, pp. 1572-1578.

Рецензент: С.Л. Макуров д-р техн. наук, проф., ПГТУ

Статья поступила 10.03.2010