blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-11-860-869blackmet-1758Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESТермодинамические особенности модифицирования неметаллических включений кальцием в низкоуглеродистых сталях, раскисленных алюминиемThermodynamic features of the modifi cation of non-metallic inclusions by calcium in low-carbon steels deoxidized by aluminumХорошиловА. Д.KhoroshilovA. D.

Генеральный директор

109428, Москва, Рязанский проспект, 8а, стр. 24

khoroshilovad@gmail.comГригоровичК. В.GrigorovichK. V.

Член-корр. РАН, Доктор технических наук, профессор кафедры металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов, зав. лабораторией диагностики материалов

119049, Москва, Ленинский пр., 4;  119991Москва, Ленинский пр., 49

ООО "МВТ ИНЖИНИРИНГ"РоссияJSC “MVT INZhINIRING”Russian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»; Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАНРоссияNational University of Science and Technology “MISIS”; Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, RASRussian Federation2019231220196211860869Copyright © Хорошилов А.Д., Григорович К.В., 20192019Хорошилов А.Д., Григорович К.В.Khoroshilov A.D., Grigorovich K.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1758

Низкоуглеродистые стали, раскисленные алюминием, являются основной группой производимых в России и мире конструкционных сталей, работающих в ключевых отраслях экономики – строительстве, автомобилестроении, добыче и транспортировке полезных ископаемых и др. Раскисление стального расплава алюминием приводит к образованию неметаллических включений, которые могут существенно влиять на качество проката и снизить технологичность производства из-за зарастания погружных разливочных стаканов, стаканов-дозаторов и шиберных затворов при непрерывной разливке. Так, при прочих равных условиях, только лишь в силу загрязненности стали неметаллическими включениями могут наблюдаться следующие отличия в технико-экономических показателях: отсортировка по дефектам поверхности, снижение выхода годных разлитых заготовок, увеличение скорости коррозионного износа, отсортировка по дефектам ультразвукового контроля и пр. В силу особенности формы, размеров и агрегатного состояния, неметаллические включения на основе продуктов раскисления стали алюминием трудно удаляются из расплава стали. Эффективный путь снижения загрязненности стали подобными включениями – модифицирование их состава до жидкого агрегатного состояния кальцием, что требует тщательной подготовки расплава шлака и металла. В статье подробно рассмотрены основные термодинамические особенности данного процесса. На примере IF-стали представлен расчет целевого диапазона содержания кальция для обеспечения модифицирования включений до жидкого состояния в зависимости от концентрации алюминия в расплаве стали. Рассчитаны предельные концентрации серы в расплаве металла в зависимости от содержания алюминия и кальция, обеспечивающие предотвращение образования тугоплавких сульфидных оболочек на оксидных неметаллических включениях.

Low-carbon steels deoxidized by aluminum are the main group of structural steels produced in Russiaand all over the world. These steels work in key sectors of the economy – construction, automotive, mining and transportation of minerals, etc. The deoxidation of steel melt by aluminum leads to the formation of non-metallic inclusions, which can significantly affect quality of rolled products and reduce the manufacturability of production due to overgrowth of submerged

nozzles during continuous casting. So, ceteris paribus, only due to contamination of steel with non-metallic inclusions, the following differences in technical and economic indicators can be observed: sorting by surface defects, reduced yield of cast slabs, increased corrosion wear rate, sorting by ultrasonic inspection defects, etc. Due to the particular shape, size and state of aggregation, non-metallic inclusions based on aluminum deoxidation products are difficult to remove from the steel melt. An effective way to reduce steel pollution by similar inclusions is modifying their composition to a liquid state of aggregation with calcium, which requires careful preparation of the molten slag and metal. The article describes in detail the main thermodynamic features of this process. On the example of IF-steel, we present calculation of the target range of calcium content to ensure the inclusion modification to a liquid state depending on aluminum concentration in the steel melt. The limiting sulfur concentrations in the metal melt are determined depending on aluminum and calcium contents, which ensure prevention of the formation of refractory sulfide shells on oxide non-metallic inclusions.

неметаллические включениянизкоуглеродистые сталиIF-сталидефекты поверхностимодифицирование кальциемшлаковое модифицированиедефект пленаnon-metallic inclusionslow-carbon steelsIF-steelssurface defectscalcium modificationslag modificationsliver defectReferencesЗайцев А.И., Родионова И.Г., Хорошилов А.Д. и др. Анализ природы возникновения поверхностных дефектов холоднокатаного проката из IF-сталей // Электрометаллургия. 2012. № 7. С. 36 – 40.Zaitsev A.I., Rodionova I.G., Khoroshilov A.D., Mezin F.I., Semernin G.V., Mishnev P.A., Zhironkin M.V., Bikin K.B. Analysis of surface defects occurrence in cold-rolled products from IF-steels. Elektrometallurgiya. 2012, no. 7, pp. 36–40. (In Russ.).Алалыкин Н.В., Хорошилов А.Д. Совершенствование технологии выплавки и разливки IF-стали в условиях ПАО «ММК» // Сб. тр. XV Междунар. конгресса сталеплавильщиков. – Тула, 2018.Alalykin N.V., Khoroshilov A.D. Improving the technology of melting and casting of IF-steel in the conditions of PJSC MMK. In: XV Mezhdunarodnyi kongress staleplavil’shchikov, Tula, 2018. (In Russ.).Зайцев А.И., Родионова И.Г., Хорошилов А.Д. и др. Оптимизация сквозной технологии получения непрерывнолитых заготовок из IF-сталей – эффективный путь повышения качества поверхности холоднокатаного проката // Электрометаллургия. 2012. № 10. С. 36 – 42.Zaitsev A.I., Rodionova I.G., Khoroshilov A.D., Mezin F.I., Semernin G.V., Mishnev P.A., Zhironkin M.V., Bikin K.B. Optimization of end-to-end technology for producing continuously cast billets from IF-steels as an effective way to improve the surface quality of cold-rolled products. Elektrometallurgiya. 2012, no. 10, pp. 36–42. (In Russ.).Хорошилов А.Д., Зайцев А.И., Родионова И.Г. и др. Разработка эффективных способов снижения отсортировки по дефектам поверхности холоднокатаного проката из IF-сталей // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». 2013. № 7. С. 38 – 41.Khoroshilov A.D., Zaitsev A.I., Rodionova I.G., Yaburov S.I., Mezin F.I., Semernin G.V., Kazankov A.Yu. Development of effective ways to reduce the sorting by surface defects of cold-rolled products from IF-steels. Chernaya metallurgiya. Byul. in-ta “Chermetinformatsiya”. 2013, no. 7, pp. 38–41. (In Russ.).Riyahimalayeri K., Ölund P., Selleby M. Effect of vacuum degassing on non-metallic inclusions in an ASEA-SKF ladle furnace // Ironmaking and Steelmaking. 2013. Vol. 40. P. 470 – 477.Riyahimalayeri K., Ölund P., Selleby M. Effect of vacuum degassing on non-metallic inclusions in an ASEA-SKF ladle furnace. Ironmaking and Steelmaking. 2013, vol. 40, pp. 470–477.Lind M. Mechanism and kinetics of transformation of aluminia inclusions in steel by calcium treatment: Doctoral Thesis. Helsinki University of Technology Publications in Materials Science and Engineering. – Helsinki, 2006. – 89 p.Lind M. Mechanism and kinetics of transformation of aluminia inclusions in steel by calcium treatment: Doctoral Thesis. Helsinki: Helsinki University of Technology Publications in Materials Science and Engineering 2006, 89 p.Katsuhiro Sasi, Yoshimasa Mizukami. Mechanism of alumina adhesion to continuous caster nozzle with reoxidation of molten steel // ISIJ International. 2001. Vol. 41. No. 11. P. 1331 – 1339.Katsuhiro Sasi, Yoshimasa Mizukami. Mechanism of alumina adhesion to continuous caster nozzle with reoxidation of molten steel. ISIJ International. 2001, vol. 41, no. 11, pp. 1331–1339.Шахпазов E.Х., Зайцев А.И., Шапошников Н.Г. и др. К проблеме физико-химического прогнозирования типа неметаллических включений. Комплексное раскисление стали алюминием и кальцием // Металлы. 2006. № 2. С. 2 – 13.Shakhpazov E.Kh., Zaitsev A.I., Shaposhnikov N.G., Rodionova I.G., Rybkin N.A. Physicochemical prediction of the types of nonmetallic inclusions: Complex deoxidation of steel with alumnum and calcium. Russian Metallurgy (Metally). 2006, vol. 2006, no. 2, pp. 99–107.Lifeng Zhang, Brian G. Thomas. Inclusion investigation during clean steel production at Baosteel // ISS Tech 2003 (Conf. Proc.), Indianapolis, IN, USA, April. 27 – 30, 2003. ISS-AIME, Warrendale, PA, 2003. Р. 141 – 156.Lifeng Zhang, Brian G. Thomas. Inclusion investigation during clean steel production at Baosteel. ISS Tech. 2003 (Conf. Proc.), Indianapolis, IN, USA, April 27-30, 2003. ISS-AIME, Warrendale, PA, 2003, pp. 141–156.Holappa L., Hämäläinen M., Liukkonen M., Lind M. Thermodynamic examination on inclusion modification and precipitation from calcium treatment to solidified steel // Ironmaking and Steelmaking. 2003. Vol. 30. No. 2. P. 111 – 115.Holappa L., Hämäläinen M., Liukkonen M., Lind M. Thermodynamic examination on inclusion modification and precipitation from calcium treatment to solidified steel. Ironmaking and Steelmaking. 2003, vol. 30, no. 2, pp. 111–115.Takashi Kimura, Hideaki Suito. Calcium deoxidation equilibrium in liquid iron // Metallurgical and Materials Transactions B. Feb. 1994. Vol. 28B. P. 33 – 42.Takashi Kimura, Hideaki Suito. Calcium Deoxidation Equilibrium in Liquid Iron. Metallurgical and Materials Transactions B. Feb. 1994, vol. 28B, pp. 33–42.Зайцев А.И., Могутнов Б.М., Шахпазов E.Х. Физическая химия металлургических расплавов. – М.: Интерконтакт Наука, 2008. – 352 с.Zaitsev A.I., Mogutnov B.M., Shakhpazov E.Kh. Fizicheskaya khimiya metallurgicheskikh rasplavov [Physical chemistry of metallurgical melts]. Moscow: Interkontakt Nauka, 2008, 352 p. (In Russ.)Шорников С.И. Термодинамические свойства расплавов системы CaO – Al O // Электронный научно-информационный журнал «Вестник Отделения наук о Земле РАН». 2003. № 1(21). С. 1 – 3.Shornikov S.I. Thermodynamic properties of the melts of CaO– Al2O3 system. Elektronnyi nauchno-informatsionnyi zhurnal “Vestnik Otdeleniya nauk o Zemle RAN”. 2003, no. 1(21), pp. 1–3.Григорян В.А., Стомахин А.Я., Уточкин Ю.И. и др. Физикохимические расчеты электросталеплавильных процессов. – М.: МИСиС, 2007. – 318 с.Grigoryan V.A., Stomakhin A.Ya., Utochkin Yu.I., Ponomarenko A.G, Belyanchikov L.N., Kotel’nikov G.I., Ostrovskii O.I. Fiziko-khimicheskie raschety elektrostaleplavil’nykh protsessov [Physicochemical calculations of steelmaking processes]. Moscow: MISiS, 2007, 318 p. (In Russ.).Yang Wen, Cao Jing, Wang Xin-hua. Investigation on non-metallic inclusions in LCAK steel produced by BOF-LF-FTSC production route // Journal of Iron and Steel Research, International. 2011. Vol. 18. No. 9. P. 6 – 12.Yang Wen’, CAO Jing’, Wang Xin-hua, Investigation on non-metallic inclusions in LCAK steel produced by BOF-LF-FTSC production route. Journal of Iron and Steel Research, International. 2011, vol. 18, no. 9, pp. 6–12.Ye Guo-zhu, Par Jonsson, Thore Lund. Thermodynamics and kinetics of the modification of A12O3 inclusions // ISIJ Int. 1996. Vol. 36 (Supplement). P. 105.Ye Guo-zhu, Par Jonsson, Thore Lund. Thermodynamics and kinetics of the modification of Al2O3 inclusions. ISIJ Int. 1996, no. 36 (Supplement), pp. 105.Nita P.S., Butnariu I., Constantin N. The efficiency at industrial scale of a thermodynamic model for desulphurization of aluminium killed steels using slags in the system CaO-MgO-Al2O3-SiO2 // Revista de Metalurgia. 2010. Vol. 46. No. 1. P. 5 – 14.Nita P.S., Butnariu I., Constantin N. The efficiency at industrial scale of a thermodynamic model for desulphurization of aluminium killed steels using slags in the system CaO–MgO–Al2O3–SiO2 . Revista de Metalurgia. 2010, vol. 46, no. 1, pp. 5–14.Story S.R., Piccone T.J., Fruehan R.J., Potter M. Inclusion analysis to predict casting behavior // ISSTech. 2003 Conference, ISS of AIME, Indianapolis, USA.Story S.R., Piccone T.J., Fruehan R.J., Potter M. Inclusion analysis to predict casting behavior. ISSTech 2003 Conference, ISS of AIME, Indianapolis, USA.Tundish technology for clean steel production // World Scientific Publishing. Available at URL: http://www.worldscibooks.com/engineering/6426.html, 2007.Tundish technology for clean steel production. World Scientific Publishing. Available at URL: http://www.worldscibooks.com/engineering/6426.html, 2007.Björklund J. A study of slag-steel-inclusion interaction during ladle treatment. Licentiate thesis. School of Industrial Engineering and Management Division of Applied Process Metallurgy Royal Institute of Technology. Stockholm, Sweden, 2006. – 28 p.Björklund J. A study of slag-steel-inclusion interaction during ladle treatment. Licentiate thesis. School of Industrial Engineering and Management Division of Applied Process Metallurgy Royal Institute of Technology. Stockholm, Sweden, 2006, 28 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.