Термодинамические особенности модифицирования неметаллических включений кальцием в низкоуглеродистых сталях, раскисленных алюминием

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.

1. Зайцев 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Takashi Kimura, Hideaki Suito. Calcium deoxidation equilibrium in liquid iron // Metallurgical and Materials Transactions B. Feb. 1994. Vol. 28B. P. 33 – 42.

12. Зайцев А.И., Могутнов Б.М., Шахпазов E.Х. Физическая химия металлургических расплавов. – М.: Интерконтакт Наука, 2008. – 352 с.

13. 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.

14. Григорян В.А., Стомахин А.Я., Уточкин Ю.И. и др. Физикохимические расчеты электросталеплавильных процессов. – М.: МИСиС, 2007. – 318 с.

15. 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.

16. Ye Guo-zhu, Par Jonsson, Thore Lund. Thermodynamics and kinetics of the modification of A12O3 inclusions // ISIJ Int. 1996. Vol. 36 (Supplement). P. 105.

17. 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.

18. 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.

19. Tundish technology for clean steel production // World Scientific Publishing. Available at URL: http://www.worldscibooks.com/engineering/6426.html, 2007.

20. 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.