4. Особенности рафинирования стали кальцием, магнием и рзм

Впервые в 1969 году метод вдувания кальций и магний содержащих материалов в ковш внедрила в ФРГ фирма Тюссен Нидерхайн, назвав его TN – процессом. Технология учитывает специфические свойства кальция. Это легкий металл плотностью 1,55г/см³, температура его плавления 850˚С, а кипения - 1420˚С. В жидкой стали он находится в парообразном состоянии, поэтому для повышения степени усвоения кальция необходимо создавать металлостатическое давление столба жидкой стали, заглубляя место его ввода. Упругость паров кальция понижается и степень его усвоения повышается, если он вводится в виде соединений CaC₂, SiCa, CaCN₂ и др.

Растворимость кальция в чистом железе при равновесных условиях составляет 0,032%. Содержащиеся в стали углерод, кремний, алюминий и др. элементы повышают растворимость кальция и фактически в стали она составляет около 0,1%. Кальций обладает высоким химическим сродством к кислороду и сере, поэтому степень десульфурации повышается при вводе его в хорошо раскисленный металл. Кальций связывает серу в сульфид CaS, который ассимилируется шлаком. Для обеспечения 90%-й степени десульфурации расход кальция составляет 1,5 кг/т стали.

В раскисленной алюминием стали при отношении Ca/Al >0,1 образуются жидкие включения , которые быстрее, чем твердые CaO · 6Al₂O₃ (при Ca/Al < 0,1) всплывают в ковше, а при разливке не закупоривают канал сталеразливочного стакана, обеспечивая хорошую разливаемость стали.

Оставшиеся в металле жидкие неметаллические включения алюминатов кальция образуют дисперсные включения сферической формы, которые не деформируются при прокатке в остроугольные цепочки и в меньшей степени, чем глиноземистые ухудшают свойства металла, улучшая обрабатываемость режущими инструментами.

Кальций уменьшает также вредное влияние оставшейся в металле серы, так как включения CaS меньше, чем M_nS вытягиваются вдоль направления прокатки. Это снижает анизотронию свойств. В жестких технических условиях отношение Ca/S устанавливается более 0,7. Сталь, обработанная кальцием, имеет более чистые границы зерен, однороднее, обладает лучшими показателями механических свойств и анизотропии.

Магний отличается от кальция большей плотностью (1,74г/см³), более низкими температурами плавления (651˚ С) и кипения (1107˚С), поэтому взаимодействие его в металле сопровождается большим бурлением и требуются соответствующие меры для предотвращения оголения металла из-под шлака и выбросов. При обработке магния в металле больше снижается содержание кислорода и серы, чем при обработке кальцием. Поэтому магний рекомендуется применять для рафинирования более окисленной низкоуглеродистой стали. Расход магния на десульфурацию стали примерно в 3 раза ниже, чем кальция. Эффективность использования магния повышается, если он применяется в виде сплавов или в смеси с такими компонентами, как СаО, CaF₂ и др.

Для достижениея в стали весьма низких содержаний серы практикуют обработку с применением РЗМ на основе церия или циркония (реже иттрия, лантана, неодима, празеодима и др.). Важными свойствами редкоземельных металлов являются относительно не высокая температура плавления (1070-1450˚С) при высокой температуре кипения (3200-4600˚С). Ввод их в металл не вызывает таких затруднений, как в случае обработки магнием или кальцием, а значительная жидкотекучесть при температурах обработки обеспечивает равномерное распределение их в объеме жидкой стали. Растворимость в стали РЗМ выше, чем кальция, и составляет до 0,5%. РЗМ обладает высоким сродством к кислороду, сере, азоту и водороду и нейтрализует вредное воздействие на свойства стали легкоплавких цветных металлов.

Применяя РЗМ, для рафинирования стали, необходимо учитывать высокую температуру плавления их оксидов (1690-2272˚С) и сульфидов (1795-2200˚С), а также большую плотность соответственно для оксидов и сульфидов 6,6-7,3 и 5,2-5,9 г/см³. Поэтому удаление неметаллических включений затруднено. РЗМ следует вводить в хорошо раскисленную сталь и обеспечивать ассимиляцию неметаллических включений покровным шлаком. Кроме рафинирующего воздействия, РЗМ оказывают благотворное влияние на качество стали, как модификаторы.