Разработка рациональных составов ферросплавов для обработки стали и чугуна.
Жучков В.И., Гасик М.И., Шешуков О.Ю.

Сборник докладов Литейного консилиума №2 «Теория и практика металлургических процессов при производстве отливок из чёрных сплавов» - Челябинск: Челябинский Дом печати, 2007 - с. 88.

В настоящее время существует множество различных методов определения свойств ферросплавов, влияющих на выбор их рационального состава. Некоторые исследователи основным критерием при оптимизации состава сплава выбирают его действие на качество и свойства обрабатываемого металла, не учитывая технологических особенностей получения и потребительских свойств данного сплава. В Институте металлургии УрО РАН разработан комплексный подход к определению рационального состава ферросплава, позволяющий всесторонне рассмотреть его характеристики и взаимодействие с обрабатываемым расплавом, более обоснованно выбрать элементы и их соотношение в сплаве [1].

Требования, учитывающие основные факторы, влияющие на применение ферросплавов с точки зрения как их получения, так и использования, сформулированы в 10 положениях [2]:

1. Скорость плавления ферросплавов зависит от температуры обрабатываемого металла (T_в – температура ванны), а его перегрев выше температуры ликвидус (T_к) различен. Поэтому оптимальную температуру плавления ферросплава (T_п) следует связывать с той, которую имеет жидкий металл при вводе сплава. В зависимости от температуры плавления все ферросплавы можно разделить на три группы:

• легкоплавкие, у которых T_п < T_к;
• тугоплавкие, у которых T_к < T_п < T_в;
• сверхтугоплавкие, у которых Т_п < Т_в.

Как видно, классификация ферросплавов является не абсолютной, а относительной – по отношению к данному железоуглеродистому расплаву, т.е. для конкретных значений Тк и Тв. Наилучшая температура плавления для ферросплавов должна быть ниже температуры железоуглеродистого расплава в ковше не менее чем на 200°С. Приемлемыми значениями температур плавления обладают легкоплавкие и тугоплавкие ферросплавы. Применение сверхтугоплавких ферросплавов для легирования стали нежелательно, так как это значительно увеличит время плавления сплавов и, как следствие, ухудшит технико-экономические показатели плавки. Нижний предел температуры плавления сплавов не ограничен, однако отдельно необходимо рассматривать соотношение температуры кипения ферросплава и температуры обрабатываемого расплава. Рекомендуемая температура плавления (начало кристаллизации) ферросплавов, предназначенных для обработки стали, должна составлять не более 1400°С; для обработки чугунов – не более 1100°С.

2. Среди наиболее важных физико-химических характеристик сплавов особое место занимает плотность ферросплава, которая оказывает существенное влияние не только на процесс его получения, но и на степень и стабильность усвоения ведущих элементов, скорость его растворения и равномерность распределения в объеме металла. Оптимальная величина плотности ферросплавов имеет конкретные пределы, связанные с движением его кусков в ковше. Под воздействием струи жидкости, сливаемой в ковш, твердые куски совершают циркуляционное движение, в котором можно выделить три фазы: 1 – движение по поверхности жидкости; 2 – погружение в струе жидкости; 3 – всплывание.

Рекомендуемая плотность промышленных ферросплавов, предназначенных для обработки чугунов и сталей, составляет 5000-7000 кг/м³, причем, в зависимости от размера куска ферросплава, пределы оптимальной плотности конкретизируются. Так для кусков ферросплавов диаметра 100-150 мм плотность должна составлять 6000-7000 кг/м³; для диаметра 50-100 мм – 6300-7000 кг/м³.

Сплавы, обладающие оптимальной плотностью, наиболее полно вовлекаются в гидродинамическое движение потоками стали в ковше и, как следствие, успевают наиболее быстро и полно расплавиться и полностью усвоиться железоуглеродистым расплавом. Сплавы с меньшей плотностью не вовлекаются вглубь расплава, а с большей – опускаются на дно.

Наглядным примером влияния плотности ферросплавов на их служебные характеристики является ферроалюминий. Замена алюминия с плотностью ~2700 кг/м³ на ферроалюминий (30 % Аl) с плотностью ~5500 кг/м³ позволила увеличить усвоение Аl при обработке стали в ~3 раза.

Имеются сплавы, обладающие слишком высокой плотностью, которую необходимо понижать в несколько раз. Например, ферровольфрам (70-80% W), плотность которого достигает 15500 кг/м³ [3], что наряду с высокой его температурой плавления (2600°С) делает этот сплав весьма неудобным для применения.

3. Для лучшего усвоения ведущих элементов последние должны слабо окисляться кислородом воздуха, для этой цели в комплексном ферросплаве желательно иметь недорогие элементы, обладающие большей окисляемостью, поверхностной концентрацией и активностью, чем основные компоненты сплава.

4. В сплаве, предназначенном для микролегирования, целесообразно иметь пониженное содержание ведущего элемента – до 10-25, а в отдельных случаях до 2-5%. Одним из примеров необходимости снижения содержания ведущего элемента в ферросплаве, являются борсодержащие сплавы. В промышленной практике в нашей стране бор добавляли в сталь в виде ферробора и ферроборала, содержащих ~15% В. Присадка этих сплавов в ковш производится в небольших количества (65-335 г на тонну стали), из-за низкого содержания бора в стали (0,001-0,005%). Сплавы неравномерно окисляются, что приводит к нестабильному и низкому усвоению бора сталью. Изучение свойств борсодержащих сплавов позволило разработать новый состав комплексного ферросплава с содержанием, %: 1-5 В; 45-65 Si. Предложенные ферросплавы с пониженным содержанием бора были получены на ЧЭМК и успешно приняты к внедрению для выплавки стали мар-ки 50РА [4].

5. Время плавления и растворения ферросплава в обрабатываемом металле должно быть минимальным. Особенно это касается ферросплавов, предназначенных для обработки железоуглеродистого расплава в ковше.

6. Комплексные раскислители должны содержать элементы, обладающие разным сродством к кислороду и обеспечивающие максимальное удаление, измельчение и глобуляризацию неметаллических включений.

7. Тепловой эффект взаимодействия ферросплава с жидким металлом должен приводить к минимальному охлаждению последнего.

8. Ферросплавы должны обладать: механической прочностью, обеспечивающей удовлетворительную дробимость при образовании минимума мелких фракций; низкими значениями пористости, рассыпаемости и ликвации элементов в слитке; удовлетворительным гранулометрическим составом и внешним видом; благоприятной микроструктурой.

9. Ферросплавы должны отвечать требованиям санитарной, пожаро- и взрыво-безопасности. Наглядным примером сплава, не отвечающего этим требованиям, является ферросилиций с пониженным содержанием Si (20-25%), который в настоящее время не производится по причине его саморассыпания (при воздействии окружающей среды) и взрывоопасности.

10. Состав ферросплава должен находиться в соответствии с экономической эффективностью и технологическими особенностями его получения и использования.

В современных условиях химический состав ферросплавов строго лимитируется рамками ГОСТов или ТУ. Это создает ограничения возможности использования различных видов сырья (зачастую не позволяет использовать более доступные и дешевые виды сырья), а в ряде случаев приводит к ухудшению потребительских свойств ферросплавов.

При общей традиционной тенденции иметь высокое содержание ведущего элемента в ферросплаве, в некоторых случаях, целесообразно изменять его состав, в том числе, и в сторону снижения содержания ведущего элемента. Данное положение подтверждается исследованиями большой группы ферросплавов (молибден-, вольфрам-, бор-, алюминий-, хромсо-держащих сплавов и т.д.).

В последнее время нами было изучено положительное влияние снижения содержания ведущего элемента на примере высокоуглеродистого феррохрома.

Необходимо отметить, что в России обычно для обработки стали используются марки феррохрома с повышенным содержанием хрома (не менее 60-65%).

На зарубежных заводах в последние годы помимо высокопроцентного феррохрома интенсивно используются марки высокоуглеродистого феррохрома с пониженным содержанием хрома, так называемого “Charg crome”. Такой феррохром содержит, %: > 45 Сr; 3-10 Si.

“Charg crome” (53 % Сr; 10 % Si) по основным потребительским характеристикам превосходит феррохром с содержанием 62% Сr. Температура плавления “Charg crome” 1530°С, а у стандартного феррохрома – 1620°С. Плотность “Charg crome” составляет 6800 кг/м³ (стандартного феррохрома - 7790 кг/м³) и является оптимальной для сплавов, предназначенных для обработки стали в ковше, в то время как стандартный феррохром относится к группе тяжелых сплавов. В целом полученные данные показали, что «Charg crome» обладает наиболее благоприятными физико-химическими характеристиками по сравнению со стандартным феррохромом с точки зрения его применения для обработки железоуглеродистого расплава.

Таким образом, для определения рациональных составов ферросплавов необходимо использовать комплексный подход, позволяющий всесторонне рассматривать его характеристики и взаимодействие с обрабатывае-мым расплавом. Для повышения стабильности и степени усвоения ведущих элементов ферросплавов в железоуглеродистом расплаве, в некоторых случаях, целесообразно снижать содержание ведущего элемента в сплаве, допуская существенные отличия химических составов ферросплавов от существующих требований ГОСТов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Жучков В.И., Носков А.С., Завьялов А.Л. Растворение ферросплавов в жидком металле. – Свердловск: УНЦ АН СССР, 1990. – 134 с.
2. Жучков В.И. Основные принципы определения оптимального состава ферросплавов // Материалы III Республ. науч. тех. совещ.: Совершенствование технологии марганцевых сплавов – Тбилиси, 1983.– С. 109-114.
3. Игнатьев В.С., Беспалова И.А., Тхоревский В.С. и др. Физические свойства легирующих сплавов. – Ферросплавное производство, сер. 5, Черметинформация, вып. 2, М., 1973. – 16 с.
4. Попов В.П., Зайко В.П., Жучков В.И. и др. Получение и использование при выплавке стали борсодержащих лигатур. Материалы научно-технической конференции: Теория и практика получения и применения комплексных ферросплавов / Из-во: Мецинереба, Тбилиси. 1974, С 245-250.

Здесь представлена статья:

Жучков В.И., Гасик М.И., Шешуков О.Ю. Разработка рациональных составов ферросплавов для обработки стали и чугуна. - Сб.докладов Литейного консилиума №2 «Теория и практика металлургических процессов при производстве отливок из чёрных сплавов» - Челябинск: Челябинский Дом печати, 2007 - с. 88.

[на главную] | [новости] | [конференция] | [книги] | [статьи] | [патенты] | [вопрос-ответ] | [экология] | [персоны] | [предприятия] | [выставки] | [справочник] | [ссылки] | [реклама] | [галерея] | [форум] | [контакты]