Применение бария и кальция в качестве раскислителя при выплавке стали

Рассматриваемая тема научно-исследовательской работы связана с применением бария, кальция и других щелочноземельных металлов (ЩЗМ) в качестве раскислителей и модификаторов неметаллических включений.

Анализ литературных данных о влиянии кальция и бария на свойства углеродистой и низколегированной стали выявил некоторые общие положения о механизмах модифицирования с использованием ЩЗМ.

Так например в ряде работ [6, 7] отмечается снижение загрязненности модифицированной стали неметаллическими включениями, напрямую связывая этот факт с наблюдаемым повышением ее жидкотекучести.

Кальций обладает прекрасным химическим свойством - весьма сильным сродством к кислороду, но в то же время при температурах сталеварения находится в газообразном состоянии. В результате, при одних и тех же температурах модифицированный металл содержит меньше равновесного кислорода, а более раннее и интенсивное образование включений повышает возможность их удаления в ковше и, особенно, в изложнице. Применение кальциевого сплава для окончательного раскисления обеспечивает контролируемые состав и форму неметаллических включений и получение стали с низким содержанием кислорода.

Барий является поверхностно-активным элементом. Присадки бария могут хотя бы на короткое время существенно понижать поверхностное натяжение стали и за счет этого разрушать скопления неметаллических включений [8, 9].

Эффективность действия ЩЗМ, как модификаторов, связывали в основном с очищением межзеренных границ. Это можно объяснить взаимодействием ЩЗМ с кислородом, серой и фосфором и снижением их остаточных концентраций. Такое явление имеет место, однако оно не является определяющим. Более существенным является изменение строения металлического расплава. Оно происходит не только при нагреве металла до критических температур [10], но и под действием других факторов, в частности, обработки кальцием [11], который в силу размерного несоответствия с атомами железа оказывает возмущающее действие на микростроение расплава и приводит его к более равновесному состоянию. Это сопровождается увеличением кинематической вязкости стали [10; 11], приводит к более благоприятным условиям кристаллизации и формированию микроструктуры стали, обладающей большей пластичностью.

Подобное влияние оказывает и барий. Но в отличие от кальция, он при температурах ниже 1637 ^оС не испаряется из жидкой стали, может частично окисляться и его иногда обнаруживают при микрорентгеноспектральном анализе включений [7]. Барий из-за большого радиус атома, значительно превышающего радиус атома железа, и почти в два раза меньшей плотности не способен удерживаться в жидком расплаве и быстро удаляется. Этому также способствует и различие в электронном строении атомов бария и железа. Проходя через жидкую сталь, атомы бария, как и кальция, оказывают сильное возмущающее действие на ее микростроение, которое приводит к формированию более равновесной структуры расплава, а в дальнейшем - к кристаллизации металла с повышенными пластическими свойствами. При введении после предварительного раскисления в жидкую сталь FeSiCaBa-сплава его частицы после расплавления вступают в активное взаимодействие с металлом. При этом железо и кремний растворяются в стали, а оставшиеся жидкие частицы нерастворимого СаВа-сплава взаимодействуют с элементами, к которым Са и Ва имеют высокое химическое сродство, в частности, с кислородом, серой, фосфором и углеродом.

Примерное время химического взаимодействия заглубленного в сталь кальция составляет всего 3-4 минуты [12].

В результате указанных процессов в стали на весьма короткое время, по существу равное времени пребывания в ней Са и Ва, образуется высокодисперсная самоорганизующаяся система из частиц Са и Ва, поведение которой и определяет характер протекания процессов модифицирования. Именно возникновение огромного множества микро- и наночастиц Ва и Са в металлическом расплаве при локальном характере введения модификаторов позволяет объяснить и понять возможность осуществления изменения микростроения и свойств всего объема жидкой стали, которые в дальнейшем скажутся на изменении свойств готовых изделий.

Атомы бария и кальция в металле и при выходе на границу металл - шлак соединяются с адсорбированными поверхностноактивными металлоидами (О, S и Р) и в виде соединений BaO, BaS, Ва_ЗР₂, CaO, CaS и Са_ЗР₂ переходят в шлак. В силу малых размеров они легко поглощаются шлаком, способствуя снижению содержания кислорода, серы и фосфора в стали.

Механизм модифицирования барием и другими ЩЗМ тесно связан с оптимальным составом и способом приготовления барийсодержащего модификатора. Известны способы модифицирования барием при условии подачи каждого из элементов отдельно, с тем или иным носителем. Отдельно алюминий металлический, отдельно силикокальций, силикобарий (алюмокальций, алюмобарий), ферроцерий либо силикоцерий. Имеются представления о том, что эти элементы должны быть предварительно сплавлены между собой с получением микрокристаллического сплава-модификатора.