Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ

Методом ЭДС с твердым электролитом изучено влияние комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ, на активность кислорода в железе и сталях при 1600 ºС.

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
1. Verfasser:	Скок, Ю.Я.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2010
Schriftenreihe:	Процессы литья
Schlagworte:	Получение и обработка расплавов
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49775
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ / Ю.Я. Скок // Процессы литья. — 2010. — № 3. — С. 8-12. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-49775
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-497752013-09-28T03:07:13Z Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ Скок, Ю.Я. Получение и обработка расплавов Методом ЭДС с твердым электролитом изучено влияние комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ, на активность кислорода в железе и сталях при 1600 ºС. Методом ЕРС з твердим електролітом вивчено вплив комплексних сплавів, які вміщують ЩЗМ і РЗМ, на активність кисню в залізі та сталях при 1600 ºС. By the method of EMF with solid electrolyte was investigated the influence of composite alloys, which are included alkali-earth and rare-earth metals, on oxygen activity in iron and steels at 1600 ºС. 2010 Article Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ / Ю.Я. Скок // Процессы литья. — 2010. — № 3. — С. 8-12. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0235-5884 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49775 669.14.046.55:621.3.035.4 ru Процессы литья Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Получение и обработка расплавов Получение и обработка расплавов
spellingShingle	Получение и обработка расплавов Получение и обработка расплавов Скок, Ю.Я. Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ Процессы литья
description	Методом ЭДС с твердым электролитом изучено влияние комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ, на активность кислорода в железе и сталях при 1600 ºС.
format	Article
author	Скок, Ю.Я.
author_facet	Скок, Ю.Я.
author_sort	Скок, Ю.Я.
title	Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ
title_short	Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ
title_full	Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ
title_fullStr	Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ
title_full_unstemmed	Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ
title_sort	исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих щзм и рзм
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Получение и обработка расплавов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49775
citation_txt	Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ / Ю.Я. Скок // Процессы литья. — 2010. — № 3. — С. 8-12. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Процессы литья
work_keys_str_mv	AT skokûâ issledovanieraskislitelʹnojsposobnostikompleksnyhsplavovsoderžaŝihŝzmirzm
first_indexed	2025-07-04T11:01:53Z
last_indexed	2025-07-04T11:01:53Z
_version_	1836713942676668416
fulltext	8 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 3 (81) Получение и обработка расплавов При температуре центра окатыша 700 0С металлическая фаза характеризуется повышенным содержанием алюминия, кремния и кальция. Содержание железа при данной температуре составляет 65,34 %. С повышением температуры центра ока- тыша процессы восстановления интенсифицируются и при t ц = 900 0С содержание металлического железа достигает 98,82 %. При дальнейшем повышении температуры до 1100 0С наблюдается уменьшение содержания металлического железа. Очевидно, это объясняется неоднородностью исходного состава окатышей, оплавлением поверхностного слоя, а также частичным окислением уже восстановленного железа. Причиной окисления железа в перифе- рийном слое, очевидно, является поступление из внутренних слоев СО2, содержание которого может превышать 20 % [5]. Таким образом, установлено влияние теплообмена на характер протекания вос- становительных процессов внутри рудоугольных окатышей. Показано, что с ростом интенсивности теплообмена скорость протекания реакций восстановления железа возрастает. При этом существенно меняется структура восстановленного слоя ока- тыша: с увеличением коэффициента теплообмена происходит укрупнение отдельных металлических частиц железа с образованием достаточно плотной и практически не загрязненной шлаковыми включениями металлической фазы. 1. Механизм восстановительной плавки / В. Н. Костяков, В. Л. Найдек, Н. И. Тарасевич и др. // Процессы литья. – 2005. – № 2. – С. 3-10. 2. Теплообмен в жидкой ванне при плавке рудоугольных окатышей / В. Н. Костяков, Е. Б. Полетаев, Г. М. Григоренко и др. // Современная электрометаллургия. – 2008. – № 1. – С. 47-52. 3. Теплопередача в кипящем шлаке при жидкофазной плавке рудоугольных окатышей / Костяков В. Н., Полетаев Е. Б., Шевчук Е. А. и др. // Процессы литья. – 2008. – № 2. – С. 29-33. 4. Бескоксовая переработка титаномагнетитовых руд / В. А. Ровнушкин, Б. А. Боковиков, С. Г. Братчиков и др. – М.: Металлургия, 1988. – 247 с. 5. Кожевников И. Ю. Исследование кинетики восстановления рудно-угольных окатышей // Изв. АН СССР. ОТН Металлургия и топливо. – 1962. – № 6. – С. 12-26. Поступила 27.10.2009 УДК 669.14.046.55:621.3.035.4 Ю. Я. Скок Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев ИССЛЕДОВАНИЕ РАСКИСЛИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ КОМПЛЕКСНЫХ СПЛАВОВ, СОДЕРЖАЩИХ ЩЗМ И РЗМ* Методом ЭДС с твердым электролитом изучено влияние комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ, на активность кислорода в железе и сталях при 1600 оС. * В работе принимали участие В. М. Бабенко, А. Ю. Довбыш ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 3 (81) 9 Получение и обработка расплавов Ключевые слова: раскисление, щелочноземельный металл, редкоземельный металл, не- металлическое включение, оксид, температура. Методом ЕРС з твердим електролітом вивчено вплив комплексних сплавів, які вміщують ЩЗМ і РЗМ, на активність кисню в залізі та сталях при 1600 оС. Ключові слова: розкислення, лужноземельний метал, рідкісноземельний метал, неметалеве включення, оксид, температура. By the method of EMF with solid electrolyte was investigated the influence of composite alloys, which are included alkali-earth and rare-earth metals, on oxygen activity in iron and steels at 1600 оС. Keywords: deoxidation, alkali-earth metal, rare-earth metal, non-metallicity switch, oxide, temperature. Раскисление металла является весьма важной операцией его производства, от которого зависят чистота и качество сплавов. Качество, надежность и долговечность стальных деталей определяются уровнем чистоты металла. Количество оксидных неметаллических включений (ОВН), их морфология, природа и распределение в металле напрямую связано с глубиной его раскисления. В данной работе исследо- вана раскислительная способность комплексных сплавов (КС), содержащих щелоч- ноземельные (ЩЗМ) и редкоземельные (РЗМ) металлы, используемые в качестве модификаторов стали и сплавов. Раскислительную способность элементов в железе и стали в первом приближении можно оценить по величине изобарно-изотермических потенциалов образующихся оксидов [1, 2]. Помимо термодинамических факторов на глубину раскисления влияют и кинетические параметры процесса, а также растворимость раскислителя в жидком железе, упругость его паров при температурах плавки и разливки металла. Активность – безразмерная термодинамическая характеристика. Для кислорода она связана с концентрацией этого элемента следующим уравнением: аО = γО NО или аО = fО [%О], (1) где NО – атомная доля кислорода; γО и fО – коэффициенты активности кислорода, различные по абсолютной величине в зависимости от того, в каких единицах из- меряется концентрация кислорода. Концентрацию активного (несвязанного) кислорода в расплаве обычно опреде- ляют с помощью твердоэлектролитной керамики [3, 4]. В данной работе для изме- рения активности кислорода в стали использовали кислородные концентрационные элементы (ККЭ) конструкции МИСИС из твердоэлектролитной керамики на основе оксида циркония ZrO2, стабилизированной оксидом иттрия. Для этой керамики характерна высокая доля ионной проводимости в диапазоне температур от 1500 до 1700 оС и парциального давления кислорода от 10-7 до 10-12 МПа. Такие ККЭ применимы для измерения содержания кислорода в стали в пределах от 0,23 до 10-4 %мас. с абсолютной погрешностью до 0,0001 %мас. В качестве электрода сравнения в этих ККЭ используется молибден, который в стали образует систему Мо-МоО2 [3, 4]. Активность кислорода в стали определяли по измеренной ККЭ ЭДС с использованием преобразованного уравнения Нернста O 10, 086 + 5660 lg a = 2, 685 - ,%мас. + 273 Е t , (2) где Е – ЭДС ККЭ, мВ; t – температура, оС. Для измерения ЭДС в качестве вторичного прибора использовали потенциометр 10 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 3 (81) Получение и обработка расплавов КПС-4 градуировки 0-100 мВ со скоростью пробега шкалы кареткой 1 с и с делите- лем напряжения 1:10. Опытные плавки сталей массой 1,0-1,5 кг проводили в печи Таммана в алундовых тиглях в атмосфере проточного аргона. Температуру металла измеряли термопарой погружения типа ПР30/6 и потенциометром КСП4. Навески добавок крепили к сталь- ной проволоке и вводили в расплав методом принудительного погружения. После введения добавок для стабилизации ЭДС проводили выдержку металла в течение 10-15 с и отбирали пробы сталей для химического и газового анализов. На рис.1 приведена активность углеродистых и легированных сталей с различным содержа- нием углерода, раскисленных 0,1 %мас. Аl при 1600 оС. Эта зависимость качественно похожа на изотерму [%С] · [%О] = 0,0025, установлен- ную Вачером и Гамильтоном. График построен по результатам измерений ЭДС ККЭ расплавов армко-железа и марок сталей 20, 34ХНЗМ, 9Х2МФ, 110Г13, 08Х18Н10. В таблице приведены данные по влиянию раскислителей и модификаторов на актив- ность кислорода в углеродистых и легиро- ванных сталях, рассчитанных по уравнению Нернста (2). Термином ФСМ назван ферросиликомишметалл марки ФС30РЗМ20 следующего химического состава, %мас.: 48,0 Si; 24,7 РЗМ; 5,1 Аl; 8,2 Са; Fе – остальное. Здесь и далее – химические составы в %мас. Силикобарий СБ25: Марка стали Раскислитель, % ЭДС, мВ аО, % Fе — 106 0,135 0,25 Si 310 0,012 0,20 Аl, 428 0,005 0,20 ФСМ 435 0,003 0,20 SiВа 406 0,006 0,20 SiSr 401 0,008 0,20 SiСа 425 0,006 20 — 345 0,0064 1,1 Мn + 0,7 Si + 0,10 Аl 510 0,0007 -”- + 0,2 ФСМ 565 0,0003 -”- + 0,2 SiСа 558 0,0003 -”- + 0,2 SiВа 516 0,0006 -”- + 0,2 Si Sr 512 0,0007 34ХНЗМ 0,35 Мn + 0,25 Si + 0,10 Аl + 0,20 ФСМ 620 0, 0001 -”- + 0,20 SiВа 570 0,0003 -”- + 0,20 Si Sr 540 0,0005 -”- + 0,20 SiСа 590 0,0002 08Х18Н10 — 345 0,0064 1,0 Mn + 0,5 Si + 0,10 Аl 506 0,0009 -”- + 0,6 Ti 568 0,0005 -”- + 0,20 SiВа 570 0,0005 -”- + 0,20 SiSr 560 0,0005 -”- + 0,20 SiСа 575 0,0003 -”- + 0,20 ФСМ 587 0,0002 Влияние раскислителей на активность кислорода в железе и стали Рис. 1. Изотерма [С] · [О] для железа и сталей Е, мВ а о · 1 0 4 , % ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 3 (81) 11 Получение и обработка расплавов 28,2 Ва; 48,6 Si; 1,9 Са; 1,8 Аl; Fе – остальное. Силикостронций: 16,3 Sr; 56,2 Si; 2,0 Са; 1,5 Аl; Fе – остальное. В работе [2] показано, что поскольку кальций и барий удаляются из стали, рас- ходуясь частично на раскисление, а частично на восстановление других окислов, то с помощью только этих ЩЗМ невозможно получить устойчиво глубоко раскисленный металл. Поэтому кальций и барий применяют совместно с другими раскислителями, в частности, в виде сплавов с кремнием, алюминием и железом. Можно смело утверждать, что железо и барий не образуют сплавов ни в твердом, ни жидком состояниях [5]. Растворимость ЩЗМ и РЗМ в стали значительно повы- шают углерод, алюминий, кремний и никель [6]. В работе [7] установлены следующие значения растворимостей ЩЗМ в жидком железе при 1600 оС (ат.%): Mg – 2,26; Са – 7,82 · 10-2; Sr – 1,78 · 10-3; Ва – 1,22 · 10-4. На некоторых фирмах США для раскисления и модифицирования стали успеш- но используют комплексные сплавы с кальцием и барием типа Кальсибар, в % (14-18 Са; 14-18 Ва; 59-64 Si; 7 Fе) и Хайперкал (10-13 Са; 9-12 Ва; 38-40 Si; 9-12 или 19-21 Аl, остальное железо). При этом сообщается, что эффективность применения этих сплавов выше, чем силикокальция. Для рафинирования чугуна и получения высокопрочных марок чугуна сравнитель- но широко используют магний. Для модифицирования стали магний применяется редко в связи с высоким давлением пара при температуре жидкой стали (1,7 МПа при 1873 К) и создаваемой неблагоприятной экологической обстановке. Иногда для модифицирования стали используют КС, содержащие до 2-3 % Mg. Имеются данные о положительном влиянии магния на свойства высоколегированных хромо- никелевых сплавов и сталей. Содержание ЩЗМ в стали определяли методом атомно-абсорбционного ана- лиза на приборе «Перкин-Эльмер». Остаточного содержания бария и стронция в опытных лабораторных плавках железа и углеродистых сталей не выявили. Не обнаружили также и остаточный барий в промышленных слитках стали 17ГС мас- сой 13 т, в процессе отливки которых в изложницу вводили гранулы силикобария размером 5-10 мм из расчета на 0,05 % Ва. Наличие бария установлено только в отдельных оксидах и оксидной части оксисульфидов в пределах 2,2-6,3 % [3]. Не было обнаружено содержания бария и в сульфидах. Концентрацию ЩЗМ и РЗМ в неметаллических включениях определяли с помощью микрорентгеноспектрального анализа на микроанализаторе «Камебакс». Сравнительное исследование раскисления железа различными раскислителями показало, что минимальная активность кислорода в армко-железе достигается при раскислении его силикомишметаллом (см. таблицу). Сталь 20 предварительно рас- кисляли марганцем, кремнием и алюминием. Затем испытывали эффективность различных лигатур при раскислении ими стали 20. Измерения активности кислорода показали, что наиболее сильным раскислителем является силикомишметалл. Это же подтвердилось на сталях 34ХНЗМ и 08Х18Н10 при раскислении их этими же лигату- рами. Силикобарий и силикостронций по раскислительной способности уступают силикокальцию и ферросиликомишметаллу, несмотря на то, что из-за присутствия никеля в этих марках сталей растворимость бария и стронция увеличивается. Нали- чие бария и стронция до 3-5 % обнаружено микрорентгеноспектральным анализом в большинстве оксидов. На рис. 2 приведено изменение активности кислорода в стали 08Х18Н10 при различных вариантах ее раскисления. Активность кислорода после расплавления стали 08Х18Н10 составляет 0,0064 %. После легирования ее марганцем и кремнием и раскисления алюминием в количестве 0,1 % активность кислорода снижается до 0,0009 %. Последующее модифицирование стали ФСМ, содержащим РЗМ и кальций, или силикокальцием СК20 из расчета на 0,2 %, снижает активность кислорода до 0,0002 и 0,0003 % соответственно. Примерно в 2 раза меньше снижается активность кислорода в стали (до 0,0005 %) при одинаковом предварительном раскислении и добавке по 0,2 % силикобария, силикостронция или титана (рис. 2 и таблица). При остаточном содержании церия (РЗМ) в стали на уровне 0,02 % в свободном 12 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 3 (81) Получение и обработка расплавов (несвязанном) состоянии находится около 50 % от общего количества. В первом при- ближении можно принять, что в равновесии с кислородом находится около 0,01 % Ce. Равновесную активность кислорода в стали в среднем можно принять равной 5 · 10-4 % (см. таблицу). В предварительно раскисленной алюминием стали с РЗМ образуются оксиды типа (РЗМ) 2 О 3 по реакции 2Се + 3О = Се2О3. Константа реакции, а точнее произведение растворимостей, в этом случае будет КСе2О3 = [Се]2 · [О]3 = = (1 · 10-2) (5 · 10-4) = 1,25 · 10-14. По различным литературным данным [9] константа реакции КСе2О3 = 1,8 · 10-9 – 1 · 10-20, то есть результаты наших исследований по по- рядку величины константы реакции с литературными данными достаточно хорошо совпадают. Таким образом, добавка химически активных элементов-модификаторов в хорошо раскисленную сталь сопрово- ждается более глубоким ее раскисле- нием и только после этого происходит взаимодействие их с серой и други- ми примесями. При модифициро- вании недостаточно раскисленной стали (аО > 5 · 10-3 %), модификатор выполняет роль раскислителя. Мо- дифицирование стали ЩЗМ или РЗМ проводят при остаточном содержании алюминия в металле не менее 0,03 %. Согласно данным работы [9], произве- дение растворимостей К'СеS = 10-5–10-6, а К' СеS = 10-5 при а О <1 · 10-3 %. Проведенные исследования показали, что КС, содержащие барий и стронций, можно эффективно использовать только при модифицировании сталей, легирован- ных никелем и кремнием, которые повышают растворимость этих ЩЗМ в расплаве. Барий и стронций в КС могут служить своеобразными протекторами и усиливать действие кальция при модифицировании стали. Наиболее сильными раскислителями стали являются КС, которые содержат в своем составе РЗМ и кальций. 1. Эллиот Д. Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. – М.: Металлургия, 1969. – 252 с. 2. Куликов И. С. Раскисление металлов. – М.: Металлургия, 1975. – 502 с. 3. Лузгин В. П., Явойский В. И. Газы в стали и качество металла. – М.: Металлургия, 1983. – 232 с. 4. Лузгин В. П., Зинковский И. В., Югов П. И. Кислородные зонды в сталеплавильном про- изводстве // Сталь. – 1983. – № 11. – С. 21-24. 5. Кубашевский О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа. – М.: Метал- лургия, 1985. – 184 с. 6. Гольштейн Я. Е., Мизин В. Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. – М.: Металлургия, 1986. – 272 с. 7. Агеев Ю. А., Арчугов С. А. Исследование растворимости щелочноземельных металлов в жидком железе и сплавах на его основе // Журн. физ. химии. – 1985. – Т. LIX, № 4. – С. 838-841. 8. Скок Ю. Я., Мовчан М. Б., Алымов А. А. Модифицирование неметаллических включений в стали 17ГС //Сталь. – 1983. – № 8. – С. 63-66. 9. Ицкович Г.М. Раскисление стали и модифицирование неметаллических включений. – М.: Металлургия, 1981. – 296 с. Поступила 10.11.2009 Рис. 2. Влияние добавок ферросплавов на активность кислорода в (%) стали 08Х18Н10 при 1600 оС

Исследование раскислительной способности комплексных сплавов, содержащих ЩЗМ и РЗМ

Institution

Ähnliche Einträge