РАСПЛАВЫ
1 • 2015
УДК 669.168
© 2015 г. В. И. Жучков, Н. А. Андреев1
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА УСВОЕНИЯ ХРОМА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫМ РАСПЛАВОМ
Представлены результаты экспериментов по изучению процесса усвоения хрома железоуглеродистым расплавом. Определены коэффициенты усвоения для различных хромсодержащих ферросплавов, таких как безуглеродистый и углеродистый феррохром, чардж-хром и комплексные сплавы.
Ключевые слова: степень усвоения хрома, феррохром, комплексные сплавы, плотность, температура плавления, окисляемость.
Степень усвоения ведущих элементов ферросплава — одна из главных его характеристик, определяющих удельный расход и стабильность усвоения элементов сплава [1]. Усвоение ведущих элементов ферросплавов напрямую зависит не только от свойств (плотность, температуры плавления и др.), но и от места и методов их введения в металл.
В литературе данные о степени усвоения элементов ферросплава в железоуглеродистом расплаве разнообразны, но не систематизированы, не уточняется, из какого сплава ведущий элемент усваивается сталью, место и условия ввода (окисленность металла, его температура) [2—7]. Особенно мало данных об усвоении широко применяемого и дорогого легирующего элемента — хрома. В литературе [4—6] приводятся сведения об усвоении сталью 70—95% (здесь и далее массовые проценты) хрома без указаний состава, марки используемого сплава, раскисленности и состава обрабатываемого металла.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Нами проведены лабораторные исследования по усвоению сталью хрома из различных видов хромсодержащих ферросплавов. Исследуемые сплавы получали путем сплавления шихтовых материалов в тигле, помещенном в печь Таммана. Состав шихтовых материалов приведен в табл. 1.
Сплавляли шихтовые материалы при 1650°С. Кристаллизовался сплав в тигле при комнатной температуре. Химический состав и ранее изученные нами физико-химические характеристики хромсодержащих ферросплавов представлены в табл. 2.
В работах [8, 9] указывается, что оптимальной плотностью для лучшего усвоения элементов вводимых в сталь кусковых ферросплавов является 5000—7000 кг/м3, температура плавления (ликвидус) должна быть на 50 град меньше температуры обрабатываемой стали, а время плавления ферросплава в расплаве и его окисляемость — минимальны.
Изучаемые сплавы были разделены на три группы. Первая группа включала сплавы системы Ре—Сг—81—С, моделирующие промышленный углеродистый (сплавы 5 и 6) и безуглеродистые сплавы с разным содержанием кремния (сплавы 1—4). Вторая группа была представлена комплексными сплавами 7 и 8 системы Бе—Сг—Мп—81. Третья группа — это комплексные сплавы с бором (сплавы 9 и 10) системы Ре—Сг—Мп—$1—В.
1annick1211@gma1l.com.
Таблица 1
Химический состав шихтовых материалов
Материал Химический состав, мас. %
Сг Бе Мп 81 С В
Феррохром 68.4 30.0 - 0.67 0.07 -
Сталь 3 0.01 99.1 0.5 0.1 0.17 -
Марганец металлический 0.01 1.7 94.6 0.4 0.11 -
Кремний кристаллический 0.08 - - 98.3 0.04 -
Ферробор - 79.9 - 2.9 0.21 16.9
Таблица 2
Химический состав и свойства ферросплавов
Номер Химический состав, мас. % Плотность, кг/м3 [8] Температура плавления, °С [8]
сплава Сг Бе Мп 81 С В ликвидус солидус
1 64.6 34.8 - 0.5 0.1 - 7399 1641 1555
2 57.8 32.1 - 10.0 0.1 - 6820 1468 1368
3 46.2 27.2 - 26.5 0.1 - 6414 1461 1370
4 35.6 22.3 - 42.0 0.1 - 5376 1382 1308
5 66.3 26.2 - 0.3 7.2 - 7353 1676 1571
6 57.4 28.0 - 8.0 6.6 - 6735 1516 1476
7 37.9 28.4 22.3 11.3 0.1 - 6836 1341 1262
8 39.4 33.7 24.4 2.3 0.2 - 7310 1442 1393
9 38.4 27.3 22.3 10.4 0.1 1.5 6794 1340 1275
10 34.6 31.6 20.1 9.5 0.2 4.0 6755 1409 1369
Комплексные ферросплавы, как правило, обладают оптимальными служебными характеристиками и лучше подходят для их ввода при ковшевой обработке стали.
Из представленных сплавов рациональной плотностью обладают все образцы, кроме 1, 5 и 8. Все сплавы, кроме сплавов 1 и 5, имеют оптимальную температуру плавления. Наименьшее время плавления у сплавов 2—4 и 6—10 (в интервале от 3 до 6 с для кусков 10 мм и от 18 до 42 с для кусков 30 мм).
Эксперименты по определению степени усвоения хрома сталью из ферросплавов проводись в высокотемпературной печи сопротивления Таммана. В пространство печи устанавливали защитный алундовый кожух, в который помещали алундовый тигель со слитком стали массой 100—150 г. Температуру измеряли вольфрам-рениевыми термопарами ВР-5/20 с алундовыми наконечниками. При 1600°С вводили ферросплав, выдерживали 10 мин, перемешивали расплав кварцевой трубкой, доставали тигель и охлаждали на воздухе. Количество ферросплава рассчитывали на 5% содержа-
Степень усвоения хрома сталью из ферросплава
Таблица 3
№ сплава Сталь после эксперимента, мас. % Масса слитка, г Масса Сг в шихте, г Масса Сг в сплаве, г Степень усвоения Сг, %
Сг Мп 81 С В
1 2.80 0.01 0.06 0.03 - 130.5 6.03 3.65 60.60
2 4.26 0.01 0.35 0.04 - 127.4 6.57 5.43 82.61
3 4.75 0.01 2.02 0.03 - 128.7 6.73 6.11 90.84
4 4.79 0.01 4.50 0.04 - 119.6 6.43 5.85 90.98
5 4.21 0.01 0.08 0.23 - 121.5 7.05 5.12 72.56
6 4.46 0.06 0.56 0.35 - 131.3 7.02 5.86 83.42
7 4.72 0.90 0.59 0.03 - 136.5 7.10 6.44 90.74
8 4.65 1.78 0.2 0.04 - 170.1 9.6 7.91 82.39
9 4.75 1.24 0.71 0.03 0.08 119.5 6.07 5.68 93.51
10 4.85 1.81 1.10 0.04 0.19 120.1 6.05 5.82 96.21
ния хрома в конечном сплаве. Химический состав стали для эксперимента, мас. %: Сг - 0.03, Мп - 0.0023, - 0.05, С - 0.021.
Степень усвоения хрома определяли по соотношению
К = ([Сг]ст/[Сг]фер) X 100%,
где [Сг]ст - количество хрома в стали после опыта, [Сг]фер - количество хрома, введенного в сталь.
В табл. 3 представлены результаты экспериментов. Номера сплавов соответствуют составам в табл. 2.
В сплавах 1-4 системы Бе-Сг-81 при близком соотношении Сг/Бе содержание кремния было разное (рис. 1, номера сплавов соответствуют таковым в табл. 2 и 3). У сплава 1 наименьшая степень усвоения хрома (60.8%) вследствие низкой концентрации 81 (0.5%). Наибольшей степенью усвоения Сг обладают сплавы 3 и 4 (90.84 и 90.98% соответственно), у которых повышенное количество 81 (26.5 и 42.0%). Кремний образует с хромом силициды различной формы, а также может присутствовать в свободной форме, снижая степень взаимодействия хрома с кислородом. Наибольшее влияние на усвоение Сг оказывает содержание 81 в феррохроме до 25%. Более высокое содержание кремния в сплаве не приведет к значительному увеличению степени усвоения хрома сталью, но может усложнить технологию получения ферросплава.
Проведена оценка влияния углерода на степень усвоения хрома из углеродистого феррохрома. Показано (табл. 2 и 3) что, увеличение концентрации углерода в сплавах 1 и 5 системы Бе-Сг-С с 0.1 до 7.2% повышает степень усвоения с 60.6 до 72.5%. При росте содержания углерода в сплаве он образует с хромом прочные карбиды и участвует в раскислении стали, снижая угар хрома.
Оценка влияния кремния на степень усвоения хрома у сплавов 5 и 6 в высокоуглеродистом феррохроме показала, что возрастание кремния с 0.3 до 8% благотворно сказывается на степени усвоения, увеличивая ее с 72.5 до 83.4%.
В комплексных сплавах 7 и 8 системы Бе-Сг-Мп-81 изменение в сплаве концентрации кремния в интервале от 2.3 до 11.3% привело к увеличению усвоения хрома на 8%.
В сплавах 7, 9 и 10 системы Fe—Cг—Mn—Si—B оценивалось влияние бора на степень усвоения хрома (рис. 2, номера сплавов соответствуют таковым в табл. 2 и 3). В каче-
Рис.1. Зависимость степени усвоения хрома от содержания кремния в сплаве.
100
* 98 -
т
О
96 -
94 -
92 -
90
2
В, мас. %
Рис. 2. Зависимость степени усвоения от содержания бора в сплаве.
0
1
3
4
стве базового сплава был выбран сплав 7. Показано, что увеличение содержания бора в сплавах до 1.5 и 4%, повышает степень усвоения хрома в стали с 82.4 до 93.5 и 96.2% соответственно. Такое сильное воздействие бора можно объяснить его большим сродством к кислороду по сравнению с хромом.
Полученные экспериментальные данные по усвоению хрома в лабораторных условиях хорошо согласуются с литературными данными о промышленных значениях сте-
пени усвоения хрома. Эффективным способом повышения степени усвоения хрома сталью из хромовых ферросплавов является увеличение содержания кремния в сплаве. Рост содержания углерода и марганца в сплаве при относительно постоянном содержании остальных элементов повышает усвоение хрома сталью в меньшей степени.
ВЫВОДЫ
1. Для сплавов системы Ре—Сг—$1 с увеличением содержания кремния в интервале от 0.5 до 26.5% степень усвоения хрома резко увеличивается, а от 26.5 до 46% значительного роста не наблюдается.
2. Увеличение в сплавах 1 и 5 содержания повышает степень усвоения хрома.
3. Возрастание содержания кремния в углеродистом феррохроме до 8% приводит к значительному увеличению степени усвоения хрома благодаря наличию в составе сплава как карбидов, так и силицидов хрома.
4. В комплексных сплавах системы Ре—Сг—$1—Мп рост концентрации кремния на 9% приводит к повышению степени усвоения хрома в результате образования различных силицидов хрома, марганца и железа, а добавка к сплаву бора от 1.5 до 4% приводит к увеличению степени усвоения хрома на 3.3 и 6.4%.
Работа выполнена при поддержке Программы президиума РАН Проект 12-П-3-1033.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жучков В.И., Шешуков О.Ю., Лозовая Е.Ю. Сравнительная оценка эффективности усвоения ферросплавов при выплавке стали. — Электрометаллургия, № 5, 2004, с. 9-11.
2. Технологическая инструкция ОАО "СТЗ" для ЭСПЦ. Выплавка полупродукта в дуговой сталеплавильной печи. ТИ 162-СТ. Э-01.
3. Технологическая инструкция ЗАО "НСММЗ" по выплавке углеродистой, легированной спокойной стали на ДСП-120.ТК-33-01.
4. Краткий справочник металлурга / Под ред. В.П. Адриановой. - М: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1960. - 370 с.
5. Каблуковский А.Ф. Производство электростали и ферросплавов. - М: ИКЦ "Академкнига", 2003. - 511 с.
6. Бигеев А.М., Бигеев В. А. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали: Учебник для вузов, 3-е изд-е, перераб. и доп. - Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 544 с.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.