Структуризация сплавов ферроалюминия в процессах раскисления стали

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип. №14

УДК 669.15-194.26.74

Харлашин П.П1, Троцан А.И.2, Белов Б.Ф.3, Семенченко П.М.4

СТРУКТУРИЗАЦИЯ СПЛАВОВ ФЕРРОАЛЮМИНИЯ В ПРОЦЕССАХ РАСКИСЛЕНИЯ СТАЛИ

С помощью построенной полигональной диаграммы состояний системы железо-алюминий выполнен структурно-химический анализ сплавов ферроалюминия и определены их оптимальные составы для предварительного, окончательного раскисления спокойных сталей и химического закупоривания слитков кипящей стали.

В последнее время на металлургических предприятиях развиваются технологии получения синтетических ферросплавов и лигатур из вторичного сырья для печной и ковшевой обработки стали. Это в первую очередь относится к алюминию и его сплавам для комплексного раскисления стали в связи с его дефицитом и высокой стоимостью электропечных ферросплавов промышленного производства.

На ОАО «ММК им. Ильиича» производят три типа синтетических сплавов вторичного алюминия - плакированные, компактированные и литые. Плакированные сплавы типа КРА-30 содержат алюминиевый сердечник и металлическую (чугунную, стальную) оболочку, что позволяет предохранить от вторичного окисления алюминия шлаками и атмосферным кислородом и увеличить плотность сплава для более глубокого погружения его в жидкую сталь. Компактированные сплавы получают путем присадок твердых наполнителей в жидкий алюминий непосредственно в литейную форму-мульдочку. В качестве наполнителей используют дробленные материалы - отходы металла и ферросплавов. При сплавлении стального и алюминиевого лома и разливки жидкого металла по литейным формам заданного типоразмера получают монолитные сплавы определенного состава. Технология производства литых сплавов наиболее рациональная, так как исключает многостадийность технологических операций плакированных и компактированных сплавов. Такие сплавы в 1,5-2,0 раза эффективнее чушкового алюминия для предварительного раскисления металла в сталеразливочном ковше. Однако, эффективность синтетических сплавов для раскисления стали зависит от многих других факторов и в соответствии с разрабатываемой феноменологической теорией строения металлургических фаз по модели гармонических структур вещества [1] от структурно-химического состояния исходных компонентов сплава и промежуточных фаз при температурах жидкой стали.

В связи с этим целью работы является построение полигональной диаграммы состояний бинарной системы железо-алюминий и определение оптимального химического и фазового состава сплавов ферроалюминия для внепечной обработки стали.

Полигональная диаграмма Fe-Al построена новым графо-аналитическим методом (ПДС-метод, [2]) во всем интервале концентраций твердых и жидких исходных компонентов. ПДС-метод заключается в том, что структурно-химические реакции образования промежуточных фаз изображаются на плоскости диаграммы прямыми линиями, проведенными между критическими точками исходных компонентов. Прямые линии - линейные квазибинарные системы - являются геометрическим местом точек промежуточных фаз, в точках пересечения образуются узловые фазы, на плоскости между линиями - триангуляционные фазы. На рисунке показана полигональная диаграмма системы железо-алюминий во всем интервале

1 ГТГТУ, аспирант

2 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.

3 ИПМ HAH Украины, канд. техн. наук

4 ОАО «МК им. Ильича», канд. техн. наук

1700

, пг

\

•в ч:

1500

Л..Х.

"РАЗ

__

900 (Вз

Рис.

- Полигональная диаграмма системы железо - алюминий

концентраций твердых и жидких исходных компонентов. В бинарной системе Fe-Al образуется последовательный ряд из девяти промежуточных фаз - алюминидов железа: Fe(B) Fe6Al(6.1/6B; 92,6/7,4; 1400/-) Fe4Al(4.1/4B; 89,2/10,8; 1200/-) Fe3Al(3.1/3B; 86,2/13,8; 900/1400) Fe2Al(2.1/2B; 80,6/19,4; 770/-) FeAl(l.l/BA; 67,5/32,5; 1100/-) FeAl2 (1.2/2A; 50,9/49,1; 550/1250) FeAl3 (1.3/3A; 40,9/59,1; 900/900) FeAl4 (1.4/4A; 34,1/65,9; 750/750) FeAl6(1.6/6A; 25,7/74,3; 700/700) A1(A). Здесь в скобках первые цифры и буквы - условные обозначения; вторые - химический состав (масс. %), последние - температуры образования и плавления, соответственно. По справочным данным [3] известны шесть химических соединений Fe3Al ->FcAl-> FeAl2 Fe2Al5 -^FeAl3 Fe2Al7, из которых конгруэнтной точкой плавления (-1200 °С) обладает только интерметаллид Fe2Al5. На классической диаграмме, кроме того, не показаны температуры образования интерметаллидов и области их гомогенности, что не позволяет оценить термическую стабильность и характер распада (разрушения) сплавов при длительном хранении. Линия ликвидус полигональной диаграммы в виде ломанной линии проходит через сингулярные точки А2.

отвечающие точкам плавления чистых исходных компонентов и интерметаллидов.

Сингулярные фазы, образующиеся на линии ликвидус, отличаются высокой термодинамической прочностью, сохраняются в жидком состоянии в области гомогенности жидкого раствора и отвечают оптимальным составам ферроалюминия. Области гомогенности жидких интерметаллидов обозначены L3B (B6-3B0-2A0) для Fe3Al, L2A (В7-2А0-А6) для FeAl2; L3A (2A°-3A-A5) для FeAl3; L4a (ЗА-4А-А4) для FeAl4 и Ьбд (4A-6A-A3) для FcAl,,. Для чистых компонентов в жидком состоянии обозначены критические точки, ограничивающие полиэдрические, полигональные и разупорядоченные растворы:

-ЗВ°-B6),Z^r(B6-2А°-В7) на основе железа и

tLf (А2 -6А- A3),2Lf (А3 -4А-A4),3Zf (А4 - ЗА-As), Lf (А5 -2А° - А6)- на

основе алюминия. Выше линии В7-А6 (1800-1300 °С) находятся разупорядоченные растворы (Lpa3). В области гомогенности образуются непрерывные (регулярные) жидкие растворы, в которых сохраняется химическая (металлическая) связь железо-алюминий, способствующая снижению химической активности алюминия. Это позволяет снизить угар алюминия и оптимизировать сплавы ферроалюминия для предварительного раскисления стали - сплавы типа РА (15-20), для окончательного раскисления - сплавы типа РА (50-60) и для химической закупорки слитков кипящей стали - сплавы типа РА (65-75).

Рекомендованные составы ферроалюминия являются предметом дальнейших исследований для разработки и внедрения эффективных технологий получения и применения сплавов вторичного алюминия в условиях и для потребностей ОАО «ММК им. Ильича».

Выводы

1. Построенная новым графоаналитическим методом полигональная диаграмма состояний системы железо - алюминий во всем интервале концентраций твердых и жидких исходных компонентов позволяет определить области гомогенности и термическую стабильность интерметаллидов при температурах выплавки стали.

2. Интерметаллиды, отвечающие сингулярным точкам на линии ликвидус диаграммы, относятся к оптимальным составам ферроалюминия для внепечной обработки стали.

Перечень ссылок

1. Белов Б. Ф. Структуризация металлургических фаз в жидком и твердом состояниях / Б. Ф. Белов, А.И. Троцан, П.С. Харлашин II Изв. ВУЗов, ЧМ,- 2002,- №4,- С.70-75.

2. Белов Б.Ф. Свщоцтво про державну реестращю прав автора на TBÍp. ПА № 2825 вщ 29.02.2000. Методика построения полигональных диаграмм состояния бинарных металлургических систем / Белов Б. Ф., Троцан А.И., Харлашин П. С., Крейденко Ф. С.

3. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем / А.Е.Вол-Справочник под ред. чл.-корр АН СССР Агеева Н.В. М.: ФМЛ, 1959, т. 1- 217 с.

Статья поступила 03.03.2004