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鈣處理(二)
  發(fā)布時間:2014年05月12日 點擊數(shù):

鈣處理理論與效果
  根據(jù)熱力學的推斷,在煉鋼溫度下鋼中溶解的鋁和硫與CaO發(fā)生下列反應(yīng):
  2Al+3S+3CaO→Al2O3+3CaS
  此反應(yīng)生成Al2O3和CaS,CaS常圍繞著Al2O3而沉淀。從Al2O3相圖可知,CaO和Al2O3可以生成各種化合物,生成鋁酸鈣的標準自由能變化為負值,說明它們的生成是具備條件的。在煉鋼溫度下生成CaO•6Al2O3,CaO•2Al2O3,12CaO•7Al2O3的可能性更大。其中12CaO•7Al2O3的熔點最低(1415℃),再加上Ca、Al含量控制得當,幾種鋁酸鹽同時生成,互相降低熔點等,因此在煉鋼溫度下mCaO•nAl2O3極易成為液體狀而排除或以球狀存在于鋼中。
  鋁酸鈣還可以和CaO或Al2O3,MgO•Al2O3等夾雜物相結(jié)合,而不同組成的鋁酸鈣彼此結(jié)合的情況雖也存在,但不多見。鋁酸鈣中可以溶解少量SiO2,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)含有5%SiO2的CaO•Al2O3。由于夾雜物的變性,可以改變鋼水的流動性和夾雜物對鋼水的潤濕性,從而可以消除中間包水口堵塞;鋼中夾雜物由群簇狀變?yōu)榍驙?,從而可消除對機械性能的惡劣影響;液態(tài)球狀易上浮,從而可以改善鋼的純凈度。隨著金屬鈣的加入,鋼中Al2O3逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殁}鋁酸鈣,鈣鋁酸鹽根據(jù)相圖有不同的結(jié)構(gòu),不同的鈣鋁酸鹽的順序為:Al2O3→CaO•6Al2O3→CaO•2Al2O3→CaO•Al2O3→12CaO•7Al2O3→3CaO•Al2O3。其中前兩個的熔點均>1700℃,生產(chǎn)中必須加以避免。因此鈣處理必須確保向鋼中加入足量的鈣。
  在通常的軋制溫度下,CaS相的硬度約為鋼材基體硬度的2倍,而且CaS相的硬度比MnS相的高,因而熱軋時單一組分的CaS相保持球形,可改善鋼材的橫向沖擊韌性;同時,當CaS或鋁酸鈣對變形MnS夾雜物“滾碾”或“碾斷”時,細小的CaS或鋁酸鈣離散相可作為原條帶狀MnS夾雜物發(fā)生“斷點”的誘發(fā)因素。此時,塑性好的MnS相既可以對可能出現(xiàn)的尖角形CaS或鋁酸鈣離散相(“脆斷”后的形貌)起到表面潤滑作用,減輕對鋼材基體的劃傷,又可以促使易聚集夾雜物(MnS)彌散分布。
  鋼中硫是易偏析元素,即使通過必要的精煉手段把鋼水硫含量控制在較低水平(0.015%以下),仍會因雜質(zhì)元素的選分結(jié)晶使硫在鋼水凝固過程中聚集析出。因此,很難消除鋼材中的MnS夾雜物。
  當鋼水中氧含量和硫含量相對比較低時,鋼水中的有效鈣與殘余的硫提前結(jié)合成高熔點的硫化鈣質(zhì)點。這些硫化鈣質(zhì)點相當于提前占用了鋼中一定比例的殘余硫,減弱甚至消除了鋼水凝固過程中硫的偏析現(xiàn)象,使鋼中一定比例的殘余硫以硫化鈣質(zhì)點的形式相對彌散地分布在鋼中,并作為結(jié)晶形核質(zhì)點釘扎在鋼的基體中,而不是在鋼水凝固過程中以MnS的形式聚集析出。因此,可以減小最終析出的MnS夾雜物的尺寸。即使鋼水凝固結(jié)束時仍有少量MnS集中析出,其基體內(nèi)還可能復(fù)合少量微細顆粒的硫化鈣、鋁酸鈣等高熔點組分。這些高熔點的微細顆粒對隨后軋制過程中沿軋制方向發(fā)生大變形量的MnS夾雜物起到碾斷、分割和剝離的作用,進一步縮小了變形后MnS夾雜物的尺寸,降低了其對鋼材性能可能產(chǎn)生的危害程度。
  但MnS夾雜物改性一般不充分,其原因主要有以下幾點:鋼水硫含量比較高(最好應(yīng)脫至0.008%以下);鋼中有效鈣含量較少(均在0.0020%左右),很難使MnS夾雜物充分改性;鋼水凝固過程中硫的偏析現(xiàn)象比較嚴重。
  從20世紀60年代開始,國內(nèi)外許多鋼廠及研究機構(gòu)對鈣處理過程中鈣的脫氧、脫硫及夾雜物變性進行了大量的實驗研究,并進行了相應(yīng)的熱力學、動力學分析,研究了鈣脫氧、脫硫及夾雜物變性基礎(chǔ)、夾雜物成分預(yù)測的熱力學、鈣處理過程的動力學。
  Z.J. Han研究了鈣處理過程的熱力學與動力學,鈣處理后夾雜物中的三氧化鋁含量逐步降低,而氧化鈣含量逐步升高。尹華盛研究了鈣處理與連鑄鋼水的可澆性,指出鋼中鈣含量大于25×10-6時不會導致澆鑄性能的惡化,當鋼中鋁含量為0.03%時不析出CaS,鋼中硫含量小于0.015%,并指出鋼中Ca/Al應(yīng)大于0.09,生成不同鈣鋁酸鹽對應(yīng)的鋼中鋁含量。
  張彩軍研究了管線鋼鈣處理過程鋼中各元素活度的相互關(guān)系,在aAl=0.05%T=1550℃時,與12CaO•7Al2O3相平衡的硫活度為12.64×10-6,當鋼中硫大于12.64×10-6鋼中將有CaS析出。
  總的來講,鈣處理可以改變Al2O3與MnS形態(tài),提高鋼的綜合性能,但是鑒于鈣處理過程中熱力學過程與動力學過程的復(fù)雜性,以及鈣的活度系數(shù)影響因素很多,溶解鈣的檢測還存在精度問題,人們對鈣處理過程的理解還有很大的局限性,一些模型的計算與預(yù)測還與實際相差很大或是不能有效地反映實際鈣處理過程的復(fù)雜性,因此通過特定生產(chǎn)工藝的現(xiàn)場試驗則是了解鈣處理過程最為直接而有效的方法。
 

                       ——本文摘自文獻綜述
 

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