Модифицирование редкоземельными элементами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модифицирование редкоземельными элементами

1.Редкоземельные металлы

Понятие редкоземельные металлы, или лантаноиды, охватывает ряд из 14 элементов, следующих за лантаном (порядковый номер 57); их порядковые номера в периодической таблице элементов с 58 по 71. В названии лантаноиды нашло отражение высокое химическое подобие элементов этой группы. Минерал монацит, важнейший сырой материал для получения РЗМ, содержит после обогащения в среднем ~60 % оксидов РЗМ (15 % оксида лантана, 30...35 % оксида церия, 3...4 % оксида празеодима, 9...10 % оксида неодима и 2...3 % оксида самария), а также 1...4 % оксидов иттрия, 5...9 % оксида тория и 27...29 % оксида фосфора.

Для технических целей (пренебрегая дорогим способом разделения РЗМ) получают сплав, называемый цериевый мишметалл и имеющий состав, %: 50...55 Се, 25...30 La, 10...15 Nd, 4...6 Pr. Наряду с цериевым мишметаллом в сталеплавильном производстве применяют также сплав РЗМ с кремнием и железом, или силицид РЗМ, содержащий, %: 15...20 Се, 10...11 La, 3...5 Nd, 1...2 Pr, 30...35 Si и 30...35 Fe. Составы других сплавов РЗМ с кальцием, кремнием и алюминием приведены в табл. 3.

В табл. 1 приведены данные о температурах плавления, кипения и плотности (при комнатной температуре) некоторых РЗМ. Значения температур плавления и кипения РЗМ по сравнению с железом свидетельствуют о том, что при их введении в расплавленную сталь не следует ожидать каких-либо проблем с растворением и испарением.

Табл. 1. Физические свойства редкоземельных металлов, железа и алюминия

Дополнительно сравним данные по упругости пара церия при 1600°С с упругостью паров кальция и магния:

Элемент Се Са Mg

Упругость пара, кПа . 0,23 180 1900

РЗМ полностью растворимы в жидком железе. Напротив, в твердом железе их растворимость мала. Так, при комнатной температуре в железе может раствориться ~0,1 % Се, а при 600 °С 0,35...0,4 % [1]. Избыточное содержание РЗМ, т.е. не связанное с кислородом и серой, выделяется при затвердевании стали по границам первичных кристаллов вплоть до образования эвтектики. В системе Fe-Се [1] температура плавления эвтектики равна 641 °С, в системе Fe-La она равна 785°С. При этом в системе Fe-Се могут образовываться два интерметаллических соединения CeFe₅ и CeFe₂.

Использование в настоящее время в металлургии вакуумной выплавки, вакуумирования стали при разливке, электрошлакового переплава, обработки синтетическими шлаками позволило обеспечить в металле минимальное количество неметаллических включении и газов. Но не меньший интерес представляет повышение чистоты металла при введении в него РЗМ и других элементов.

Из сравнения теплот образования различных соединений бора, бария, кальция и РЗМ, которые являются показателями, определяющими ход реакций (табл. 2), видно, что при взаимодействии РЗМ с расплавами сталей в первую очередь образуются окислы, а затем сульфиды. Характерным для соединений РЗМ - окислов и сульфидов - является высокая тугоплавкость. Большинство окислов РЗМ имеет температуру плавления 2200...2300 °С, а сульфидов 2000...2200 °С. Учитывая такую способность РМЗ, можно считать, что окислы и сульфиды РЗМ находятся в твердом состоянии и могут являться центрами кристаллизации.

Табл. 2. Основные характеристики окислов, сульфидов, нитридов и тугоплавких соединений редкоземельных и других металлов

Теплоты образования соединений РЗМ с цветными металлами (Sn, Pb, Bi и др.) не известны, но, судя по температурам плавления этих соединений, можно считать, что связывание легкоплавких примесей в тугоплавкие соединения (например, CeSn₂, t_nn = 1400° С; La₃Pb, t_пл = 1315° С; Ce₄Bi, t_пл = 1630° С) происходит при температурах выпуска и в первоначальный момент кристаллизации стали. Благодаря разности удельных весов жидкой стали и образовавшихся соединений РЗМ и пониженной растворимости РЗМ в жидкой стали соединения могут частично всплывать и, таким образом, сталь очищается от газов и вредных примесей. Однако сравнительно малая разница между удельными весами окислов РЗМ, сульфидов РЗМ и жидкой стали - существенный недостаток окислов и сульфидов РЗМ по сравнению с окислами других раскислителей (например, удельный вес окислов титана равен 4,26 г/см³, окислов лантана 6,7 г/см³) - это не может обеспечить быстрого всплывания неметаллических включений на поверхность ванны. Поэтому для наиболее полного удаления окислов РЗМ необходима определенная выдержка с момента введения РЗМ до начала затвердевания.

В результате пересчета теплоты образования окисла на единицу кислорода можно написать следующий ряд восходящей активности по сродству к кислороду: Fe > Mn > Si > Ti > Ce > Al > Pr > Nd > Mg > La > Са > Ce (III) [16].

Л. Лоренц с сотр. [2] в опытах с высокопрочной конструкционной сталью St 52-3 после присадок цериевого мишметалла в количестве 0,55 % под микроскопом нашел выделения по границам зерен, которые простирались через всю поверхность пробы в виде плотной сетки. Эти выделения наряду со следами неодима, празеодима и самария состояли главным образом из церия и железа. Подобные поверхностные выделения ослабляют связь между зернами железа и ухудшают механические свойства стали. Если их состав отвечает низкотемпературной эвтектике, то при горячей пластической деформации они вызывают дополнительные трудности из-за красноломкости. Пример этого приведен в работе [1] по исследованию высокопрочной низколегированной конструкционной стали с содержанием 0,25 % РЗМ.

По данным П.Е. Уайдби [1], содержание РЗМ в стали не должно превышать более 0,07 %, поскольку при большем содержании начинают снижаться значения ударной вязкости на поперечных образцах.

В табл. 3 приведена информация о температуре плавления и плотности соединений РЗМ с кислородом и серой. Видно, что при температуре стали 1600 °С эти соединения являются твердыми. Примечательна также относительно высокая плотность соединений, особенно оксидов (при 1600 °С плотность жидкого железа равна ~ 7,0 г/см³). Если предположить, что в агломератах оксидов РЗМ подобно глинозему возникают из-за высокого поверхностного натяжения пустоты, которые увеличивают объем агломератов в 1,33 раза, то рассчитанное по формуле Стокса время удаления оксидных включений РЗМ оказывается почти в два раза выше, чем для глинозема [3]. На рис. 1, заимствованном из работы Е. Штайнметца и Ф. Оттерса [4], показано равновесие при 1600 °С между кислородом, серой и некоторыми элементами, в том числе церием и лантаном, растворенными в жидком железе. Церий и лантан имеют большее сродство к кислороду, чем алюминий, цирконий, титан и кремний, и большее сродство к сере, чем цирконий и марганец; поэтому они могут заменять указанные металлические элементы в их оксидах и сульфидах. Линии равновесных концентраций кислорода с церием и лантаном лежат ниже линий равновесных содержаний серы. Это означает, что церий и лантан, вообще все РЗМ, вначале реагируют с растворенным в стали кислородом, а затем уже с серой.

Рис. 1. Равновесие элементов, растворенных в железе, с кислородом и серой при 1600°С редкоземельных металлов

Представление о том, как протекают эти реакции в зависимости от соотношения концентраций, дает рис. 2 [5...7]. На рисунке представлена пространственная диаграмма равновесных активностей кислорода, серы и церия. При реальных низких концентрациях рассматриваемых реагентов их активности могут быть заменены концентрациями. На рисунке показаны поверхности равновесия оксида Се₂О₃, оксисульфида Ce₂O₂S и сульфидов CeS, Ce₃S₄ и Ce₂S₂. Кривая DEE характеризует составы металлического расплава, при которых оксисульфид Ce₂O₂S находится в равновесии с тремя сульфидами. В точках Е и F в равновесии находятся оксисульфид и два прилегающих сульфида. Ниже приводятся координаты точек D, E,F,G,H и J для температуры 1900 К (1627°С):

Для расчета активностей выбраны такие значения констант равновесия при 1600°С: а_Ce²•a_O³ = 8,1•10^-22; а_Ce•a_S = 2,1•10^-6. Для сравнения можно привести такие значения констант [Се]²•a_O³ =9,38•10^-18 (Д. Янке, В. Фишер [8]), [Се]•[S] = (1,7±0,5)•10^-4 (Е. Шюрманн с сотр. [9]).

Возьмем стальной расплав, в котором содержание кислорода и серы заданы точкой А (см. рис 69). В этот расплав необходимо ввести столько церия, чтобы полностью связать весь кислород и серу. Так как имеется избыток церия, то растворенный кислород выделяется из расплава в виде Се₂О₃, а концентрации элементов изменяются таким образом, что точка А перемещается по плоскости равновесия Се₂О₃ вдоль линии до точки В. При достижении линии DО в точке В начинается выделение оксисульфида Се₂О₂S; в связи с высокой температурой плавления он также находится в твердом виде. При выделении оксисульфида в расплаве понижается содержание как кислорода, так и серы, при этом состав расплава изменяется в сторону точки С. Поскольку точка С лежит на линии DEF, ограничивающей поле равновесия расплава с сульфидом, то из жидкости выделяются одновременно оксисульфид и сульфид. Состав расплава в результате этого изменяется в сторону линии GHJ. После израсходования кислорода, т.е. после того как его содержание понизится до равновесных значений, происходит образование только чистых частичек сульфидов церия. Тип образующегося сульфида зависит при этом от отношения концентраций церия и серы. Следовательно, выделение сульфидов происходит только тогда, когда в металлическом расплаве достигается очень низкое содержание кислорода.

Табл. 3. Температура плавления и плотность оксидов и сульфидов

Рис. 2. Пространственная диаграмма раскисления и десульфурации стали церием

Если расплав уже имеет низкое содержание кислорода и его состав располагается в поле равновесия оксисульфида Ce₂O₂S, то после добавки церия реакция приводит сразу к выделению оксисульфида. Состав расплава при достаточном содержании церия изменяется в сторону линии DEF, на которой одновременно начинается и выделение сульфида.

2.Образование и распределение оксидных и сульфидных включений после присадки РЗМ в расплавленную сталь

Морфология включений. Как уже отмечалось, сразу после введения РЗМ в расплавленную сталь происходит образование оксидов, оксисульфидов и сульфидов. Продукты этих реакций из-за высокой температуры плавления находятся в твердом состоянии; они в процессе последующей горячей пластической деформации стальных слитков слабо или совсем не деформируются.

В работе [10] исследованы слитки массой 250 и 750 кг стали, содержащей, %: 0,10 С, 0,3 Si, 1,35 Mn, 0,02 Р, 0,025 S, 0,04 Nb и 0,02 Al; при разливке в струю присаживали цериевый мишметалл в количестве 0,2 %. Приведены следующие данные о размерах включений оксидов, оксисульфидов и сульфидов РЗМ: основная масса включений имела размер от 3 до 10 мкм; относительно небольшая доля включений была крупнее 10 мкм, эти включения представляли скопления многих малых частиц.

В соответствии с исследованием [3] (30-т слитки и толстый лист из стали, в среднем содержащей, %: 0,13 С, 0,2 Si, 1,28 Mn, 0,014 Р, 0,007 S, 0,03 Nb и 0,023 % растворенного Al; цериевый мишметалл присаживали в количестве 0,032...0,052 % в изложницу при сифонной разливке с защитой металла аргоном) оксидные и сульфидные включения РЗМ имели также размер ~ 7 мкм.

В приведенных примерах сталь, как показывает анализ, полностью раскислена алюминием (и кремнием) перед присадкой РЗМ в струю или изложницу. Благодаря снижению концентрации кислорода в расплаве до значений < 0,010 % удается уменьшить расход РЗМ и повысить их долю, взаимодействующую с серой. Между взвешенными частичками как продуктами предварительного раскисления и введенными РЗМ протекает реакция обмена, завершенность которой зависит от концентрации РЗМ и продолжительности взаимодействия.

Д. Янке и В. Фишер [8] экспериментальным путем смогли показать, что глинозем восстанавливается церием. Если принять, что оксиды, оксисульфиды и сульфиды РЗМ выделяются в названной последовательности и что образовавшиеся вначале продукты реакции могут служить зародышами в последующем, то можно заключить, что присадка РЗМ в расплавленную сталь ведет к образованию многофазных включений существенно различного состава. В результате подобных отложений могут возникнуть также крупные частички, в частности, вследствие того, что РЗМ реагируют после введения с уже имеющимися крупными включениями, образовавшимися при предварительном раскислении.

В табл. 4 рассмотрены, по данным работы У.Г. Вилсона [11], некоторые примеры составов включений при предварительном раскислении стали кремнием и алюминием; анализ проведен на стали после минимум 25-кратной горячей пластической деформации. Видно, что при раскислении кремнием и РЗМ включения в стали представляют оксиды РЗМ и кремния. Несмотря на большой расход РЗМ (0,35...0,6 кг/т) и высокое содержание РЗМ в стали (0,02 %), во включениях содержится оксида кремния; это может быть связано с тем, что силикатные включения, существовавшие в стали до присадки РЗМ, были столь крупными, что времени было недостаточно для полного завершения процессов диффузии. При предварительном раскислении стали алюминием (и кремнием) и низком содержании РЗМ (0,008 %) включения имеют повышенное содержание Аl₂О₃. Такие включения иногда имеют оболочку из сульфида марганца. При содержании РЗМ в стали > 0,02 % включения, несмотря на 25-кратную пластическую деформацию, остаются почти глобулярными; они состоят в центре из оксисульфида, окруженного корочкой из сульфида РЗМ. При отношении концентрации РЗМ в стали к концентрации серы > 3 сульфиды марганца не встречаются.

Табл. 4. Состав неметаллических включений при раскислении стали РЗМ

Распределение включений в слитке. Подобно включениям глинозема оксиды, оксисульфиды и сульфиды РЗМ образуют локальные скопления в готовой стали [1, 3, 10]. Стали, содержащие РЗМ, в равной мере склонны к образованию отложений в стаканах ковшей (склонны к затягиванию стаканов) [12]. Оба этих явления указывают на то, что между продуктами раскисления стали РЗМ и расплавом возникает такое же межфазное натяжение, как и между глиноземом и расплавом. Напротив, из-за более высокой плотности стоксовская скорость всплывания соединений РЗМ гораздо ниже, чем скорость всплывания глинозема. Поэтому возникает вопрос, как включения РЗМ распределены в слитке стали. Этот вопрос исследован в работе [3] на 30-т слитке, а в работе [10] - на 750-кг слитке высокопрочной конструкционной стали.

На рис. 3 показаны сегрегация и распределение неметаллических включений по сечению 30-т слитка нормальной конусности, отлитого сифоном с защитой аргоном. Сталь содержала, %: 0,13 С, 0,20 Si, 1,28 Мn, 0,014 Р, 0,007 S, 0,03 Nb, 0,05 Си и 0,023 растворенного Al. Температура стали при разливке равнялась 1565°С. Цериевый мишметалл, заключенный в трубу из тонкого листа, присаживали в изложницу на 0,032 и 0,052 %. В слитках зафиксировано следующее распределение элементов, %'.

Элемент С Mn P S

Слиток без РЗМ:

зона Л-образной сегрегации 0,15 1,36 0,030 0,012

зона без сегрегации 0,13 1,28 0,014 0,006

Слиток с РЗМ:

зона Л-образной сегрегации 0,15 1,38 0,023 0,002

зона без сегрегации 0,13 1,30 0,014 0,006

Эти результаты указывают на то, что выделение сульфидов РЗМ происходит в противоположность сульфидам марганца, которые образуются только при затвердевании стали, непосредственно после растворения присаженных РЗМ. Под влиянием потоков металла, вызванных заполнением изложницы, частички сульфидов, точно так же как твердые частички оксидов и оксисульфидов РЗМ, могут столкнуться и образовать способные к всплыванию агломераты, которые скапливаются в головной части слитка. Кроме того, они могут нисходящими потоками стали уноситься вдоль фронта кристаллизации, а также захватываться падающими кристаллами железа и доставляться в донную часть слитка [3].

С приведенными выше данными согласуются результаты работы [10]. В этой работе из стали, содержащей, %: 0,01 С, 0,3 Si, 1,35 Мn, 0,02 Р, 0.025 S. 0,04 Nb, 0,02 Al, отливали 750-кг слитки; в струю при разливке вводили цериевый мишметалл в количестве 2 кг/т. На рис. 4 показано распределение серы, церия и кислорода по сечению слитка. Видно, что сера вблизи поверхности слитка скапливается в первую очередь в головной и донной частях слитка (ср. с рис. 5); кислород из-за высокой плотности оксидов РЗМ скапливается исключительно в донной части слитка. Соответственно церий скапливается как в головной, так и в донной частях слитка. Зона обогащения 750-кг слитков включениями простирается относительно глубоко в тело слитка. С ростом массы слитка конус осаждения становится, однако, все более плоским, поэтому отделение донной части слитка, обогащенной включениями, при прокатке крупных слитков не приводит к слишком большим потерям выхода годного.

Предварительная подготовка расплава и техника введения редкоземельных металлов

Подготовка плавки. Скопления включений, показанные на рис. 3...рис. 5, в качественных сталях, на которых в основном производится присадка РЗМ, являются нежелательными. Поэтому до присадки РЗМ необходимо снизить содержание кислорода и серы до малых концентраций.

Содержание серы в стали перед введением РЗМ должно быть понижено за счет внепечной десульфурации чугуна или стали до значений 0,015 % и ниже [10].

Содержание кислорода может быть сильно понижено за счет предварительного раскисления алюминием. По сравнению с РЗМ алюминий как раскислитель имеет то преимущество, что он при равной массе присадки в пять раз удаляет больше кислорода, чем РЗМ (атомная масса церия 140, алюминия 27). Кроме того, агломераты глинозема из-за их меньшей плотности по сравнению с оксидами РЗМ имеют более высокую стоксовскую скорость всплывания, чем агломераты соединений РЗМ.

Предварительное раскисление стали углеродом под вакуумом также способствует значительному снижению концентрации кислорода до 0,008 % и менее. Этот метод обработки стали имеет перед предварительным раскислением алюминием то предпочтение, что в стали не остается включений глинозема во взвешенном состоянии, в ней нет растворенного алюминия. При разливке, например, стали на УНРС в заготовки квадратного сечения малых размеров из-за опасности затягивания стаканов промежуточного ковша допускается низкая концентрация растворенного алюминия. Это относится также к углеродистым сталям, к которым предъявляют особые требования по прокаливаемости.

Рассматривая возможность удаления неметаллических включений за счет создания подходящих потоков в расплавленной следует иметь в виду, что время нахождения расплавленной стали, которая обработана РЗМ, в ковше с кислой футеровкой должно быть по возможности меньше, чтобы воспрепятствовать развитию реакций между РЗМ, растворенными в стали, и кремниевой кислотой футеровки ковша. Поэтому эффект флотации неметаллических включений в результате создания потоков металла в полном объеме может быть реализован только в ковше с основной футеровкой.

Техника введения РЗМ в расплавленную сталь определяется их большим химическим сродством к кислороду. Чтобы достичь возможно более соразмерных результатов по удалению кислорода и серы и усвоению РЗМ, стремятся избежать побочных реакций последних с огнеупорной футеровкой ковша, шлаком и кислородом воздуха. Вторая задача заключается в достижении равномерного распределения РЗМ по объему металла.

Присадки РЗМ в ковш. В этом способе РЗМ присаживают в струю стали при выпуске. Если сталь выплавляют в электродуговой печи, то возможно проведение предварительного раскисления стали в печи под нейтральным или восстановительным шлаком. Усвоение РЗМ при использовании силицидов редкоземельных элементов при данном способе введения оценивается в 10...20 % [1]. При выпуске стали из конвертера в ковш дают сначала алюминий, а затем РЗМ; усвоение РЗМ из силицидов составляет ~ 10 % [1]. Низкое усвоение РЗМ в этих случаях объясняется тем, что при введении их в струю происходит вымывание РЗМ на поверхность расплава, где они взаимодействуют со шлаком, попадающим в ковш из сталеплавильного агрегата, и кислородом воздуха. Поскольку это взаимодействие является неконтролируемым, то следует считаться с большим разбросом результатов.

Лучшие условия имеют место при погружении РЗМ в металл после выпуска; на поверхности металла в ковше наводится новый защитный шлак. При этом, например, пластины цериевого мишметалла, просверленные и закрепленные на железной штанге, вводятся в пятно оголенного металла, образующегося при продувке стали аргоном через пористую пробку. Для погружения подходит также кусковой материал, упакованный в контейнеры. Усвоение мишметалла составляет 40...50 % при вводе неупакованного материала и 60...70 % при вводе РЗМ в контейнерах [12]. К порции РЗМ можно добавить небольшое количество магния или кальция, чтобы улучшить перемешивание стали за счет их испарения.

Опасности реагирования присаженных РЗМ с печным шлаком, попадающим в ковш при выпуске, можно избежать, используя два ковша. При выпуске металла в первый ковш проводится присадка обычных раскислителей для предварительного раскисления стали. Присадку РЗМ осуществляют во второй ковш при переливе в него стали из первого ковша через стакан большого диаметра. При использовании силицидов РЗМ усвоение редкоземельных элементов составляет 30...50 % [1]. Последний метод связан с большими потерями температуры стали и организационными трудностями в условиях текущего производства, поэтому его редко применяют.

Присадка РЗМ в сталь под вакуумом имеет большие преимущества. При раскислении углеродом под вакуумом в стали не остаются неметаллические включения. Присадка в этом случае мелкокусковых РЗМ (например, кусков диаметром 10 и длиной 50 мм) осуществляется в начале вакуумуглеродного раскисления в условиях отсутствия воздуха в камере и шлака на поверхности металла; РЗМ равномерно перемешиваются в объеме металла. Одновременно с выделением оксидов, оксисульфидов и сульфидов РЗМ происходит их удаление из металла при высоких значениях энергии диссипации. Присадка РЗМ под вакуумом обеспечивает их высокое усвоение (65...75 %).

Присадка в изложницу. При введении РЗМ в изложницу при ее наполнении отпадают проблемы, связанные с взаимодействием РЗМ с огнеупорной кладкой. Однако следует учитывать возможность неравномерного распределения РЗМ в слитке, поскольку оно происходит только за счет движения металла в изложнице во время ее наполнения.

РЗМ в этом случае можно присаживать в струю стали при ее подаче по желобу. Для этого способа подачи РЗМ поставляют в кусках массой по 25 г, имеющих длину 50 и диаметр 10 мм [13]. Присадка РЗМ должна быть окончена до момента заполнения изложницы на 2/3 высоты, чтобы гарантировать его равномерное распределение в результате перемешивания металла в изложнице. Г. Вайс [14] использовал для введения в струю стали сплав РЗМ с кальцием, содержащий 25 % РЗМ, 12 % Са, 47 % Si и 16 % Fe. При разливке сверху сплав присаживали по желобу в струю стали, а при сифонной разливке - вдували в воронку центровой. Высокопрочную конструкционную сталь St52-3 предварительно раскисляли алюминием, расход сплава РЗМ-Са был равен 2 кг/т при содержании серы в стали 0,016 %.

Опасность окисления РЗМ воздухом, засасываемым струей, уменьшается, если мишметалл заплавляют в тонкостенную стальную трубу и подвешивают в изложнице [13]. Высота трубы с РЗМ составляет при этом 2/3 высоты изложницы, так что движение металла в ней во время заполнения приводит к равномерному распределению РЗМ. Введение аргона в закрытую изложницу позволяет ограничить доступ кислорода (рис. 6). Усвоение РЗМ при этом способе введения составляет 60...80 % [3].

Имеется еще одна возможность введения РЗМ в сталь в изложнице путем их выстреливания после окончания разливки [13]. При этом удается в значительной степени избежать окисления РЗМ кислородом воздуха, а наружная зона слитка, образование которой уже началось, не загрязняется продуктом взаимодействия РЗМ с кислородом и серой. Для равномерного распределения РЗМ металл предложено продувать газом или вводить сплав РЗМ с небольшим количеством магния [2].

На рис. 7 сопоставлено усвоение РЗМ в виде силицидов или мишметалла при их присадке в металл различными способами [15]. Использование силицидов РЗМ при одинаковом способе присадки обусловливается меньшее усвоение, чем использование цериевого мишметалла. Это связано с меньшей плотностью силицидов и большей вероятностью выноса их на поверхность металлического расплава и окисления там шлаком или кислородом воздуха.

Непрерывная разливка. Уже отмечалось, что продукты взаимодействия РЗМ с кислородом и серой, подобно глинозему, склонны к образованию отложений в стаканах ковшей. Это проявляется во все усиливающейся мере при уменьшении диаметра стаканов, например стаканов промежуточных ковшей, особенно удлиненных, при отливке заготовок малого сечения. Для устранения этого явления следует использовать непрерывную присадку РЗМ в кристаллизатор в виде проволоки. Проволока цериевого мишметалла, например диаметром 4 мм, покрывается стальной оболочкой. При этом устраняется окисление РЗМ кислородом воздуха и плавающим на зеркале металла шлаком. Кроме того, РЗМ реагируют с кислородом и серой стального расплава только на определенной глубине, зависящей от толщины стальной оболочки проволоки. Потоки металла в кристаллизаторе обеспечивают распределение РЗМ в расплаве. Усвоение РЗМ при введении в расплав в виде проволоки в кристаллизатор достигает 90 % [13].

В работе Кинне [16] на основании термодинамических расчетов оценена раскислительная способность La, Ce, Pr и Nd. Как следует из этих данных, она значительно выше, чем у Al и Zr. По раскислительной способности указанные РЗМ можно расположить в следующем порядке: Ce (IV) > La > Pr > Nd > Ce (III).

По данным [17], присадка кальция в металл способствует снижению общего содержания газов - почти полностью удаляется кислород и количество водорода уменьшается в 5...6 раз. Кроме того, присадка кальция в металл уменьшает в 2...4 раза общее количество неметаллических включений [17] - главным образом за счет восстановления кремния, алюминия и хрома. Влияние бора, как раскислителя, точно не установлено [18]. С помощью термодинамических расчетов был сделан вывод, что бор более сильный раскислитель, чем кремний, но менее сильный, чем алюминий. На опытных плавках определили, что раскисляющая способность бора и кремния одинаковы [19].

Авторы [20] первые указали на важную роль циркония в сталеплавильном процессе, связанную с его сильным химическим сродством к кислороду, азоту, углероду и сере.

Было показано [21...23], что в диапазоне 0,01...0,032 % Zr 70 % циркония связываются с кислородом, что позволило считать цирконий более сильным раскислителем, чем бор или марганец. На основании термодинамических данных вычислено, что цирконий очень эффективно взаимодействует с азотом в жидкой стали. Цирконий используют в сталях для удаления азота из твердого раствора путем перевода его в нерастворимый нитрид.

Известна [22] также большая адсорбционная способность РЗМ по отношению к водороду и их активность к сере. РЗМ поглощают водород, находящийся преимущественно в стали в растворенном состоянии, взаимодействуют с ним, образуя гидриды типа СеН₂ или СеН₃.

При 800 °С металл с добавками церия и лантана растворяет около 14 500 см³/100 г водорода, т. е. примерно в 5700 раз больше, чем чистое железо, а при 1200° С в 660 раз больше, чем железо. Гидриды неустойчивы во влажном воздухе, легко растворяются в кислотах и щелочах.

Сульфиды РЗМ отличаются высокой тугоплавкостью и химической стойкостью [23]. Ниже приведен восходящий ряд активности различных элементов к сере:

Fe (0,67) > Mn (1,52) > Al (1,76) > Mg (2,67) > Nd (2,97) >Ce (IV) (3,12) > La (3,66) > Са (4,06) > Ce (III) (4,35).

С вредными примесями (Pb, Bi, Sn) кальций, церий, лантан и другие элементы образуют интерметаллиды. К их числу относятся: Ce₂Sn, t_пл = 1400 °С; La2Pb, t_пл = 1315 °С; Са2Pb, t_пл = 1110 °С; Ca₂S₃, t_пл = 2000 °С и др. [24, 25, 26].

Список использованной литературы

редкоземельный металл сталь присадка

1. Waudby P. E.: Intern. \Hetals Rev. Z3 (1976). № 2. S. 74/98.

2. Lorenz L.; Gammal T.E.; Dahl W. \ Arch. Eisenhuttenw. № 45 (1974) S. 891/98.

3. Ishiguro K., Ito M. Usuga T. \ Trans ISIJ. № 16 (1976) S. 359/67.

4. Steinmetz E., Oeters F. Stahl u. Eisen. № 97 (1977) S. 373/81.

5. Ullson UI.G.; Hay, D.A.R.; Vahed A. \ J. Met. (1970) S. 14/23.

6. Uahed A.; Kay D.A.R. \ Metallurg. Trans. 7 B (1976) S. 375/83.

7. Lorenz L.: VDI - Z Band 117 (1975) Mr. 21, S. 977/84.

8. Janke D., Fischer Ul.A. \ Arch. Elsenhuttenu. 49 (1978) S. 425/30.

9. Schurmann E., Brauckmann J.; Uoss H.-J. \ Arch. Eisenhuttebw. № 47 (1976) S. 1/3.

10. Davies l.G., Randle M.; Widdouson R. \ Metals Technology (1974) S. 241/48.

11. Wilson UI.G.: Uortrag auf der 10. Seltenerd-Kdnferenz in Carefree, Arizona, vom 30.4 bis 3.5. 1973.

12. Farrell I.W., Hilty D.C. AJME Electric Furnace Conf. 1971. 29. S. 31.

13. Reinhgrdt K.: Die Behandlung von HSLA-Stahlen mit Seltenen Erden und die thermodynamischen Uoraussetzungen Fur deren Zugabe. 20.3.1977. Druckschrift der Th. Uoldschmidt AG, Essen, BRD.

14. Weis H. \ Stahl und Eisen. № 97 (1977) S. 477/86.

15. Luyckx L.; Jackman, J.R.: Electr. Furn. Conf. Proceed. 31 (1973) S. 175/61.

16. Кинне Г. и др. \ Изв. ВУЗов. 1962. № 9. С. 92.

17. Просвирин В. И. и др. Вопросы металловедения аустенитных сталей. Машгиз, 1952, с. 162.

18. Gurry R. W. \ Trans. Amer. Inst. Mining Met. Engrs. 1944. V. 158. P. 98.

19. Derge G. Trans. Amer. Inst. Met. Engrs. 1946. V. 467. P. 93.

20. Becket F. M., Field A. L. Boron, calcium, columbium and zirconium in iron and steel. London. 1957. Р. 3.

21. Zieler W. \ Arch. Eisenhuttenweisen, 1931...1932, Bd 5, S. 167, 299.

22. Handbook of Chemistry and Physics ed 37. 1955.

23. Биндер Д. Проблемы современной металлургии. 1961. № 2 (56). C. 109.

24. Hansen M. Constitution of Binary Alloys, 1958.

25. Савицкий Е. М. \ Изв. АН СССР. ОНТ. 1960. № 5. C. 52.

26. Gschneider R. A. Rare earth alloys, New York, 1961.

Размещено на Allbest.ru