Легування ніобієм рідкої сталі

Введення фероніобію чи інших ніобійвміщуючих легуючих сплавів з ніобієм в сталеву ванну так само, як і легування рідкої сталі іншим твердим феросплавом, супроводжується протіканням ряду фізико-хімічних процесів, таких як нагрівання фероніобію і його плавлення; розчинення ніобію та інших елементів, що входять до складу легуючого сплаву, в обсязі рідкого металу; часткове окислення елементів киснем, що знаходиться в металевій або шлаковій фазі; зміною температури металу і т.п.

При введенні шматків фероніобію в сталеву ванну вони нагріваються, плавляться за рахунок тепла рідкого металу і розчиняються у сусідніх областях сталі. Це призводить в початковий період легування до збагачення ніобієм тих ділянок рідкого металу, де знаходилися шматки фероніобію. У результаті протікання процесів масопереносу в сталевій ванні ніобій переміщається з цих ділянок по всьому об'єму рідкої сталі, що призводить до вирівнювання його концентрації. Обидві стадії засвоєння рідкої сталі ніобію (плавлення феросплаву і вирівнювання концентрації ніобія) протікають одночасно, хоча вирівнювання концентрації ніобія в рідкому металі дещо відстає від плавлення і розчинення фероніобію. Швидкість першої стадії цього процесу залежить від температури плавлення фероніобію, розміру його шматків, температури рідкої сталі, а також від інтенсивності його перемішування. Швидкість другої стадії визначається переважно інтенсивністю перемішування і температурою рідкого металу.

Дослідження процесу засвоєння феросплавів сталевою ванною показали, що для рівномірного розподілу легуючих елементів за обсягом рідкого металу потрібні значні витримки в печі, особливо при легуванні спокійної сталі. Висока температура плавлення фероніобію значно збільшує тривалість легування. Повне вирівнювання складу рідкого металу після легування досягається тільки під час випуску плавки в сталерозливний ківш. Висока швидкість виходу металу з випускного отвору в печі призводить до того, що струя рідкої сталі перемішує метал в ковші, в результаті чого забезпечується усереднення його хімічного складу. Найбільша інтенсивність перемішування рідкої сталі досягається в першій половині випуску, коли відношення маси переливаємого металу до обсягу металу падаючої струї ще відносно невелика і струя пронизує весь обсяг металу. По мірі збільшення кількості металу в ковші інтенсивність перемішування знижується і до кінця наповнення ковша струя майже не проникає в нижні шари рідкої сталі. Однак і після закінчення випуску в сталі мають місце інтенсивні конвективні потоки, спрямовані вверх в центральній частині і мають протилежний напрямок біля стін ковша. Інтенсивне перемішування рідкого металу у ковші створює передумови для успішного легування сталі ніобієм шляхом введення фероніобію в струю рідкого металу під час випуску плавки; при цьому прискорюється не тільки вирівнювання концентрації ніобію, але і розчинення феросплаву за рахунок його розмивання струєю рідкого металу. Ніобій належить до елементів, повністю розчинних в рідкій сталі; його введення в метал не супроводжується помітним тепловим ефектом. Кількість тепла, яке необхідне для розплавлення фероніобію в рідкій сталі Qзаг, визначають за рівнянням:
Qзаг= g [cT(tпл - tT) + Qпл+ cж(tст- tпл)], (2.3)
де g - маса фероніобію, кг;

cT- середня теплоємність фероніобію в інтервалі температур від початкової точки нагріву tTдо температури плавлення tпл, кал / кг × град);
Qпл- теплота плавлення фероніобію, кал / кг;

tст- температура рідкої сталі, °С.

При легуванні як мартенівської, так і електросталі в ковші феросплавами, які додаються в кількості 1 – 3% від маси рідкої сталі, зниження температури металу є незначним і може бути легко компенсовано деяким перегрівом металу в печі перед випуском. [10]

Фероніобій може вводиться також і у виливницю в процесі розливання металу, де також створюються умови для його рівномірного розподілу в зливку. Ефективність засвоєння ніобію рідкою сталлю при введенні фероніобію як у сталерозливний ківш, так і безпосередньо в виливницю є приблизно одинаковою. Була виявлена ​​певна сегрегація ніобію в нижній частині злитка спокійної сталі, в яку ніобій вводився в струю при розливанні; в напівспокійній сталі неоднорідність розподілу ніобію при його введенні у виливницю не спостерігалась, що пов'язано з підвищеною турбулентністю металу в процесі розливання напівспокійної сталі, яка сприяє більш повному розчиненню фероніобію. Висока вартість фероніобію та інших ніобійвміщуючих легуючих сплавів потребує розробки способів зниження їх вартості в процесі виробництва, так і створення умов під час виплавки сталі, що забезпечують найбільш повне засвоєння ніобію рідким металом.