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：
2Al+3S+3CaO→Al2O3+3CaS
此反應生成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、夾雜物成分預測的熱力學、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應大于0.09，生成不同鈣鋁酸鹽對應的鋼中鋁含量。
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
冀公網(wǎng)安備13050002001422號