Металлургические мини-заводы
  4.3 Методы дозирования стали при технологических переделах на МНЛЗ

На практике различают два основных метода разливки стали: открытой и закрытой струей (рис.4.8).

Схема разливки стали на сортовые заготовки открытой струей и с защитой стали от вторичного окисления

Рис. 4.8. Схема разливки стали на сортовые заготовки открытой струей а) и с защитой стали от вторичного окисления б): 1 – сталеразливочный ковш; 2 – промежуточный ковш; 3 – кристаллизатор; 4 – защитная труба; 5 – стопор; 6 – погружной стакан

При разливке открытой струей для сохранения постоянного расхода металла стремятся поддерживать постоянное ферростатическое давление металла в промковше при условии, что внутренний диаметр стакана-дозатора не изменяется. Это относится, главным образом, к разливке на сортовых МНЛЗ.

Характерной особенностью разливки стали открытой струей через стакан-дозатор является малое сечение его внутренней полости, составляющее обычно 10 - 18 мм в зависимости от скорости разливки и сечения заготовки. При этом поддержание уровня металла в кристаллизаторе осуществляется за счет изменения скорости вытяжки заготовки и уровня металла в промковше. Возможности таких методов регулирования расхода металла крайне ограничены в сравнении с разливкой через стопор-моноблок или шиберный затвор. Соответственно стабильность разливки в течение всего цикла работы промковша может быть достигнута только при условии сохранения постоянного сечения стакана-дозатора.

В процессе разливки спокойных невакуумированных марок стали часто отмечается затягивание или зарастание стаканов-дозаторов промковшей. Основными причинами затягивания стакана-дозатора следует считать намерзание стали в канале из-за недостаточно высокой ее температуры и большой температуропроводности материала стакана-дозатора, а также прилипание к его стенкам неметаллических и шлаковых включений в процессе разливки. При этом «промывание» кислородом крайне отрицательно сказывается на процессе разливки в целом из-за ухудшения организации струй, поступающих в кристаллизаторы, вследствие нарушение геометрии внутренней полости стаканов-дозаторов. Соответственно, это значительно увеличивает степень вторичного окисления стали.

С другой стороны, в результате взаимодействия жидкого металла с материалом стакана-дозатора может происходить его пропитка оксидами железа, марганца, кремния и алюминия. В случае образования легкоплавких фракций на границе металл-огнеупор будет происходить размывание стенки стакана.

Следовательно, вопрос выбора конструкции и материала стакана-дозатора для промковша при разливке на сортовых МНЛЗ представляется весьма важным с точки зрения разливки стали длинными сериями. В настоящее время на практике предпочтение отдается комбинированным стаканам-дозаторам (рис.4.9), состоящим из двух керамических частей, изготовление и обжиг которых осуществляется по самостоятельным технологиям.

Внутренняя вставка такого стакана-дозатора изготавливается из дорогостоящего диоксида циркония (содержание на уровне 95%), а внешний стакан – из цирконосиликата (ZrO2*SiO2) с содержанием оксида циркония порядка 60 - 65% и оксида кремния – 30 - 35%. При этом материал внешней части стакана-дозатора обладает достаточно низкой теплопроводностью. Внешний стакан может также изготавливаться из материала с высоким содержанием Al2O3 (50 - 80%), который имеет низкую склонность к термическим трещинам при более низкой цене.

В целом использование комбинированных стаканов-дозаторов с высококачественной вставкой из диоксида циркония позволяет разливать через них сталь в течение 15 - 20 часов. Более ранний выход их из эксплуатации обычно связывается с затягиванием их внутренней полости. На практике также может наблюдаться повышенное размывание внутренней полости стакана-дозатора, что, прежде всего, объясняется недостаточно высокими антиэрозийными свойствами материала.

Основные типы комбинированных стаканов-дозаторов с цирконовой вставкой

Рис. 4.9. Основные типы комбинированных стаканов-дозаторов с цирконовой вставкой

В последние годы рядом ведущих зарубежных фирм все больше внимания уделяется созданию системы оборудования для быстрой замены стакана-дозатора в случае его разрушения или затягивания (рис. 4.10).

Общая схема устройства для замены стакана-дозатора

Рис. 4.10. Общая схема устройства для замены стакана-дозатора (конструкция фирмы «Intocast»)

Все такого рода конструкционные решения предполагают расположение под днищем промковша специальной кассеты, по крайней мере, из двух стаканов-дозаторов, быстрая установка которых в рабочее положение осуществляется с помощью специального привода. Такая схема обеспечивает снижение расходов на огнеупоры из-за повышения длительности разливки из одного промковша, уменьшение удельной доли отходов металла по поясам, концевой и головной обрези и остаткам в промковше. Кроме того, благодаря обеспечению хорошей организации струи повышается качество стали при разливке длинными сериями за счет минимизации процессов вторичного окисления на участке промковш-кристаллизатор.

Вместе с тем, применение устройства для быстрой замены стакана-дозатора предполагает использование специальных дорогостоящих огнеупорных изделий, что связано с необходимостью обеспечения высокой точности контакта между сменным стаканом-дозатором и базовым стаканом промковша по всей плоскости скольжения. Безусловно это увеличивает затраты на разливку.

Другим распространенным способом дозирования стали в процессе ее разливки является применение схемы «стакан-дозатор» - «стопор-моноблок». При этом расход металла регулируется положением головки стопора относительно стакана-дозатора. Между тем стойкость стакана-дозатора определяется общей прочностью материала, препятствующей его разрушению в процессе разливки, локальным разрушением стакана-дозатора в зоне его контакта с головкой стопора (1), скалыванием материала в месте контакта с погружным стаканом (2) и скоростью зарастания его внутренней полости (3) неметаллическими и шлаковыми включениями (рис. 4.11 а).

Кроме того, при частой замене погружного стакана может происходить частичное разрушение (скалывание) нижней части стакана-дозатора. В этом случае происходит свободный подсос воздуха во внутреннюю полость погружного стакана, что значительно повышает интенсивность вторичного окисления струи стали. Стакан-дозатор обычно изготавливают из корундографитового материала методом изостатического прессования [324]. Примерные свойства материала стакана-дозатора для разливки длинными сериями приведены в табл. 4.3.

Для условий длительной разливки оказалось целесообразным верхнюю часть стакана-дозатора выполнять из более прочного материала (того же, что и головка стопора). Уменьшение скорости зарастания внутренней полости стакана-дозатора может быть достигнуто с использованием специального керамического «антиклоггингового» покрытия, принцип действия которого заключается в связывании оксидов алюминия, оседающих на поверхности стакана-дозатора, в легкоплавкие соединения. Установлено, что это покрытие в 2-3 раза повышает длительность работы погружного стакана без промываний кислородом. Вместе с тем, скорость зарастания стакана-дозатора в немалой степени зависит от развития процессов вторичного окисления стали, что предопределяет целесообразность проведения мероприятий по защите стали от взаимодействия с кислородом воздуха на участке «сталеразливочный ковш – промковш».

Схематическое представление характера износа стакана-дозатора в процессе разливки и конструкции стакана для разливки сверхдлинными сериями

Рис. 4.11. Схематическое представление характера износа стакана-дозатора в процессе разливки (а) и конструкции стакана для разливки сверхдлинными сериями (б): 1 – разрушения в зоне контакта с головкой стопора; 2 – разрушения в зоне контакта с погружным стаканом; 3 – зарастание внутренней полости; 4 – эрозия вследствие разрушения при контакте со струей стали

Таблица 4.3. Свойства корундографитового стакана-дозатора

Свойства корундографитового стакана-дозатора

Стопор-моноблок является составляющей функциональной частью промковша МНЛЗ, обеспечивающей дозированную подачу стали в кристаллизатор, перекрытие канала стакана-дозатора в случае технологической необходимости, подачу аргона в струю стали и пр. В большинстве случаев стопор-моноблок работает в достаточно тяжелых условиях, сопровождающихся термическими и внутренними напряжениями, механическими ударами и эрозионным разрушением [325, 326]. Следовательно, обеспечение его высокой эксплуатационной стойкости представляется достаточно сложной технологической и производственной задачей, требующей учета возможностей производителей такого рода керамики и технологических условий разливки.

Выполненные авторами в условиях ряда заводов Украины и России промышленные тестирования стопоров-моноблоков различной конструкции и геометрической формы, различного химического состава и произведенные различными огнеупорными фирмами показали, что многие из них не соответствуют комплексу требований, обеспечивающих разливку сверхдлинными сериями [327]. Основными причинами выхода стопоров из эксплуатации в ходе разливки являются:

  • интенсивный эрозионный износ стопора в области шлакового пояса, заканчивающийся его поломкой и потерей ручья МНЛЗ;
  • эрозионный износ головки стопора, что препятствует нормальному процессу истечения металла из промковша (разрушение компактной формы струи и т.п.);
  • поломка стопора в зоне его крепления со штангой стопорного механизма в процессе эксплуатации из-за непрочности (или потери прочности) узла крепления, включающего керамические и металлические части;
  • поломка стопора в нижней трети его длины из-за потери механической прочности и жесткости в процессе эксплуатации;
  • подсос воздуха в месте крепления стопора и последующее окисление углерода во внутренних слоях футеровки стопора, вызывающее её разупрочнение;
  • коробление вилки, соединяющей штангу и стопорный механизм, за счет ее нагрева в процессе эксплуатации, что приводит к некрытию (поломке) стопора в ходе разливки.

Как показывает статистический анализ, наиболее частой причиной выхода стопора-моноблока из эксплуатации является разрушение узла крепления. Следовательно, при выборе рациональной схемы крепления стопора и стальной штанги необходимо принимать во внимание тот факт, что зона фактического крепления стопора находится длительное время в условиях воздействия агрессивной среды, повышенных температур, динамических нагрузок и пр. Основными схемами крепления стопора являются следующие:

  • фиксирование стопора-моноблока с помощью расклинивающей вставки (рис.4.12 а);
  • фиксирование поддерживающей штанги в теле стопора керамической гайкой, посаженной на специальный раствор, что позволяет перенести часть возникающих нагрузок на торцовую поверхность стопора (рис.4.12 б);
  • фиксирование штанги стопора посредством ввинчивания поддерживающей штанги в металлическую гайку, которая впрессована непосредственно в тело стопора еще при изготовлении (рис. 4.12 в-г);
  • фиксирование поддерживающей штанги в теле стопора ввинчивающейся металлической втулкой, в которой закрепляется штанга (рис. 4.12 д).

Фиксирование стопора-моноблока с помощью металлического соединительного штыря (рис. 4.12 а) является наиболее архаичным и несоответствующим современным требованиям обеспечения стабильности разливки стали на МНЛЗ. В этом типе соединения все механические нагрузки, возникающие при открытии и закрытии стопора, воздействуют на сравнительно малую поверхность металлического соединительного штыря, что часто приводит к механическим поломкам [328]. Кроме того, в этом случае очень сложно обеспечить газонепроницаемость соединения. С учетом отсутствия возможности вдувания аргона через внутреннюю полость стопора этот метод, видимо, следует признать неконкурентоспособным с точки зрения литья длинными сериями.

Схематическое представление методов крепления стопора-моноблока и штанги стопорного механизма

Рис. 4.12. Схематическое представление методов крепления стопора-моноблока и штанги стопорного механизма: а – с помощью расклинивающей вставки; б – посредством керамической гайки, посаженной на раствор; в – посредством впрессованной металлической гайки; г – посредством впрессованной керамической гайки; д – посредством ввинчивающейся металлической втулки

Как видно из сравнительного анализа, приведенного в табл.4.4, остальные способы крепления стопора и металлического стержня подъемного механизма имеют определенные эксплуатационные достоинства и недостатки.

Обобщая данные анализа, заметим, что применение впрессованных в тело стопора гаек (металлических или керамических) упрощает сборку стопора в цехе, но при этом создаются определенные условия для повышенных внутренних напряжений в месте расположения гайки. Применение такого способа крепления ослабляет прочность и может приводить к выходу стопора из строя.

Таблица 4.4. Сравнение функциональных возможностей различных способов крепления стопоров и металлической штанги

Сравнение функциональных возможностей различных способов крепления стопоров и металлической штанги

Сравнение функциональных возможностей различных способов крепления стопоров и металлической штанги

С целью оценки условий работы узла крепления стопора выполнен комплекс лабораторных исследований с использованием поляризационно-оптического метода, позволяющего получать распределение и величину напряжений в различных деталях без их разрушения [329]. Из теории поляризационно-оптического метода известно, что в монохроматическом свете будет виден ряд темных и светлых полос, определенным образом связанных с картиной распределения напряжений в модели. Затемнение получается в соответствующем месте экрана при взаимно перпенди-кулярном расположении плоскостей поляризации поляризатора и анализатора при совпадении в данной точке модели направления главных нормальных напряжений с направлениями плоскостей поляризации.

В лабораторных экспериментах использовались плоские прозрачные модели узла крепления стопора-моноблока, изготовленные из оптически чувствительного материала (эпоксидной смолы) в масштабе 1:2 и 1:5. Для определения разности главных напряжений использовали метод полос, основанный на применении материалов с высокой оптической активностью и монохроматического света (ртутной лампы). При этом наблюдение за образованием картины полос осуществляли в процессе постепенного нагружения модели. Получаемые картины полос фиксировались с помощью цифровой камеры с высокой разрешающей способностью. Последующая обработка полученных данных осуществлялась на персональном компьютере, а связь между оптическим эффектом и разностью главных напряжений определялась в соответствии с законом Вертгейма.

На рис. 4.14 приведены некоторые данные, иллюстрирующие отношение между уровнем главных напряжений в теле стопора при его креплении к штанге подъемного механизма посредством впрессованной металлической гайки и посредством керамической гайки, посаженной на раствор.

Соотношение уровня главных напряжений при креплении стопора к штанге подъемного механизма посредством впрессованной металлической гайки и посредством керамической гайки, посаженной на раствор

Рис. 4.14. Соотношение уровня главных напряжений при креплении стопора к штанге подъемного механизма посредством впрессованной металлической гайки и посредством керамической гайки, посаженной на раствор

Напряжения измеряли в горизонтальном сечении, расположенном на уровне верхнего торца впрессованной гайки. Это сечение, на наш взгляд, является одним из наиболее критических с точки зрения уровня внутренних напряжений. Точки замера значений главных напряжений располагались на линии диаметра окружности равномерно от поверхности стопора (точки 1 и 8) к его оси (точки 4 и 5).

В целом в результате выполненных исследований установлено, что уровень внутренних напряжений на 50 - 80% выше в случае применения впрессованной в тело стопора металлической гайки. Видимо, это следует объяснять тем фактом, что впрессованная гайка жестко контактирует с керамическим материалом тела стопора. Между тем металлическая гайка имеет значительно более высокие показатели прочности и твердости, чем основной керамический материал, что в совокупности с более высоким коэффициентом линейного и объемного расширения способствует развитию высокого уровня внутренних напряжений. Безусловно, при сложении внутренних напряжений с эксплуатационными (удары, перекосы, вибрации и т.п.) в стопоре могут образовываться внутренние трещины и сколы, которые, в конечном счете приводят к выходу стопора из строя и аварийной остановке МНЛЗ.

Характерные картины нагружения стопора-моноблока (запрессованная гайка), полученные поляризационно-оптическим методом, представлены на рис. 4.14 а-в.

Как видно из приведенных данных, уровень главных напряжений в модели стопора с впрессованной гайкой во всех случаях оказывается более высоким. Это объясняется тем, что применение металлической (или керамической) запрессованной гайки изначально предполагает более сложное напряженное состояние окружающего ее материала стопора: в местах сопряжения гайки с материалом стопора образуются зоны с большим числом концентраторов напряжений. При перекрытии стопором отверстия стакана-дозатора даже незначительные перекосы в положении керамического стержня вызывают существенное увеличение напряжений в верхней его части, что, в конечном счете, приводит к разрушению (скалыванию) стопора (рис. 4.14 г).

Характерные поляризационно-оптические картины нагрузок стопора-моноблока в месте крепления

Рис. 4.14. Характерные поляризационно-оптические картины нагрузок стопора-моноблока в месте крепления (запрессованная гайка): а – после сборки; б и в – при прижатии стопора к поверхности стакана-дозатора; г – при перекосе стопора (разрушение)

При креплении стопора керамической гайкой, посаженной на раствор, обеспечивается некоторое демпфирование возникающих нагрузок за счет пластичности связующего раствора. Фактически благодаря связующему раствору происходит «разгрузка» внутреннего напряженного состояния стопора, что обеспечивает его повышенный эксплуатационный ресурс.

В последнее десятилетие ведущие европейские производители изостатических стопоров-моноблоков «Stawerma» (Германия), Везувиус (Бельгия), «Foseco» (Великобритания) стремятся использовать концепцию зонального упрочнения материала стопора в зависимости от характера разрушения той или иной зоны. Свойства материала тела стопора представлены в табл. 4.5. При этом для головки стопора используется материал с повышенным содержанием 70-75% Al2O3, который в большей степени противостоит эрозионному износу в условиях быстро движущихся потоков металла. Кроме того, для рабочей пары «головка стопора - стакан - дозатор» разработана оптимальная геометрия соприкасающихся частей, позволяющая обеспечить рациональное истечение металла из стакана-дозатора. Для стали, обработанной кальцием, рекомендуется использовать головку стопора из магнезит содержащего материала.

Прочность остальных частей стопора-моноблока достигается за счет выбора рационального состава материала и режимов изостатического прессования. При этом, учитывая тот факт, что повышенный износ стопора происходит в зоне шлакового пояса, максимальный диаметр стопора, соответствующий требуемому циклу эксплуатации, рекомендуется задавать именно для зоны шлакового пояса и расположенной выше области крепления стопора. С целью снижения массы и себестоимости стопора его диаметр в зоне, расположенной ниже шлакового пояса может быть уменьшен на 15 – 25 %.

Таблица 4.5. Свойства корундографитового стопора-моноблока

Свойства корундографитового стопора-моноблока

В настоящее время на ряде заводов мира вместо стопора-моноблока в промковше применяется трехплитный шиберный затвор [330-332]. В СНГ такую схему успешно применяют на Оскольском электрометаллургическом комбинате (г. Старый Ос-кол, Россия). В целом, как показывает практика, трехплитный шиберный затвор может при определенных условиях обеспечить разливку сериями 8-9 плавок, что заметно уступает показателям, которые достигаются при использовании стопоров-моноблоков. Основным лимитирующим звеном является зарастание (клоггинг) внутренней полости сталепроводящего канала, протяженность которого в случае с шиберным затвором увеличивается в несколько раз.

Между тем применение шиберных затворов в определенной степени изменяет условия разливки, что может оказывать влияние как на сам процесс литья, так и на качество непрерывнолитой заготовки. Особенно это относится к процессу старта МНЛЗ и регулированию расхода металла в ходе разливки.

Характерной особенностью конструкции шиберного затвора промковша является стремление по возможности увеличить внутреннее сечение стакана-дозатора по отношению к реально требуемому сечению для обеспечения соответствующего расхода стали. При этом реальное сечение стакана-дозатора может быть больше требуемого в 5-10 раз. Соответственно, процесс регулирования расхода металла осуществляется за счет изменения положения средней плиты шиберного затвора.

При использовании шиберного затвора (рис.4.15) начало разливки осуществляют либо с открытым каналом и всплывающим блоком 1, либо с закрытым каналом (при наполнении промковша), в который непрерывно подается аргон (или смесь аргона с кислородом) через специальную вставку в плите 5. Однако, в обоих случаях выход на номинальную скорость разливки происходит более медленно в силу инерционности привода шиберного затвора. Это, в конечном счете, увеличивает отходы стали с головной обрезью.

Схема разливки стали через трехплитный шиберный затвор

Рис. 4.15. Схема разливки стали через трехплитный шиберный затвор: 1 – всплывающая керамическая труба; 2 – гнездовой блок; 3 – коллектор с пористым кольцом для подачи аргона; 4 – верхняя плита; 5 – плита с пористой вставкой для старта МНЛЗ по схеме с закрытым каналом; 6 – подвижная плита; 7 – нижняя плита; 8 – погружной стакан; 9 – тело погружного стакана в области шлакового пояса

В целом по сравнению с разливкой со стопором-моноблоком разливка из промковша через трехплитный шиберный затвор имеет следующие достаточно серьезные функционально-технические недостатки:

  • при разливке через трехплитный шиберный затвор удлиняется система каналов от промежуточного ковша до погружного стакана, что повышает вероятность ее зарастания; учитывая большую протяженность этих каналов, представляется практически невозможным осуществление операции промывания канала с помощью кислорода;
  • поскольку регулирование расхода металла в шиберном затворе осуществляется за счет изменения положения средней плиты, то в ходе такого дросселирования происходит разрушение компактной геометрической формы струи, ее разбрызгивание и разрушение огнеупоров, входящих в контакт со струей;
  • наличие определенного зазора между плитами шиберного затвора является дополнительным источником подсоса воздуха (вторичного окисления) в струю стали, что особенно негативно проявляется при разливке вакуумированных марок стали и стали с повышенным содержанием алюминия;
  • при разливке через трехплитный шиберный затвор в силу инерционности привода «загрубляется» система автоматического поддержания уровня металла в кристаллизаторе, что приводит к большим рабочим амплитудным значениям и, возможно, к снижению качества поверхности.

Важнейшим функциональным элементом, обеспечивающим подвод металла в кристаллизатор является погружной стакан, который стыкуется с нижним торцом стакана-дозатора. По существу, погружной стакан защищает металл от вторичного окисления на участке «промковш–кристаллизатор», предотвращает загрязнение заготовки включениями шлакообразующей смеси, расположенной на зеркале металла в кристаллизаторе и обеспечивает подвод струи под уровень в кристаллизаторе, способствуя рациональной организации движения конвективных потоков в жидкой ванне. Для повышения эффективности защиты стали от вторичного окисления на практике применяют совмещенные погружные стаканы, устанавливаемые непосредственно в промковше (рис. 4.16).

Общая схема размещения стопора-моноблока и совмещенного погружного стакана в промковше

Рис. 4.16. Общая схема размещения стопора-моноблока и совмещенного погружного стакана в промковше

Обычно погружные стаканы работают в режиме непрерывной разливки методом «плавка на плавку». Соответственно, основными требованиями, которые предъявляются к погружным стаканам, являются высокая прочность при высокой температуре и стойкость к эрозии и коррозии под действием металла и шлакообразующих смесей. Любая замена погружного стакана для сортовых МНЛЗ представляется достаточно сложной операцией, которая предполагает не просто замену изделия, но также подъем промковша (и, соответственно, сталеразливочного ковша). Каждая замена погружного стакана в ходе разливки, вызванная его разрушением или зарастанием внутренней полости, предполагает остановку на некоторое время соответствующего ручья МНЛЗ, что впоследствии требует вырезания из заготовки той части, которая находилась в процессе замены непосредственно в кристаллизаторе. Поэтому частая замена погружных стаканов не просто нарушает технологический ритм разливки, но также повышает отходы металла и снижает выход годного на 1 - 2 %.

В зависимости от условий разливки различают прямоточные и глуходонные погружные стаканы. Глуходонные погружные стаканы могут иметь 2 или 4 боковых отверстия, которые выполняются под углом к зеркалу металла. Угол может колебаться от +10° до – 25-30°.

Основной причиной выхода погружных стаканов из эксплуатации является эрозионный износ в зоне шлакового пояса (1), зарастание внутренней полости в зоне выходного отверстия (2) и растрескивание верхней части изделия (3), связанное с подсосом воздуха в стык между стаканом-дозатором и погружным стаканом (рис.4.17 а), а также образование продольных сквозных трещин при термоударе (недостаточном подогреве стакана перед разливкой).

Одним из огнеупорных материалов, который используется для производства погружных стаканов, является плавленый (или аморфный) кремнезем [333, 334]. Исходным материалом при этом является кварц высокой чистоты (>99% SiO2), который плавится, а потом быстро охлаждается для предотвращения образования кристаллической структуры. Спекание осуществляется при температуре, достаточной для образования связи между отдельными зернами. Вместе с тем, кварцевый погружной стакан обеспечивает разливку 1 - 3 плавок. При этом для стали с повышенным содержанием марганца такое изделие использоваться не может, поскольку плавленый кремнезем интенсивно изнашивается и может выдержать не более 30 - 40 минут [335].

Схематическое представление характера износа погружного стакана в процессе разливки

Рис. 4.17. Схематическое представление характера износа погружного стакана в процессе разливки (а) и конструкции погружного стакана для разливки сверхдлинными сериями (б): 1 – эрозия в зоне шлакового пояса; 2 – зарастание внутренней полости неметаллическими включениями; 3 – растрескивания в зоне контакта со стаканом-дозатором; 4 – эрозионный износ в зоне истечения струи

Наиболее высокую эксплуатационную стойкость обеспечивают корундографитовые погружные стаканы, усиленные специальным цирконовым поясом в зоне контакта со шлакообразующей смесью (рис. 4.18 б), что при определенных технологических мероприятиях может обеспечить длительность их работы на уровне, соответствующем длительности эксплуатации футеровки промковша и стопора-моноблока (12 - 15 плавок).

Однако, как показали промышленные эксперименты, технологическая стойкость погружного стакана в этом случае лимитируется скоростью зарастания его внутренней полости оксидами алюминия, кремния и пр. При этом выход погружного стакана из эксплуатации может происходить уже через 2,5 - 3 плавки. Для повышения срока эксплуатации погружного стакана могут быть рекомендованы следующие мероприятия [336 - 338]:

  • а) уменьшение вторичного окисления стали за счет предотвращения подсоса кислорода воздуха в стык между стаканом-дозатором и погружным стаканом посредством обдува аргоном места стыка;
  • б) использование специального «антиклоггингового» покрытия внутренней полости погружного стакана;
  • в) вдувание аргона во внутреннюю полость погружного стакана через стопор-моноблок с целью адсорбции оксидов алюминия и создания нейтральной атмосферы в полости погружного стакана;
  • г) предотвращение преждевременного разрушения стакана-дозатора и головки стопора, что нарушает движение струи в погружном стакане (скольжение металла по стенке, разбрызгивание и пр.).

В целом применение изостатически прессуемых корундо-графитовых погружных стаканов, усиленных в зоне контакта со шлаком цирконовым поясом (ZrO2 = 65-70%; SiO2 = 13-17%; C = 11-15%), является наиболее перспективным и экономически обоснованным методом защиты стали между промковшом и кристаллизатором МНЛЗ. Свойства материала тела погружного стакана представлены в табл.4.6.

Таблица 4.6. Свойства корундографитового погружного стакана

Свойства корундографитового погружного стакана

Зарастание погружного стакана

Рис. 4.18. Зарастание погружного стакана: а – общий вид стакана-дозатора, б – вид наростов на внутренней поверхности

По мнению многих исследователей, отложения на внутренней поверхности погружного стакана могут существенно отличаться как по физическим свойствам (начиная с достаточно рых-лых зон и заканчивая зонами прочных кристаллов корунда), так и по химическому составу (алюминаты кальция типа CaO*6Al2O3, CaO*2Al2O3 и 2CaO*Al2O3*SiO2; а также шпинелиды перемен-ного состава от герцинитового до магнетитового и пр.) [339-341]. Дополнительно следует отметить, что в такого рода отложениях может также наблюдаться повышенное содержание «корольков» металла (рис.4.18 б).

Следовательно, можно утверждать, что отложения на внутренней поверхности погружного стакана являются результатом развития различного рода процессов дополнительного загрязнения стали, происходящих уже непосредственно в ходе разливки.

Явление формирования отложений на поверхности погружного стакана происходит в течение всего цикла эксплуатации. При этом основным источником такого рода отложений, вероятно, является дополнительное загрязнение металла неметаллическими включениями за счет вторичного окисления стали при ее движении от сталеразливочного ковша в кристаллизатор, а также эрозии огнеупорных и вспомогательных материалов, с которыми сталь вступает в контакт в процессе технологических переливов. Вместе с тем, процесс зарастания внутренней полости погружного стакана характеризуется также заметной неравномерностью его развития во времени и несимметричностью расположения зон отложений относительно вертикальной оси изделия. Например, после разливки нескольких плавок весьма часто наблюдается довольно резкое уменьшение внутреннего сечения ка-нала погружного стакана, что, в конечном счете, и служит основной причиной его замены новым.

По нашему мнению, наиболее вероятными причинами такого резкого увеличения скорости выпадения отложений могут быть либо дополнительные оксиды, которые попадают в промковш при прожигании канала шиберного затвора с применением кислорода, либо частицы шлака, которые захватываются струей металла (эффект «воронки») при вытекании из промковша. Условия для развития такого механизма захвата шлака струей металла создаются при уменьшении уровня налива стали в промковше, которое наиболее характерно при замене сталеразливочных ковшей при работе по схеме «плавка на плавку».

При этом не менее существенным фактором оказывается накопление в промковше дополнительного шлака, попадающего из сталеразливочных ковшей, по мере увеличения числа разлитых плавок. Можно даже предположить, что в условиях отсутствия специальных мероприятий по контролю количества шлака в промковше достаточно вероятным представляется уменьшение уровня металла в промковше, поскольку оператор в большей степени ориентируется на положение поверхности шлака. Следовательно, при замене сталеразливочных ковшей после разливки не-скольких плавок вероятность спонтанного зарастания внутренней полости погружного стакана возрастает.

Выполненные практические наблюдения и оценки по характеру расположения зон отложений во внутренней полости погружных стаканов позволили установить следующие общие закономерности:

  • отложения алюминатов более ярко проявляются при повышенном содержании алюминия в стали
  • зоны наибольшего количества отложений обычно располагаются, начиная с области, соответствующей положению уровня металла в кристаллизаторе, и до нижнего среза для прямоточных погружных стаканов, или до внешней поверхности для глуходонных изделий с боковыми отверстиями;
  • весьма часто зоны максимального количества отложений в горизонтальном сечении не являются симметричными;
  • для глуходонных погружных стаканов с боковыми отверстиями весьма часто отмечалась несимметричность в зарастании отверстий (одно отверстие зарастает значительно больше, чем другое);
  • при разливке на многоручьевых МНЛЗ (4 или 6 ручьев) установлен также факт неодинакового (по скорости и характеру) зарастания погружных стаканов на разных ручьях.

Результаты физического моделирования процессов, сопровождающих движение струи металла во внутренней полости погружного стакана, позволяют сделать вывод о том, что при нормальном истечении струи металла из стакана-дозатора вероятность быстрого зарастания внутренней полости погружного стакана оказывается достаточно низкой. Более того, инжекция аргона через стопор-моноблок оказывает дополнительное защитное воздействие от вторичного окисления и стабилизирует движение струи металла. Поэтому одной из главных причин повышенного зарастания внутренней полости погружных стаканов, видимо, следует считать несимметричность течения струи металла, вызванную особенностями ее формирования в месте сопряжения стопора-моноблока и стакана-дозатора.

В ходе физического моделирования установлено, что наибольшее влияние на форму и траекторию движения струи может оказывать положение стопора относительно поверхности седла стакана-дозатора (рис. 4.19). Заметные отклонения в истечении струи отмечены в том случае, когда смещение стопора относительно вертикальной оси стакана-дозатора составляет не менее 25 – 30 % от радиуса его внутренней полости. При этом увеличение смещения стопора способствует большей деформации формы и траектории струи относительно вертикальной оси.

Схематическое представление механизма деформации и скольжения струи металла при ее истечении из промковша в кристаллизатор

Рис. 4.19. Схематическое представление механизма деформации и скольжения струи металла при ее истечении из промковша в кристаллизатор

Наиболее характерным моментом, сопровождающим такое течение металла, является его непосредственный контакт с внутренней поверхностью погружного стакана, что создает благоприятные условия для осаждения неметаллических включений и макрочастиц шлака. Соответственно, эти изменения в характере движения струи металла во внутренней полости погружного стакана на практике способствуют также дополнительной несимметричной эрозии головки стопора-моноблока и несимметричному отложению включений внутри погружного стакана, которые, в конечном счете, и служат причиной преждевременного выхода изделия из эксплуатации (рис. 4.19 б).

Учитывая, что существенное влияние на характер истечения металла из промковша может оказать износ головки стопора, на практике для разливки стали длинными сериями рекомендуется применять стопоры-моноблоки со специальным упрочнением. Такое упрочнение может быть достигнуто либо за счет повышенного содержания Al2O3 в материале головки (для марок стали, которые не обрабатываются силикокальцием), либо за счет формирования магнезитовой головки (для стали, обработанной силикокальцием). Безусловно, оптимизация химического материала головки должна выполняться в соответствии с конкретными условиями эксплуатации стопора и промковша.

Другой причиной, обусловливающей преждевременное зарастание внутренней полости погружного стакана, следует считать циклические колебания стопора в вертикальной плоскости в ходе разливки. Частота и амплитуда этих колебаний во многом зависит от жесткости стопорного механизма и, в частности, вилки, на которой крепится стопорная штанга. Как показали наблюдения, выполненные в промышленных условиях, амплитудно-частотные характеристики таких колебаний могут существенно меняться в ходе разливки. Причиной увеличения амплитуды колебаний может быть уменьшение жесткости металлических конструкций под воздействием температурных нагрузок. Кроме того, в процессе разливки на стопоре может налипать определенное количество металла и шлака, что также изменяет положение стопора относительно стакана-дозатора.

Следовательно, наряду с общепринятым механизмом зарастания внутренней полости корундографитовых погружных стаканов за счет осаждения оксидов алюминия, другими важными причинами зарастания являются:

  • несимметричность положения головки стопоротносительно стакана-дозатора в ходе разливки;
  • износ головки стопора в процессе разливки длинными сериями;
  • вертикальные колебания стопора и соответствующие колебания расхода металла при истечении из стакана-дозатора;
  • захват шлака, расположенного на поверхности металла в промковше, при падении уровня металла при перековшовках, в том числе по причине перекосов промковша, вызванных короблением его кожуха.

Вышеперечисленные причины несут в себе не только технологический, но и вероятностный характер. Поэтому полное их устранение представляется крайне затруднительным. Вместе с тем, практика разливки стали на МНЛЗ показала целесообразность ужесточения контроля монтажа стопора и состояния стопорного механизма при одновременной защите вилки, поддерживающей стопор, от прямого температурного воздействия. По существу, таким образом предотвращается спонтанный захват покровного шлака, расположенного на зеркале металла промковша.

Что же касается отложений оксидов алюминия, попадающих на поверхность погружного стакана непосредственно из стали, то, по нашему мнению, одним из основных их источников является вторичное окисление, происходящее на участке промковш – кристаллизатор.

С помощью прямых замеров установлено, что по ходу разливки давление газа во внутренней полости погружного стакана, не имеющего разъема со стаканом-дозатором, обычно колеблется в пределах 45 - 55 кПа [338]. Такое разрежение газа объясняется эжектирующим действием струи стали, которая вытекает из промковша. При вдувании инертного газа через стопор-моноблок или пористые вставки наблюдается повышение давления во внутренней полости до 70-75 кПа. При этом абсолютная величина давления газа во внутренней полости погружного стакана колеблется в пределах 3-8 кПа с частотой порядка нескольких колебаний в секунду. Это явление, видимо, следует связывать с внутренними колебательными свойствами системы стопорного механизма. Для сменного погружного стакана давление газа во внутренней его полости по ходу разливки обычно приближалось к атмосферному (минимальное давление составляло не менее 90-92 кПа), что является прямым подтверждением наличия явления подсоса газа из окружающей среды во внутреннюю его полость через стык со стаканом-дозатором.

Для повышения срока службы погружного стакана (зарастание) на практике могут быть рекомендованы следующие мероприятия: защита стали от вторичного окисления на всем ее движении от сталеразливочного ковша до кристаллизатора и обработка стали силикокальцием с целью модифицирования оксидов алюминия в легкоплавкие соединения.

Значительного снижения степени зарастания погружного стакана удается достигнуть при использовании специальной защиты стыка стакана-дозатора и погружного стакана. Длительность эксплуатации погружного стакана в этом случае может быть увеличена как минимум в 1,4 - 1,8 раза при прочих равных условиях в зависимости от марки разливаемой стали.

Существенное увеличение срока службы стакана-дозатора и погружного стакана может также быть достигнуто в случае использования изделий со специальным (так называемым «анти-клоггинговым») покрытием внутренней полости, которое препятствует осаждению оксидов алюминия. При этом уменьшение скорости зарастания достигается, например, за счет образования легкоплавких соединений при взаимодействии оксидов алюминия с материалом покрытия, либо за счет предварительного удаления углерода с поверхности контакта со сталью [342 - 345].

Исследования, выполненные авторами, показали, что такие изделия работают достаточно эффективно в случае их применения в совокупности с другими мероприятиями, препятствующими вторичному окислению стали. При этом удается достигнуть повышения эксплуатационной стойкости (по зарастанию) примерно в 1,5 - 2,0 раза. Менее эффективно «антиклоггинговое» покрытие работает для стали с повышенным содержанием алюминия, что, видимо, объясняется большим количеством глинозема, образующегося при вторичном окислении. Это наиболее характерно проявляется в нижней части погружного стакана, что, видимо, объясняется влиянием на зарастание всей совокупности факторов, рассмотренных в настоящей главе. Вероятно, в этом случае необходимо использовать погружные стаканы с плазменным напылением чистого Al2O3.

  4.3 Методы дозирования стали при технологических переделах на МНЛЗ
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ