Современные огнеупоры и эффективность их применения при производстве и разливке стали
  Доклад №4

Взаимодействие кальцийсодержащих материалов с огнеупорами при внепечной обработке и разливке стали

Дюдкин Д. А., Кисиленко В. В.

Рассмотрены вопросы взаимодействия кальцийсодержащих материалов с различными огнеупорами при внепечной обработке и разливке стали на современном этапе. Показано, что для стабильной разливки металла на МНЛЗ, предотвращения зарастания или размывания огнеупорных разливочных каналов необходимо соблюдение следующих условий: соотношение Са/Alокс должно быть в пределах 0,8-1,6; содержание [Al]окс в стали должно находиться на низком (не более 0,002-0,003 %) уровне, а содержание кальция в расплаве – не превышать 30 ppm в течение всей серии разливки.

Ключевые слова: кальцийсодержащие материалы, сталь, внепечная обработка, разливка, огнеупоры, износ, порошковая проволока

В современном сталеплавильном производстве внепечная обработка кальцийсодержащими порошковыми проволоками является неотъемлемой частью технологии и занимает ведущее положение в связи с многофакторностью влияния кальция на физико-химическое состояние расплава, макро- и микроструктуру заготовки, качество и свойства металлопродукции [1, 2].

При этом обработка расплава кальцийсодержащими материалами в зависимости от количества и вида добавок влияет на срок службы огнеупоров, находящихся в контакте с расплавленной сталью. Особенно это относится к областям огнеупорной кладки, которые длительное время контактируют с большим количеством протекающей жидкой стали, в частности к деталям бесстопорных затворов, погружным стаканам и т. д. Происходящие процессы износа при взаимодействии кальция, находящегося в расплаве, с деталями шиберных затворов, изготовленных из высокоглиноземистых огнеупоров, показаны на рис. 1 [3].

Механизм износа огнеупоров при работе со сталью, обработанной кальцием

Рис. 1. Механизм износа огнеупоров при работе со сталью, обработанной кальцием

Кальций, с одной стороны, вызывает восстановление огнеупорного материала, а с другой, – реагирует с этим материалом, образуя различные продукты реакции. Например, возникают алюминаты и алюмосиликаты кальция с различными температурами плавления. Усиленное химическое воздействие не только обуславливает повышение затрат на расходуемые материалы, но и ведет к техническому риску. Так, шиберный затвор сталеразливочного или промежуточного ковша машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) является не только дозирующим клапаном, но и системой безопасности, способной в любой момент перекрыть поток жидкой стали. Для надежной и экономичной разливки стали, обработанной кальцием, необходим целенаправленный выбор огнеупорных материалов для стаканов-дозаторов, погружных стаканов и шиберной проводки.

Огнеупоры на основе оксида магния отличаются очень хорошим термохимическим сопротивлением к воздействию стали, обработанных кальцием. Если сравнить с ними глиноземсодержащие огнеупоры типа АМ (глинозем/муллит на керамической связке) и даже типов АУ и ВАУ (глиноземистые огнеупоры на углеродной связке), то у последних появляется преимущество в отношении стойкости к тепловому удару и абразивным воздействиям.

Если сравнивать между собой глиноземистые огнеупоры, то по износостойкости у глиноземномуллитных (АМ) и высокоглиноземно-углеродистых (ВАУ) примерно одинаковые характеристики износа в отношении стойкости в расплавах, обработанных кальцием. Многие заводы, на которых не только разливают плавки, обработанные кальцием, но и используют различные раскислители, имеют явные преимущества огнеупоров типа ВАУ вследствие их высокой стойкости к абразивному износу. Огнеупоры типа АУ в этом сравнении оказываются непригодными для расплавов, обработанных кальцием, что объясняется присутствием SiO2 в этих материалах. В то же время эти материалы прекрасно сопротивляются тепловому удару и абразивному износу, что оправдывает их применение при большом числе передвижений шибера и длительных разливках не слишком агрессивных расплавов.

Износ огнеупоров зависит также от отношения содержаний кальция и алюминия в расплаве.

В работе [3] отмечено, что наибольший износ огнеупоров происходит при соотношении [Ca]/[Al]окс = 0,8-1,6, когда алюмокальциевые включения, согласно диаграммы состояния системы CaO-Al2O3, образуют самые легкоплавкие соединения (рис. 2). Такое соотношение, с точки зрения авторов, наиболее оптимально для предотвращения зарастания разливочных каналов. В связи с этим, наоборот, следует стремиться к трансформации включений глинозема в жидкие алюминаты кальция для обеспечения разливаемости алюминием раскисленной стали. При обработке стали кальцием превращение глинозема в жидкие (легкоплавкие) алюминаты и алюмосиликаты кальция типа 3СаО·Al2О3, 5СаО·3Al2О3, 12СаО·7Al2О3, 2СаО·Al2О3·SiO2 играет ключевую роль в воздействии на литейные свойства. Для получения включений подобного типа необходимо согласовывать соотношение между расходами алюминия и кальция, обеспечивая смещение равновесия в сторону достижения благоприятных условий для образования указанных включений. Важно отметить, что при температуре непрерывной разливки стали 1550-1580 °С алюминатные включения будут в жидком виде как раз при соотношении Са/Alокс = 0,8-1,6, что говорит о необходимости поддержания содержания Alокс в стали на низком (0,002-0,003 %) уровне в течение всей серии разливки, так как высокое содержание кальция в расплаве (необходимое для поддержания указанного соотношения в заданных пределах) приводит к повышенному износу огнеупоров.

Диаграмма состояния СаО-Al2O3

Рис. 2. Диаграмма состояния СаО-Al2O3 (область включений с соотношением Са/Al = 0,8-1,6 заштрихована)

Так, исследованиями, проведенными в работе [3], установлено, что реакции, характер которых зависит от материала огнеупоров и отношения общего содержанию кальция к содержанию оксидного алюминия и которые при определенных условиях приводят к размытию огнеупоров, в существенном объеме протекают при содержании кальция в расплаве выше 30 ppm. Поэтому при использовании высокоглиноземистых огнеупоров надо выстраивать технологический регламент внепечной обработки стали кальцийсодержащими материалами таким образом, чтобы по ходу разливки не допускать содержания кальция в металле выше 30 ppm. В таком случае также необходимо подбирать огнеупоры для проводок, длительно контактирующих с металлом, содержащим кальций, не подвергающиеся интенсивному химическому взаимодействию.

На рис. 3 представлена расчетная зависимость между содержанием Alокс и [Ca] в стали для обеспечения разливаемости (предотвращения зарастания или размывания разливочных каналов) металла, а на рис. 4 – расчетное окно разливаемости металла в зависимости от содержания [Al]общ, [Al]окс и [Ca]. Влияние содержания серы в стали на разливаемость в данном случае не рассматривали (предположили, что содержание [S] 0,015 %).

Взаимозависимость между содержанием [Al]окс и [Ca] в стали для обеспечения разливаемости металла

Рис. 3. Взаимозависимость между содержанием [Al]окс и [Ca] в стали для обеспечения разливаемости металла

Окно разливаемости металла в зависимости от содержания в стали [Al]общ, [Al]окс и [Ca]

Рис. 4. Окно разливаемости металла в зависимости от содержания в стали [Al]общ, [Al]окс и [Ca]

Из рис. 3 видно, что при содержании в стали [Ca] = 0,0010 % условия разливаемости металла будут обеспечиваться при наличии [Al]окс = 0,00063-0,00125 %, а при содержании [Ca] = 0,0025 % – при наличии [Al]окс = 0,0016-0,0031 %. Аналогично, по рис. 4: при содержании в стали [Al]общ = 0,010 % и содержании [Ca] = 0,0010 % разливаемость металла будет обеспечиваться при соотношении Alокс/Alобщ = 6,25 %, в то время как при содержании в стали [Al]общ = 0,030 % и содержании [Ca] = 0,0010 % – уже при соотношении Alокс/Alобщ = 2,08 % (достичь такого соотношения в производственных условиях практически невозможно). Также весьма затруднительно в производственных условиях обеспечить в необходимых пределах соотношение [Ca]/[Al]окс при содержании [Ca] = 0,0010 %.

Из вышеизложенного следует, что при внепечной обработке стали на выпуске и получении стали на агрегате ковш-печь необходимо ограничивать и контролировать содержание оксидного алюминия. Регламент ввода кальцийсодержащей порошковой проволоки определяют с учетом физико-химического состояния металла конкретной плавки. Это целесообразно не только для обеспечения разливаемости, но и требуемого качества стали.

При выполнении указанных положений обеспечивается стабильное усвоение кальция и трансформация глинозема в жидкие алюминаты кальция. Это дает возможность осуществлять прецизионную обработку металла кальцийсодержащими реагентами. В процессе серийной разливки одноименных марок стали можно регулировать содержание кальция в последующих плавках в зависимости от состояния канала стакана-дозатора. Если при разливке плавки наблюдается зарастание стакана-дозатора, то в последующей плавке следует увеличить содержание кальция, что позволит смыть отложения глинозема и восстановить расходные характеристики системы стопор-стакан.

К примеру, на одном из металлургических предприятий [5] низкокремнистую сталь марки 1006 первоначально разливали на слябовой МНЛЗ без использования кальцийсодержащих материалов, при этом по ходу разливки часто наблюдались нарушения скоростного режима, повышенная технологическая обрезь из-за промывок стакан-дозаторов (2-4 раза за серию), стойкость погружного стакана составляла 2-3 плавки. На рис. 5 показаны отложения глинозема в корундографитовом погружном стакане при непрерывной разливке. В связи с повышенными затратами при выполнении заказов на производство низкокремнистых марок стали решили разработать технологию внепечной обработки и непрерывной разливки этих сталей с использованием кальцийсодержащих материалов. Разработанная технология предусматривала использование при внепечной обработке порошковой проволоки диаметром 13 мм с наполнением феррокальцием в соотношении 60:40, %мас. Наполнение проволоки по кальцию составляло 86 г/м.

Размытие погружного стакана кальцием при непрерывной разливке

Рис. 5. Размытие погружного стакана кальцием при непрерывной разливке

Следует отметить, что на этом металлургическом комбинате присутствует система, позволяющая поддерживать стабильность скоростного режима разливки. Диаграммы скорости разливки, положения стопора, уровня металла в кристаллизаторе дают информацию о зарастании канала стакана-дозатора и погружного стакана или об их размытии и размытии головки стопора. Использование системы автоматического поддержания уровня металла в кристаллизаторе позволяет оперативно реагировать на ситуацию – в случае повышения уровня показаний датчика принимать меры к увеличению содержания кальция в металле, размыванию отложений и стабилизации положения уровня металла. В случае же снижения уровня показаний датчика – принимать меры к уменьшению содержания кальция в металле, предотвращению размывания огнеупоров стопора и стакана.

При неконтролируемом использовании кальцийсодержащих материалов наблюдали размытие погружного стакана и стопора (рис. 5, 6).

Разъедание стопора кальцием при непрерывной разливке

Рис. 6. Разъедание стопора кальцием при непрерывной разливке

Практические исследования показали, что разливка на МНЛЗ без специальных мероприятий по защите стали от вторичного окисления приводит к тому, что содержание алюминия в ней уменьшается в среднем на 0,010-0,014 % (участок стальковш - промковш-кристаллизатор), а кислорода – повышается почти вдвое [6], при этом содержание [Al]окс может увеличиваться на 0,002-0,003 % [1]. Этот глинозем, как и в рассмотренном выше примере, также способствовал зарастанию огнеупорного тракта.

Следует отметить, что на каждой МНЛЗ интенсивность вторичного окисления зависит от состояния огнеупорной металлопроводки и поэтому непредсказуема. Необходимо принимать меры по его устранению и (или) предметно исследовать и учитывать изменения в содержании алюминия и кислорода в металле.

Таким образом, для стабильной разливки металла на МНЛЗ необходимо соблюдать следующие условия: соотношение Са/Alокс должно находиться в пределах 0,8-1,6; содержание [Al]окс в стали должно быть на низком (не более 0,002-0,003 %) уровне в течение всей серии разливки. Для этого во время выплавки, выпуска, внепечной обработки и разливки стали нужно проводить комплекс технологических операций, таких как отсечка шлака, предварительное раскисление металла карбидом кальция, диффузионное раскисление в период внепечной обработки, предотвращение вторичного окисления металла и др.

С помощью приведенных критериев, в зависимости от программы разливки, содержания кальция в металле, соотношения между содержаниями кальция и алюминия в расплаве, можно разработать необходимый технологический регламент внепечной обработки стали порошковыми проволоками и сделать предварительный выбор огнеупоров для разливочной проводки, чтобы достичь оптимального соотношения стойкости огнеупоров и их цены.

ЛИТЕРАТУРА

  • 1. Прецизионная обработка металлургических расплавов / Д. А. Дюдкин, В. В. Кисиленко, И. А. Павлюченков, В. Ю. Болотов. – М.: Теплотехник, 2007. – 424 с.
  • 2. Дюдкин Д. А., Кисиленко В. В. Современная технология производства стали. – М.: Теплотехник, 2007. – 529 с.
  • 3. Характеристика износа огнеупоров при разливке сталей, раскисленных кальцием / Я. Карья, Х. Невапи, У. Хицуен и др. // Металлургический завод и технология. – 1994. – С. 24-28.
  • 4. Дюдкин Д. А., Кисиленко В. В. Особенности разливаемости раскисленной алюминием стали // Сталь. – 2009. – № 1. – С. 24-27.
  • 5. Совершенствование технологии непрерывной разливки низкокремнистых марок стали / Д. А. Дюдкин, В. В. Кисиленко, В. В. Акулов и др. // Бюллетень научно-технической и экономической информации. – 2007. – Вып. 8. – С. 35-37.
  • 6. Процессы непрерывной разливки / А. Н. Смирнов, В. Л. Пилюшенко, А. А. Минаев и др. – Донецк: ДонНТУ, 2002. – 536 с.
  Доклад №4
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ