Огнеупорный аспект при производстве и разливке стали
  Доклад №12

Исследование отложений, образующихся внутри погружного стакана при разливке на слябовой МНЛЗ

Смирнов А.Н., Ухин В.Е., Верзилов А.П., ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет»
Ефимова В.Г., Национальный технический университет Украины «КПИ»

В работе рассмотрены основные факторы, влияющие на зарастание погружных стаканов МНЛЗ. Была проведена оценка характера зон отложений во внутренней полости погружных стаканов в условиях ККЦ ПАО «ММК им. Ильича». В результате проведенных исследований установлен механизм отложения капель стали на неметаллической части отложений погружного стакана.

Ключевые слова: погружной стакан, неметаллические включения, капли металла, зарастание стаканов.

Наиболее ответственным устройством огнеупорного канала МНЛЗ является узел стакан-дозатор – погружной стакан. Основными причинами выхода погружных стаканов из эксплуатации является зарастание внутренней полости различного рода отложениями. Отложения на стенках канала сталеразливочного тракта (стакан-дозатор и погружной стакан, включая сталевыпускные отверстия) вынуждают уменьшать скорость непрерывной разливки вплоть до ее полного прекращения. Формирование отложений во внутренней полости погружного стакана уменьшает площадь проходного сечения, что приводит к падению скорости разливки и в дальнейшем к замене погружного стакана или остановке МНЛЗ. Это снижает производительность МНЛЗ и увеличивает удельные расходы вследствие более частой замены дорогостоящих погружных стаканов. Кроме того, зарастание внутренней полости погружного стакана обусловливает изменения в движении потоков в кристаллизаторе, что, в конечном счете, приводит к увеличению количества поверхностных дефектов и снижает общий уровень чистоты стали [1-3].

Из практики различных металлургических заводов известно, что существуют различные источники и причины попадания разных отложений в канал погружного стакана, развитие которых обусловливает явление зарастания в большей или меньшей степени [4-6].

Основным материалом, из которого изготавливают погружные стаканы, является корундографит. Корунд имеет большую теплопроводность среди керамических материалов (около 30 Вт•м-1 .К-1). Теплопроводность чешуйчатого графита 25-470 Вт•м-1 .К-1 (такой широкий диапазон обусловлен анизотропией пластинок). Использование материалов с высокой теплопроводностью приводит к локальному снижению температуры стали на внутренней поверхности контакта расплава металла со стенкой стакана. Охлаждение металла через стенку снижает растворимость в стали алюминия и кислорода, а также увеличивает вязкость стали. Хотя падение температуры в общем объеме стали мало, но для объема металла, который контактирует с огнеупорной стенкой, потери тепла за счет градиента температур между металлическим расплавом и стаканом весьма существенны.

В условиях разливки металла на входе в стакан-дозатор промежуточного ковша температура металла, поступающего в кристаллизатор близка к температуре ликвидуса и составляет 1475 - 1545 °С. Можно предположить, что на огнеупорной холодной стенке стакана происходит уменьшение температуры до двухфазной области и ниже вплоть до температуры солидуса.

При движении жидкого металла по металлопроводу струя металла отклоняется от вертикали и начинает касаться стенки погружного стакана, например из-за несоосности расположения стопора-моноблока относительно разливочного отверстия стакана и вертикальных перемещений при регулировании уровня металла в кристаллизаторе. В результате теплообмена холодной стенки огнеупора и стали на внутренней поверхности стакана формируется настыль. При этом чем выше теплопроводность стенки, тем вероятнее образование металлической настыли.

Образование затвердевшей стали на стенке стакана увеличивает его шероховатость, сопротивление основному потоку металла и тем самым увеличивает вероятность оседания частиц корунда поскольку на шероховатой поверхности условия для осаждения оксидных частичек энергетически благоприятные.

Известно, что не всегда включения, образовавшиеся в результате смещения равновесия алюминий – кислород в сторону образования глинозема, отложатся на поверхности стакана, так как степень омывания его поверхности струей металла непостоянна как в течение плавки, так и на разных плавках. Температурные условия на поверхности контакта струи стали со стаканом будут изменяться как в течение конкретной плавки, так и при разливке серии плавок. При этом, несмотря на принимаемые меры по удалению неметаллических включений на стадии подготовки металла, в нем всегда остается определенное количество частиц первичных включений, которые служат центрами образования крупных включений за счет налипания на них гомогенно зарождающихся включений, причем в основном небольшого размера. Этот процесс будет способствовать зарастанию канала [7]. При этом в качестве затягивающего стакан материала могут быть не только частицы корунда, но и затвердевшая сталь.

Из этого можно сделать вывод, что степень зарастания стаканов при разливке стали одной марки и на разных ручьях даже в одинаковых условиях будет различаться.

Таким образом, для уменьшения скорости зарастания стаканов необходимо обеспечить как минимальное снижении температуры стали, так и существенное подавление вторичного окисления и сокращение удельной поверхности контакта металла со стаканом.

Для оценки характера распределения зон отложений во внутренней полости было отобрано 18 погружных стаканов МНЛЗ-3 конвертерного цеха Мариупольского металлургического комбината им. Ильича, основная часть которых использовалась при разливке сляба толщиной 150 мм. Отработанные погружные стаканы отбирали в разные дни (июль, август, сентябрь и октябрь 2011 г.). В результате выполненных обобщений относительно зон расположения отложений установлено, что они наиболее характерны в области внутренней полости над выходными отверстиями и в области донышка погружного стакана (рис.1 а). Характер расположения отложений по периметру поперечного сечения погружного стакана приведен на рисунке 1 б.

погружной стакан

Рисунок 1 – Погружной стакан с отложениями: а – схематическое расположение характерных областей отложений во внутренней полости погружного стакана; б – фотография поперечного сечения погружного стакана с отложениями (после разливки на МНЛЗ): 1 – погружной стакан; 2 – отложения; 3 – шлаковый пояс

Для оценки химического состава отложений в разное время были отобраны 6 образцов (в виде 1-2 кусков) с внутренней поверхности погружных стаканов, режимы эксплуатации которых в целом не имели серьезных отклонений и нарушений технологического регламента разливки. Для проведения исследований образцы измельчались, а затем металлическая часть отделялась с помощью магнита. Данные о количестве вкраплений стали в отобранных образцах отложений приведены в табл.1 (правый столбик). Химический анализ отложений (неметаллического остатка) был выполнен на спектрометре с индуктивно связанной плазмой IRISINTEREPID 2 XDLDUO.

Таблица 1 – Содержание различных оксидов в отложениях, отобранных из внутренней полости погружных стаканов, в процентах от немагнитной части

погруэной стакан, содержание оксидов

Установлено, что на внутренней поверхности стакана кроме отложений корунда образуется матрица из затвердевшей стали, в пустотах которой оседают частицы Al2O3.

Количественное распределение металлических частиц по их массе представлено на рисунке 2.

отложения погружного стакана

Рисунок 2 – Количественное распределение металлических частиц в отложениях погружного стакана по массе

В количественном отношении в отобранных отложениях преобладают металлические частицы небольших размеров (менее 1,5-2,0 мм), имеющие геометрическую конфигурацию, которая близка к каплям сферической или приплюснутой формы (рис.3, в). Можно предположить, что эта группа металлических отложений образуется вследствие бурления металла на поверхности металла в погружном стакане или разбрызгивания в нем движущейся струи. Более крупные металлические частицы (рис.3, б) представляют собой включения неправильной геометрической формы и в значительной степени напоминают конгломераты нескольких слипшихся частиц на подложке из неметаллической части отложений.

погружной стакан, металлические отложения

Рисунок 3 – Фотографии крупных (а), средних (б) и мелких (в) металлических частиц, которые находились в отложениях, отобранных из внутренней полости погружных стаканов.

Доля крупных металлических частиц (более 7-8 мм) составляет около 45-50% от общей массы металлических частиц, входящих в отложения. Внешне такие частицы (рис.3, а) представляют собой конгломераты большого количества слипшихся металлических капель, которые в процессе формирования прилегали к поверхности погружного стакана. Поверхность таких металлических частиц имеет характерный ноздреватый рельеф.

Обобщая полученные результаты, следует отметить, что в общей массе отложений доля металлической (отделенной с помощью магнита) части составляет 64,5 – 89,8% (в разных образцах). Следовательно, даже принимая во внимание высокую удельную плотность капель стали (7,7*103 кг/м-3), можно предположить, что они занимают более трети общего объема отложений и соответственно оказывают весьма существенное влияние на динамику зарастания погружного стакана.

Частицы металла обычно располагаются на отложениях белого цвета (глинозем), которые к тому времени уже сформировались на внутренней поверхности погружного стакана.

Характер распределения капель стали на внешней (а) и внутренней (б) поверхности слоя отложений приведен на рисунке 4. В целом эти капли расположены достаточно равномерно по всей поверхности отобранного образца с обеих сторон. Размер капель стали - от достаточно мелких (несколько десятых мм) до крупных (4-6 мм). Между тем основную долю (по массе) составляют крупные стальные включения в несколько миллиметров.

поверхность погружного стакана

Рисунок 4 – Расположение капель стали в отложениях со стороны поверхности погружного стакана (а) и со стороны отверстия (б)

Рассматривая основные возможные механизмы осаждения капель стали на поверхности неметаллической части отложений, можно предложить следующий механизм:

  • в начальный период разливки (после установки погружного стакана) на его внутренней поверхности начинают осаждаться частицы глинозема, которые создают шероховатую поверхность;
  • шероховатая поверхность погружного стакана создает наиболее благоприятные условия для «запутывания» капель стали между отложе-ниями глинозема, частицы которого будут продолжать свой рост, огибая твердые капли стали.

Таким образом, выполненные исследования позволили установить, что металлические частицы, входящие в состав отложений, которые были отобраны на внутренней поверхности погружных стаканов, вероятнее всего представляют собой капли, которые образуются при движении струи металла внутри погружного стакана. Образованию бoльшего количества стальных капель в отложениях способствует меньший перегрев стали над температурой ликвидус в процессе разливки, а также высокий теплоотвод через стенки погружного стакана, что в принципе характерно для корундографитовых материалов. Это особенно проявляется в начале эксплуатации погружного стакана в случае, если он недостаточно прогрет. Еще одним фактором, способствующим образованию стальных капель в отложениях, может быть турбулизация струи стали при ее истечении из стакана-дозатора в погружной стакан.

Библиографический список

  • 1. B. Harcsik, P.Tardy, G. Karoly Examination of nozzle clogging in continuous casting. Revue de Metallurgie. 2012. Р. 177–186.
  • 2. C. Toulouse, A. Pack, A. Ender, S. Petry Stable Oxygen Isotopes for Tracing the Origin of Clogging in Continuous Casting Submerged Entry Nozzles. Formation of non metallic compounds in the solidification processes 15 August 2007, accepted on 12 September 2007. Dusseldorf
  • 3. Rajtora, O. J., Smith, J. D. and Van Aken, D. C.: Effect of Nozzle Permeability on Alumina Accretion During Continuous Steel Casting, (2006), American Iron and Steel Institute, Technology Roadmap Program Office, Pittsburgh, PA 15220, USA.
  • 4. L.A. Frank, Castability, From Alumina to Spinels, Iron and Steelmaker April, 1999, pp. 33-39.
  • 5. K.G. Rackers, B.G. Thomas, Clogging in Continuous Casting Nozzles, 78th Steelmaking Conference Proceedings, 1995, pp. 723-734.
  • 6. W.Tiekink,R.Boom,A.Overbosch,J. Landskroon, B. Deo, Initial stages of alumina formation,VII,CleanSteelConference, Balatonszeplak, Hungary, 2007 CD-ROM.
  • 7. Аксельрод, Л.М. Механизм зарастания погружных стаканов при непрерывной разливке стали / Л.М. Аксельрод, В.М. Паршин и др. // Сталь. — 2007. –№4. – с.30-33.
  Доклад №12
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ