Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 4.1

Основные мероприятия и технические решения, препятствующие вторичному окислению стали в ходе технологических переливов

Практика выплавки и разливки, конструкционных марок стали свидетельствует о том, что для получения продукции требуемых кондиций необходимо обеспечивать определенный уровень технологии как на этапе выплавки, так и на этапах внепечной обработки и непрерывной разливки. Особое значение при этом приобретает проблема разливки стали на МНЛЗ с возможностью защиты металла от вторичного окисления в ходе технологических переливов.

Практика разливки стали на МНЛЗ показывает, что основными источниками дополнительного загрязнения металла неметаллическими включениями может служить вторичное окисление стали при ее движении от сталеразливочного ковша до кристаллизатора, а также огнеупорные и вспомогательные материалы, с которыми сталь вступает в контакт в процессе движения. Для получения высокой чистоты стали необходимо предотвратить ее вторичное окисление при переливе из сталеразливочного ковша в промковш, а также из промковша в кристаллизатор. Дополнительными источниками загрязнения стали оксидами могут быть подсос воздуха в сталь через стопор промковша и продукты горения при прожигании канала шиберного затвора при открывании отверстия сталеразливочного ковша.

Дозирование стали при переливе из сталеразливочного в промежуточный ковш осуществляется посредством шиберного затвора. Шиберный затвор (рисунок 4.1), обеспечивает равномерную подачу стали в промковш в течение всего периода разливки. Кроме того, он обеспечивает перекрытие струи стали посредством смещения нижней огнеупорной плиты в случае возникновения аварийных ситуаций или замены защитной трубы.

Схема шиберного затвора

Рисунок 4.1 – Схема шиберного затвора

После установки сталеразливочного ковша в позицию, соответствующую позиции перелива стали в промковш, на шиберный затвор устанавливается привод, необходимый для его открытия. Эффективность открытия канала шиберного затвора во многом определяется качеством специальной засыпки, которая засыпается в ковш перед его заполнением металлом (рисунок 4.2).

Механизм работы этой засыпки сводится к тому, что, благодаря рациональному соотношению размеров фракций частиц и соотношению компонентов, входящих в засыпку, при ее взаимодействии с металлом не происходит спекания частиц (в силу термического и химического взаимодействия с металлом) и пропитывания верхнего слоя засыпки жидкой сталью. При наличии жидкой стали в ковше засыпка препятствует развитию капиллярного эффекта для жидкой фазы, исключает упрочнение столба материала в канале за счет дополнительного температурного и фазового расширения его компонентов и предотвращает явление сводообразования (зависания) в шиберном затворе. Материал засыпки имеет грубую зернистую структуру (размеры частиц 0,2-1,5 мм) и высокий показатель текучести. В состав засыпки, как правило, входит 25-30% SiO2, 35-38% Cr2O3, 20-25% Fe2O3, 10-12% Al2O3 и некоторые другие компоненты [301-303].

Общее представление схемы заполнения отверстия шиберного затвора засыпкой

Рисунок 4.2 – Общее представление схемы заполнения отверстия шиберного затвора засыпкой: 1 – спеченный при контакте со сталью слой засыпки; 2 – засыпка без термофизических превращений; 3 – гнездовой блок; 4 – верхний стакан; 5 – шиберный затвор; 6 – коллектор

Использование специальной засыпки обеспечивает практически полное исключение необходимости прожигания канала шиберного затвора, что улучшает условия работы плит шиберного затвора (отсутствие контакта с кислородом при высоких температурах), а также исключает попадание в промковш большого количества оксидов железа, образующихся при прожигании канала кислородом. Это, в свою очередь, снижает скорость зарастания погружных стаканов и повышает выход годной непрерывнолитой заготовки.

Актуальной проблемой непрерывной разливки является вторичное окисление стали [304-306], которое может происходить за счет подсоса воздуха встык между стаканом-коллектором сталеразливочного ковша и защитной трубой, а также встык между стаканом-дозатором промковша и погружным стаканом [307-310]. Это происходит вследствие нарушения герметичности в местах сопряжения огнеупорных деталей. В результате взаимодействия металла с азотом и кислородом воздуха образуются нитридные и оксидные включения, вследствие чего резко понижается качество металла [311-316]. Нормы прироста концентрации азота отличаются у различных марок сталей и находятся в пределах от 0 до 0,004% (для большинства марок стали, эта величина составляет 0,001%). В зависимости от этих норм определяются требования по герметичности сочленений огнеупорных деталей.

Защитная труба (рисунок 4.3 а) устанавливается в процессе разливки стали между сталеразливочным и промежуточным ковшами (рисунок 4.3 б) и предназначена для защиты стали от вторичного окисления на этом участке движения.

1

Рисунок 4.3 – Защитная труба (а) и ее расположение на участке сталеразливочный – промежуточный ковш (б)

Конструкция и геометрическая форма защитной трубы может существенно изменяться в зависимости от условий разливки и требований заказчика. Повышенный износ защитных труб происходит, как правило, в зоне, контактирующей с теплоизолирующей смесью, расположенной на зеркале металла в промковше или в зоне нижнего (погружаемого в металл) торца. В зависимости от химического состава покровной теплоизолирующей смеси и условий разливки стойкость защитной трубы может составлять до 4-6 плавок, а при соответствующем усилении в зоне шлакового пояса (например, керамикой на основе диоксида циркония) эксплуатационная стойкость может достигать 7-8 плавок и более.

На практике соединение между коллектором шиберного затвора и защитной трубой не является герметичным, что обусловливает возможность проникновения воздуха во внутреннюю полость защитной трубы за счет эффекта Вентури.

Для исключения подсоса воздуха в узлах разливки стали на многих металлургических предприятиях используется метод обдува аргоном области сочленения стакана-коллектора и защитной трубы, требующий сложных дорогостоящих устройств [317-320]. При этом необходимо обеспечить высокую точность посадочных размеров сопрягаемых огнеупорных деталей, которая пока достигнута только на предприятиях Германии и Австрии (±0,3-0,5 мм), однако их продукция является весьма дорогостоящей. Альтернативным вариантом защиты стыка от проникновения воздуха является создание «аргонного» барьера посредством специального стального жакета, расположенного непосредственно на верхней части защитной трубы (рисунок 4.4).

Дополнительную защиту струи металла от вторичного окисления обеспечивает термопластичная уплотнительная вставка [321-323]. Прокладка устанавливается в месте стыка рабочих поверхностей коллектора и защитной трубы перед началом ее эксплуатации. Подобранный соответствующим образом материал (огнеупорный наполнитель с неорганическим связующим 50-95%; эластомер 3,5-21%; углеродсодержащий материал 0,5-15%; пластификатор 0,5-10%; антиадгезив 0,5-4%) прокладки обеспечивает надежное уплотнение за счет частичного подплавления прокладки, а также образования химических соединений с высокой устойчивостью к металлургическим шлакам. В процессе эксплуатации в условиях высоких температур происходит образование однородного спеченного материала, сохраняющего герметичность на весь период эксплуатации. Кроме того, в процессе эксплуатации происходит увеличение объема материала, что позволяет заполнить полости соединений и разъемов и, таким, образом обеспечить высокую герметизацию стыка [324].

Фото продольного разреза верхней части защитной трубы с металлическим жакетом для подачи аргона

Рисунок 4.4 – Фото продольного разреза верхней части защитной трубы с металлическим жакетом для подачи аргона

По данным работы [325] в процессе нагрева прокладки до 400 oС происходит размягчение материала и заполнение зазора между сопрягаемыми огнеупорными деталями. При повышении температуры до 800 oС органическая составляющая выгорает, а зерна огнеупорного наполнителя и остаточный углерод удерживаются расплавленным металлическим алюминием, который в данном процессе при температурах 650-1200 oС (при ограниченном доступе воздуха) служит временным связующим и при дальнейшем повышении температуры окисляется до оксида алюминия, что приводит к потере материалом пластичности. Таким образом, использование данного материала позволяет повысить степень герметичности и, как следствие, исключить применение аргона при обдуве конструкции.

Уплотнительная прокладка выполненная целиком из указанного материала, имеет, как правило, один торцевой фланец, обеспечивающий ее посадку и фиксацию при установке в защитную трубу, полностью отсоединяется от коллектора и остается в горловине защитной трубы при демонтаже узла. Развитием конструкции уплотнительной прокладки, позволяющим устанавливать ее на горячую поверхность защитной трубы, является двухфланцевая прокладка (рисунок 4.5) [326].

Общий вид и разрез уплотнительной двухфланцевой огнеупорной вставки

Рисунок 4.5 – Общий вид и разрез уплотнительной двухфланцевой огнеупорной вставки: 1 – дополнительный фланец; 2 – верхний фланец; 3 – графитовое покрытие; 4 – клеящий слой; 5 – съемная защитная пленка; 6 – сигнальная полоса

Уплотнительная двухфланцевая прокладка устанавливается на коллектор после монтажа узла разливки на сталеразливочный ковш (рисунок 4.6) и надежно удерживается на нем во время заполнения ковша сталью и всех операций внепечной обработки стали (УДМ, УПК, вакуумирование). При подаче сталеразливочного ковша на пост разливки на коллектор с уплотнительной прокладкой устанавливается защитная труба (при первой разливке – холодная, при последующих – разогретая до 800-1000 oС). После окончания разливки производится демонтаж узла, защитная труба снимается с коллектора, при этом отработавшая прокладка легко удаляется при промывке трубы кислородом [327].

Узел сопряжения коллектора и защитной трубы с уплотнительной огнеупорной вставкой

Рисунок 4.6 – Узел сопряжения коллектора и защитной трубы с уплотнительной огнеупорной вставкой: 1 – стакан-коллектор; 2 – уплотнительная вставка; 3 – защитная труба

В целом применение уплотнительных вставок значительно уменьшает прирост содержания азота и окисление стали в ходе технологических переливов, а также облегчает демонтаж стыковочного узла за счет наличия пластичного графитового покрытия. Уплотнительные прокладки одинаково эффективно работают как при уплотнении стыка между коллектором и защитной трубой, так и при уплотнении стыка между стаканом-дозатором и погружным стаканом. Особое значение при получении сортовых заготовок высокого качества имеет наличие в разливочной системе погружного стакана, подводящего сталь под уровень металла в кристаллизаторе. Это значительно улучшает гидродинамическую картину развития конвективных потоков в жидкой ванне кристаллизатора и практически полностью исключает вовлечение в перемешивание защитного шлакового покрытия, расположенного на зеркале металла. Между тем спецификой разливки на сортовую заготовку является жесткое ограничение размеров внешнего диаметра погружного стакана в силу того, что между поверхностью погружного стакана и стенкой гильзы кристаллизатора должен выдерживаться определенный зазор. Выбор этого зазора регламентируется условиями появления так называемых «перемычек» затвердевшей стали на зеркале в кристаллизаторе. По мере вовлечения таких участков твердого металла вглубь жидкой ванны происходит нарушение сплошности литой заготовки, что приводит к прорывам или повышенной дефектности готовой металлопродукции. Как правило, расстояние между стенками кристаллизатора и погружным стаканом составляет не менее 30-35 мм. Соответственно, толщина стенок погружного стакана может составлять примерно 15-18 мм. Следовательно, чем меньше сечение заготовки, тем тоньше будет стенка погружного стакана в области расположения шлакообразующей смеси и жидкой стали. Для обеспечения высокой эрозионной стойкости часть погружного стакана в области шлакового пояса выполняется из материала на основе оксида циркония.

Вместе с тем, при разливке марок сталей с высоким содержанием кислоторастворимого алюминия основной причиной дестабилизации процесса разливки является зарастание внутренней полости стакана-дозатора и погружного стакана неметаллическими и шлаковыми включениями, а также вкраплениями стали в виде мелких капель. Как показывают многочисленные наблюдения, явление формирования отложений на внутренней поверхности погружного стакана происходит в течение всего цикла его эксплуатации.

Процесс зарастания внутренней полости погружного стакана характеризуется также заметной неравномерностью его развития во времени и несимметричностью расположения зон отложений относительно вертикальной оси изделия. Несимметричное отложение шлаковых включений на внутренней стенке погружного стакана представляется негативным моментом с точки зрения возможности размывания твердой корочки металла в кристаллизаторе. Поскольку отложение неметаллических включений визуально не поддается оперативному контролю, то, в конечном счете, именно зарастание внутренней полости погружного стакана может служить причиной остановки МНЛЗ или прорыва жидкого металла под кристаллизатором. На наш взгляд, явление пульсирующего зарастания погружных стаканов является существенным источником загрязнения непрерывнолитых заготовок. При этом мельчайшие частицы размером в несколько микрон собираются на стенках погружных стаканов в большие конгломераты, из которых периодически отрываются (выкрашиваются) кластеры и вовлекаются металлом вглубь заготовки.

В промышленных условиях вывод из эксплуатации корундографитовых погружных стаканов очень часто обусловливается либо эрозионным износом в зоне шлакового пояса, либо зарастанием их внутренней полости преимущественно включениями глинозема, что препятствует нормальному течению стали из промковша в кристаллизатор (рисунок 4.7).

Фотографии эрозионного износа погружного стакана в шлаковом поясе и зарастания внутренней полости включениями глинозема

Рисунок 4.7 – Фотографии эрозионного износа погружного стакана в шлаковом поясе (а) и зарастания внутренней полости включениями глинозема (б)

Для увеличения стойкости зона шлакового пояса погружного стакана выполняется из оксида циркония, который хорошо противостоит эрозионному износу. Для повышения эффективности защиты стали от вторичного окисления (а, следовательно, и скорости зарастания внутренней полости) на практике используются погружные стаканы, совмещенные со стаканом-дозатором в единое изделие и устанавливаемые непосредственно в промковше. Невзирая на достаточно очевидные технологические преимущества таких погружных стаканов, следует отметить, что подготовка их к эксплуатации (точная установка в промковше с привязкой к оси кристаллизатора, подогрев изделия перед началом разливки) требует дополнительных усилий и затрат.

Нестационарность и несимметричность процесса зарастания внутренней полости погружного стакана, прежде всего, следует связывать со степенью развития явления вторичного окисления стали на участке «сталеразливочный ковш – кристаллизатор». В условиях разливки стали сериями с защитой струи металла посредством защитной трубы и погружного стакана особое значение приобретает процедура замены сталеразливочных ковшей в ходе разливки. В этот момент происходит интенсивное вторичное окисление стали из-за снятия защитной трубы за несколько минут перед окончанием слива металла из ковша (3-5 минут), что связано с необходимостью визуального контроля момента появления шлака в истекающей струе. В силу того, что установка защитной трубы на новый ковш осуществляется только после открытия шиберного затвора и стабилизации процесса разливки (2-5 мин) процесс интенсивного вторичного окисления металла происходит также и в этот период. Кроме того, дополнительным источником загрязнения стали оксидами является вынужденное «прожигание» сталеразливочного отверстия ковша кислородом в случае не открывания шиберного затвора.

Как показали практические исследования, выполненные авторами настоящей работы на нескольких металлургических предприятиях, в период замены сталеразливочных ковшей при разливке методом «плавка на плавку» содержание кислорода в стали для проб, отобранных из промковша, увеличивается в 2,5-3,5 раза (в зависимости от емкости промковша). В случае «прожигания» сталеразливочного отверстия кислородом эта величина может возрасти еще в несколько раз. Наиболее технологичной схемой является установка защитной трубы до открытия шиберного затвора с использованием засыпки шиберного затвора, которая обеспечивает его беспрепятственное открытие. При этом содержание кислорода в пробах металла, отобранного из промковша, в период замены сталеразливочных ковшей увеличивается только на 30-50% от номинального значения.

При выборе диаметра внутренней полости стакана-дозатора при разливке на сортовую заготовку с использованием стопора-моноблока целесообразно руководствоваться соображениями обеспечения стабильности истечения металла максимально длительное время. С этой точки зрения предпочтительно иметь по возможности больший диаметр, поскольку с его увеличением время зарастания (затягивания) внутренней полости стакана-дозатора существенно увеличивается, а налипание крупных фракций неметаллических включений и частиц шлака в меньшей степени влияет на стабильность процесса разливки. Установлено, что диаметр внутреннего сечения стакана-дозатора может быть увеличен примерно в 1,6-2,0 раза от расчетного диаметра, необходимого для истечения заданного расхода металла.

Геометрическая форма погружного стакана для разливки стали на сортовую заготовку в целом не отличается от традиционной конструкции (рисунок 4.8).

Определяющими размерами при этом является диаметр его внутренней полости и внешний диаметр стакана в зоне погружения в металл. Не менее важным элементом конструкции погружного стакана является место его стыковки со стаканом-дозатором. Функционально стыковочный узел обеспечивает нормальное перетекание стали, а также предотвращает подсос воздуха во внутреннюю полость погружного стакана через стык. Для многоручьевых МНЛЗ наиболее целесообразной представляется стыковка поверхностей стакана-дозатора и погружного стакана по сферической поверхности. В этом случае обеспечивается возможность более точной установки погружного стакана относительно стенок кристаллизатора. Встык между погружным стаканом и стаканом-дозатором, как отмечалось выше, рекомендуется устанавливать термопластичную уплотнительную прокладку.

Расположение стакана-дозатора и погружного стакана при разливке стали

Рисунок 4.8 – Расположение стакана-дозатора и погружного стакана при разливке стали: 1 – стакан-дозатор; 2 – погружной стакан; 3 – место стыка и зазор; 4 – нижняя часть погружного стакана с повышенной эрозионной стойкостью

Уменьшение степени зарастания внутренней полости погружного стакана 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. Исследования, выполненные авторами, показали, что такие изделия работают достаточно эффективно в случае их использования 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 сталей с повышенным содержанием алюминия, что, видимо, объясняется большим количеством глинозема, образующегося при вторичном окислении [328-331].

Таким образом, при разливке стали закрытой струей на сортовых МНЛЗ особое значение имеет защита стали от вторичного окисления, что следует связывать со сравнительно малым сечением внутреннего отверстия погружного стакана. Наиболее уязвимыми местами с точки зрения вторичного окисления являются стык коллектора и защитной трубы, а также стык стакана-дозатора и погружного стакана. Дополнительным источником может быть кислород, попадающий в промковш в ходе прожигания коллектора сталеразливочного ковша при неоткрытии шиберного затвора.

  Раздел 4.1
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ